《机械工程基础》-第13章

第１节气压传动概述一、气压传动的应用和特点１.气压传动的应用气压传动是风动技术与液压技术演变、发展而来。气压传动是以压缩空气作为工作介质传递运动和动力。气动技术被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性。２.气压传动的特点与机械、电气、液压传动相比，气压传动有以下特点：下一页返回第１节气压传动概述１）优点（１）以空气为工作介质，来源易得，无污染，不需设回收管道；（２）介质清洁，管道不易堵塞，而且不存在介质变质、补充和更换问题，维护简单；（３）空气的黏度很小，因此流动损失小，便于实现集中供气，远距离输送；（４）动作迅速，反应灵敏，借助溢流阀可实现过载自动保护；（５）成本低廉，工作环境适应性好。上一页下一页返回第１节气压传动概述２）缺点（１）气动工作压力低，故气动系统的输出力（或力矩）较小；（２）空气具有可压缩性，因此不易实现精确的速度和定位要求，系统的稳定性受负载变化的影响较大；（３）气动系统的排气噪声大，高速排气时需设置消声器；（４）空气本身无润滑性能，需另加润滑装置。二、气压传动的工作原理与组成上一页下一页返回第１节气压传动概述１.气压传动的工作原理气压传动工作原理是利用空气压缩机把电动机或其他原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的控制下，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。２.气压传动系统的组成从上面的例子可以看出，典型的气压传动系统以下四部分组成的：（１）气源装置。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。上一页下一页返回第１节气压传动概述（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。它包括各种压力阀、流量阀和方向阀、射流元件、逻辑元件、传感器等；（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的气马达；（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需的，它包括过滤器、油雾器、管接头及消声器等。上一页返回第２节气动元件一、气源装置及辅件１.气源装置气源装置是用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及储存的一套装置。图１３－２为常见的气源装置，其主要由以下元件组成：１）空气压缩机空气压缩机简称空压机，是气源装置的核心，用来将原动机输出的机械能转化为气体的压力能。一般有活塞式、膜片式、叶片式、螺杆式等几种类型。选择空压机时，其额定压力应等于或略高于所需的工作压力，其流量应等于系统设备最大耗气量并考虑管路泄露等因素。气动系统中最常用的是往复活塞式空压机。下一页返回第２节气动元件２）后冷却器后冷却器安装在空气压缩机出口处的管道上。它的作用是将空气压缩机排出的压缩空气温度由１４０℃～１７０℃降至４０℃～５０℃。这样就可使压缩空气中的油雾和水汽迅速达到饱和，使其大部分析出并凝结成油滴和水滴，以便经油水分离器排出。后冷却器的结构形式有：蛇形管式、列管式、散热片式、管套式等。冷却方式有水冷和气冷两种方式。３）油水分离器油水分离器安装在后冷却器出口管道上，它的作用是分离并排出压缩空气中凝聚的油分、水分和灰尘杂质等，使压缩空气得到初步净化。上一页下一页返回第２节气动元件图１３－３所示是油水分离器的示意图。压缩空气由入口进入分离器壳体后，气流先受到隔板阻挡而被撞击折回向下（见图中箭头所示流向）；之后又上升产生环形回转，这样凝聚在压缩空气中的油滴、水滴等杂质受惯性力作用而分离析出，沉降于壳体底部，由放水阀定期排出。