《机械基础 》课件第9章

第9章气压传动9.1气压传动系统概述

9.2气压传动元件

9.3气压传动基本回路及系统实例

复习思考题

9.1气压传动系统概述

9.1.1气压传动系统的工作原理及组成气压传动系统的工作原理是利用空气压缩机将电动机或其他原动机输出的机械能转变为空气的压力能,然后在控制元件的控制和辅助元件的配合下,通过执行元件把空气的压力能转变为机械能,从而完成直线或回转运动,并对外作功。

可见,气压传动与液压传动一样,都是利用流体作为工作介质,由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质五大部分组成,而且元件结构及其图形符号也有很多相似之处。但是,由于气压传动是以空气作为工作介质,而空气与液压油相比较,具有压缩性大、粘性小、清洁度和安全性高等特点。因此,气压传动与液压传动在结构、性能和使用范围上也存在较大的差别。

9.1.2气压传动的优缺点

(1)空气取之不尽,用之不竭,又不污染环境,用后即可排放到大气中去,而且不堵塞管道。可应用于食品加工、轻纺、印刷、精密检测等高净化、无污染的场合。

(2)空气的粘度小,在管路中的流动阻力小,所以能量损失少,易于远距离输送及控制。

(3)动作迅速,反应快,一般只需0.02～0.3s就可达到工作压力和速度。

(4)不存在介质变质、补充和更换等问题。

(5)工作环境适应性好,可安全可靠地应用于易燃易爆等场所。允许工作温度范围宽,一般可在0～200℃之间正常工作。

(6)空气的压缩性大,具有自动过载保护作用。

气压传动系统有以下缺点:

(1)空气的压缩性远大于液压油,所以工作平稳性不如液压传动。

(2)工作压力低[WTBZ](一般为0.4～0.8MPa),因而气压传动系统输出力小,一般不宜大于10～40kN。

(3)有较大的排气噪声。

(4)空气本身没有润滑性,需另加润滑装置。

9.1.3气压传动的应用气压传动在相当长的时间内仅被用来执行简单的机械动作,但随着工业的发展,气压传动技术的应用领域已从汽车、采矿、钢铁、机械工业等行业迅速扩展到食品、轻工、化工、军事等各行各业,而且已发展成为包含传动、控制与检测在内的自动化技术。目前,气压传动技术正朝着以提高系统可靠性和综合性为目的的研究和开发方向发展。

9.2气压传动元件

9.2.1动力元件气压传动系统的动力元件是空气压缩机,简称空压机。其作用是将原动机(如电动机)供给的机械能转变为气体的压力能,向系统提供气源。空气压缩机的种类很多,气压传动中最常用的是活塞式空气压缩机,其工作原理同液压传统中的容积式液压泵,也是靠密封容积的变化进行吸气和排气的。

9.2.2辅助元件

1.空气净化装置

1)冷却器冷却器装在空气压缩机的后面,也称后冷却器,其主要作用是降低空气压缩机排出的压缩空气的温度,使其中的水汽、油汽凝结成水滴和油滴,以便经油水分离器析出。常用的冷却器有列管式、套管式、蛇管式和散热片式等几种。图9-1所示为列管式冷却器的结构原理和符号。

图

9-1列管式冷却器的结构原理和符号

2)分水排水器分水排水器的作用是分离并排除压缩空气中凝聚的水分、油分和灰尘等杂质,使压缩空气得到初步净化。其结构形式有环行回转式、撞击折回式、离心旋转式、水浴式及以上形式的组合式等。它主要是利用回转离心、撞击、水洗等方法使水滴、油滴及其他杂质颗粒从压缩空气中分离出来。如图9-2(a)所示为撞击折回并环行回转式分水排水器的结构原理,当压缩空气由入口进入分水排水器后,首先与隔板撞击,一部分水和油留在隔板上,然后气流上升产生环形回转,这样,凝聚在压缩空气中的水滴、油滴及灰尘杂质受惯性力作用而分离析出,沉降于壳体底部,由下面的排水阀定期排出。图9-2(b)为该分水排水器的符号。

