气动系统基础资料

气压传动 空气的物理性质马赫数及其作用气体的流动规律 气源装置及气动元件 气源装置气动辅件气动执行元件气动控制阀 空气的物理性质 空气的密度 空气的粘度粘性 空气流动时质点间相对运动产生内摩擦阻力的性质动力粘度 运动粘度 影响粘度的因素温度随温度的升高而升高 空气的压缩性和膨胀性体积随压力和温度而变化的性质分别表征为压缩性和膨胀性 空气的压缩性和膨胀性远大于固体和液体的压缩性和膨胀性 声速与马赫数 声波在介质中的传播速度称为声速 对理想气体来说 声音在其中传播的相对速度只与气体的温度有关 气体的声速c是随气体状态参数的变化而变化的 气流速度与当地声速 c 341m s 之比称为马赫数 Ma v cMa是气体流动的一个重要参数 集中反映了气流的压缩性 Ma愈大 气流密度变化越大 当v c Ma 1时 称为亚声速流动 当v c Ma 1时 称为声速流动 当v c Ma 1时 称为超声速流动 当v 50m s时 不必考虑压缩性 当v 140m s时 应考虑压缩性 压缩8 在气动装置中 气体流动速度较低 且经过压缩 可以认为不可压缩 自由气体经空压机压缩的过程中是可压缩的 理想气体的状态方程 不计粘性的气体称为理想气体 空气可视为理想气体 气体状态方程成立pV T 常量或p RT 气体的流动规律 气体流动基本方程连续性方程 1v1A1 2v2A2 注意 1 2 伯努利方程在低速流动时 气体可认为是不可压缩的 常数 则有v2 2 p 常数p1 v12 2 p2 v22 2 p p 压力损失 包括沿程压力损失和局部压力损失 气源装置及气动元件 气源装置气动控制阀气动执行元件气动辅件 气压传动的组成及工作原理 气压传动 是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术 气压传动的工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能 然后在控制元件的作用下 通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能 从而完成各种动作 并对外做功 由此可知 气压传动系统和液压传动系统类似 也是由四部分组成的 它们是 1 气源装置是获得压缩空气的装置 其主体部分是空气压缩机 它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能 2 控制元件是用来控制压缩空气的压力 流量和流动方向的 以便使执行机构完成预定的工作循环 它包括各种压力控制阀 流量控制阀和方向控制阀等 3 执行元件是将气体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置 它包括实现直线往复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马达等 4 辅助元件是保证压缩空气的净化 元件的润滑 元件间的连接及消声等所必须的 它包括过滤器 油雾器 管接头及消声器等 气源装置 气源装置为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气 是气动系统的重要组成部分 气动系统对压缩空气的主要要求 具有一定压力和流量 并具有一定的净化程度 气源装置由以下四部分组成气压发生装置 空气压缩机 净化 贮存压缩空气的装置和设备 管道系统 气动三大件 气压发生装置 空气压缩机将机械能转化为气体的压力能 供气动机械使用 空气压缩机的分类分容积型和速度型 空气压缩机的选用原则依据是气动系统所需要的工作压力和流量两个参数 压缩空气的净化装置和设备 气动系统对压缩空气质量的要求 压缩空气要具有一定压力和足够的流量 具有一定的净化程度 不同的气动元件对杂质颗粒的大小有具体的要求 混入压缩空气中的油分 水分 灰尘等杂质会产生不良影响 必须要设置除油 除水 除尘 并使压缩空气干燥的提高压缩空气质量 进行气源净化处理的辅助设备 一般包括后冷却器 油水分离器 贮气罐 干燥器 管道系统和气动三大件 气动三大件 