1 2 本章提要 本章主要內容為 氣壓傳動的組成及特點 氣動元件 含氣源裝置 氣馬達 氣缸 氣壓控制方向閥 氣壓控制壓力閥 氣壓控制流量閥和附件 要掌握這些元件的工作原理 圖形符號 結構形式等 氣動回路實例分析 本章重點是氣動元件的工作原理 圖形符號和結構特點 3 11 1 1氣壓傳動的組成及工作原理 11 1氣壓傳動概述 氣壓傳動 是以壓縮空氣為工作介質進行能量傳遞和信號傳遞的一門技術 氣壓傳動的工作原理是利用空壓機把電動機或其它原動機輸出的機械能轉換為空氣的壓力能 然后在控制元件的作用下 通過執行元件把壓力能轉換為直線運動或回轉運動形式的機械能 從而完成各種動作 并對外做功 4 氣壓傳動系統和液壓傳動系統類似 也是由四部分組成的 它們是 1 氣源裝置獲得壓縮空氣的裝置 其主體部分是空氣壓縮機 它將原動機供給的機械能轉變為氣體的壓力能 2 控制元件用來控制壓縮空氣的壓力 流量和流動方向的 以便使執行機構完成預定的工作循環 它包括各種壓力控制閥 流量控制閥和方向控制閥等 3 執行元件是將氣體的壓力能轉換成機械能的一種能量轉換裝置 包括氣缸 氣馬達 擺動馬達 4 輔助元件是保證壓縮空氣的凈化 元件的潤滑 元件間的連接及消聲等所必須的 它包括過濾器 油霧氣 管接頭及消聲器等 5 氣動技術廣泛應用于機械 電子 輕工 紡織 食品 醫藥 包裝 冶金 石化 航空 交通運輸等各個工業部門 氣動機械手 組合機床 加工中心 生產自動線 自動檢測和實驗裝置等已大量涌現 在提高生產效率 自動化程度 產品質量 工作可靠性和實現特殊工藝等方面顯示出極大的優越性 這主要是因為氣壓傳動與機械 電氣 液壓傳動相比有以下特點 11 1 2氣壓傳動的優缺點 6 11 1 2 1氣壓傳動的優點 1 工作介質是空氣 取之不盡 用之不竭 氣體不易堵塞流動通道 用過后可將其隨時排入大氣中 不污染環境 2 空氣的特性受溫度影響小 在高溫下能可靠地工作 不會發生燃燒或爆炸 且溫度變化時 對空氣的粘度影響極小 故不會影響傳動性能 3 空氣的粘度很小 約為液壓油的萬分之一 所以流動阻力小 在管道中流動的壓力損失較小 所以便于集中供應和遠距離輸送 4 相對液壓傳動而言 氣動動作迅速 反應快 一般只需0 02 0 3秒就可達到工作壓力和速度 液壓油在管路中流動速度一般為1 5m s 而氣體的流速最小也大于10m s 有時甚至達到音速 排氣時還達到超音速 7 5 氣體壓力具有較強的自保持能力 即使壓縮機停機 關閉氣閥 但裝置中仍然可以維持一個穩定的壓力 液壓系統要保持壓力 一般需要能源泵繼續工作或另加蓄能器 而氣體通過自身的膨脹性來維持承載缸的壓力不變 6 氣動元件可靠性高 壽命長 電氣元件可運行百萬次 而氣動元件可運行2000 4000萬次 7 工作環境適應性好 特別在易燃 易爆 多塵埃 強磁 輻射 振動等惡劣環境中 比液壓 電子 電氣傳動和控制優越 8 氣動裝置結構簡單 成本低 維護方便 過載能自動保護 8 11 1 2 2氣壓傳動的缺點 1 因空氣的可壓縮性較大 氣動裝置的動作穩定性較差 2 氣動裝置工作壓力低 輸出力或力矩受到限制 在結構尺寸相同的情況下 氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置輸出的力要小得多 3 氣動裝置中的信號傳動速度比光 電控制速度慢 所以不宜于信號傳遞速度要求十分高的復雜線路中 