教学材料《液压传动》-第十一章

11.1气压传动概述11.1.1气压传动系统的工作原理气压传动简称气动，它是流体传动及控制学科的一个重要分支。气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，完成直线或回转运动并对外作功，进而控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。下一页返回11.1气压传动概述11.1.2气压传动的组成气压传动系统及控制系统组成如图11-1所示。(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)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或摆动的气电动机或摆动电动机等。(3)控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以便使执行机构完成预定的工作循环的装置。它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等。(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装置。它包括过滤器、油雾器、管接头及消声器等。上一页下一页返回11.1气压传动概述11.1.3气压传动的特点由于气动的工作介质为压缩空气，其具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、辐射，无污染、结构简单和工作可靠等特点，所以气动技术与液压、机械、电气和电子技术相结合的方式，已发展成为实现生产过程自动化的一个重要手段。气动技术现在被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空和交通运输等各个工业部门。气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，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。具体来讲，气压传动具有以下特点。上一页下一页返回11.1气压传动概述1.气压传动的优点(与液压系统相比)(1)工作介质是空气，与液压油相比具有节约能源且取之不尽、用之不竭的优点。另外气体不易堵塞流动通道，用之后可将其随时排入大气中，不污染环境。(2)因空气黏度小(约为液压油的万分之一)，在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。即使有泄漏，也不会像液压油一样污染环境。(3)与液压相比，气动反应快、动作迅速、维护简单、管路不易堵塞。(4)气动元件结构简单、制造容易、标准化、系列化、通用化。上一页下一页返回11.1气压传动概述(5)气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射和振动等恶劣工作环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。(6)空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保护，也便于贮气罐贮存能量，以备急需。(7)排气时气体因膨胀而温度降低。因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。上一页下一页返回11.1气压传动概述2.气压传动的缺点(1)由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，外载变化时，对工作速度的影响较大。(2)由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。气压传动装置的输出力不宜大于10～40kN。(3)气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。同时实现生产过程的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的。(4)噪声较大，尤其是在超声速排气时要加消声器。气动与其他几种传动控制方式的性能比较见表11-1。上一页返回11.2气动元件11.2.1气源装置1.对压缩空气的要求(1)要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。因为压缩空气是气动装置的动力源，没有一定的压力不但不能保证执行机构产生足够的推力，甚至连控制机构都难以正确地动作；没有足够的流量，就不能满足对执行机构运动速度和程序的要求等。总之，压缩空气没有一定的压力和流量，气动装置的一切功能均无法实现。(2)要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。清洁度是指气源中含油量、含灰尘杂质的质量及颗粒大小都要控制在很低范围内。干燥度是指压缩空气中含水量的多少，气动装置要求压缩空气的含水量越低越好。下一页返回11.2气动元件由空气压缩机排出的压缩空气，虽然能满足一定的压力和流量的要求，但不能为气动装置所使用。因为一般气动设备所使用的空气压缩机都是属于工作压力较低(小于1MPa)，用油润滑的活塞式空气压缩机。它从大气中吸入含有水分和灰尘的空气，经压缩后，空气温度均提高到140℃～180℃，这时空气压缩机气缸中的润滑油也部分成为气态，这样油分、水分以及灰尘便形成混合的胶体微尘与杂质混在压缩空气中一同排出。