分水过滤器作用是除去空气中的灰尘 杂质 并将空气中的水分分离出来 原理 回转离心 撞击 性能指标 过滤度 水分离率 滤灰效率 流量特性油雾器特殊的注油装置 原理当压缩空气流过时 它将润滑油喷射成雾状 随压缩空气流入需要的润滑部件 达到润滑的目的 性能指标 流量特性 起雾油量减压阀起减压和稳压作用 压力控制阀 压力控制阀的功能 控制系统中压缩空气的压力 以满足系统对不同压力的需要压力控制阀的工作原理 均是利用空气压力和弹簧力相平衡的原理来工作的压力控制阀的分类 减压阀 定值器 降压稳压作用安全阀 限压切断阀 限压安全保护作用顺序阀 平衡阀 根据气路压力不同进行某种控制 气动控制阀 压力控制阀减压阀 气动三大件之一 用于稳定用气压力 溢流阀 只作安全阀用 顺序阀 由于气缸 马达 的软特性 很难用顺序阀实现两个执行元件的顺序动作 减压阀 调压阀 减压和稳压 减压阀是气动系统中必不可少的一种调压元件 顺序阀 依靠回路中压力的高低变化实现执行元件的顺序动作 顺序阀的工作原理 图17 16为顺序阀的工作原理 顺序阀 依靠回路中压力的高低变化实现执行元件的顺序动作 顺序阀的应用 图17 17顺序阀的应用 安全阀 溢流阀 功能 当储气罐或气动回路中的压力超过一定值时 安全阀能立即打开放气 以阻止压力继续升高产生危险 系统中起过压保护作用工作原理 流量控制阀 流量控制阀用于控制执行元件运动速度 节流阀单向节流阀排气节流阀 节流阀 通过改变阀的通流面积来调节流量 节流阀的工作原理 图17 22节流阀 节流阀 通过改变阀的通流面积来调节流量 节流阀的应用 图17 24节流阀的应用 排气节流阀 不仅具有节流调速的作用 而且还能起到降低排放气流噪声的作用 排气节流阀只能安装在排气口 调节排出气体的流量以控制执行元件的速度 柔性节流阀 通过调节阀杆夹紧柔韧的橡胶管而产生节流作用 图17 26柔性节流阀 方向控制阀 方向控制阀 换向阀气压控制换向阀 加压控制 泄压控制 差压控制 电磁控制换向阀 电 气控制换向阀机械控制换向阀人力控制换向阀 单向阀梭阀两个单向阀的组合 相当于 或门 快速排气阀 方向控制阀与方向控制回路 方向控制阀单向型控制阀换向型控制阀 通过改变气体通路使气流方向发生改变换向型控制阀按驱动方式可分为气压控制阀 电磁控制阀 机械控制阀 手动控制阀和时间控制阀方向控制回路单作用气缸换向回路双作用气缸换向回路 单向型控制阀 单向阀 气流只能向一个方向流动而不能反向流动通过的阀单向阀多与节流阀组合起来控制执行元件的运动速度 单向型控制阀 梭阀 或门 相当于两个单向阀的组合 梭阀在手动 自动换向回路中的应用 图17 4或门在手动 自动换向回路中的应用 双压阀在钻床控制回路中的应用 单向型控制阀 快速排气阀 加快气缸排气腔排气 以提高气缸运动速度快速排气阀通常装在换向阀与气缸之间 使气缸的排气不需要通过换向阀而快速完成 从而加快了气缸往复运动的速度快速往复运动回路 图17 6快速排气阀 快速往复运动回路 换向型控制阀 气压控制换向阀 利用气体压力推动阀芯运动实现换向的 换向型控制阀 电磁控制换向阀 电磁铁的衔铁直接推动阀芯进行换向 换向型控制阀 时间控制换向阀 使气流通过气阻 如小孔 缝隙等 节流后到气容 储气空间 中 经过一定时间气容内建立起一定的压力后 再使阀芯动作的换向阀 气动执行元件 气动执行元件是将压缩空气的压力能转换为机械能的装置 包括气缸和气马达 实现直线往复运动和做功的是气缸 实现旋转运动和做功的是气马达 按气缸的结构特征分为 a 活塞式b 薄膜式c 柱塞式 按压缩空气对活塞是作用力的方向分为 a 单作用式b 双作用式 按气缸的功能分为 普通气缸 薄膜气缸 冲击气缸 气 液阻尼缸 缓冲气缸和摆动气缸 气缸 气缸的优点 结构简单 成本低 工作可靠 在有可能发生火灾和爆炸的危险场合使用安全 气缸的运动速度可达到1 3m s 在自动化生产线中缩短辅助动作 例如传输 压紧等 的时间 提高劳动生产率 具有十分重要的意义 气缸的缺点 主要是由于空气的压缩性使速度和位置控制的精度不高 输出功率小 普通气缸是指缸筒内只有一个活塞和一个活塞杆的气缸 