同時實現生產過程的遙控也比較困難 但對一般的機械設備 氣動信號的傳遞速度是能滿足工作要求的 4 噪聲較大 尤其是在超音速排氣時要加消聲器 9 表11 1氣壓傳動與其他傳動的性能比較 10 氣壓傳動系統中的氣源裝置是為氣動系統提供滿足一定質量要求的壓縮空氣 它是氣壓傳動系統的重要組成部分 由空氣壓縮機產生的壓縮空氣 必須經過降溫 凈化 減壓 穩壓等一系列處理后 才能供給控制元件和執行元件使用 而用過的壓縮空氣排向大氣時 會產生噪聲 應采取措施 降低噪聲 改善勞動條件和環境質量 11 2氣源裝置及輔件 11 11 2 1 1對壓縮空氣的要求 1 要求壓縮空氣具有一定的壓力和足夠的流量 2 要求壓縮空氣有一定的清潔度和干燥度 清潔度是指氣源中含油量 含灰塵雜質的質量及顆粒大小都要控制在很低范圍內 干燥度是指壓縮空氣中含水量的多少 氣動裝置要求壓縮空氣的含水量越低越好 混在壓縮空氣中的油蒸氣可能聚集在貯氣罐 管道 氣動系統的容器中 有引起爆炸的危險或影響設備的壽命 12 因此氣源裝置必須設置一些除油 除水 除塵 并使壓縮空氣干燥 提高壓縮空氣質量 進行氣源凈化處理的輔助設備 3 壓縮空氣中含有的飽和水分 在一定的條件下會凝結成水 并聚集在個別管道中 在寒冷的冬季 凝結的水會使管道及附件結冰而損壞 影響氣動裝置的正常工作 4 壓縮空氣中的灰塵等雜質 對氣動系統中作往復運動或轉動的氣動元件的運動副會產生研磨作用 使這些元件因漏氣而降低效率 影響它的使用壽命 13 11 2 1 2壓縮空氣站的設備組成及布置 壓縮空氣站的設備一般包括空氣壓縮機和使氣源凈化的輔助設備 圖11 1壓縮空氣站設備組成及布置示意圖1 空氣壓縮機 2 后冷卻器 3 油水分離器 4 7 貯氣罐 5 干燥器 6 過濾器 14 1為空氣壓縮機 一般由電動機帶動 其吸氣口裝有空氣過濾器 2為后冷卻器 用以冷卻壓縮空氣 使凈化的水凝結出來 4為貯氣罐 用以貯存壓縮空氣 穩定壓縮空氣的壓力 并除去部分油分和水分 3為油水分離器 用以分離并排出降溫冷卻的水滴 油滴 雜質等 15 5為干燥器 用以進一步吸收或排除壓縮空氣中的水分和油分 使之成為干燥空氣 6為過濾器 用以進一步過濾壓縮空氣 貯氣罐4輸出的壓縮空氣可用于一般要求的氣壓傳動系統 貯氣罐7輸出的壓縮空氣可用于要求較高的氣動系統 如氣動儀表等 7為貯氣罐 16 1 氣壓縮機的分類及選用原則 分類按其工作原理可分為容積型壓縮機和速度型壓縮機 容積型壓縮機的工作原理是壓縮氣體的體積 使單位體積內氣體分子的密度增大以提高壓縮空氣的壓力 速度式壓縮機的工作原理是提高氣體分子的運動速度 然后使氣體的動能轉化為壓力能以提高壓縮空氣的壓力 空氣壓縮機的選用原則選用空氣壓縮機需用根據壓力和流量兩個參數 一般空氣壓縮機為中壓空氣壓縮機 額定排氣壓力為1MPa 另外還有低壓空氣壓縮機 排氣壓力0 2MPa 高壓空氣壓縮機 排氣壓力為10MPa 超高壓空氣壓縮機 排氣壓力100MPa 17 2 氣壓縮機的工作原理 氣壓傳動系統中最常用的空氣壓縮機是往復活塞式 圖11 2往復活塞式空氣壓縮機工作原理圖1 排氣閥 2 汽缸 3 活塞 4 活塞桿 5 6 十字頭與滑道 7 連桿 8 曲柄9 吸氣閥10 彈簧 18 當活塞3向右運動時 左腔壓力低于大氣壓力 吸氣閥9被打開 空氣在大氣壓力作用下進入氣缸2內 這個過程稱為 