图

9-2撞击折回并环行回转式分水排水器的结构原理和符号

3)过滤器过滤器的作用是滤除压缩空气中的杂质微粒(如灰尘、水分等),达到系统所要求的净化程度。常用的过滤器有一次过滤器(也称简易过滤器)和二次过滤器。图9-3所示是作为二次过滤器用的分水过滤器的结构原理。图中,从入口进入的压缩空气被引入旋风叶子1,旋风叶子上有许多呈一定角度的缺口,迫使空气沿切线方向产生强烈旋转。这样,夹杂在空气中的较大水滴、油滴、灰尘等便依靠自身的惯性与存水杯2的内壁碰撞,并从空气中分离出来沉到杯底,而微粒灰尘和雾状水汽则由滤心3滤除。为防止气体旋转将存水杯中积存的污水卷起,在滤芯3下部设有挡水板4。此外,存水杯中的污水应通过下面的排水阀5及时排放掉。

图

9-3分水过滤器的结构原理和符号

4)干燥器压缩空气经过除水、除油、除尘的初步净化以后,已能满足一般气压传动系统的需要,对于某些要求较高的气动装置或气动仪表,其用气还需经过干燥处理。图9-4是一种常用的吸附式干燥器结构原理图,当压缩空气通过栅板、干燥吸附剂(如焦碳、硅胶、铝胶、分子筛等)、

滤网等时,可达到干燥、

过滤的目的。

图

9-4干燥器的结构原理和符号

5)储气罐储气罐的作用,一是消除压力波动;二是储存一定量的压缩空气,维持供需气量之间的平衡;三是进一步分离气中的水、油等杂质。储气罐一般采用圆筒状焊接结构,有立式和卧式两种,通常以立式应用较多。罐上除了进、出气口之外,应设有安全阀、压力表及排放油水的管阀。图9-5为储气罐的图形符号。

图

9-5储气罐图形符号

图

9-6空气净化装置连接示意图

2.其他辅助元件

1)油雾器油雾器是一种特殊的注油装置。其作用是使润滑油雾化后注入空气流中随空气流进入需要润滑的部件,达到润滑的目的。油雾器的工作原理可以通过图9-7来说明。当压力为p1的压缩空气流经过狭窄的颈部通道时,因流速增大,压力降低为p2,由于压差Δp=p1-p2的作用,油池中的润滑油就沿竖直细管(称文氏管)被吸往上方,并滴向颈部通道,随即被压缩气流喷射雾化带入系统。

图

9-7油雾器的结构原理和符号

2)消声器气压传动系统的执行元件用后的压缩空气直接排入大气,因排气速度较高,伴随有强烈的噪声,而且排气速度和功率越大,产生的噪声也越大,有时可达100～120dB。这种噪声使工作环境恶化,危害人体健康。一般来说,噪声高于85dB都要设法降低,为此通常在排气口安装消声器来降低排气噪声。消声器就是通过阻尼或增加排气面积等方法来降低排气速度和功率以达到降低噪声的目的。常用的消声器有三种类型:吸收型、膨胀干涉型和这两种形式的组合型。其中,吸收型消声器是靠装在消声器体内的吸声材料(玻璃纤维、毛毡、泡沫塑料、烧结材料等)来消声的。膨胀干涉型消声器的结构很简单,实际上是一段比排气孔直径大的管子,当气流通过时,让气流在其内部扩散、膨胀、碰撞、反射、相互干涉而消声。

图

9-8膨胀干涉吸收组合型消声器的结构原理和符号

3)转换器气压传动系统的工作介质是气体,而信号的传感和动作的执行不一定全用气体,可能用电或液体传输,这就要通过转换器来转换。常用的转换器有两种,即气电转换器和气液转换器。此外电磁换向阀也可以作为电气转换器。

(1)气电转换器。气电转换器是将气信号转变为电信号的装置,也称之为压力继电器。其工作原理同液压传动中的压力继电器,即由压力-位移转换装置和微动开关组成。利用气压信号的变化引起可动部件(如膜片、顶杆等)的位移来触动微动开关发出电信号。

