气压传动-------进出口节流调速回路系统分析.docx

气压传动-进/出口节流调速回路系统分析 目录 一、气动技术简介.二、气缸简介. 气缸简介.气缸的工作原理.气缸的分类.典型气缸的结构及工作原理.气缸的爬行.气缸的自走. 三、节流阀简介.对节流阀的性能要求.节流阀的特点. 节流阀的分类. 四、节流阀调速回路分析.气压传动节流调速回路原理.节流调速回路的两种形式. .进出口节流调速回路的性能比较. 五、体会和感想. 一、气动技术简介 气动技术是指以压缩空气为动力源，实现各种生产控制自动化的一门技术，也可以说气动技术是以压缩空气为工作介质进行能量与信号传递的技术。实现自动化和自动控制有很多种方式，但是由于气动技术是以空气为介质，它具有防火、防爆、防电磁干扰、不受放射线及噪声的影响，且对振动及冲击也不敏感，结构简单、工作可靠、成本低寿命长等优点，所以近年来气动技术得到迅速飞发展及普遍应用。 气动控制已经在汽车制造业、半导体电子及家电行业、加工制造业、介质管道运输送业、包装业、机器人等各个方面得到了广泛的应用。气动技术的显著特点主要有一下方面：气动控制的介质为空气，取之不尽用之不竭；使用快速接头可以非常简单地进行配管；可安全、可靠的应用于易燃、易爆场所；流动阻力小，压力沿程损失小，可用于远距离输送；做完功的空气直接排入大气，无需回程管道，不会造成环境污染；动作迅速反应快，允许一定的超载运行，不易发生过热；气压具有较高的自保持能力；由于空气的可压缩性，给位置控制和速度控制精度带来较大的影响；工作压力低，所以气动系统输出力小；噪声大，在超声速排气时，需要加消声器；工作介质空气本身没有润滑性。气动技术的特点使其得到快速发展和应用，但同时也决定了其局限性，给出了其发展趋势。气动技术必定会朝着无给油化、节能化、小型化与轻量化、位置控制的高精度化、电气一体化、集成化、系统省配线化的方向发展。通过对于系统本身的优化以及与其他控制系统相互匹配，以获得更加优良的控制性能，使气动技术得到更加广泛的应用。二、气缸简介1.气缸简介气动的执行元件将压缩空气的压力能转化为机械能，驱动机构实现运动。气动执行元件分为气动缸与气动马达两大类。气缸一般由缸体、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。近年来，因为气缸具有动作迅速反应快、环境友好性、安全可靠、组装维护简单、成本较低等一系列优点，使得它得到了迅速的发展和普遍的应用。目前，气动装置在汽车制造业、半导体电子及家电行业、加工制造业、包装业、工业机器人等工业生产领域和车辆装置中有普遍的应用。2.气缸的工作原理气动缸的基本工作原理是：压力空气使活塞移动，通过改变进气方向，改变活塞杆的移动方向。3.气缸的分类气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有做往复直线运动的和做往复摆动的两类（见图）。做往复直线运动的气缸又可分为单作用、双作用、膜片式和冲击气缸4种。图2-1 单活塞杆双作用气缸 1缓冲柱塞 2活塞 3缓冲柱塞 4缸筒 5导向套 6防尘圈7前端盖 8气口 9传感器 10活塞杆11耐磨环 12密封圈 13后端盖 14缓冲节流阀单作用气缸：仅一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。双作用气缸：从活塞两侧交替供气，在一个或两个方向输出力。膜片式气缸：用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位。它的密封性能好，但行程短。冲击气缸：这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速（1020米/秒）运动的动能，借以做功。冲击气缸增加了带有喷口和泄流口的中盖。中盖和活塞把气缸分成储气腔、头腔和尾腔三室。它广泛用于下料、冲孔、破碎和成型等多种作业。做往复摆动的气缸称摆动气缸，由叶片将内腔分隔为二，向两腔交替供气，输出轴做摆动运动，摆动角小于280。此外，还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。4.典型气缸的结构及工作原理以气动系统中最常使用的单活塞杆双作用气缸为例来说明，气缸典型结构如下图1所示。它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。5.气缸的爬行 气缸的主要失效形式有活塞卡死，不动作；气缸无力，密封圈磨损，漏气等。