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气动执行元件的应用
气动与液压技术
项目二
项目二 气动执行元件的应用
学习目标
1.了解气动执行元件的分类。
2.熟悉常用气缸的结构特点和工作原理。
3.熟悉常用气动马达的结构特点和工作原理。
任务一 认识气动执行元件
任务二 气动执行元件的选用
项目二 气动执行元件的应用
认识气动执行元件
一、
项目二 气动执行元件的应用
公共汽车及客车门的开、关，机械手搬运工件，液体药品灌装生产线，工件夹紧等都是由气动执行元件来完成的，如图所示。了解气动执行元件的工作原理及安装维护方法，是从事机电一体化工作的基础之一。
任务一 认识气动执行元件
任务引入
气动执行元件的应用
气动执行元件是将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构做往复直线运动、往复摆动或连续回转运动的元件。
气动执行元件包括气缸和气动马达两大类，其中气缸又分为直线往复运动的气缸和摆动气缸，用于实现直线运动和摆动；气动马达用于实现连续回转运动。
以气动夹具为例，其气缸将压缩空气的压力能转换成往复直线运动的机械能。
任务分析
任务一 认识气动执行元件
气缸的种类很多，结构各异，分类方法也较多，常见的有以下几种。
（1）按压缩空气在活塞端面作用力的方向不同，气缸分为单作用气缸和双作用气缸。
（2）按结构特点不同，气缸分为活塞式、薄膜式、柱塞式和摆动式等。
（3）按安装方式不同，气缸分为耳座式、法兰式、轴销式、凸缘式、嵌入式和回转式等。
（4）按功能不同，气缸分为普通式、缓冲式、气-液阻尼式、冲击和步进气缸等。
一、气缸的分类
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表2-1-1 常见气缸的图形符号
一、气缸的分类
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1．单作用气缸
单作用气缸是指在缸盖一端气口输入压缩空气使活塞杆伸出（或缩回），而另一端靠弹簧、自重或其他外力等使活塞杆恢复到初始位置的气缸。
单作用气缸只需要在动作方向加压缩空气，故可节约一半压缩空气，主要用在夹紧、退料、阻挡、压入、举起和进给等操作上。单作用气缸的典型结构和实物如图所示。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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单作用气缸实物
二、常用气缸的结构特点和工作原理
单作用气缸的典型结构
1—后缸盖；2—橡胶缓冲垫；3—活塞密封圈；
4—导向环；5—活塞；6—弹簧；7—缸筒；
8—活塞杆；9—前缸盖；10—螺母；11—导向套。
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单作用气缸有如下特点：
（1）因为单边进气，所以结构简单，耗气量小。
（2）由于采用弹簧复位，故压缩空气的一部分能量用来克服弹簧的反力，因而减小了活塞杆的输出推力。
（3）缸筒内因安装弹簧而减小了空间，缩短了活塞的有效行程。
（4）气缸复位弹簧的弹力是随其变形的大小而变化的，因此活塞杆的推力和运动速度在行程中是变化的。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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2．双作用气缸
在各类气缸中，使用最多的是单活塞杆式气缸，也称普通气缸。单活塞杆双作用气缸简称双作用气缸，所谓双作用是指活塞的往复运动均由压缩空气来推动。
在单活塞杆的动力缸中，因活塞左边面积比较大，当空气压力作用在左边时，提供一个慢速的作用力大的工作行程；返回行程时，由于活塞右边面积较小，因此速度较快而作用力变小。此类气缸使用最广泛，一般应用于包装机械、食品机械和加工机械等设备上。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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单活塞杆双作用气缸实物
二、常用气缸的结构特点和工作原理
单活塞杆双作用气缸的结构
1—后端盖；2—活塞；3—缸筒；4—活塞杆；
5—缓冲密封圈；6—前端盖；7—导向套；
8—防尘组件；9、10—工作气口。
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3．特殊气缸
1）气-液阻尼缸
气-液阻尼缸是由气缸和液压缸组合而成的一种特殊气缸。气缸部分用于产生驱动力，液压缸部分用于阻尼调节，以获得平稳的运动。液压缸部分的阻尼作用解决了气缸运动稳定性差和速度控制困难的问题。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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气-液阻尼缸按照结构形式可分为串联式和并联式两种。气缸2两腔的工作气口接气源，用于产生驱动力；液压缸3两腔的油液用于阻尼调节；气缸和液压缸的活塞通过一根活塞杆串联起来；隔板8用于分隔油液腔和空气腔，防止空气与油液互串。节流阀4和单向阀5用于实现有杆腔油液向无杆腔流动时的流量调节，使阻尼缸的活塞杆伸出时的速度可调并可以快速退回。单向阀6和油杯7用于液压回路的油液补充。这种调速特性的结构形式常用于慢进快退的场合。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