(2)气液转换器。气液转换器是将气信号转换为液压信号的装置。图9-9所示为气液转换器的结构原理和符号。其工作过程是：在一筒式容器内,压缩空气直接(或通过活塞、隔膜等)作用在液面上,推压液体以同样的压力输出。

图

9-9气液转换器的结构原理和符号

9.2.3执行元件

1.气缸与液压缸一样,气缸也有单作用气缸、双作用气缸和摆动气缸。一般形式的气缸类似于液压缸,此处不再赘述。下面介绍一种具有特殊结构功能的气液阻尼缸。

普通气缸工作时,由于气体的可压缩性,使气缸工作不稳定。为了使活塞运动平稳,普遍采用气液阻尼缸。气液阻尼缸是由气缸和液压缸组合而成的,它以压缩空气为能源,利用油液的近似不可压缩性和控制流量来获得活塞的平稳运动和调节活塞的运动速度。图9－10所示为气液阻尼缸的工作原理。在此缸中,液压缸和气缸共用一个活塞杆,故气缸活塞运动必然带动液压缸活塞往同一方向运动。当活塞右移时,液压缸右腔排油只能经节流阀流入左腔,所产生的阻尼作用使活塞平稳运动,调节节流阀,即可改变活塞的运动速度;反之,活塞左移,液压缸左腔排油经单向阀流入右腔,因无阻尼作用,故活塞快速退回。图中,液压缸上方的油箱只用来补充液压缸因泄漏而减少的油量。由于补油量不大,通常只用油杯补油。

图

9-10气液阻尼缸的工作原理

2.气马达气马达能将压缩空气的压力能转换为作旋转运动的机械能。与液压传动中的马达一样,气马达按结构形式也分为:叶片式、柱塞式和齿轮式等。最为常见的是叶片式和柱塞式。叶片式气马达制造简单,结构紧凑,但低速运动转矩小,低速性能不好,适用于中、低功率的机械,目前在矿山及风动工具中应用普遍。柱塞式气马达在低速情况下有较大的输出功率,它的低速性能好,适宜于载荷较大和要求低速转矩的机械,如起重机、绞车、绞盘、拉管机等。其工作原理与相应的液压马达类似。

9.2.4控制元件

1.方向控制阀

1)单向阀单向阀包括普通单向阀、或门型梭阀、与门型梭阀和快速排气阀。普通单向阀的结构原理和符号与液压传动中的单向阀基本相同,这里只介绍梭阀和快速排气阀,其中梭阀是构成逻辑回路的重要元件。

(1)或门型梭阀。图9-11所示为或门型梭阀的工作原理和符号。该阀的结构相当于两个单向阀的组合。当通路p1进气时,将阀芯推向右边,通路被关闭,于是气流从p1进入通路A,如图9-11(a)所示。当气流从p2进入A,如图9-11(b)所示。当p1、p2同时进气时,哪端压力高,A口就与哪端相通,另一端就自动关闭;图9-11(c)为该阀的图形符号。这种梭阀在气动回路中起到或门的作用。图

9-11或门型梭阀的工作原理和符号

(2)与门型梭阀。图9-12所示为与门型梭阀的工作原理和符号。这种阀又称双压阀,它也是相当于两个单向阀的组合,其特点是只有当两个进气口p1、p2同时进气时,A口才有输出;当两端进气压力不等时,则低压气通过A口输出。

图

9-12与门型梭阀的工作原理和符号

(3)快速排气阀。快速排气阀简称快排阀,其工作原理和符号见图9-13。图9－13(a)中，当进气口P进入压缩空气后,将密封活塞上推,使阀口2打开,阀口1关闭,进气口P和工作口A连通。图9-13(b)中，当进气口P没有压缩空气时,在A口和P口的压差作用下,密封活塞下移,关闭P口,使A口通过O口快速排气。快排阀常装在换向阀和气缸之间,使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出,加快了气缸的往复运动速度,缩短了工作周期。图