如果将此压缩空气直接输送给气动装置使用，将会产生下列影响。①混在压缩空气中的油蒸气可能聚集在贮气罐、管道、气动系统的容器中形成易燃物，有引起爆炸的危险；另一方面，润滑油被汽化后，会形成一种有机酸，对金属设备、气动装置有腐蚀作用，影响设备的寿命。上一页下一页返回11.2气动元件②混在压缩空气中的杂质能沉积在管道和气动元件的通道内，减少了通道面积，增加了管道阻力。特别是对内径只有0.2～0.5mm的某些气动元件会造成阻塞，使压力信号不能正确传递，整个气动系统不能稳定工作甚至失灵。③压缩空气中含有的饱和水分，在一定的条件下会凝结成水，并聚集在个别管道中。在寒冷的冬季，凝结的水会使管道及附件结冰而损坏，影响气动装置的正常工作。④压缩空气中的灰尘等杂质，对气动系统中作往复运动或转动的气动元件(如气缸、气马达和气动换向阀等)的运动副会产生研磨作用，使这些元件因漏气而降低效率，影响它的使用寿命。因此气源装置必须设置一些除油、除水、除尘，并使压缩空气干燥，提高压缩空气质量，能进行气源净化处理的辅助设备。上一页下一页返回11.2气动元件2.气源装置的组成及布置气源装置的设备一般包括产生压缩空气的空气压缩机和使气源净化的辅助设备。如图11-2所示是气源装置组成及布置示意图。在图11-2中，1为空气压缩机，用以产生压缩空气，一般由电动机带动。其吸气口装有空气过滤器以减少进入空气压缩机的杂质量。2为后冷却器，用以降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。3为油水分离器，用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴和杂质等。4为贮气罐，用以贮存压缩空气，稳定压缩空气的压力并除去部分油分和水分。5为干燥器，用以进一步吸收或排除压缩空气中的水分和油分，使之成为干燥空气。6为过滤器，用以进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质颗粒。7为贮气罐。上一页下一页返回11.2气动元件贮气罐4输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统(如气动仪表及射流元件组成的控制回路等)。气动三大件的组成及布置由用气设备确定，图中未画出。上一页下一页返回11.2气动元件3.空气压缩机1)分类空气压缩机是一种气压发生装置，它是将机械能转化成气体压力能的能量转换装置，其种类很多，分类形式也有数种。(1)按其工作原理可分为容积型压缩机和速度型压缩机。容积型压缩机的工作原理是通过压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增大，从而提高压缩空气的压力；速度型压缩机的工作原理是通过提高气体分子的运动速度，然后使气体的动能转化为压力能，从而提高压缩空气的压力。上一页下一页返回11.2气动元件(2)按输出压力p分类如下。鼓风机：p≤0.2MPa低压空压机：0.2MPa≤p≤1MPa中压空压机：1MPa＜p≤10MPa高压空压机：10MPa＜p≤100MPa超高压空压机：p＞100MPa(3)按输出流量qz(即铭牌流量或自由流量)分类如下。微型空压机：qz≤0.017m3/s小型空压机：0.017m3/s＜qz≤0.17m3/s中型空压机：0.17m3/s＜qz≤1.7m3/s大型空压机：qz＞1.7m3/s上一页下一页返回11.2气动元件2)工作原理气压传动系统中最常用的空气压缩机是往复活塞式，其工作原理如图11-3所示。当活塞3向右运动时，气缸2内活塞左腔的压力低于大气压力，吸气阀9被打开，空气在大气压力作用下进入气缸2内，这个过程称为吸气过程。当活塞向左移动时，吸气阀9在缸内压缩气体的作用下而关闭，缸内气体被压缩，这个过程称为压缩过程。当气缸内空气压力增大到略高于输气管内压力后，排气阀1被打开，压缩空气进入输气管道，这个过程称为排气过程。活塞3的往复运动是由电动机带动曲柄转动，通过连杆、滑块、活塞杆转化为直线往复运动而产生的。图中只表示了一个活塞一个缸的空气压缩机，大多数空气压缩机是多缸多活塞的组合。上一页下一页返回11.2气动元件3)空气压缩机的选用原则选用空气压缩机的根据是气压传动系统所需要的工作压力和流量两个参数。一般空气压缩机为中压空气压缩机，额定排气压力为1MPa。另外还有低压空气压缩机，排气压力0.2MPa；高压空气压缩机，排气压力为10MPa；超高压空气压缩机，排气压力为100MPa。输出流量的选择，要根据整个气动系统对压缩空气的需要再加上一定的备用余量，作为选择空气压缩机的流量依据。空气压缩机铭牌上的流量是表示自由空气流量。上一页下一页返回11.2气动元件4.压缩空气净化设备一般包括后冷却器、油水分离器、储气罐、干燥器。1)后冷却器后冷却器安装在空气压缩机出口处的管道上，其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。其主要的结构形式有蛇形管式、列管式、散热片式、套管式。冷却方式分为水冷和气冷两种方式。上一页下一页返回11.2气动元件2)油水分离器油水分离器安装在后冷却器出口管道上。其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。结构形式有环形回转式、撞击折回式、离心旋转式、水浴式以及以上形式的组合。其结构形式如图11-4所示。