串联式气-液阻尼缸的结构原理图
1—负载；2—气缸；3—液压缸；4—节流阀；5、6—单向阀；
7—油杯；8—隔板。
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2）薄膜式气缸
薄膜式气缸是一种利用膜片在压缩空气作用下产生变形来推动活塞杆做直线运动的气缸。按作用方式，薄膜式气缸分为单作用式和双作用式两种。薄膜式气缸的优点是结构简单、紧凑，成本低，维修方便，寿命长和效率高等。但是由于膜片的变形量有限，故其行程较短（一般不超过50mm），适用于阀门开启、关闭或气动夹具的开启、关闭等短行程的场合。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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薄膜式气缸的结构简图
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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3）冲击气缸
冲击气缸是一种将压缩空气的压力能转换成活塞的高速动能的特殊气缸。与普通气缸相比，冲击气缸的结构特点是增加了一个具有一定容积的蓄能腔和喷嘴。冲击气缸在工程上用于冲孔、压印、折弯、破碎、模锻等作业。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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冲击气缸的结构
二、常用气缸的结构特点和工作原理
1—工作气口；2—气缸有杆腔；
3—活塞；4—排气口；
5—蓄能腔；6—工作气口；
7—后端盖；8—喷嘴；
9—中盖；10—气缸无杆腔；11—密封垫；12—前端盖。
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冲击气缸的整个工作过程可简单地分为初始状态、蓄能状态和冲击状态三个阶段。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
冲击气缸的工作过程
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（1）初始状态：压缩空气由孔A输入冲击缸的下腔，蓄能腔经孔B排气，活塞上升并用密封垫封住喷嘴，中盖和活塞间的环形空间经排气孔与大气相通，如图（a）所示。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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（2）蓄能状态：压缩空气改由孔B进气，输入蓄能腔中，冲击缸下腔经孔A排气，由于活塞上端气压作用在面积较小的喷嘴上，而活塞下端受力面积较大（一般设计成喷嘴面积的9倍），因而冲击缸下腔的压力虽因排气而下降，但此时活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的作用力，如图（b）所示。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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（3）冲击状态：蓄能腔的压力继续增大，冲击缸下腔的压力继续降低，当蓄能腔内压力高于活塞下腔压力9倍时，活塞开始向下移动，活塞一旦离开喷嘴，蓄能腔内的高压气体便迅速充入活塞与中盖间的空间，使活塞上端受力面积突然增加9倍，于是活塞将以极大的加速度向下运动，气体的压力能转换成活塞的动能。在冲程达到一定时，活塞获得最大冲击速度和能量，利用这个能量对工件进行冲击做功，产生很大的冲击力，如图（c）所示。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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4）制动气缸
带有制动装置的气缸称为制动气缸，也称锁紧气缸。制动装置一般安装在普通气缸前端，其结构有锥面卡套式、弹簧式和偏心式等多种形式。制动装置由制动体、制动闸瓦、制动活塞、弹簧、活塞杆和活塞等构成。C口和D口为工作气口，A口和B口为制动气口。制动气缸有放松和工作制动两个正常工作状态以及一个保护制动状态。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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锥面卡套式制动气缸结构图
二、常用气缸的结构特点和工作原理
1—制动体；2—制动闸瓦；3—制动活塞；4—制动弹簧；5—活塞杆；6—活塞；