气缸在低速运动时出现的时走时停或时快时慢的现象叫做气缸的“爬行”。气缸的爬行对于气动控制的速度控制精度有很大的影响。 5.1 气缸“爬行”出现的机理 造成气缸爬行产生的原因比较复杂，现以单杆双作用气缸活塞杆伸出为例分析气缸爬行现象。气源经a口向气缸无杆腔充气，无杆腔内压力p1上升，有杆腔内气体经曰口排气，有杆腔内压力p2下降。一开始，由于气缸内活塞等处静摩擦力较大，活塞并不运动。当无杆腔内压力上升到使得活塞两侧压力差所产生的作用力刚好能克服活塞等处静摩擦力时，活塞开始移动。一旦活塞起动，静摩擦力变为动摩擦力，而动摩擦力小于静摩擦力，活塞作加速运动，但由于此时无杆腔容积变化增加较大，而供气流量不足，致使无杆腔中的气体压力又进一步下降，同时有杆腔中的气体压力上升，可能使活塞两侧压力差所产生的作用力小于活塞等处摩擦力，此时活塞就停止前进，直到无杆腔继续进气，活塞重新开始向前运动。这一过程的循环出现就形成了气缸的爬行。5.2 气缸爬行的原因分析 出现爬行现象的原因有很多，归纳起来，主要有以下几种情况： （1与气体的压缩性有关 气体压缩性体现为传动系统刚度七，当七为无穷大时，传动系统中就不可能有储存及放出能量的过程，滑块与驱动件好象个刚体，物体只能以v的速度跟着一起运动。分析表明，排气节流与进气节流相比刚度大，稳定性好，不易出现爬行。 （2气源处理不符合要求 因为气缸的工作介质是压缩空气，工作气体的质量会直接影响气缸的相关零件的使用寿命，如工作气体含水分，尘埃太多，会使缸筒内壁活塞杆外表面、活塞的外圆及密封件、密封槽等相对运动面被腐蚀，一方面容易出现泄漏，另一方面容易出现爬行现象。从气源方面要求工作气压气体必须经过气源三联件（分水滤气器、调压阀、油雾器）的处理后，使工作介质具有干燥的不含尘埃杂质的，但含有油雾润滑剂的压力稳定的洁净气体。 （3加工工艺不符合要求 气缸在设计阶段必须全面考虑各运动副的尺寸公差、形位公差，密封件与密封槽的配合问题，既要满足不泄漏的要求又要兼顾相对运动的平稳性，即满足无爬行的要求。所以应合理地选择气缸的主要零件如缸筒、活塞杆、活塞的尺寸公差、形位公差、圆度、同轴度、端面垂直度及表面粗糙度等零件要素，使它们相互配合起来能获得平稳运动。 （4配合面加工质量不符合要求 主要运动零件的配合表面加工质量优劣也会直接影响气缸的爬行现象。运动表面越光滑，摩擦系数就越小，阻力也越小；反之，运动表面越粗糙，摩擦系数和阻力就越大。如果运动表面粗糙度不均匀，则运动阻力会时大时小，极容易出现爬行现象。 （5装配质量不符合要求 装配质量也会直接影响气缸的爬行。装配质量包括活塞与活塞杆的组装，缸筒与活塞的装配，与前端盖的装配，活塞杆与压盖（或导套）的装配，压盖（或导套）与前端盖的装配等，当然还有拉杆的装配等。这些装配质量都会或多或少影响气缸的爬行。而影响尤其显著的是活塞与缸筒之间，压盖（或导套）与活塞杆之间的同轴装配质量，还有轴用密封件或孔用密封件的装配预压缩量不均匀对气缸爬行也有很大影响。预压缩量太大，运动阻力也就大，反之，预压缩量小，运动阻力也就小，装配预压缩量不均匀容易出现爬行之外还有可能出现泄漏现象，所以要求在装配时小心谨慎。 （6气缸润滑情况差 气缸在正常工作时，是不断地进行往复运动的，因此必须在运动副上涂以润滑脂或润滑油，同时在密封件上也应涂上润滑脂或润滑油，这是保持运动平稳的必不可少的措施之一。一方面可减少摩擦阻力，另一方面保护密封圈不受水解作用，金属零件不被腐蚀，使运动件受力均匀，大大减少气缸爬行现象。所以在气动系统中安插气源三联件（其中包含有油雾器）使气缸自动受到油雾的润滑。装配时，在气缸的活塞或活塞杆、缸筒内壁处涂抹一些二硫化钼润滑脂也能起到很好的润滑作用。 6.气缸的自走 在简单的气压缸运动的过程中，外负载决定了出气缸的内部压力，而气缸的进气缸的压力是由进气路决定的，为达到适应外负载变化的新平衡，只能依靠气体的膨胀和压缩来实现，这种现象叫做气缸的“自走”现象。 自走现象严重影响了气动控制的位置控制的精度，尤其是在外部负载较大的时候。 气缸的自走主要是因为气体的可压缩性造成的。 可以通过在一定范围内增大气体压力，提高传动的刚度，以减小外负载对于排气缸压力的影响，在一定程度上减小“自走”现象的发生。 但是提高系统压力并不能消除自走现象。为了避免自走现象的出现，可以采用气液联合控制方案，利用液体的不可压缩性，实现位置控制的精确控制。三、节流阀简介节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门。将节流阀和单向阀并联则可组合成单向节流阀。