２０１０年第４期 液压与气动 ５９
一种快速气缸的设计
谢群 ，王键 ，张家易 ，单东升
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｋｉｎｄ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ
ＸＩＥ Ｑｕｎ ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａ—ｙｉ ，ＳＨＡＮ Ｄｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ
（１．沈阳理工大学机械学院，辽宁沈阳１１０１６８；２．沈阳重型机械集团有限责任公司，辽宁沈阳１１００２５）
摘 要：该文介绍了一种快速气缸的工作原理和结构设计。经过计算和试验证明，该快速气缸的速度比
普通气缸的速度大１０倍左右。该快速气缸方案的提出可以为相关设计人员提供参考。 关键词：快速气缸；蓄气缸；快排阀
中图分类号：ＴＨ１３８ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００４８５８（２０１０）０４．（）０５９＿０３
１ 引言 某试验机是用于对工件进行高能量冲击试验的设
备，它是利用高速旋转的冲击装置冲击工件，将工件击 出，测试工件性能。因此其对工件的切人有很高的要 求，首先需要满足快速切人的速度要求，同时还要求满 足从给出信号到工件到位的时间误差要在允许的范围
内，否则会引起工件与高速旋转冲击装置的碰撞而引 发事故。试验机切入装置要求将质量为２ 的工件
在２０ ｍｓ内通过２００ ｍｍ距离，即快速输送机构必须以 １０ ｍ／ｓ的平均速度将工件输送到位，要求时间精度为 ±１ ｍｓ。为此，我们采用了气压传动来实现工件的快
速切人。该传动装置主要包括一个快速气缸和它的控 制阀部分。对于快速缸的设计，我们主要根据冲击气
缸的原理设计了气缸的结构，利用气体压缩产生的压 力能膨胀转化为动能产生所需要的高速，利用控制阀
控制蓄气缸的充气、工作缸的运动和快排阀的开关。 经过计算和试验证明，该快速气缸能够满足试验机快
速切人工件的要求。 ２快速气缸的结构特点 为了使气缸在很短的时间内获得大于１０ ｍ／ｓ的 速度，根据快排型冲击气缸的原理，在气缸的设计上采 用了在普通气缸结构基础上增加了蓄气缸和快排阀装
置。快速前进时蓄气缸往工作缸进气腔充气，同时，在 气缸的排气腔直接通大气以减小排气阻力。为了获得
高速，将活塞杆直径减小以减轻移动部件的质量。当 气缸运行接近终点时，为了避免气缸活塞撞击缸底，设 计了缓冲垫装置，将冲击力通过缓冲垫传递到支架上，
避免了活塞运行终点时对缸底的冲击，造成气缸的损 坏。因此，快速气缸由４个部分组成，蓄气缸、工作缸、 快排阀和缓冲垫装置，为了适应快速缸的高速要求，在 快速缸的快速活塞密封上采用了Ｔ型特康格来圈密
封和特开斯来圈导向，如图１所示。
ｌ ２ １．斯来圈２．格来圈 图１工作缸活塞密封结构图
３快速切入装置的工作原理 快速切入装置的工作原理为（见图２）：
１．快排阀２．工作缸３．蓄气缸４．支架５．缓冲垫 图２快速缸结构图
（１）准备工作：二位五通换向控制阀Ｅｌ和Ｅ２处 于原始位置，快排阀１活塞处于左端终点位置，工作缸 ２快速排气口打开，蓄气缸３中充满压缩空气。工作
缸活塞杆右端伸出，利用外部卡紧机构卡住，使活塞处
收稿日期：２００９—１２—１８ 作者简介：谢群（１９６５一），女，辽宁沈阳人，副教授，硕士，主 要从事流体传动与控制专业方向的教学与研究工作。
液压与气动 ２０１０年第４期
于右端终点位置； （２）工作时：工作缸活塞杆被释放，工作缸活塞在
蓄气缸压力作用下左移，活塞离开喷气口后，蓄气缸压 力迅速充满活塞右腔，由于压缩空气的作用面积增大，
使活塞受力突然增大，活塞在很大的气压力作用下迅速 加速，活塞左腔与大气相通几乎没有排气阻力，活塞运
行到左端终点时撞击缓冲垫５停止，将工件移送到位； （３）工件移送结束后，电磁换向阀Ｅ１电磁铁
１ＹＡ通电，快排阀活塞右移，将工作缸快排口关闭。 电磁换向阀Ｅ２电磁铁２ＹＡ通电，工作缸左腔进压缩 空气，右腔排气，活塞右移回程。回程到终点后活塞杆 被卡住，活塞停在右端终点位置。１ＹＡ断电，快排阀
活塞左移，打开快排口，２ＹＡ断电，蓄气缸充气，准备 下一个快速移送工件过程。 ４设计计算
设计参数如下；移送时间ｔ＝２０ ｍｓ；行程ｓ＝２００ ｍｍ；选取气体工作压力Ｐ＝０．５ ＭＰａ（相对压力）；工件 与工作缸活塞和活塞杆质量ｍ＝２０ ｋｇ；蓄气缸长度
：２００ ｍｍ： ４．１ 快速缸活塞与活塞杆直径的计算
由 ５：＿Ｉ１ 口ｆ （１）
得 口＝孕＝ ＝１０００（／］Ｉ／／Ｓ２ｔ ０ ０２ ） －
● ● 式中ａ为活塞及工件运动加速度（ｍ／ｓ ）。 又 Ｆ＝ｍａ＝２０×１０００＝２００００（Ｎ） （２） 式中Ｆ为活塞所受到的压缩气体作用力（Ｎ）。
