美國AMERICAN氣缸的基本概念：內(nèi)燃機缸體上安放活塞的空腔。是活塞運動的軌道，燃氣在其中燃燒及膨脹，通過氣缸壁還能散去一部分燃氣傳給的爆發(fā)余熱，使發(fā)動機保持正常的工作溫度。美國AMERICAN氣缸的型式有整體式和單鑄式。單鑄式又分為干式和濕式兩種。美國AMERICAN氣缸和缸體鑄成一個整體時稱整體式氣缸;氣缸和缸體分別鑄造時，單鑄的氣缸筒稱為氣缸套。氣缸套與冷卻水直接接觸的稱作濕式氣缸套;不與冷卻水直接接觸的稱作干式氣缸套。為了保持氣缸與活塞接觸的嚴密性，減少活塞在其中運動的摩擦損失，氣缸內(nèi)壁應(yīng)有較高的加工精度和的形狀尺寸。美國AMERICAN氣缸的結(jié)構(gòu)：氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所示：1）缸筒缸筒的內(nèi)徑大小代表了氣缸輸出力的大小?；钊诟淄矁?nèi)做平穩(wěn)的往復(fù)滑動，缸筒內(nèi)表面的表面粗糙度應(yīng)達到Ra0.8μm。氣缸活塞上采用組合密封圈實現(xiàn)雙向密封，活塞與活塞桿用壓鉚鏈接，不用螺母。2）端蓋端蓋上設(shè)有進排氣通口，有的還在端蓋內(nèi)設(shè)有緩沖機構(gòu)。桿側(cè)端蓋上設(shè)有密封圈和防塵圈，以防止從活塞桿處向外漏氣和防止外部灰塵混入缸內(nèi)。桿側(cè)端蓋上設(shè)有導(dǎo)向套，以提高氣缸的導(dǎo)向精度，承受活塞桿上少量的橫向負載，減小活塞桿伸出時的下彎量，延長氣缸使用壽命。導(dǎo)向套通常使用燒結(jié)含油合金、前傾銅鑄件。端蓋過去常用可鍛鑄鐵，為減輕重量并防銹，常使用鋁合金壓鑄，微型缸有使用黃銅材料的。3）活塞活塞是氣缸中的受壓力零件。為防止活塞左右兩腔相互竄氣，設(shè)有活塞密封圈。活塞上的耐磨環(huán)可提高氣缸的導(dǎo)向性，減少活塞密封圈的磨耗，減少摩擦阻力。耐磨環(huán)長使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹脂等材料。活塞的寬度由密封圈尺寸和必要的滑動部分長度來決定?；瑒硬糠痔蹋滓鹪缙谀p和卡死。活塞的材質(zhì)常用鋁合金和鑄鐵，小型缸的活塞有黃銅制成的。4）活塞桿活塞桿是氣缸中zui重要的受力零件。通常使用高碳鋼、表面經(jīng)鍍硬鉻處理、或使用不銹鋼、以防腐蝕，并提高密封圈的耐磨性。5）密封圈回轉(zhuǎn)或往復(fù)運動處的部件密封稱為動密封，靜止件部分的密封稱為靜密封。缸筒與端蓋的連接方法主要有以下幾種：整體型、鉚接型、螺紋聯(lián)接型、法蘭型、拉桿型。6）氣缸工作時要靠壓縮空氣中的油霧對活塞進行潤滑。也有小部分免潤滑氣缸。美國AMERICAN氣缸的故障解決方案：1.汽缸變形較大或漏汽嚴重的結(jié)合面，采用研刮結(jié)合面的方法如果上缸結(jié)合面變形在0.05mm范圍內(nèi)，以上缸結(jié)合面為基準面，在下缸結(jié)合面涂紅丹或是壓印藍紙，根據(jù)痕跡研刮下缸。如果上缸的結(jié)合面變形量大，在上缸涂紅丹，用大平尺研出痕跡，把上缸研平?；蚴遣扇C械加工的方法把上缸結(jié)合面找平，再以上缸為基準研刮下缸結(jié)合面。美國AMERICAN氣缸結(jié)合面的研刮一般有兩種方法：⑴是不緊結(jié)合面的螺栓，用千斤頂微微推動上缸前后移動，根據(jù)下缸結(jié)合面紅丹的著情況來研刮。這種方法適合結(jié)構(gòu)剛性強的高壓缸。⑵是緊結(jié)合面的螺栓，根據(jù)塞尺的檢查結(jié)合面的嚴密性，測出數(shù)值及壓出的痕跡，修刮結(jié)合面，這種方法可以排除汽缸垂弧對間隙的影響。2.