节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀，在定量泵液压系统中，节流阀和溢流阀配合，可组成三种节流调速系统，即进油路节流调速系统、回油路节流调速系统和旁路节流调速系统。节流阀没有流量负反馈功能，不能补偿由负载变化所造成的速度不稳定，一般仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。1.对节流阀的性能要求流量调节范围大，流量一压差变化平滑；内泄漏量小，若有外泄漏油口，外泄漏量也要小；调节力矩小，动作灵敏。节流阀(chokevalve)的外形结构与截止阀并无区别，只是它们启闭件的形状有所不同。节流阀的启闭件大多为圆锥流线型，通过它改变通道截面积而达到调节流量和压力。节流阀供在压力降极大的情况下作降低介质压力之用。介质在节流阀瓣和阀座之间流速很大，以致使这些零件表面很快损坏即所谓气蚀现象。为了尽量减少气蚀影响，阀瓣采用耐气蚀材料（合金钢制造）并制成顶尖角为140180的流线型圆锥体，这还能使阀瓣能有较大的开启高度，一般不推荐在小缝隙下节流。2.节流阀的特点1) 构造较简单，便于制造和维修，成本低。2) 调节精度不高，不能作调节使用。3) 密封面易冲蚀，不能作切断介质用。4) 密封性较差。3.节流阀的分类节流阀按通道方式可分为直通式和角式两种；按启闭件的形状分，有针形、沟形和窗形三种。可调节节流阀：阀针和阀芯采用硬质合金制造，产品按api6a标准设计，具有耐磨、耐冲刷性能。主要用于井口采油（气）树设备,滑套式节流阀：阀芯采用低噪音平衡型结构，开启轻便，产品按api6a标准设计，阀芯表面覆盖碳化钨，适合于有闪蒸、高压差，高压力，空化等条件苛刻的场合，使用寿命长，流量调节精度大大提高。适用于石油，天然气，化工，炼油，水电等行业。四、节流阀调速回路分析1.气压传动节流调速回路原理节流调速回路是利用节流阀或调速阀调节执行元件速度的回路。图4-1中的回路是由一个定量泵、一个节流阀和一个液压缸组成的,定量泵输出流量是一定的，不论节流阀开口如何变化，定量泵的流量只能全部进入液压缸。进入液压缸的流量不改变，其活塞的运动速度就不会改变,速度决定于流量。从对薄璧小孔流量公式21aqkpp=-的分析可知，当q一定时，a的变化只能引起节流阀前后压差p的变化，即改变了泵的出口压力。节流阀在此起负载作用。在图4-2中，如果将一个溢流阀并联于气源的出口，该溢流阀可以使气源的出口压力恒定，其前提条件是泵的出口压力是由负载（其中包括外负载和各种液阻）的大小决定的。如果泵的出口压力低于溢流阀的调定压力，泵的出口压力就是这个低值，此时溢流阀关闭。只有泵的出口压力达到溢流阀的调定压力时，溢流阀打开，且有溢流量，泵的出口压力ps才为定值。这再一次体现了压力决定于负载这一重要概念。当液压缸负载一定时，节流阀前后压差p就一定了。由公式21aqkpp=-可知，a的变化可以改变通过节流阀的流量q（即进入液压缸的流量），从而改变了液压缸活塞的运动速度。溢流阀在回路中起到两个作用：一是保证液压泵的出口压力恒定；二是“分流”了泵的多余流量。图4-1图4-22.节流调速回路的两种形式用节流阀调速的调速回路，按节流阀在回路中的位置不同可分为进口节流调速回路和出口节流调速回路。如图4-3所示。3. 进出口节流调速回路的性能比较在排气节流的情况下，当换向阀左位工作气缸b腔进压缩空气时，a腔接大气，但排气受到气流，控制气缸向左移动，换向阀右位工作，a腔进压缩空气，b腔接大气，排气式同样受到节流作用，控制气缸向右运动速度。在进气节流的情况下，当换向阀右位工作，a腔进压缩空气，因被单向阀节流，a腔压力上升较慢，而b腔气流通过单向阀快速进气，迅速降为大气压力。结果使活塞运动呈现不稳定状态，这样就不能形成速度控制。当a腔压力升高推动活塞时，b腔压力早已将为大气压力，这时活塞是在克服静摩擦阻力之后的惯性力作用下运动。随着活塞运动，a腔容积增大，压力下降，可能出现活塞停止运动，带压力升高之后，活塞又开始运动，这种现象叫做“爬向”。进气节流回路容易产生这种现象，因而在速度控制回路中，通常采用排气节流回路，但由于摩擦阻力很大，输出相对降低，也可能出现“爬行”,为提高速度控制性能，应尽量减小摩擦阻力。当外负载变化很大时，也不能采用单向节流阀控制气缸的运动速度。这是因为外负载决定气缸的内部压力，而气缸的进排气路是一定的，未达到适应外负载变化的新平衡，只能依靠气体膨胀和压缩来实现，这种现象叫做气缸的“自走”，这是因为空气压缩性造成的。为了避免“自走”现象的产生，可采用气液联合控制方案。五、体会和感想通过气压传动与控制课程的学习，我们认识到气