它的工作原理是当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，使得凝聚在压缩空气中的油滴和水滴等杂质受惯性力作用而分离析出，沉降于壳体底部，最后由放水阀定期排出。为提高油水分离效果，应控制气流在回转后上升的速度不超过0.3～0.5m/s。上一页下一页返回11.2气动元件3)贮气罐贮气罐的主要作用如下。(1)储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要应急使用。(2)消除由于空气压缩机断续排气而对系统引起的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性。(3)进一步分离压缩空气中的油和水等杂质。贮气罐一般采用焊接结构，以立式居多。上一页下一页返回11.2气动元件4)干燥器经过后冷却器、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和气动仪表等，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和冷却法。(1)吸附法。利用具有吸附性能的吸附剂(如硅胶、铝胶或分午筛等)来吸附压缩空气中含有的水分，而使其干燥。(2)冷却法。利用制冷设备使空气冷却到一定的露点温度，析出空气中超过饱和水蒸气部分的多余水分，从而达到所需的干燥度。上一页下一页返回11.2气动元件5.气动三联件空气过滤器、减压阀和油雾器组合在一起构成的气源调节装置，通常被称为气动三联件，它们是压缩空气质量的最后保证。如图11-5所示为气动三联件的实物图和图形符号。空气过滤器的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。减压阀则起减压和稳压作用。油雾器实际上是一种特殊的注油装置。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。气动三大件的安装连接次序依次是：分水过滤器(空气滤清器)、减压阀、油雾器。多数情况下，三件同时组合使用，也可以少于三件，只用一件或两件。上一页下一页返回11.2气动元件11.2.2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，包括气缸和气电动机。实现直线运动和做功的是气缸；实现旋转运动和做功的是气电动机。1.气缸的分类及工作原理(1)单作用气缸。单作用气缸只在活塞一侧可以通入压缩空气使其伸出或缩回，另一侧是通过呼吸孔开放在大气中的，其结构图和实物图及符号分别如图11-6、图11-7所示。同单作用液压缸一样，这种气缸只能在一个方向上做功，活塞的反方向动作是靠施加外力来实现的，所以称为单作用气缸。上一页下一页返回11.2气动元件(2)双作用气缸。双作用气缸的往返运动均通过压缩空气实现，其结构如图11-8所示，由于没有弹簧复位部分，双作用气缸可以获得更长的有效行程和稳定的输出力。但双作用气缸是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动，由于其回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的收缩力要小于伸出时产生的推力。上一页下一页返回11.2气动元件(3)无活塞杆气缸。无杆气缸利用活塞直接或间接带动负载实现往复运动。由于没有活塞杆，气缸可以在较小的空间内实现更长的行程运动。无杆气缸主要有机械耦合和磁性耦合等形式。机械耦合式无杆气缸在压缩空气的作用下，气缸活塞—滑块机械组合装置可以作往复运动。无杆气缸正是通过这个组合装置传递气缸输出力的。其缸体上有管状沟槽可以防止其扭转。为了防止泄漏及考虑防尘需要，在开口部位通常采用封和防尘带，并固定在两个端盖上，其剖面结构及实物如图11-9所示。上一页下一页返回11.2气动元件2.气动电动机的分类及工作原理气动电动机是将压缩空气的压力能转换为连续旋转运动的气动执行元件。按照其结构可分为叶片式、活塞式、齿轮式，其中应用最广泛的是前两种。1)叶片式气动电动机叶片式气动电动机主要由定子、转子和叶片组成。如图11-10所示，压缩空气由输入口进入，作用在工作腔两侧的叶片上。由于转子偏心安装，气压作用在两侧叶片上的转矩不等，使转子旋转。转子转动时，每个工作腔的容积都在不断变化。相邻两个工作腔内存在压力差，这个压力差进一步推动转子的转动。做功后的气体从输出口输出。如果调换压缩空气的输入和输出方向，就可以让转子反转。叶片式电动机具有体积小、质量轻、结构简单的优点，但其耗气量较大，一般用于中、小容量，高转速的场合。上一页下一页返回11.2气动元件2)活塞式气动电动机活塞式气动电动机是一种通过曲柄或斜盘将多个气缸活塞的输出力转化为回转运动的气动电动机。为了达到力的平衡，一般活塞式电动机的气缸数为偶数。气缸可以径向配置和轴向配置，分别称为径向活塞式气动电动机和轴向活塞式气动电动机。如图11-11所示为径向活塞式气动电动机的剖面结构和实物图。活塞式气动电动机有较大的启动力矩和功率，但结构复杂、成本高，且输出力矩和速度存在一定脉动，主要用于低速大转矩的场合。上一页下一页返回11.2气动元件3.其他气动执行原件1)气动手指气动手指可以实现各种抓取功能，是气压传动中非常重要的一种执行元件。气动手指的主要类型有平行手指气缸、摆动手指气缸和三点手指气缸等。气动手指能实现双向抓取、动作中，并可安装无接触式位置检测元件，有较高的重复精度。广泛用于各种自动生产线上。图11-12、图11-13、图11-14分别给出了几种气动手指的剖面结构、实物及符号。