A、B—制动气口；
C、D—工作气口。
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（1）放松状态：当制动气口A进气、制动气口B排气时，气压力克服制动弹簧的压力，使制动活塞右移，松开制动闸瓦，制动闸瓦和活塞杆之间处于间隙状态，气缸的活塞和活塞杆可以正常运动。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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（2）工作制动状态：当制动气口B进气、制动气口A排气时，气压力和制动弹簧的压力共同作用在制动活塞上，制动活塞左移，压紧制动闸瓦，制动闸瓦变形，巨大的夹紧力锁紧活塞杆，使活塞杆无法运动，达到可靠制动和安全定位的目的。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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（3）保护制动状态：在锁紧气缸工作过程中，如果气源突然出现故障，制动气口失去压力气体，此时，在制动弹簧的作用下，制动活塞也会挤压制动阀瓦，活塞杆仍然被锁紧。因此，制动气缸具有断气保护的作用。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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5）摆动气缸
摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内做往复摆动的气动执行元件。叶片式摆动气缸分为单叶片式和双叶片式两种，多用于安装位置受到限制或转动角度不大的场合，如夹具的回转、阀门的开启、车床转塔刀架以及自动上料装置的转位等。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
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图（a）所示为单叶片式摆动气缸，其定子与缸体固定在一起，叶片和转子（输出轴）连接在一起。当左腔进气、右腔排气时，转子逆时针转动；反之，转子则顺时针转动。单叶片式摆动气缸的输出转角通常小于330°。
图（b）所示为双叶片式摆动气缸，其输出转角通常小于150°。
二、常用气缸的结构特点和工作原理
摆动气缸的结构
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（1）使用时应满足气缸的正常工作条件，如气源的清洁程度、温度、湿度、工作压力范围、承载能力、动作速度范围和润滑条件等。
（2）活塞杆只能承受轴向负载，不允许承受其他方向的负载，安装时要保证负载方向与气缸轴线一致。
（3）避免气缸在行程终端发生大的碰撞，以防损坏气缸部件和影响气缸的动作精度。除缓冲气缸外，可采用附加缓冲装置或缓冲回路的方式进行缓冲。
（4）除不给油润滑气缸外，都应对气缸进行给油润滑。
（5）工作频率高、承受振动大的气缸，其安装螺钉和各连接部位应采取防松措施。
（6）长行程的气缸，在其中间应有适当的支承，保证支承轴线与气缸活塞杆轴线平行。
（7）气动设备如果长期闲置，应定期通气运行或者拆下涂油保养，以防锈蚀和损坏。
三、气缸的使用注意事项
四、气动马达的分类
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叶片式气动马达
气动
马达
活塞式气动马达
齿轮式气动马达
按结构形式
气动马达是将压缩空气的压力能转换成连续回转的机械能的气动执行元件。
气动马达具有工作安全、无级调速、扭矩大、可带载启动、不产生火花、不发热等优点，但也有输出功率小、耗气量大、效率低、噪声大和易产生振动等缺点。气动马达普遍用于包装机械、旋盖机、鼓风机、阀门驱动等。
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1．叶片式气动马达
图所示为叶片式气动马达的结构原理图，其转子上开有径向长槽，槽内装有3～10个叶片，定子上的工作气口A和B用于进气和排气，定子两端有密封盖，密封盖上有弧形槽，弧形槽与工作气口A、B及叶片底部相连通，转子和定子必须偏心安装。转子外表面、定子内表面、相邻两叶片及两端的密封盖之间形成了若干个变化的密封工作空间。
五、各类气动马达的结构特点和工作原理
叶片式气动马达的结构原理图
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当A口进气时，一路压缩空气经过定子两端密封盖的弧形槽进入叶片底部，将叶片推出，叶片紧紧地抵在定子内壁上；另一路压缩空气进入某个密封工作空间，由于构成密封空间的两叶片伸出长度不同，因而气体压力的作用面积不相等，其合力矩使转子产生逆时针方向的转动。转子转过大半圈后，残余气体从工作气口B排出。所有密封工作空间交替做功，叶片就带动转子连续回转起来。当B口进气、A口排气时，叶片上产生相反的合成转矩，叶片带动转子反向旋转。
叶片式气动马达主要用于矿山机械和气动工具中。
五、各类气动马达的结构特点和工作原理