采用適當(dāng)?shù)钠酌芊獠牧?br />因汽輪機汽缸密封劑還沒有統(tǒng)一的國家標準和行業(yè)標準，制作原料和配方也各不相同，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊；在選擇汽輪機汽缸密封劑時，就要選在行業(yè)內(nèi)有口碑，產(chǎn)品質(zhì)量有保證的正規(guī)生產(chǎn)廠家，以保證檢修處理后汽缸的嚴密性。3.局部補焊的方法由于美國AMERICAN氣缸結(jié)合面被蒸汽沖刷或腐蝕出溝痕，選用適當(dāng)?shù)暮笚l把溝痕添平，用平板或平尺研出痕跡，研刮焊道和結(jié)合面在同一平面內(nèi)。汽缸結(jié)合面變形較大或是漏汽嚴重時，在下缸的結(jié)合面補焊一條或兩條10—20mm寬的密消除間隙封帶，然后用平尺或是扣上缸測量，并涂紅丹研刮，直到消除間隙。此操作的工藝也很簡單，焊前預(yù)熱汽缸至150℃，然后在室溫下進行分段退焊或跳焊。選用奧氏體焊條，如A407、A412，焊后用石棉布覆蓋保溫緩冷。待冷卻室溫后進行打磨修刮。4.汽缸結(jié)合面的涂鍍或噴涂當(dāng)汽缸結(jié)合面大面積漏汽，間隙在0.50mm左右時，為了減少研刮的工作量，可用涂鍍的工藝。用汽缸做陽極，涂具做陰極，在汽缸的結(jié)合面上反復(fù)涂刷電解溶液，涂層的厚度要根據(jù)汽缸結(jié)合面間隙的大小而定，涂層的種類要根據(jù)汽缸的材料和修刮的工藝而定。噴涂就是用的高溫火焰噴槍把金屬粉末加熱至熔化或達到塑性狀態(tài)后噴射于處理過的汽缸表面，形成一層具有所需性能的涂層方法。其特點就是設(shè)備簡單，操作方便涂層牢固，噴涂后汽缸溫度僅為70℃—80℃不會使汽缸產(chǎn)生變形，而且可獲得耐熱，耐磨，抗腐蝕的涂層。注意的是在涂渡和噴涂前都要對缸面進行打磨、除油、拉毛，在涂渡和噴涂后要對涂層進行研刮，保證結(jié)合面的嚴密。5.結(jié)合面加墊的方法如果結(jié)合面的局部間隙泄漏不是很大，可用80—100目的銅網(wǎng)經(jīng)熱處理使其硬度降低，然后剪成適當(dāng)?shù)男螤?，鋪在結(jié)合面的漏汽處，再配以汽缸密封劑。如果結(jié)合面的間隙較大，泄漏嚴重，可在上下結(jié)合面開寬50mm深5mm的槽，中間鑲嵌IGr18Ni9Ti的齒形墊，齒形墊的厚度一般比槽的深度大0.05—0.08mm左右，并可用同等形狀的不銹鋼墊片做以調(diào)整。6.控制螺栓應(yīng)力的方法如果美國AMERICAN氣缸結(jié)合面的變形較小，而且很均勻，可在有間隙處更換新的螺栓，或是適當(dāng)?shù)募哟舐菟ǖ念A(yù)緊力。按從中間向兩邊同時緊固，也就是從垂弧zui大處或是受力變形zui大的地方緊固螺栓。理論上來說，控制螺栓的預(yù)緊力可用公式d/L≤A來計算，但由于此計算的數(shù)據(jù)與測量的手段還在研究當(dāng)中，沒有達到推廣，多在螺栓的允許的zui大應(yīng)力內(nèi)根據(jù)經(jīng)驗而定。7.新時期采用的高分子材料方法隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，高分子復(fù)合材料逐漸在氣缸維護中取得了成功的應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)手段相比，高分子復(fù)合材料具有較為優(yōu)異的耐溫性能，良好的耐壓性能，以及更為出色的密封性能，且具有良好的塑變性，受熱不會固化，密封膜不會被破壞，從而保證了機件密封面的密封；加之易于清除，使用過的密封面可以用無水乙醇或丙酮輕易的擦去，而不會附著于密封面；由于其優(yōu)異的性能，逐漸受到越來越多氣缸企業(yè)的青睞。