上一页下一页返回11.2气动元件2)摆动式气缸摆动式气缸是利用压缩空气驱动输出轴在小于360°的角度范围内作往复摆动的气动执行元件，多用于物体的转位、工件的翻转和阀门的开闭等场合。按机构可分为叶片式和齿轮齿条式两大类，其中以前者居多。图11-15给出了叶片式摆动气缸的剖面结构和实物图。当压缩空气作用在叶片的一侧的，叶片另一侧排气，叶片就会带动转轴向一个方向转动，改变气流的方向就能实现叶片转动的反向。上一页下一页返回11.2气动元件3)气动肌腱气动肌腱是一种新型的气动执行机构，它由一个柔性软管构成的收缩系统和连接器组成，如图11-16所示。当压缩气体进入柔性管时，气动肌腱就在径向上扩张，长度变短，产生拉应力，并在径向有收缩运动。气动肌腱的最大行程可达其额定长度的25％，可产生比传统气动驱动器驱动力大10倍的力，而且其具有良好的密封性，可以不受污垢、沙子和灰尘的影响，故在自动化领域中已逐渐开始广泛应用。上一页下一页返回11.2气动元件11.2.3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、流量和方向的种类控制阀，其作用是保证气动执行元件(如气缸和气电动机等)按设计的程序正常地进行工作。1.压力控制阀气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源(液压泵)。而在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在储气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。而贮气罐的空气压力往往比各台设备实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大。因此需要用减压阀(调压阀)将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。从这种角度来讲，压力控制阀对于气动尤为重要。同样，压力控制阀包括减压阀、顺序阀和溢流阀。上一页下一页返回11.2气动元件1)减压阀(调压阀)减压阀的作用是将供气气源压力减到每台装置所需要的压力，并保证减压后压力值稳定。按照调压方式可将其分为直动式和先导式两大类。直动式减压阀是由旋钮直接通过调节弹簧来改变其输出压力；先导式减压阀则是由压缩空气代替调压弹簧来调节输出压力。上一页下一页返回11.2气动元件2)减压阀的工作原理(1)直动式减压阀。如图11-17所示为直动式带溢流阀的减压阀(简称溢流减压阀)的结构图。压力为p1的压缩空气，由左端输入经阀口节流后，压力降为p2输出。p2的大小，可由调压弹簧2、3进行调节。顺时针旋转旋钮1，压缩弹簧2、3及膜片5使阀芯8下移，增大阀口的开度，使p2增大。若反时针旋转旋钮1，阀口的开度减小，p2随之减小。若p1瞬时升高，p2将随之升高，使膜片气室内压力也升高，在膜片5上产生的推力相应增大。此推力破坏了原来力的平衡，使膜片5向上移动，有少部分气流经溢流孔4、排气孔11排出。在膜片上移的同时，因复位弹簧10的作用，使阀芯9也向上移动，关小进气阀口，节流作用增大，使输出压力下降，直至达到新的平衡为止，输出压力基本又回到原来值。若输上一页下一页返回11.2气动元件入压力瞬时下降，输出压力也下降，膜片5下移，阀芯9随之下移，进气阀口开大，节流作用减小，使输出压力也基本回到原来值。逆时针旋转旋钮1，使调节弹簧2、3放松，气体作用在膜片5上的推力大于调压弹簧的作用力，膜片向上弯曲，靠复位弹簧的作用关闭进气阀口。再旋转旋钮1，进气阀芯9的顶端与溢流阀座8将脱开，膜片气室中的压缩空气便经溢流口4、排气孔11排出，使阀处于无输出状态。总之，溢流减压阀是靠进气口的节流作用减压，靠膜片上力的平衡作用和溢流孔的溢流作用稳压。调节弹簧即可使输出压力在一定范围内改变。上一页下一页返回11.2气动元件(2)先导式减压阀。当减压阀的输出压力较高或通径较大时，用调压弹簧直接调压，则弹簧刚度必然过大，流量变化时，输出压力波动较大，阀的结构尺寸也将增大。为了克服这些缺点，可采用先导式减压阀。先导式减压阀的工作原理与直动式的基本相同。先导式减压阀所用的调压气体，是由小型的直动式减压阀供给的。若将小型直动式减压阀装在阀体内部，则称为内部先导式减压阀；若将小型直动式减压阀装在阀体外部，则称为外部先导式减压阀。上一页下一页返回11.2气动元件如图11-18所示为内部先导式减压阀的结构图，与直动式减压阀相比，该阀增加了由喷嘴4、挡板3、固定节流孔9及气室B所组成的喷嘴挡板放大环节。当喷嘴与挡板之间的距离发生微小变化时，就会使B室中的压力发生很明显的变化，从而引起膜片10有较大的位移，去控制阀芯6的上下移动，使进气阀口8开大或关小，提高了对阀芯控制的灵敏度，即提高了阀的稳压精度。如图11-19所示为外部先导式减压阀的主阀，其工作原理与直动式阀相同。在主阀体外部还有一个小型直动式减压阀(图中未画出)，由它来控制主阀。此类阀适用于通径在20mm以上，远距离(30m以内)、高处、危险处、调压困难的场合。上一页下一页返回11.2气动元件(3)定值器。定值器是一种高精度的减压阀，主要用于压力定值。目前有两种压力规格的定值器，其气源压力分别为0.14MPa和0.35MPa，输出压力范围分别为0～0.1MPa和0～0.25MPa。其输出压力波动不大于最大输出压力的1％，常用于需要供给精确气源压力和信号压力的场合，如气动实验设备和气动自动装置等。如图11-20所示为定值器的工作原理图和结构简图。