有单作用和双作用气缸两种 典型气缸的介绍 普通气缸 当压缩空气作用在活塞右侧面积上的作用力 大于作用在活塞左侧面积上的作用力和摩擦力等反向作用时 压缩空气推动活塞向左移动 使活塞杆伸出 反之 压缩空气推动活塞向右移动 使活塞和活塞杆缩回到初始位置 在气缸往复运动的过程中 推 或拉 动机构作往复运动 单作用气缸工作原理 singleactingcylinder 1 呼吸孔2 前端盖3 缸筒4 弹簧5 活塞杆6 密封件 单作用气缸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 自重或其它外力等使活塞杆恢复到初始位置 特点 结构简单 单作用气缸只在动作方向需要压缩空气 故可节约一半压缩空气 复位弹簧的反作用力随压缩行程的增大而增大 因此活塞的输出力随活塞运动的行程增加而减小 缸体内安装弹簧 增加了缸筒长度 缩短了活塞的有效行程 这种气缸一般多用于行程短 对输出力和运动速度要求不高的场合 用在夹紧 退料 阻挡 压入 举起和进给等操作上 标准气缸简介 我国目前已生产出五种从结构到参数都已标准化 系列化的气缸 简称标准化气缸 标准化气缸的标记标准化气缸的标记是用符号 QG 表示 用符号 A B C D H 表示五种系列 QGA 无缓冲普通气缸 QGB 细杆 标准杆 缓冲气缸 QGC 粗杆缓冲气缸 QGD 气液阻尼缸 QGH 回转缸 例 QGA100 135表示 直径为100mm 行程为135mm的无缓冲普通气缸 QG A B C D H 缸径 行程 二 几种特殊气缸简介 薄膜气缸diaphragmcylinder 1 缸盖2 膜片3 膜盘4 弹簧5 缸体6 活塞杆7 呼吸孔 工作时 膜片在压缩空气作用下推动活塞杆运动 它的优点是 结构简单 紧凑 体积小 重量轻 密封性好 不易漏气 加工简单 成本低 无磨损件 维护修方便等 适用于行程短的场合 缺点是 行程短 一般不超过50mm 平膜片的行程更短 约为其直径的1 10 无杆气缸 rodlesscylinder 在压缩空气作用下 活塞 滑块机械组合装置可以作往复运动 双端双活塞气缸这个双端双活塞杆气缸具有两个双端活塞杆 双活塞杆气缸这个双活塞杆气缸具有两个活塞杆 双端活塞杆气缸在压缩空气作用下 双端活塞杆气缸的活塞杆可以双端伸出或回缩 多位气缸通过将缸径相同但行程不同的两个气缸连接起来 可以使组合后的气缸具有三个停止位置 增力气缸增力气缸综合了两个双作用气缸的特点 即将两个双作用气缸串联连接在一起形成一个独立执行元件 摆动气缸 rotarycylinder 是出力轴被限制在某个角度内做往复摆动的一种气缸 又称为旋转气缸 按照摆动气缸的结构特点可分为齿轮齿条式和叶片式两类 齿轮齿条式 叶片式 摆动气缸应用实例 气爪 手指气缸 gripper 气 液阻尼缸 三 气缸的固定方式 四 气动马达 airmotors 气动马达是一种作连续旋转运动的气动执行元件 是一种把压缩空气的压力能转换成回转机械能的能量转换装置 它输出转矩 驱动执行机构作旋转运动 在气压传动中使用广泛的是叶片式 活塞式和齿轮式气马达 气动马达的工作原理 当压缩空气从左气口进入气室后立即喷向叶片 作用在叶片的外伸部分 产生转矩带动转子作顺进针旋转运动 输出旋转的机械能 废气从中间气口排出 残余气体则从右气口排出 若左 右气口互换 则转子反转 输出相反方向的机械能 转子转动的离心力和叶片底部的气压力 弹簧力使得叶片紧密地抵在气动马达的内壁上 以保证密封 提高容积效率 气动马达的应用实例 叶片式马达的特点 优点 具有防爆性能 马达本身的软特性使之能长期满载工作 温升较小 且有过载保护的性能 有较高的起动转矩 能带载启动 换向容易 操作简单 可以实现无级调速 与电动机相比 单位功率尺寸小 重量轻 适用于安装在位置狭小的场合及手工工具上 缺点 但气动马达也具有输出功率小 耗气量大 效率低 噪声大和易产生振动等缺点 气动辅助装置 油雾器 图10 6 油雾器是以空气为动力 将润滑油雾化并喷射到压缩空气中去的气动辅助元件 在气动系统中 三大件 的作用是将压缩空气进行初步的净化处理并进行润滑 