9-13快速排气阀的工作原理和符号

2)换向阀换向阀的分类方法与液压传动大致相同，只是液压系统中的液控阀在气压系统中是由压缩空气控制的气控阀。其图形符号如图9-14所示。

图

9-14气动换向阀的图形符号

气压传动中,电磁控制换向阀的应用较为普遍。按电磁力作用方式的不同,电磁换向阀分为直动型和先导型两种。图9-15所示为单电磁铁直动型电磁换向阀的工作原理和符号。图

9-15单电磁铁直动型电磁换向阀的工作原理和符号

2.压力控制阀

1)减压阀气压传动系统与液压传动系统不同的一个特点是,液压传动系统的压力油一般由自带的液压源(液压泵)直接提供,而气压系统中,一般都是由空气压缩机先将空气压缩,储存在气罐内,然后经管路输送给各气动装置使用,因气罐中的压缩空气压力高,压力波动较大,而各气动装置所需的压力又不同,这就需要用减压阀将压力减到每台气动装置需要的压力并保持减压后的压力值稳定。减压阀应安装在过滤器与油雾器之间,三者组合使用合称气动三联件。

2)单向顺序阀单向顺序阀是单向阀和顺序阀的组合阀,它依靠回路中压力的不同,单方向控制两个执行元件的顺序动作。

3)安全阀为保证气动回路和储气罐的安全,当压力超过某一调定值时,自动向外排气,使压力降至其调定值。图9-16为压力控制阀的图形符号。

图

9-16压力控制阀的图形符号

3.流量控制阀在气压传动系统中,要控制执行元件的运动速度,或控制换向阀的切换时间,或控制气动信号的传递速度,都需要通过调节压缩空气流量来实现。实现流量控制的装置很多,大致分为两类:一类是不可调节的流量控制,如细长管、孔板等;另一类是可调节的流量控制装置,如喷嘴挡板、各种流量阀等,其流量控制简图如图9-17所示。

图

9-17流量控制装置简图

流量控制阀包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀等。其中,节流阀和单向节流阀通常安装在气路系统中间,调节气流的流量,其工作原理与符号和液压阀中的同类型阀相同。而排气节流阀则安装在排气口,调节排入大气的流量。排气节流阀实际上是一种带有消声器的节流阀,用于降低排气噪声。

图9-18所示为排气节流阀的结构原理和符号。

图

9-18排气节流阀的结构原理和符号

9.3气压传动基本回路及系统实例

9.3.1压力控制回路图9-19所示为常用的压力控制回路。压缩空气经单向阀送入储气罐,为使储气罐送出的气体压力不超过规定值,在储气罐上安装一个安全阀,一旦罐内压力超过规定值时,就会通过安全阀向大气放气,称为一次压力控制。为保证气压传动系统使用的气体压力为一稳定值,经过一次压力控制的压缩气体再经由过滤器、减压阀、油雾器三者组合而成的气源调节装置,进行二次压力控制。

图

9-19压力控制回路

9.3.2速度控制回路速度控制的基本方法是用节流阀控制进入(或排出)执行元件的气流量。

1)单作用气缸的速度控制回路图9-20(a)所示的回路是用两个反向安装的单向节流阀来分别控制活塞杆的升降速度。图9-20(b)所示为单向速度控制回路,图中节流阀用于控制活塞杆上升的速度,下降时则通过快排阀排气,使其快速返回。

图

9-20单作用气缸的速度控制回路

2)双作用气缸的速度控制回路图9-21所示双作用气缸的速度控制回路。图9-21(a)所示为采用单向节流阀的调速回路。图9-21(b)所示为采用节流阀的调速回路。与进气节流调速相比,调速时进气阻力小,受外载变化影响小,因此活塞运动平稳,调速效果好。

图

9-21双作用气缸的速度控制回路

3)气液联动的速度控制回路图9-22所示为气液阻尼缸的速度控制回路。此回路可实现“快进-慢进-快退”的工作循环。当改变挡块或行程阀的安装位置时,快进到慢进的速度换接位置可以得到调整。