它由3部分组成：图中Ⅰ是直动式减压阀的主阀部分；图中Ⅱ是恒压降装置，相当于一定差值减压阀，主要作用是使喷嘴得到稳定的气源流量；图中Ⅲ是喷嘴挡板装置和调压部分，起调压和压力放大作用，利用被它放大了的气压去控制主阀部分。由于定值器具有调定、比较和放大的功能，因而稳压精度高。上一页下一页返回11.2气动元件定值器处于非工作状态时，由气源输入的压缩空气经过滤器1过滤后进入A室和E室。主阀芯17在弹簧14和气源压力作用下压在阀座上，使A室与B室断开。进入E室的气流经阀口(又称为活门)12至F室，再通过恒节流孔13降压后，分别进入G室和D室。由于这时膜片8上尚未加力，挡板5与喷嘴4之间的间距较大，气体从喷嘴4流出时的气流阻力较小，G室及D室的气压较低，膜片3及15均保持原始位置。进入H室的微量气体主要部分经B室通过溢流口2从排气口排出；另有一部分从输出口排空。此时输出口无气流输出，由喷嘴流出而排空的微量气体是维持喷嘴挡板装置工作所必须的。但因其为无功耗气量，所以希望其耗量越小越好。上一页下一页返回11.2气动元件定值器处于工作状态时，转动手柄7压下弹簧6并推动膜片8连同挡板5一同下移，挡板5与喷嘴4的间距缩小，气流阻力增加，使G室和D室的气压升高。膜片15在D室气压的作用下下移，将溢流口2关闭，并向下推动主阀芯17，打开阀口，压缩空气即经B室和H室由输出口输出。与此同时，H室压力上升并反馈到膜片8上，当膜片8所受的反馈作用力与弹簧力平衡时，定值器便输出一定压力的气体。当输入压力波动时，如压力上升，B室和H室气压瞬时增高，使膜片8上移，导致挡板5与喷嘴4之间的间距加大，G室和D室的气压下降。由于B室压力增高，D室压力下降，膜片15在压差的作用下向上移动，使主阀口减小，输出压力下降，直到稳定在调定压力上。此外，在输入压力上升时，E室压力和F室瞬时压力也上升，膜片3在上下压差的作用下上移，关小稳压阀口12。由于节流作用加强，F室气压下降，始终保上一页下一页返回11.2气动元件持节流孔13的前后压差恒定，故通过节流孔13的气体流量不变，使喷嘴挡板的灵敏度得到提高。当输入压力降低时，B室和H室的压力瞬时下降，膜片8连同挡板5由于受力平衡破坏而下移，喷嘴4与挡板5间的间距减小，G室和D室压力上升，膜片3和15下移。膜片15下移使主阀口开度加大，使B室及H室气压回升，直到与调定压力平衡为止。而膜片3下移，使稳压口12开大，F室气压上升，始终保持恒节流孔13前后压差恒定。同理，当输出压力波动时，将与输入压力波动时一样得到同样的调节。由于定值器利用输出压力的反馈作用和喷嘴挡板的放大作用控制主阀，使其能对较小的压力变化作出反应，从而使输出压力得到及时调节，保持出口压力基本稳定，即定值稳压精度较高。上一页下一页返回11.2气动元件(4)减压阀的基本性能。①调压范围。它是指减压阀输出压力p2的可调范围，在此范围内要求达到规定的精度。调压范围主要与调压弹簧的刚度有关。为使输出压力在高、低调定值下都能得到较好的流量特性，常采用两个并联或串联的调压弹簧。并联时，在低压范围内只用刚度小的弹簧调压，高压范围内则合成调压；串联时，在低压范围内用合成调压，高压范围内则让其中一个起作用。一般QTY型减压阀的调压范围为0.05～0.63MPa。②压力特性。它是指流量q为定值时，因输入压力p1，波动而引起输出压力p2波动的特性。输出压力波动越小，减压阀的特性就越好。输出压力p2必须低于输入压力p1一定值时才基本上不随输入压力变化而变化，如图11-21所示。上一页下一页返回11.2气动元件③流量特性。它是指输入压力p1一定时，输出压力p2随输出流量q的变化而变化的特性。当流量q发生变化时，输出压力p2的变化越小越好。一般输出压力p2越低，它随输出流量的变化波动就越小，如图11-22所示。流量特性和压力特性是减压阀的两个重要特性，是选择和使用减压阀的重要依据。上一页下一页返回11.2气动元件(5)减压阀的选用。根据使用要求选定减压阀的类型和调压精度，再根据所需最大输出流量选择其通径。决定阀的气源压力时，应使其大于最高输出压力0.1MPa。减压阀一般安装在分水滤气器之后，油雾器或定值器之前，如图11-23所示。同时应注意不要将其进、出口接反。阀不用时应把旋钮放松，以免膜片经常受压变形而影响其性能。上一页下一页返回11.2气动元件3)顺序阀顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件按顺序动作的压力控制阀，顺序阀一般很少单独使用，往往与单向阀配合在一起，构成单向顺序阀。目前应用较多的是单向顺序阀。如图11-24所示为单向顺序阀的工作原理图，当压缩空气由P口进入阀左腔后，作用在活塞3上的力小于弹簧2上的力时，阀处于关闭状态。当作用在活塞上的力大于弹簧力时，将活塞顶起，压缩空气从入口P经左腔流入右腔并经A口(图11-24(a))，然后进入气缸或气控换向阀，此时单向阀关闭。当切换气源时，由于左腔内压力迅速下降，顺序阀关闭，此时右腔内压力高于左腔内压力，在压力差作用下，打开单向阀4，反向的压缩空气从A口到Ｏ口排出(图11-24(b))。如图11-25所示为常用单向顺序阀的结构图。通过旋转手轮调节弹簧预紧力，即可改变顺序阀的开启压力。单向顺序阀常用于控制气缸自动顺序动作或不便于安装机控阀的场合。上一页下一页返回11.2气动元件4)安全阀安全阀在系统中起安全保护作用。当系统压力超过规定值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体排入大气，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。