吸氣過程 當活塞向左移動時 吸氣閥9在缸內壓縮氣體的作用下關閉 缸內氣體被壓縮 這個過程稱為 壓縮過程 當氣缸內空氣壓力增高到略高于輸氣管內壓力后 排氣閥1被打開 壓縮空氣進入輸氣管道 這個過程稱為 排氣過程 其工作原理 19 11 2 2氣動輔助元件 11 2 2 1氣源凈化裝置 氣動輔助元件分為氣源凈化裝置和其它輔助元件兩大類 壓縮空氣凈化裝置一般包括 后冷卻器 油水分離器 貯氣罐 干燥器 過濾器等 1 冷卻器 后冷卻器安裝在空壓機出口 作用是將空氣壓縮機排出的壓縮空氣由1400 1700降至400 500 使壓縮空氣中的油霧和水汽迅速達到飽和 讓大部分析出并凝結成油滴和水滴 以便經油水分離器排出 后冷卻器的結構形式有 蛇形管 列管 散熱片 管套式 有水冷和氣冷兩種方式 20 圖11 3后冷卻器a 蛇管式b 列管式 21 2 水分離器 油水分離器安裝在后冷卻器出口 作用是分離并排出壓縮空氣中凝聚的油分 水分等 使壓縮空氣得到初步凈化 油水分離器的結構形式有環形回轉式 撞擊折回式 離心旋轉式 水浴式以及以上形式的組合使用等 圖11 4撞擊折回并回轉式油水分離器 22 圖11 4撞擊折回并回轉式油水分離器 它的工作原理是 當壓縮空氣由入口進入分離器殼體后 氣流先受到隔板阻擋而被撞擊折回向下 見圖中箭頭所示流向 之后又上升產生環形回轉 這樣凝聚在壓縮空氣中的油滴 水滴等雜質受慣性力作用而分離析出 沉降于殼體底部 由放水閥定期排出 23 3貯氣罐 作用 1 儲存一定數量的壓縮空氣 以備發生故障或臨時需要應急使用 2 消除由于空氣壓縮機斷續排氣而對系統引起的壓力脈動 保證輸出氣流的連續性和平穩性 3 進一步分離壓縮空氣中的油 水等雜質 貯氣罐一般采用焊接結構 以立式居多 圖11 5貯氣罐結構圖 24 4 干燥器 經過后冷卻器 油水分離器和貯氣罐后得到初步凈化的壓縮空氣 已滿足一般氣壓傳動的需要 但壓縮空氣中仍含一定量的油 水以及少量的粉塵 如果用于精密的氣動裝置 氣動儀表等 上述壓縮空氣還必須進行干燥處理 壓縮空氣干燥方法主要采用吸附法和冷卻法 吸附法是利用具有吸附性能的吸附劑 如硅膠鋁膠等 來吸附壓縮空氣中含有的水分 而使其干燥 冷卻法是利用制冷設備使空氣冷卻到一定的露點溫度 析出空氣中超過飽和水蒸氣部分的多余水分 從而達到所需的干燥度 吸附法最普通 25 圖11 6吸附式干燥器結構圖1 濕空氣進氣管 2 頂蓋 3 5 10 發蘭 4 6 再升空氣排氣管 7 再升空氣進氣管 8 干燥空氣輸出管 9 排水管 11 22 密封墊 12 15 20 鋼絲過濾網 13 毛氈 14 下柵板 16 21 吸附劑層 17 支撐板 18 筒體 19 上柵板 外殼呈筒形 其中分層設置柵板 吸附劑 濾網等 濕空氣從管1進入干燥器 通過吸附劑21 過濾網20 上柵板19和下部吸附層16后 因其中的水分被吸附劑吸收而變得很干燥 然后 再經過銅絲網15 下柵板14和過濾網12 干燥 潔凈的壓縮空氣便從輸出管8排出 26 5 過濾器 過濾器的作用是進一步濾除壓縮空氣中的雜質 常用的過濾器有一次性過濾器 也稱簡易過濾器 濾灰效率為50 70 二次過濾器 濾灰效率為70 99 在要求高的特殊場合 還可使用高效率的過濾器 一次過濾器 圖11 7所示為一種一次性過濾器 氣流由切線方向進入筒內 在離心力的作用下分離出液滴 然后氣體由下而上通過多片鋼板 