４）干燥器经后冷却器、油水分离器和贮气罐后得到初步净化的压缩空气，已满足一般气压传动的需要。但压缩空气中仍含一定量的油、水以及少量的粉尘。如果用于精密的气动装置、气动仪表等，上述压缩空气还必须进行干燥处理。压缩空气干燥方法主要采用吸附法、冷冻法和潮解式。上一页下一页返回第２节气动元件５）空气过滤器空气过滤器又名分水滤气器、空气滤清器，它的作用是滤除压缩空气中的水分、油滴及杂质，以达到气动系统所要求的净化程度。它属于二次过滤器，大多与减压阀，油雾器一起构成气动三联件，安装在气动系统的入口处。图１３－４所示为其结构简图。压缩空气由输入口引入带动高速旋转的旋风叶子１，其上开有许多成一定角度的缺口，迫使空气沿切线方向强烈旋转，从而使空气中的水分、油分等杂质因离心力而被分离出来，沉降于存水杯３的底部，然后空气通过中间的滤芯２，得到再次过滤，最后经输出口输出。挡水板４的作用是防止水杯底部的污水被卷起，污水可通过定期打开手动排水阀５排出。上一页下一页返回第２节气动元件６）储气罐储气罐用来储存空气压缩机排出的气体，可以减小输出压缩空气的压力脉动，增大其压力稳定性和连续性，进一步分离水分和油分等杂质，并在空气压缩机意外停机时，避免气动系统立即停机。储气罐一般采用圆筒状焊接结构，有立式和卧式两种，大多为立式。２.气动辅件１）油雾器气动系统中的气动控制阀、气动马达和气缸等大都需要润滑。油雾器是一种特殊的润滑装置，它可将润滑油雾化后混合于压缩空气中，并随其进入需要润滑的部位。这种润滑方法具有润滑均匀、稳定，耗油量少和不需要大的贮油设备等优点。上一页下一页返回第２节气动元件２）消声器气动系统用后的压缩空气一般直接排入大气，由于气体体积急剧膨胀而产生刺耳的噪声。为降低噪声，可在气动装置的排气口安装消声器。常用的消声器按消声原理不同，可分为吸收型消声器、膨胀干涉型消声器和膨胀干涉吸收复合型消声器三种。３）转换器气动控制系统中经常综合应用到气、电、液三方面，例如利用电来产生、处理和输送电信号，利用气动进行控制，最后通过液力驱动等。转换器即是实现气、电、液三者间信号相互转换的辅件。常用的转换器有：气－电、电－气和气－液等。上一页下一页返回第２节气动元件气动辅件的具体结构形式和原理可参考相关资料。二、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。它包括气缸和气马达。三、控制元件在气压传动系统中，气动控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量和方向的各种控制阀，其作用是保证气动执行元件（如气缸、气马达等）按设计的程序正常地进行工作。１.方向控制阀方向控制阀主要有单向型和换向型两种，其阀芯结构主要有截止式和滑阀式两种。上一页下一页返回第２节气动元件２.压力控制阀１）减压阀气动系统中，一般气源压力都高于每台设备所需的压力，而且许多情况下是多台设备共用一个气源。利用减压阀可以将气源压力降低到各个设备所需的工作压力，并保持出口压力稳定。气动减压阀也称为调压阀，与液压减压阀一样，都是以阀的出口压力作为控制信号。调压阀按调压方式不同可分为直动式和先导式。２）溢流阀当气动系统中的压力超过设定值时，溢流阀自动打开并排气，以降低系统压力，保证系统安全。因此，溢流阀也称安全阀。溢流阀按控制形式分为直动式和先导式两种。上一页下一页返回第２节气动元件３）顺序阀顺序阀的作用是依靠气路中压力的大小来控制执行机构按顺序动作。顺序阀常与单向阀并联结合成一体，称为单向顺序阀。３.流量控制阀流量控制阀包括节流阀、单向节流阀等，其工作原理与液压的节流阀相似。由于气体的可压缩性，气动流量控制阀的控制精度较低，为提高精度或运动平稳性，可采用气液联动的方式。上一页下一页返回第２节气动元件四、逻辑元件现代气动系统中的逻辑控制，大多通过采用ＰＬＣ来实现，但是，在有防爆防火要求特别高的场合，常用到一些气动逻辑元件。