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2．活塞式气动马达
活塞式气动马达是一种利用曲柄将若干个活塞的直线运动转变为曲轴回转运动的气动马达，分为径向活塞式气动马达和轴向活塞式气动马达两种。图所示为径向活塞式气动马达的结构原理图。
五、各类气动马达的结构特点和工作原理
径向活塞式气动马达的
结构原理图
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A口为工作气口，4个气缸绕着曲轴轴线呈放射状均匀分布，每个气缸的活塞连杆与曲轴相连，曲轴偏心连接在气动马达输出轴上，配气阀用于向各气缸顺序供气。工作时，压缩空气推动活塞运动，活塞连杆带动曲轴转动，曲柄带动气动马达输出轴旋转。当配气阀转到某个角度时，气缸内的余气经过排气口（图中未画出）排出。改变工作气口A的气流方向，就可以改变气动马达的转向。
活塞式气动马达主要应用于矿山机械，也可用作传送带等的驱动马达。
五、各类气动马达的结构特点和工作原理
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3．齿轮式气动马达
齿轮式气动马达有双齿轮式和多齿轮式，而以双齿轮式应用最广。齿轮可采用直齿、斜齿和人字齿。图所示为齿轮式气动马达结构原理图，这种气动马达的工作室由一对齿轮构成，压缩空气由对称中心处输入，齿轮在压力作用下回转。采用直齿轮的气动马达可以正反转动，采用人字齿轮或斜齿轮的气动马达则不能反转。
五、各类气动马达的结构特点和工作原理
齿轮式气动马达结构原理图
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采用直齿轮的气动马达，供给的压缩空气通过齿轮时不膨胀，因此效率低。若采用人字齿轮或斜齿轮，则压缩空气膨胀60%～70%，效率有所提高。
齿轮式气动马达与其他类型的气动马达相比，具有体积和质量小、结构简单、对气源质量要求低、耐冲击及惯性小等优点，但缺点是转矩脉动较大，效率较低。小型齿轮式气动马达的转速高达10000r/min，大型的能达到1000r/min，功率可达50kW。齿轮式气动马达主要应用于矿山机械。
五、各类气动马达的结构特点和工作原理
任务实施
任务一 认识气动执行元件
气动执行元件的选用
二、
项目二 气动执行元件的应用
图所示为机床夹紧机构示意图。机床夹紧机构采用气动执行元件来实现工件的夹紧和松开，试确定该选择哪种类型的气动执行元件。如果所需的夹紧力为4600N，供气压力为0.7MPa，行程为600mm，试确定该气动执行元件的种类及主要参数。
任务二 气动执行元件的选用
任务引入
机床夹紧机构示意图
选择气动执行元件时一般先确定它的类型，再确定它的种类及具体的结构参数。为使所选用的元件正确、合理，必须掌握气动执行元件的类型、工作原理、结构及选用方法。
任务分析
任务二 气动执行元件的选用
气动马达的工作适应性较强，可用于无级调速、启动频繁、经常换向、高温潮湿、易燃易爆、负载启动、不便于人工操纵及有过载可能的场合。目前，气动马达主要应用于矿山机械、油田、化工、造纸、炼钢、船舶和工程机械等行业。许多气动工具上装有气动马达。
选择气动马达主要从负载状态出发。气动马达在变负载的场合使用时，主要考虑的因素是速度的范围及满足工作机构所需的转矩；在均衡负载下使用时，工作速度则是重要因素。叶片式气动马达比活塞式气动马达转速高，当工作速度低于空载最大转速的25%时，最好选用活塞式气动马达。至于所选气动马达的具体型号、技术规格、外形尺寸等，可参考有关手册及产品样本。
一、气动马达的选用
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1．选用原则
气缸的合理选用，是保证气动系统正常工作的前提。合理选用气缸，就是要根据各生产厂家要求的选用原则，使气缸参数符合正常的工作条件。这些条件包括工作压力范围、负载要求、工作行程、工作介质温度、环境条件、润滑条件及安装要求等。
我国目前已生产出5种标准化气缸供用户优先选用。这些气缸从结构到参数都已经标准化、系列化。在生产过程中应尽可能使用标准化气缸，这样可使产品具有互换性，给设备的使用和维修带来方便。
二、气缸的选用
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气缸选用的要点如下：
（1）安装形式的选择。安装形式由安装位置、使用目的等因素决定。在一般场合，多用固定式气缸；需要随同工作机构连续回转时，应选用回转气缸；除要求活塞杆做直线运动外，还要求气缸做较大的圆弧摆动时，则选用轴销式气缸；仅需要做往复摆动时，应选用单叶片或双叶片摆动气缸。
二、气缸的选用
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（2）作用力的大小。活塞杆上的推力和拉力应根据工作机构所需力的大小来确定。一般应根据工作条件的不同，按力平衡原理计算出的气缸作用力再乘以1.15～2的备用系数，从而选择和确定气缸内径。气缸的运动速度主要取决于气缸进、排气口及导管内径，选取时以气缸进、排气口连接螺纹尺寸为基准。为获
得缓慢而平稳的运动，可采用气-液阻尼缸。普通气缸的运动速度为0.5～1m/s，对于需要高速运动的气缸，则应选用缓冲气缸或在回路中加缓冲装置。
二、气缸的选用