安全阀又称溢流阀。如图11-26所示为安全阀的几种典型结构形式。图11-26(a)为活塞式安全阀。阀芯是一平板，气源压力ps作用在活塞A上，当压力超过由弹簧力确定的安全值时，活塞A被顶开，一部分压缩空气即从阀口排入大气；当气源压力低于安全值时，弹簧驱动活塞下移，关闭阀口。图11-26(b)和(c)分别为球阀式和膜片式安全阀，其工作原理与活塞式完全相同。这3种安全阀都是靠弹簧提供控制力，调节弹簧预紧力，即可改变安全值大小，故称之为直动式安全阀。图11-26(d)为先导式安全上一页下一页返回11.2气动元件阀，由小型直动阀提供的控制压力pc作用于膜片上，膜片上的硬芯就是阀芯，压在阀座上。当气源压力ps大于安全压力时，阀芯开启，压缩空气从左侧输出孔排入大气。膜片式安全阀和先导式安全阀的压力特性较好、动作灵敏；但它们的最大开启力比较小，即流量特性较差。实际应用时，应根据实际需要选择安全阀的类型，并根据最大排气量选择其通径。上一页下一页返回11.2气动元件2.流量控制阀在气压传动系统中，有时需要控制气缸的运动速度，有时需要控制换向阀的切换时间和气动信号的传递速度，这些都需要靠调节压缩空气的流量来实现。流量控制阀的作用：通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件。流量控制阀的种类：节流阀、单向节流阀、排气节流阀和快速排气阀等。上一页下一页返回11.2气动元件1)节流阀和单向节流阀如图11-27所示为节流阀结构图。气流经P口输入，通过节流口的节流作用后经A口输出。节流口的流通面积与阀芯位移量之间有一定的函数关系，这个函数关系与阀芯节流部分的形状有关。常用的有针阀型、三角沟槽型和圆柱斜切型等，与液压节流阀阀芯节流部分的形状基本相同，这里不再重复。图示即是圆柱斜切阀芯的节流阀。由于这种节流阀的结构简单、体积小，故应用范围较广。如图11-28所示为单向节流阀结构图，它是单向阀和节流阀并联而成的组合控制阀。当气流由P口向A口流动时，经过节流阀节流；反方向流动，即由A向流动时，单向阀打开，不节流。单向节流阀常用于气缸的调速和延时回路中。上一页下一页返回11.2气动元件2)排气节流阀排气节流阀与节流阀相同之处在于同样是靠调节流通面积来调节气体流量的。而不同之处则在于排气节流阀安装在系统的排气口处，不仅能够控制执行元件的运动速度，而且因其常带消声器件，具有减少排气噪声的作用，所以常称其为排气消声节流阀。如图11-29所示为排气节流阀的工作原理图，靠调节节流口1处的流通面积来调节排气流量，由消声套2减少排气噪声。如图11-30所示为ＹEＹAＹＵQＩDＯＮGＪＩSHＵ排气节流阀的结构图，调节旋钮8，可改变阀芯3左端节流口(三角沟槽型)的开度，即可改变由A口来的排气量大小。排气节流阀常安装在换向阀和执行元件的排气口处，起单向节流阀的作用这种阀的主要特点是结构简单，安装方便，能简化回路。因此它的应用日益广泛。上一页下一页返回11.2气动元件3)柔性节流阀如图11-31所示为柔性节流阀的工作原理图，依靠阀杆夹紧柔韧的橡胶管而产生节流作用，也可以利用气体压力来代替阀杆压缩胶管。其特点是结构简单、压力降小动作可靠性高、对污染不敏感，通常工作压力范围为0.3～0.63MPa。应用气动流量控制阀对气动执行元件进行调速，比用液压流量控制阀调速要困难，因气体具有压缩性。所以用气动流量控制阀调速应注意以下几点，以防产生爬行。上一页下一页返回11.2气动元件(1)管道上不能有漏气现象。(2)气缸、活塞间的润滑状态要好。(3)流量控制阀应尽量安装在气缸或气电动机附近。(4)尽可能采用出口节流调速方式。(5)外加负载应当稳定。若外负载变化较大，应借助液压或机械装置(如气液联动)来补偿由于载荷变动造成的速度变化。上一页下一页返回11.2气动元件3.方向控制阀方向控制阀是指在气压传动系统中通过改变压缩空气的流动方向和气流的通断，来控制执行元件启动、停止及运动方向的气动元件。根据方向控制阀的功能、控制方式、结构方式、阀内气流的方向及密封形式等，可将方向控制阀分为几类。见表11-2。上一页下一页返回11.2气动元件1)单向型方向控制阀单向型方向控制阀只允许气流沿着一个方向流动。它主要包括单向阀、梭阀、双压阀和快速排气阀等。(1)单向阀。如图11-32所示，与液压单向阀原理一样。压缩空气从P口进入，克服弹簧力和摩擦力使单向阀阀口开启，压缩空气从P流至A；当P口无压缩空气时，在弹簧力和A口(腔)余气力作用下；阀口处于关闭状态，使从A至P气流不通。单向阀应用于不允许气流反向流动的场合，如空压机向气罐充气时，在空压机与气罐之间设置一单向阀，当空压机停止工作时，可防止气罐中的压缩空气回流到空压机。单向阀还常与节流阀、顺序阀等组合成单向节流阀、单向顺序阀使用。上一页下一页返回11.2气动元件(2)快速排气阀。工作原理如图11-33所示，它有3个阀口P、A、T，其中P接气源，A接执行元件，T通大气。当P有压缩空气输入时，推动阀芯右移，P与A通，给执行元件供气；当P无压缩空气输入时，执行元件中的气体通过A使阀芯左移，堵住P、A通路，同时打开A、T通路，气体通过T快速排出。快速排气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，从而加快了气缸往复运动速度，缩短了工作周期。上一页下一页返回11.2气动元件2)换向型方向控制阀换向型方向控制阀(简称换向阀)通过改变气流通道而使气体流动方向发生变化，从而达到改变气动执行元件运动方向的目的。