美國AMERICAN氣缸的技術(shù)性能：*，相比電動執(zhí)行器，氣缸可在惡劣條件下可靠地工作，且操作簡單，基本可實現(xiàn)免維護。氣缸擅長作往復(fù)直線運動，尤其適于工業(yè)自動化中zui多的傳送要求——工件的直線搬運。而且，僅僅調(diào)節(jié)安裝在美國AMERICAN氣缸兩側(cè)的單向節(jié)流閥就可簡單地實現(xiàn)穩(wěn)定的速度控制，也成為氣缸驅(qū)動系統(tǒng)zui大的特征和優(yōu)勢。所以對于沒有多點定位要求的用戶，絕大多數(shù)從使用便利性角度更傾向于使用氣缸。目前工業(yè)現(xiàn)場使用電動執(zhí)行器的應(yīng)用大部分都是要求高精度多點定位，這是由于用美國AMERICAN氣缸難以實現(xiàn)，退而求其次的結(jié)果。而電動執(zhí)行器主要用于旋轉(zhuǎn)與擺動工況。其優(yōu)勢在于響應(yīng)時間快，通過反饋系統(tǒng)對速度、位置及力矩進行控制。但當(dāng)需要完成直線運動時，需要通過齒形帶或絲桿等機械裝置進行傳動轉(zhuǎn)化，因此結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，而且對工作環(huán)境及操作維護人員的專業(yè)知識都有較高要求。美國AMERICAN氣缸的優(yōu)勢：（1）對使用者的要求較低。氣缸的原理及結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝維護，對于使用者的要求不高。電缸則不同，工程人員必需具備一定的電氣知識，否則極有可能因為誤操作而使之損壞。（2）輸出力大。氣缸的輸出力與缸徑的平方成正比；而電缸的輸出力與三個因素有關(guān)，缸徑、電機的功率和絲桿的螺距，缸徑及功率越大、螺距越小則輸出力越大。一個缸徑為50mm的氣缸，理論上的輸出力可達2000N，對于同樣缸徑的電缸，雖然不同公司的產(chǎn)品各有差異，但是基本上都不超過1000N。顯而易見，在輸出力方面氣缸更具優(yōu)勢。（3）適應(yīng)性強。氣缸能夠在高溫和低溫環(huán)境中正常工作且具有防塵、防水能力，可適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。而電缸由于具有大量電氣部件的緣故，對環(huán)境的要求較高，適應(yīng)性較差。美國AMERICAN氣缸的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3個方面：（1）系統(tǒng)構(gòu)成非常簡單。由于電機通常與缸體集成在一起，再加上控制器與電纜，電缸的整個系統(tǒng)就是由這三部分組成的，簡單而緊湊。（2）停止的位置數(shù)多且控制精度高。一般電缸有低端與之分，低端產(chǎn)品的停止位置有3、5、16、64個等，根據(jù)公司不同而有所變化；產(chǎn)品則更是可以達到幾百甚至上千個位置。在精度方面，電缸也具有的優(yōu)勢，定位精度可達¡0.05mm，所以常常應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體等精密的行業(yè)。（3）柔韌性強。毫無疑問，電缸的柔韌性遠遠強于氣缸。由于控制器可以與PLC直接進行連接，對電機的轉(zhuǎn)速、定位和正反轉(zhuǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)控制，在一定程度上，電缸可以根據(jù)需要隨意進行運動；由于氣體的可壓縮性和運動時產(chǎn)生的慣性，即使換向閥與磁性開關(guān)之間配合地再好也不能做到美國AMERICAN氣缸的準確定位，柔韌性也就無從談起了。