在系统中 它们的连接顺序是 分水滤气器在前 减压阀居中 油雾器在后且尽量靠近换向阀和气动执行元件 三 消音器 一 吸收型消音器 图10 7 它是利用吸音材料消音的 吸收型消音器具有良好的中 高频消音性能 尤其是高频噪音 消音效果大于15分贝 适合气动系统使用 一般气动元件上使用的消音器有吸收型 膨胀干涉型和膨胀干涉吸收型三种 分水滤气器 减压阀和油雾器是气动的三个重要辅助件 又简称为 气动三大件 二 膨胀干涉型消音器它的工作原理是使气体膨胀 相互干涉而消音 主要用于消除中 低频 尤其是低频噪音 三 膨胀干涉吸收型消音器 图10 8 这种消音器的消声效果好 低频可消音20分贝 高频可消音45分贝 气动回路 学习重点 回路结构 原理 作用 气动基本回路压力和力控制回路换向回路速度控制回路位置控制回路基本逻辑回路 气动常用回路安全保护回路同步动作回路往复动作回路记数回路振荡回路 一 气动基本回路1 压力控制回路 一次压力控制回路电接触式压力表根据贮气罐压力控制空压机的起停 一旦贮气罐压力超过一定值时 溢流阀起安全保护作用 简单压力控制回路采用溢流式减压阀对气源实行定压控制 高低压控制回路由多个减压阀控制 实行多个压力同时输出 高低压切换回路利用换向阀和减压阀实现高低压切换输出 过载保护回路正常工作时 阀1得电 使阀2换向 气缸活塞杆外伸 如果活塞杆受压的方向发生过载 则顺序阀动作 阀3切换 阀2的控制气体排出 在弹簧力作用下换至图示位置 使活塞杆缩回 力控制回路 串联气缸回路通过控制电磁阀的通电个数 实现对分段式活塞缸的活塞杆输出推力的控制 气动系统一般压力较低 所以往往是通过改变执行元件的受力面积来增加输出力 采用气液增压器的增力回路利用气液增压器1把较低的气压变为较高的液压力 提高了气液缸2的输出力 冲击气缸回路阀1得电 冲击气缸下腔由快速排气阀2通大气 阀3在气压作用下切换 气罐4内的压缩空气直接进入冲击气缸 使活塞以极高的速度运动 该活塞所具有的动能转换成很大的冲击力输出 减压阀5调节冲击力的大小 方向控制回路 单作用气缸换向回路用三位五通换向阀可控制单作用气缸伸 缩 任意位置停止 双作用气缸换向回路用三位五通换向阀除控制双作用缸伸 缩换向外 还可实现任意位置停止 11 1 4 1节流调速回路气动系统功率不大 主要用节流调速的调速方法 进气节流调速排气节流调速 速度控制回路 双向调速回路 气阀调速回路单作用气缸调速回路用两个单向节流阀分别控制活塞杆的升降速度 单作用气缸快速返回回路活塞返回时 气缸下腔通过快速排气阀排气 排气节流阀调速回路通过两个排气节流阀控制气缸伸缩的速度 缓冲回路活塞快速向右运动接近末端 压下机动换向阀 气体经节流阀排气 活塞低速运动到终点 气液联动速度控制回路 由于气体的可压缩性 运动速度不稳定 定位精度不高 在气动调速 定位不能满足要求的场合 可采用气液联动 气液缸串联调速回路通过两个单向节流阀 利用液压油不可压缩的特点 实现两个方向的无级调速 油杯为补充漏油而设 气液联动回路 实现 以气压为动力 利用气液转换器把气压传动转变为液压传动 或者采用气液阻尼缸来作为执行元件 特点 回路不需要液压动力源 具备传动平稳 定位精确 可无级调速的特点 气液缸并联且有中间位置停止的变速回路气缸活塞杆端滑块空套在液压阻尼缸活塞杆上 当气缸运动到调节螺母6处时 气缸由快进转为慢进 液压阻尼缸流量由单向节流阀2控制 蓄能器能调节阻尼缸中油量的变化 气液缸串联变速回路当活塞杆右行到撞块A碰到机动换向阀后开始作慢速运动 改变撞块的安装位置 即可改变开始变速的位置 位置控制回路 采用串联气缸定位气缸由多个不同行程的气缸串联而成 换向阀1 2 3依次得电和同时失电 可得到四个定位位置 任意位置停止回路当气缸负载较小时 可选择图a所示回路 当气缸负载较大时 应选择图b所示回路 当停止位置要求精确时 可选择前面所讲的气液阻尼缸任意位置停止回路 基本逻辑回路 常用回路安全保护回路 双手操作回路只有同时按下两个启动用手动换向阀 气缸才动作 对操作人员的手起到安全保护作用 应用在冲床 锻压机床上 互锁回路该回路利用梭阀1 2 3和换向阀4 5