按照控制方式可将其分成气压控制换向阀、电磁控制换向阀、机械控制换向阀、人力控制换向阀和时间控制换向阀等。这里主要介绍气压控制换向阀和电磁控制换向阀。(1)气压控制换向阀。气压控制换向阀是利用气体压力来使主阀芯运动而使气体改变流向的。控制方式主要有加压控制、卸压控制和差压控制3种。加压控制是指所加的控制信号压力是逐渐上升的，当气压增加到阀芯的动作压力时，主阀便换向；卸压控制是指所加的气控信号压力是减小的，当减小到某一压力值时，主阀换向；差压控制是使主阀芯在两端压力差的作用下换向。上一页下一页返回11.2气动元件气控换向阀按主阀结构不同，又可分为截止式和滑阀式两种主要形式。滑阀式气控换向阀的结构和工作原理与液动换向阀基本相同。在此主要介绍截止式换向阀。截止式换向阀用途很广，多用于组成全气阀控制的气压传动系统或易燃易爆以及高净化等场合。截止式换向阀的工作原理：如图11-34所示为两位三通单气控截止式换向阀的工作原理图。图11-34(a)为Ｋ口没有控制信号时的状态，阀芯在弹簧与P腔气压作用下，使P与A断开，A与T通，阀处于排气状态。当Ｋ口有控制信号时(图11-34(b))，P与A通，A与T断开，A口进气。如图11-35所示为二位三通单气控截止式换向阀的结构图。当Ｋ口无信号时，A与T通，阀处于排气状态；当Ｋ口有信号输入后，压缩空气进入活塞9的右端，使阀杆5左移P与A通。图中所示的为常断型阀，如果P、T换接则为常通型。上一页下一页返回11.2气动元件截止式换向阀的特点如下。①阀芯行程短。只要移动很小的距离即能使阀完全开启，故阀开启的时间短，通流能力强，流量特性好，结构紧凑，适用于大流量的场合。②截止式阀一般采用软质密封，且阀芯始终有背压，所以关闭时密封性好，泄漏量小。但其换向力较大，换向时冲击力也较大，所以不宜用在灵敏度要求较高的场合。③抗粉尘及染污力强，对过滤精度要求不高。上一页下一页返回11.2气动元件(2)电磁控制换向阀。电磁控制换向阀是利用电磁力的作用来实现阀的切换以控制气流的流动方向。按控制方法不同分为电磁铁直接控制(直动)式和先导式两种。①直动式电磁换向阀。如图11-36所示为两位三通直动式单电控电磁换向阀的工作原理图，它只有一个电磁铁，通电时(图11-36(b))，电磁铁推动阀芯向下运动，A与T断开，P与A通，阀处于进气状态。断电时(图11-3(a))，弹簧力使阀芯复位，P与A断开，A与T通，阀处于排气状态。②先导式电磁换向阀。先导式电磁换向阀是由电磁铁首先控制气路，产生先导压力，再由先导压力去推动主阀阀芯，使其换向。适用于通径较大的场合。如图11-37所示为先导式双电控二位四通电磁换向阀。它由先导阀(D1D2)和主阀组成。而主阀又包括阀体1和活塞组件2两部分。上一页下一页返回11.2气动元件图示的是D1、D2均处于断电的状态。电磁阀的动铁芯5、6处于关闭状态当D1通电、D2断电时，动铁芯5被吸起，由P口来的压缩空气经孔a(虚线进入阀的c腔。并从密封塞4(单向阀)的四周唇边进入孔E，并进入F腔，推动活塞组件2下移，使P与A通，B经阀芯中心孔H与T通(排气)。A口有压缩空气输出的同时，有一部分压缩空气流入孔G，其中一路经节流孔D进入c腔使密封塞4下移封住排气孔b，另一路压缩空气进入F腔，作用在活塞组件2的上端。此时，即使D1断电，活塞组件2也不会复位，即该阀具有记忆功能。上一页下一页返回11.2气动元件当先导阀D2通电、D1断电时，动铁芯6被吸起，c腔内的压缩空气经T口排出。此时从P到A的压缩空气作用在大、小活塞上，因大、小活塞的面积差而产生向上的作用力，使活塞组件2上移。与此同时，密封塞4也上移，并打开阀口3，使活塞组件2上端的压缩空气经孔b排掉(但不能从密封塞4的唇边排到c腔)。活塞组件2上移后，P与B通，A与T通(排气)。此时即使D2断电因大小活塞面积差而产生向上的作用力依然存在，所以输出状态也不会改变，即具有记忆功能。由于先导式电磁换向阀便于实现电、气联合控制，所以应用广泛。③机械控制换向阀。机械控制换向阀又称行程阀，多用于行程程序控制，作为信号阀使用。常依靠凸轮、挡块或其他机械外力推动阀芯，使阀换向。上一页返回知识拓展1.逻辑元件气动逻辑元件是一种采用压缩空气为工作介质，通过元件内部的可动部件(如膜片等)的动作改变气流流动的方向，从而实现一定逻辑功能的控制元件气动逻辑元件的种类很多，可按不同的方式分类。一般按工作压力可分为3种高压元件(工作压力0.2～0.8MPa)，低压元件(工作压力0.02～0.2MPa)微压元件(工作压力0.02MPa以下)。按逻辑功能又可分为或门元件、与门元件、非门元件和双稳元件等。一般按结构形式可分为截止式、膜片式、滑阀式球阀式和其他形式。下面主要以截止式为代表来介绍气动逻辑元件的特点、结构和工作原理。截止式逻辑元件的动作是依靠气压信号推动阀芯或通过膜片变形来推动阀芯动作，改变气流的通路以实现一定的逻辑功能。其主要介绍如下。下一页返回知识拓展1)截止式气动逻辑元件的特点(1)由于逻辑元件流通孔道较大，抗污染能力较强，对气源的净化程度要求低。(2)通常逻辑元件在完成切换动作后，能切断气源和排气孔之间的通道，因此逻辑元件的无功耗气量较低(与工作频率有关)。(3)逻辑元件的带负载能力强，可带动较多的被控元件。(4)气信号口和安装孔都已设计成标准形式。在组成系统时，逻辑元件相互之间连接方便、匹配简单、调试容易。