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（3）负载的情况。根据气缸的负载状态和负载运动状态确定负载力和负载率，再根据使用压力应小于气源压力85%的原则，按气源压力确定使用压力p。对单作用缸按杆径与缸径比为0.5预选，对双作用缸按杆径与缸径比为0.3～0.4预选，根据公式便可求得缸径D，将所求出的D值标准化即可。若D尺寸过大，则可选用机械扩力机构。
（4）行程的大小。气缸的行程根据气缸及传动机构的实际运行距离来预选，以便于安装调试。对计算出的距离加大10～20mm为宜，但不能太长，以免增
大耗气量。
二、气缸的选用
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2．选择步骤和主要参数计算
1）选择步骤
气缸选择的主要步骤如下：
（1）确定气缸的类型。
（2）计算气缸内径及活塞杆直径。
（3）对计算出的直径进行圆整。
（4）根据圆整值确定气缸型号。
二、气缸的选用
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2）气缸内径和活塞杆直径的计算
（1）计算气缸内径。在一般情况下，根据气缸的使用压力p、轴向负载力F和气缸负载率η来计算气缸内径，p应小于减压阀进口压力的85%。
①轴向负载力F的计算。轴向负载力是选择气缸的重要因素，负载状态与轴向负载力的关系如图所示。
二、气缸的选用
负载状态与轴向负载力的关系
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②气缸负载率η的计算与选择。气缸负载率η是气缸活塞杆受到的轴向负载力F与气缸理论输出力F0之比。
η＝F/F0×100%
负载率可以根据气缸的工作压力选取，见表2-2-1。
二、气缸的选用
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③气缸内径的计算。确定了F、η和p后，可以根据气缸的理论输出力的计
算方法来反推气缸的内径D。
活塞杆伸出时：
活塞杆返回时：
式中，d 为活塞杆直径。
二、气缸的选用
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计算出D后，再按标准的缸径进行圆整。缸径圆整值如表2-2-2所示。
二、气缸的选用
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（2）计算活塞杆直径。在确定气缸活塞杆直径时，一般按d/D=0.2～0.3进行计算，再按标准值进行圆整。活塞杆直径圆整值见表2-2-3。
（3）选好气缸内径和活塞杆直径后，还要选用密封件、缓冲装置，确定防尘罩。
二、气缸的选用
任务实施
任务二 气动执行元件的选用
项目学习评价
1．填空题
（1）气动执行元件是将压缩空气的 转换为 的装置。
（2）气动执行元件输出直线运动或往复摆动的是 ，输出连续回转运动的是 。
（3）活塞在某一方向上的运动靠压缩空气驱动的称为 气缸，活塞两个方向的运动都依靠压缩空气驱动的称为 气缸。
（4）气-液阻尼缸是由 和 组合而成的一种特殊气缸。 部分用于产生驱动力， 部分用于阻尼调节，以获得平稳的运动。
（5）冲击气缸的整个工作过程可简单地分为 、 和 三个阶段。
项目二 气动执行元件的应用
项目学习评价
2．判断题
（1）气动马达是将压缩空气的压力能转换成直线运动的机械能的装置。（ ）
（2）薄膜式气缸是一种利用膜片在压缩空气作用下产生变形来推动活塞杆做摆动运动的气缸。（ ）
（3）气动马达主要应用于矿山机械、专业的机械制造业、油田、化工、造纸、炼钢、船舶和工程机械等行业。（ ）
（4）带有制动装置的气缸称为制动气缸，也称锁紧气缸，制动装置一般安装在普通气缸后端。（ ）
（5）摆动气缸多用于安装位置受到限制或转动角度不大的场合。（ ）
项目二 气动执行元件的应用
项目学习评价
3．选择题
（1）利用压缩空气使膜片变形，从而推动活塞杆做直线运动的气缸是（ ）。
A．气-液阻尼缸 B．冲击气缸 C．薄膜式气缸
（2）对气动马达的优点描述错误的是（ ）。
A．输出转矩大 B．不产生火花
C．不能带负载启动 D．可以实现无级变速
（3）单叶片式摆动气缸的输出转角通常小于（ ）。
A．330° B．180° C．90° D．270°
项目二 气动执行元件的应用
项目学习评价
3．选择题
（4）为了使活塞运动平稳，可以采用的气缸类型是（ ）。
A．制动气缸 B．气-液阻尼缸 C．冲击气缸 D．摆动气缸
（5）关于气缸使用时的注意事项描述正确的是（ ） 。
A．多数气缸只能承受径向载荷，不能承受轴向载荷
B．为避免气缸活塞运行到终端时与端盖发生碰撞，通常选择降低管道中
气流的流量
C．长时间闲置不用的设备也要进行定期保养
D．所有气缸在使用过程中都必须进行润滑
项目二 气动执行元件的应用
项目学习评价
4．简答题
（1）试述单作用气缸和双作用气缸的区别。
（2）制动气缸有几种工作状态？各有什么作用？
（3）气缸选择的主要步骤有哪些？
项目二 气动执行元件的应用
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项目二 气动执行元件的应用

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