在技術(shù)性能方面，本人認為電動和氣動各有所長，首先電動執(zhí)行器的優(yōu)勢主要包括：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧。比起氣動執(zhí)行器，電動執(zhí)行器結(jié)構(gòu)相對簡單，一個基本的電子系統(tǒng)包括執(zhí)行器，三位置DPDT開關(guān)、熔斷器和一些電線，易于裝配。（2）電動執(zhí)行器的驅(qū)動源很靈活，一般車載電源即可滿足需要，而氣動執(zhí)行器需要氣源和壓縮驅(qū)動裝置。（3）電動執(zhí)行器沒有“漏氣”的危險，可靠性高，而空氣的可壓縮性使得氣動執(zhí)行器的穩(wěn)定性稍差。（4）不需要對各種氣動管線進行安裝和維護。（5）可以無需動力即保持負載，而氣動執(zhí)行器需要持續(xù)不斷的壓力供給。（6）由于不需要額外的壓力裝置，電動執(zhí)行器更加安靜。通常，如果氣動執(zhí)行器在大負載的情況下，要加裝消音器。（7）電動執(zhí)行器在控制的精度方面更勝*。（8）氣動裝置中的通常需要把電信號轉(zhuǎn)化為氣信號，然后再轉(zhuǎn)化為電信號，傳遞速度較慢，不宜用于元件級數(shù)過多的復(fù)雜回路。而美國AMERICAN氣缸的優(yōu)勢則在于以下4個方面：（1）負載大，可以適應(yīng)高力矩輸出的應(yīng)用（不過，現(xiàn)在的電動執(zhí)行器已經(jīng)逐漸達到目前的氣動負載水平了）。（2）動作迅速、反應(yīng)快。（3）工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射和振動等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電子、電氣控制更*。（4）行程受阻或閥桿被扎住時電機容易受損。購買和應(yīng)用成本比較從總體上來講，電伺服驅(qū)動比氣動伺服驅(qū)動要貴，但也要因具體要求及場合而定。有些小功率的直流電機構(gòu)成電動滑臺(電伺服系統(tǒng))實際上比氣動伺服系統(tǒng)要便宜。如：當(dāng)負載為1.5kg、工作行程為80mm、速度在2~170mm/s之間、精度為¡0.1mm、加速度2.5m/s2等工況條件時，F(xiàn)ESTO公司采用小型電動滑臺、控制器、馬達電纜、控制電纜、編程電纜以及電源電纜等組成的電伺服系統(tǒng)，其價格就比氣動伺服系統(tǒng)便宜25%。同樣，對于帶活塞桿電缸也是如此。需要說明的是如果采用交流電機的話，所組成的電伺服系統(tǒng)的價格要比氣動伺服系統(tǒng)高出40%左右。從購買和應(yīng)用成本來看，目前氣缸還是具有比較明顯的優(yōu)勢的。對于氣動系統(tǒng)來說，控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)都非常簡單，每個氣缸只需配置一個電磁閥就可完成氣路的切換，進行運動控制，氣缸發(fā)生故障的概率也比較小，維護簡單方便，成本也低。而對于電動執(zhí)行器來說，雖然電能的獲得比較簡單，能量成本較低，但購買及應(yīng)用成本較高，不僅需要配置電機，還需要一套機械傳動機構(gòu)以及相應(yīng)的驅(qū)動元件。同時使用電動執(zhí)行器需要很多保護措施，錯誤的電路連接、電壓的波動及負載的超載都會對電驅(qū)動器造成損壞，因此需要在電路及機械上加裝保護系統(tǒng)，增加了很多額外的費用支出。另外，由于電動執(zhí)行器驅(qū)動單元的參數(shù)化設(shè)置較多，且集成度高，所以其一旦發(fā)生故障，就要更換整個元件。而且當(dāng)系統(tǒng)需要的驅(qū)動力增加時，也要成套更換元件才能實現(xiàn)。