毛 氈 硅膠 焦炭 濾網等過濾吸附材料 干燥清潔的空氣從筒頂輸出 27 圖11 7一次性過濾器1 10蜜孔網 2 280目細銅絲網 3 焦碳 4 硅膠等 28 分水濾氣器 分水濾氣器濾灰能力較強 屬于二次過濾器 它和減壓閥 油霧器一起稱為氣動三聯件 是氣動系統不可缺少的輔助元件 圖11 8普通分水濾氣器結構圖1 旋份葉子 2 濾芯 3 存水杯 4 擋水板 5 手動排水閥 29 空氣進入后 被引入旋風葉子1 旋風葉子上有很多小缺口 使空氣沿切線反向產生強烈的旋轉 這樣夾雜在氣體中的較大水滴 油滴 灰塵便獲得較大的離心力 并高速與水杯3內壁碰撞 而從氣體中分離出來 沉淀于存水杯3中 然后氣體通過中間的濾芯2 部分灰塵 霧狀水被2攔截而濾去 潔凈的空氣便從輸出口輸出 30 存水杯由透明材料制成 便于觀察工作情況 污水情況和濾芯污染情況 濾芯目前采用銅粒燒結而成 發現油泥過多 可采用酒精清洗 干燥后再裝上 可繼續使用 但是這種過濾器只能濾除固體和液體雜質 因此 使用時應盡可能裝在能使空氣中的水分變成液態的部位或防止液體進入的部位 如氣動設備的氣源入口處 31 11 2 2 2其它輔助元件 1 油霧器 油霧器是一種特殊的注油裝置 它以空氣為動力 使潤滑油霧化后 注入空氣流中 并隨空氣進入需要潤滑的部件 達到潤滑的目的 圖11 9普通油霧器 也稱一次油霧器 的結構簡圖1 噴嘴 2 鋼球 3 彈簧 4 閥座 5 存油杯 6 吸油管 7 單向閥 8 節流閥 9 視油器 10 12 密封墊 11 油塞 13 螺母 螺釘 32 壓縮空氣由入口進入后 通過噴嘴1下端的小孔進入閥座4的腔室內 在截止閥的鋼球2上下表面形成壓差 由于泄漏和彈簧3的作用 而使鋼球處于中間位置 壓縮空氣進入存油杯5的上腔油面受壓 壓力油經吸油管6將單向閥7的鋼球頂起 鋼球上部管道有一個方形小孔 鋼球不能將上部管道封死 壓力油不斷流入視油器9內 再滴入噴嘴1中 被主管氣流從上面小孔引射出來 霧化后從輸出口輸出 節流閥8可以調節流量 使滴油量在每分鐘0 120滴內變化 33 二次油霧器能使油滴在霧化器內進行兩次霧化 使油霧粒度更小 更均勻 輸送距離更遠 二次霧化粒徑可達5微米 油霧器的選擇主要是根據氣壓傳動系統所需額定流量及油霧粒徑大小來進行 所需油霧粒徑在50微米左右選用一次油霧器 若需油霧粒徑很小可選用二次油霧器 油霧器一般應配置在濾氣器和減壓閥之后 用氣設備之前較近處 34 2 消聲器 在氣壓傳動系統之中 氣缸 氣閥等元件工作時 排氣速度較高 氣體體積急劇膨脹 會產生刺耳的噪聲 噪聲的強弱隨排氣的速度 排量和空氣通道的形狀而變化 排氣的速度和功率越大 噪聲也越大 一般可達100 120dB 為了降低噪聲可以在排氣口裝消聲器 消聲器就是通過阻尼或增加排氣面積來降低排氣速度和功率 從而降低噪聲的 氣動元件使用的消聲器一般由三種類型 吸收型消聲器 膨脹干涉型消聲器和膨脹干涉吸收型消聲器 35 吸收型消聲器主要依靠吸音材料消聲 消音罩2為多孔的吸音材料 一般用聚苯乙烯或銅珠燒結而成 當消聲器的通徑小于20mm時 多用聚苯乙烯作消音材料制成消聲罩 當消聲器的通徑大于20mm時 消音罩多用銅珠燒結 以增加強度 其消聲原理是 當有壓氣體通過消聲罩時 氣流受到阻力 聲能量被部分吸收而轉化成熱能 從而降低了噪聲強度 圖11 10吸收型消聲器的結構簡圖1 