(5)气动逻辑元件的响应时间一般为几毫秒至十几毫秒(微压元件可在1.5ms左右)，响应速度较慢，不宜组成运算很复杂的控制系统。(6)由于逻辑元件中有可动部件存在，在强烈冲击和振动的工作环境中可能产生误动作。上一页下一页返回知识拓展2)截止式逻辑元件的工作原理及结构(1)是门和与门元件。如图11-38(a)所示，A为信号输入孔，S为信号输出孔，中间孔接气源孔P时为是门元件。在A输入孔无信号时，阀芯2在弹簧及气源压力作用下处于图示位置，封住P、S之间的通道，S无输出。在A有输入信号时，膜片1在输入信号作用下将阀芯2推动下移，封住输出孔S与排气孔间通道，P、S之间相通，S有输出。也就是说，无输入信号时无输出；有输入信号时就有输出。元件的输入和输出信号始终保持相同状态。若将中间孔不接气源而换接另一输入信号B，则成为与门元件。即当A有输入信号时，B无输入信号；或B有输入信号，A无输入信号时，输出端S均无输出。只有当A与B同时有输入信号时，S才有输出。上一页下一页返回知识拓展(2)或门元件。如图11-39所示为或门元件结构示意图。图中A、B为信号输入孔，S为信号输出孔。当A有输入信号时，阀芯a因输入信号作用，下移封住B信号孔，气流经S输出。当B有输入信号时，阀芯a在B信号作用下向上移，封住A信号孔，S也会有输出。当A、B均有输入信号时，阀芯a在两个信号的作用下或上移，或下移，或保持在中位，但无论阀芯处在任一状态，S均会有输出。也就是说，在A或B两个输入端中，只要一个有信号或同时有信号，S均会有输出信号。上一页下一页返回知识拓展(3)非门和禁门元件。如图11-40所示为非门和禁门元件结构示意图。图中A为信号输入孔，为信号输出孔，中间孔接气源P时为非门元件。当A无信号输入时，阀片3在气源压力的作用下上移，封住输出孔S与排气孔间的通道，S有输出。当A有输入信号时，膜片2在输入信号的作用下，推动活塞1下移，阀片3下移，封住气源P，S无输出。即一旦A有输入信号出现时，输出孔为“非”，没有输出。若把中间孔不作气源孔P，而改作另一输入信号孔B，元件即为禁门元件。由图可看出，在A、B均输入信号时，活塞1及阀片3在A输入的信号作用下封住B孔，S无输出；在a无输入信号，B有输入信号时，S就有输出也就是说，A输入信号对B输入信号起“禁止”作用。上一页下一页返回知识拓展(4)或非元件。或非元件是一种多功能的逻辑元件，应用这种元件可以组成或门、与门和双稳等各种逻辑单元。如图11-41所示为三输入或非元件的结构示意图。这种或非元件是在非门元件的基础上另外增加了两个信号输入端，即A、B、C为3个信号输入端，为气源，S为输出端。3个信号膜片不是刚性连接在一起，而是处于“自由状态”，即彼此之间可以相互分开。当所有的输入端A、B、C都无输入信号时，输出端S就有输出。若在3个输入端的任一个或某两个或3个有输入信号，相应的膜片在输入信号压力的作用下，通过阀柱依次将力传递到阀芯上同样能切断气源，S无输出。也就是说，3个输入端(所有输入端)的作用是等同的。这3个输入端，只要有一个输入信号出现，输出端就没有输出信号，即完成了或非逻辑关系。上一页下一页返回知识拓展(5)双稳记忆元件。双稳记忆元件，在逻辑回路中有着很重要的作用。如图11-42所示为双稳元件原理图。双稳也即双记忆元件，如图11-42所示，阀芯被控制信号A的输入推向右端，气源的压缩空气便由P通至S1输出；而S2与排气孔相通，此时“双稳”处于“1”状态。在控制端B的输入信号到来之前，A的信号虽然消失，但阀芯仍然保持在右端的位置，S1总有输出。当控制端B有输入信号时，阀芯会在此信号作用下推向左端，此时压缩空气由P通S2输出；而S1与排气孔相通。于是“双稳”处于“0”状态。在B的信号消失后，A信号未到来之前，阀芯仍稳在左端，S2总有输出。上一页下一页返回知识拓展3)逻辑元件的选用气动逻辑控制系统所用气源的压力变化，必须保障逻辑元件正常工作需要的气压范围和输出端切换时所需的切换压力。而逻辑元件的输出流量和响应时间等，在设计系统时可根据系统要求参照相关资料选取。无论采用截止式或膜片式高压逻辑元件，都要尽量将元件集中布置，以便于集中管理。由于信号的传输有一定的延时，信号的发出点(如行程开关)与接收点(如元件)之间不能相距太远。一般来说，最好不要超过几十米。当逻辑元件要相互串联时，一定要有足够的流量，否则可能推不动下一级元件。另外，尽管高压逻辑元件对气源过滤要求不高，但最好使用过滤后的气源一定不要使加入油雾的气源进入逻辑元件。上一页下一页返回知识拓展2.气动辅件1)消声器气缸和气阀等工作时排气速度较高，气体体积急剧膨胀，会产生刺耳的噪声。噪声的强弱随排气的速度、排气量和空气通道的形状而变化。排气的速度和功率越大，噪声也越大，一般可达100～120DB，为了降低噪声，在排气口要装设消声器。消声器是通过阻尼或增加排气面积来降低排气的速度和功率，从而降低噪声的。消声器的类型有吸收型、膨胀干涉型、膨胀干涉吸收型。上一页下一页返回知识拓展2)管道连接件管道连接包括管子和各种管接头。管子可分为硬管和软管。一些固定不动的、不需要经常装拆的地方使用硬管；连接运动部件、希望装拆方便的管路用软管。目前常用的是紫铜管和尼龙管。管接头分为卡套式、扩口螺纹式、卡箍式和插入快换式等。上一页返回本章小结本章节介绍了气源装置及辅件，气动三联件及相应的安装次序、应用回路和作用，为下面的回路分析奠定基础。气压传动的执行装置和控制元件，包括单向控制阀、溢流阀、减压阀及顺序阀等阀的作用，并分析了应用回路。学习时，通过液压系统元件的比较来分析，达到举一反三的效果。返回图11-1气压传动及控制系统的组成返回1—电动机；2—空气压缩机；3—气罐；4—压力控制阀；5—逻辑元件；6—方向控制阀；7—流量控制阀；8—行程阀；9—气缸；10—消声器；11—油雾器；12—分水滤器气图11-2气源装置组成及布置示意返回图1—空气压缩机；2—后冷却器；3—油水分离器；4，7—贮气罐；