图

9-22气液阻尼缸的速度控制回路

9.3.3逻辑回路

1.与门回路将两个常闭型的二位三通换向阀串联起来(见图9-23(a))或将一常闭型二位三通阀的气源口作为信号输入口(见图9-23(b)),就成为一个与门回路。在与门回路中,只有当控制信号a和b同时存在时,才有主流信号s输出,其逻辑表达式为s=a·b。在锻压和冲压设备中,为避免事故发生,常采用图9-23(c)所示的安全联锁回路,这是与门回路应用的一个实例。在操作时,必须双手按下按钮机床才能工作,因而可避免伤手事故。图

9-23与门回路及其应用

2.或门回路

将两个常闭型的二位三通换向阀按图9-24(a)并联起来,就组成一个或门回路。由图可见,两个阀中只要有一个换向,回路就有输出,其逻辑表达式为s=a＋b。图9－24(b)所示的一个梭阀也成为一个或门回路。或门回路的典型应用实例是图9-24(c)所示的自动—手动并用回路。图

9-24或门回路及其应用

9.3.4过载保护回路过载保护回路如图9-25所示。当活塞前进遇到故障使气缸过载,气缸左腔压力升高超过预定值时,

顺序阀1打开,控制气体经梭阀2将换向阀3切换至右位,使活塞返回,防止系统过载。

图

9-25过载保护回路

9.3.5往复动作回路图9-26所示为较简单的采用手动阀和机控阀实现连续自动往复动作的回路。当拉动手动阀1使其右位接入气路时,阀2随即也切换至右位,活塞前进。当活塞行程至终点，压下行程阀4时,使阀2复位,活塞返回。当活塞返回压下行程阀3时,阀2再次被切换,活塞再次前进。如此,活塞作连续不断的往复运动,直至改变手动阀复位。

图

9-26往复动作回路

9.3.6气压传动系统实例

1.工件夹紧气压传动系统图9-27为机械加工自动线、组合机床中常用的工件夹紧气压传动系统原理图。其动作顺序是:当加工工件被运送到指定位置后,气缸A的活塞杆伸出,将工件定位锁紧,然后两侧气缸B和C的活塞杆同时伸出,夹紧工件,最后进行机械加工。

图

9-27工件夹紧气压传动系统

工件夹紧气压传动系统的工作原理如下:当用脚踏下脚踏换向阀1后,压缩空气经单向节流阀进入气缸A的无杆腔,活塞杆下降至锁紧位置后使机动行程阀2换向,压缩空气经单向节流阀5进入阀6的右侧(调节节流阀的开度可控制阀6的延时接通时间),使阀换向。压缩空气经阀6的右位再通过主控阀4的左位进入气缸B和C的无杆腔,两活塞同时伸出,夹紧工件,进行机械加工。与此同时一部分压缩空气经单向节流阀3(调节节流阀的开度可控制阀4的延时接通时间,延时时间比加工时间略长)后,使主控阀4换向到右位,气缸B和C返回。在两气缸返回的过程中,有杆腔的压缩空气使脚踏阀1复位,气缸A返回。气缸A上升的同时,机动行程阀2复位,阀6也相继复位,气缸B和C的无杆腔通过阀4和阀6排气,主控阀4也相继复位,由此完成一个工作循环。

2.显像管转运机械手气压传动系统在显像管生产过程中,显像管的转运采用了集机械、气动、液压、真空和电子技术于一体的控制系统,各工序采用传送带连接。在操作工位,由机械手从传送带上取下显像管放到加工设备上。在清洗工位,机械手把来自传送带的显像管抓起来放到清洗机的上管工位。该系统主要由长臂伸缩缸、立柱升降缸、回转摆动缸、真空吸盘和机架等部分组成(见图9-28)。各驱动气缸的行程末端均带有行程开关,用以检测各动作的到位情况,以发出相应的控制信号。

图

9-28显像管转动机械手结构示意图

1)机械手完成的工作和动作程序

(1)机械手处于原位。长臂缸3活塞杆缩回,摆动缸4叶片处于左位,升降缸A活塞杆缩回,升降缸B活塞杆伸出,等待显像管到位。

(2)机械手吸抓显像管。显像管传送带进到并发出有管信号,吸盘吸住显像管。

(3)机械手上升。升降缸B缸体升起,升降缸A活塞杆伸出,使机械手处于最高位。

(4)机械手转位。摆动缸4向右转90°。