因此綜合比較可以看出氣缸在購買及維護成本上有較大優(yōu)勢。能源效率比較我們研究的結(jié)果表明，在往復(fù)運動周期較短（小于1min）的水平往復(fù)運動中，電動執(zhí)行器的運行能耗通常低于美國AMERICAN氣缸的運行能耗，即更節(jié)能。而在往復(fù)運動周期較長（大于1min）時，氣缸竟然變得更節(jié)能。這首先是由于終端停止時電動執(zhí)行器的控制器通常需要消耗約10W的電力，而美國AMERICAN氣缸僅有電磁閥耗電和氣體泄露，一般低于1W，即終端停止時間越長，對氣缸越有利；其次電機在連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下的額定效率可達90%以上，但在直線往復(fù)運動（絲杠轉(zhuǎn)換）中的臺形加減速旋轉(zhuǎn)條件下的平均效率卻不到50%。在豎直往復(fù)運動時，夾持工件的保持動作要求不斷供給電流給電動執(zhí)行器以克服重力，而氣缸只需關(guān)閉電磁閥即可，耗電極少。因此在豎直往復(fù)運動時電動執(zhí)行器相比氣缸的能耗優(yōu)勢不是很大。由上可見，電機本身效率很高，但在往復(fù)直線運動中考慮其效率下降及控制器的電力消耗，電動執(zhí)行器未必一定比美國AMERICAN氣缸節(jié)能，具體比較取決于實際的工作條件，即安裝方向、往復(fù)運動周期和負載率等。應(yīng)用場合比較氣動系統(tǒng)和電動系統(tǒng)并不互相排斥。相反，這只是一個要求不同的問題。氣動驅(qū)動器的優(yōu)勢顯而易見，當(dāng)面臨諸如灰塵、油脂、水或清潔劑等惡劣的環(huán)境條件時，氣動驅(qū)動器就顯得較適應(yīng)惡劣環(huán)境，而且非常堅固耐用。氣動驅(qū)動器容易安裝，能提供典型的抓取功能，價格便宜且操作方便。在作用力快速增大且需要定位的情況下，帶伺服馬達的電驅(qū)動器具有優(yōu)勢。對于要求、同步運轉(zhuǎn)、可調(diào)節(jié)和規(guī)定的定位編程的應(yīng)用場合，電驅(qū)動器是的選擇，帶閉環(huán)定位控制器的伺服或步進馬達所組成的電驅(qū)動系統(tǒng)能夠補充氣動系統(tǒng)的不足之處。從技術(shù)和使用成本的角度來說，美國AMERICAN氣缸占有較明顯的優(yōu)勢，但在實際使用中究竟應(yīng)該選用哪種技術(shù)做驅(qū)動控制，還是應(yīng)從多方因素進行綜合考量。現(xiàn)代控制中各種系統(tǒng)越來越復(fù)雜、越來越精細，并不是某種驅(qū)動控制技術(shù)就可滿足系統(tǒng)的多種控制功能。美國AMERICAN氣缸可以簡單的實現(xiàn)快速直線循環(huán)運動，結(jié)構(gòu)簡單，維護便捷，同時可以在各種惡劣工作環(huán)境中使用，如有防爆要求、多粉塵或潮濕的工況。電動執(zhí)行器主要用于需要精密控制的應(yīng)用場合，現(xiàn)在自動化設(shè)備中柔性化要求在不斷提升，同一設(shè)備往往要求適應(yīng)不同尺寸工件的加工需要，執(zhí)行器需要進行多點定位控制，而且要對執(zhí)行器的運行速度及力矩進行控制或同步跟蹤，這些利用傳統(tǒng)氣動控制是無法實現(xiàn)的，而電動執(zhí)行器就能非常輕松的實現(xiàn)此類控制。由此可見美國AMERICAN氣缸比較適用于簡單的運動控制，而電執(zhí)行器則多用于精密運動控制的場合。市場形勢比較氣缸驅(qū)動系統(tǒng)自70年代以來就在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了迅速普及。