由Ｐ：÷ （３）
得 Ａ＝ Ｆ＝ ＿０．０２９（ｍ ） ｐ ／×ＩＵ
５Ｌ 一ｄＡ Ｄ ｄ ）（４）＝孚（ 一 ） （）
式中：Ａ为活塞气体压力作用面积（ｍ ）；Ｄ为工作缸 活塞直径（ｍ）；ｄ为工作缸活塞杆直径（ｍ）；为了减少
移动部件质量，取ｄ／Ｄ＝０．１４，则Ｄ＝０．１９４ ｍ，取Ｄ＝ ２００ ｍｍ；ｄ＝２８ ｍｍ。 ４．２速度计算ｌ】Ｊ 活塞所受到的压缩气体的作用力
Ｆ＝｝（Ｄ—ｄ ）（Ｐ：～Ｐ ） （５）
式中：Ｐ：为活塞上作用的瞬时压力（绝对压力）
（ＭＰａ）；Ｐ 为大气压力（绝对压力）（Ｐ ＝０．１ ＭＰａ）。 ｄＷ＝Ｆｄｘ＝孚（Ｄ—ｄｚ）（ｐ：一Ｐａ） （６）
：［ ］¨＝（
式中：Ｐ为蓄气缸供气压力（绝对压力），ｐ。＝ｐ＋ｐ。＝
ｄＷ＝ ｃＤ 一 ， ）
＝孚（Ｄ 一ｄｚ）
［一 ‘ 卅 （８）
ｃ＝ （Ｄ 一 ） －
Ｗ＝孚（Ｄ 一ｄ ）
［ Ｊｆ－ ］： １（Ｊ）
根据功能原理 Ｗ＝÷ｍ （９）
：１２．一（ｍ／１／ｍ／ｓ）／～＝． Ｓ Ｊ ｍ
下进行重复试验，试验数据如表ｌ所示。 表１试验数据
次数 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８
时间（ｍｓ） ２０．６ ２０．４ ２Ｏ．４ ２０．８ ２０．５ ２Ｏ．６ ２Ｏ．８ ２０．６
经试验测试，该快速缸可以满足快速切人工件的 要求，平均速度达到ｌ０ ｍ／ｓ，时间精度小于±１ ｍｓ。
６结束语 所设计的快速气缸在快排型冲击气缸原理的基础
上，在结构原理上，采用了新型密封导向装置，同时，增 ２０１０年第４期 液压与气动 ６１
盾构机试验台的ＰＬＣ控制
王雪，王守城，郑博，罗力维
ＰＬＣ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｈｉｅｌｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｅｓｔ—ｂｅｄ
ＷＡＮＧ Ｘｕｅ，ＷＡＮＧ Ｓｈｏｕ—ｃｈｅｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｂｏ，ＬＵＯ Ｌｉ—ｗｅｉ
（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛２６６￣１）
摘要：介绍了盾构试验台液压系统的工作原理。阐述了ＰＬＣ在盾构试验台液压控制系统中的应用。
对控制系统的硬件结构、软件组成、控制过程等作了详细介绍，实现了对盾构机试验台液压系统的顺序控制， 达到了预定的控制要求。 关键词：盾构机试验台；液压回路；控制系统；ＰＬＣ
中图分类号：ＴＨ１３７文献标识码：Ｂ文章编号：１０００４８５８（２０１０）０４￣０６１．（）３
盾构掘进机是一种隧道掘进的专用工程机械，现 代盾构掘进机集机、电、液、传感、信息技术于一体，具
有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道、衬砌、测量导 向、纠偏等功能。盾构掘进机已经广泛用于地铁、铁 路、公路、市政、水电隧道工程¨ 。
而盾构机试验台，可以通过对盾构机控制系统的 模拟试验，达到缩短盾构控制系统研发周期、检测盾构
控制系统的正确性的目的，并为隧道施工提供技术 支撑。 本文介绍了盾构试验台液压系统的工作原理，并
应用西门子ｓ７—２００系列ＰＬＣ等部件构成其电气控制 系统，以达到控制要求。 １盾构机液压系统的工作原理 １．１ 组成
盾构机液压系统由３部分组成：一个阀控液压缸 回路（左部），是盾构机的推进系统，为盾构机掘进提 供动力；一个阀控双向马达回路（中部），是盾构机的 刀盘控制系统，为刀盘切削土体提供动力；一个单向阀 控马达回路（右部），是盾构机的螺旋输送机控制系
统，为盾构机排土提供动力。 图１所示为盾构机液压控制系统原理图，液压系
统在主油路上采用定量泵、伺服换向阀等实现压力自 适应控制。 １．电磁溢流阀２．过滤器３．定量液压泵４压力表６．换向阀 ５、７、８．调速阀９．电液伺服阀１０．三位四通电磁换向阀 １１．二位三通电磁换向阀１２．液压缸ｌ３．双向液压马达 １４．单向液压马达１５．伺服放大器 图１盾构机液压推进系统原理图
１．２工作过程 刀盘控制：刀盘采用液压驱动。掘进时，刀盘电机 启动并正常运行后，选择正转（或反转），控制电液伺
收稿日期：２００９－ｌ２－０３ 作者简介：王雪（１９８４一），女，吉林辽源人，硕士，主要从事液 压技术，ＰＬＣ控制方面的科研工作。
加了缓冲垫装置，有效地将冲击力传递到支架，减小了 对快速缸的冲击，经过设计计算和试验证明该气缸满
足设计要求。 参考文献： ［１］郑洪生．气压传动［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８１．３９
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