气动逻辑元件是一种以压缩空气为工作介质，通过元件内部可动部件的动作，改变气流流动的方向，从而实现一定逻辑功能的流体控制元件。气动逻辑元件按工作压力分为高压、低压和微压三种。按结构形式分类，主要包括截止式、膜片式、滑阀式和球阀式等几种类型。本节仅对高压截止式逻辑元件作一简要介绍。上一页返回第３节气动回路一、方向控制回路１.单作用气缸换向回路图１３－２１所示为单作用气缸换向回路。图（ａ）为由二位三通电磁换向阀控制的换向回路。当换向阀电磁铁通电时，活塞杆在气压作用下伸出，而断电时换向阀复位，活塞杆在弹簧力作用下缩回。图ｂ为由三位五通电磁阀控制的换向回路。与前者不同的是，它能在换向阀两侧电磁铁均为断电，即中位工作时，使气缸停留在任意位置。但由于气体的可压缩性，活塞的定位精度不高，而且停止时间不能过长。下一页返回第３节气动回路２.双作用气缸换向回路双作用气缸换向回路如图１３－２２所示。图（ａ）和图（ｂ）分别为由双气控二位五通阀和中位封闭式双气控三位五通阀控制的换向回路，其实现的功能与上面的单作用气缸换向回路相似，但应注意不能在换向阀两侧同时加等压气控信号，否则气缸易出现误动作。二、压力控制回路１.调压回路图１３－２３（ａ）所示为常用的一种调压回路，是利用减压阀来改变系统中的压力。图１３－２３（ｂ）所示为可提供两种压力的调压回路，气缸有杆腔压力由调压阀４调定，无杆腔压力由调压阀５调定。上一页下一页返回第３节气动回路采用此回路符合工作中的实际情况需要，即工作进程和工作回程的负载不同。２.增压回路如图１３－２４所示，工作进程时，压缩空气经电磁阀１进人增压缸２的大活塞端，推动活塞杆把串联在一起的小活塞端的液压油压人工作缸５的无杆腔中，得到一较大的压力；工作回程时，压缩空气进入增压缸３的大活塞端达到增压的目的。工作缸５在工作进程和回程都能得到高压。其增压比为：ｋ＝Ｄ２／Ｄ２

１。节流阀４用于调节活塞运动速度。上一页下一页返回第３节气动回路图１３－２５所示为采用单向节流阀实现排气节流的速度控制回路，通过调节节流阀的开度来调节气缸工作进程和回程的运动速度。２.缓冲回路由于气动执行元件动作速度较快，当活塞惯性力大时，可采用如图１３－２６所示缓冲回路。当活塞向右运动时缸右腔的气体经二位二通阀排气，直到活塞运动接近末端，压下机动换向阀时，气体经节流阀排气，活塞低速运动到终点。四、其他基本回路上一页下一页返回第３节气动回路１.同步动作回路图１３－２７所示为简单的同步回路，它把两缸活塞杆通过刚件ｃ焊接成一体，从而迫使Ａ、Ｂ两缸同步运动。图１３－２８所示为气／液转换同步回路。此回路缸１下腔与缸２上腔相连，内部注满液压油，通过保证缸１下腔的有效面积和缸２上腔的有效面积相等来实现同步。回路中３处接放气装置，用于放掉混入油中的气体。２.安全保护回路１）互锁回路上一页下一页返回第３节气动回路图１３－２９所示为互锁回路，主控阀（二位四通阀）的换向受三个串联的机控三通阀控制，只有三个机控阀都接通时主控阀才能换向，气缸才能动作。２）过载保护回路图１３－３０所示为过载保护回路。当活塞右行遇到障碍或其他原因使气缸过载时，左腔压力升高；当超过预定值时，打开顺序阀３，使换向阀４换向，阀１、２同时复位，气缸返回，以保护设备安全。３）往复动作回路图１３－３１为常用的单往复动作回路。按下阀ｌ后，阀３换向，活塞右行。当撞块碰通机控阀２的行程开关时，阀３复位，活塞自动返回，完成一次往复动作。上一页下一页返回第３节气动回路４）延时回路在图１３－３２（ａ）所示气控延时回路中，阀４输入气控信号后换向，压缩空气经单向节流阀３向气罐２缓慢充气，经一定延迟时间ｔ后，充气压力达到设定值，使阀１换向，输压缩空气。改变阀３的节流口开度即可调整延时时间长短。图１３－３２（ｂ）所示手控延时回路，按下阀８后，阀７换位，活塞杆伸出，行至将行程阀５压下，系统经节流阀缓慢向气罐６充气，延迟一定时间后，达到设定压力值，阀７才能复位，使活塞杆返