今天，氣缸已成為國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中PTP（PointToPoint）搬運的主流執(zhí)行器，以氣缸驅(qū)動系統(tǒng)為核心的氣動元器件市場規(guī)模已達到110億美元的規(guī)模。九十年代開始，電機及其微電子控制技術(shù)迅速發(fā)展，使電動執(zhí)行器在工業(yè)自動化中的應(yīng)用成為可能。而且，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的興起也直接促進了能實現(xiàn)高精度多點定位的電動執(zhí)行器在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的擴大。九十年代末期，日本等主要工業(yè)發(fā)達國家，甚至一度出現(xiàn)了電動執(zhí)行器即將取代氣缸，氣缸將退出歷史舞臺的論調(diào)。因為人們普遍認為電動執(zhí)行器中電機的能量轉(zhuǎn)換效率高，而氣缸能量轉(zhuǎn)換效率較低，低效的產(chǎn)品必將被淘汰出局。然而，十年過去了，電動執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場并未得到普及，其市場規(guī)模與氣動相比還有很大差距。而且，無論是在工業(yè)發(fā)達國家，還是在中國等新興工業(yè)國家，氣缸的銷量不僅沒有減少，而且還在穩(wěn)步地增長。在中國，近幾年氣缸銷量的年增長速度一直維持在20%以上。如需要科學(xué)、客觀地評價兩者，必須采用全生命周期評價（LifeCycleAssessment）手法，考慮比較制造階段、使用階段、廢棄階段三個階段的綜合指標。具體指標有成本、能耗、對環(huán)境的負擔(dān)（主要是排放物等）。譬如成本，電動執(zhí)行器在運行能耗（使用階段）成本上有優(yōu)勢，但維護成本（使用階段）和購置成本（制造階段）都比氣缸要高得多，在該指標上的比較應(yīng)建立在所有成本的總和上。在總成本上，我們的研究結(jié)果表明，氣缸在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用場合具有一定優(yōu)勢。綜合以上分析，我們應(yīng)該看出，美國AMERICAN氣缸與電動執(zhí)行器各有特點，不可單純地用效率的高低來評價其優(yōu)劣。隨著電氣技術(shù)的發(fā)展，電動執(zhí)行器的成本還會進一步下降，預(yù)期其應(yīng)用領(lǐng)域還會進一步拓廣，但要完自吸無堵塞排污泵全取代氣缸是不現(xiàn)實的。從市場形式來看，前面己經(jīng)提到若電缸從一開始就參照美國AMERICAN氣缸的外形及安裝連接尺寸生產(chǎn)，是一個很好的開端。而對于目前還未有ISO標準的無桿氣缸和氣動滑臺，則同樣采用相對應(yīng)的外形及安裝連接尺寸，這個便利的措施能夠杜絕氣驅(qū)動與電驅(qū)動在安裝、添置或更換方面無謂的競爭。FESTO公司的電驅(qū)動產(chǎn)品包含了300多種可自由組合的抓取模塊和多軸系統(tǒng)。在美國AMERICAN，電驅(qū)動器不是氣動驅(qū)動器的競爭產(chǎn)品，而是對氣動驅(qū)動器性能的補充。電驅(qū)動器的特點是和靈活。在作用力快速消失和需要定位的應(yīng)用場合，電驅(qū)動器是無堵塞自吸排污泵理想的決方案。因此今后氣缸與電動執(zhí)行器的發(fā)展應(yīng)該是處于非常良性狀況和互補的，也一定會按照這兩門技術(shù)自身的科學(xué)自然發(fā)展規(guī)律發(fā)展。
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