連接螺絲2 消聲罩 36 3 管道連接件 吸收型消聲器結構簡單 具有良好的消除中 高頻噪聲的性能 消聲效果大于20dB 在氣壓傳動系統中 排氣噪聲主要是中 高頻噪聲 尤其是高頻噪聲 所以采用這種消聲器是合適的 在主要是中低頻噪聲的場合 應使用膨脹干涉型消聲器 管道連接件包括管子和各種管接頭 有了管子和各種管接頭 才能把氣動控制元件 氣動執行元件以及輔助元件等連接成一個完整的氣動控制系統 因此 實際應用中 管道連接件是不可缺少的 37 管子可分為硬管和軟管兩種 如總氣管和支氣管等一些固定不動的 不需要經常裝拆的地方 使用硬管 連接運動部件 臨時使用 希望裝拆方便的管路應使用軟管 硬管有鐵管 銅管 黃銅管 紫銅管和硬塑料管等 軟管有塑料管 尼龍管 橡膠管 金屬編織塑料管以及撓性金屬導管等等 常用的是紫銅管和尼龍管 氣動系統中使用的管接頭的結構及工作原理與液壓管接頭基本相似 分為卡套式 擴口螺紋式 卡箍式 插入快換式等 38 11 3 1氣缸 11 3氣動執行元件 氣缸是氣動系統的執行元件之一 除幾種特殊氣缸外 普通氣缸其種類及結構形式與液壓缸基本相同 目前最常選用的是標準氣缸 其結構和參數都已系列化 標準化 通用化 QGA系列為無緩沖普通氣缸 QGB系列為有緩沖普通氣缸 其它幾種較為典型的特殊氣缸有氣液阻尼缸 薄膜式氣缸和沖擊式氣缸等 氣動執行元件包括氣缸和氣馬達 39 圖11 11QGA系列無緩沖普通氣缸結構圖 40 圖11 12QGB系列有緩沖普通氣缸結構圖 41 1 氣液阻尼缸 普通氣缸工作時 由于氣體的壓縮性 當外部載荷變化較大時 會產生 爬行 或 自走 現象 使氣缸的工作不穩定 為了使氣缸運動平穩 普遍采用氣 液阻尼缸 氣液阻尼缸是由氣缸和油缸組合而成 利用油液的不可壓縮性和控制油液排量來獲得活塞的平穩運動和調節活塞的運動速度 它將油缸和氣缸串聯成一個整體 兩個活塞固定在一根活塞桿上 42 2 薄膜式氣缸 薄膜式氣缸是一種利用壓縮空氣通過膜片推動活塞桿做往復直線運動的氣缸 它由缸體 膜片 膜盤和活塞桿等主要零件組成 其功能類似于活塞式氣缸 它分單作用式和雙作用式兩種 如圖11 14所示 43 圖11 14薄膜式氣缸式結構簡圖a 單作用式b 雙作用式1 缸體2 膜片3 膜盤4 活塞桿 44 薄膜式氣缸的膜片可以做成盤形膜片和平膜片兩種形式 膜片形式為夾織物橡膠 鋼片或磷青銅片 常用的是夾織物橡膠 橡膠的厚度為5 6 有時也可用1 3 金屬式膜片只用于行程較小的薄膜式氣缸中 薄膜式氣缸和活塞式氣缸相比較 具有結構簡單 緊湊 制造容易 成本低 維修方便 壽命長 泄漏小 效率高的優點 但是膜片的變形量有限 故其行程短 一般不超過40 50mm 且氣缸活塞桿上的輸出力隨著行程的加大而減小 45 3 沖擊氣缸 沖擊氣缸是一種體積小 結構簡單 易于制造 耗氣功率小但能產生相當大的沖擊力的一種特殊氣缸 與普通氣缸相比 沖擊氣缸的結構特點是增加了一個具有一定容積的蓄能腔和噴嘴 圖11 15沖擊式氣缸工作原理圖 46 沖擊氣缸的整個工作過程可簡單地分為三個階段 第一個階段 圖11 15a 壓縮空氣由孔A輸入沖擊缸的下腔 蓄氣缸經孔B排氣 活塞上升并用密封墊封住噴嘴 中蓋和活塞間的環形空間經排氣孔與大氣相通 47 第二階段 壓縮空氣改由孔B進氣 輸入蓄氣缸中 沖擊缸下腔經孔A排氣 由于活塞上端氣壓作用在噴嘴上的面積較小 而活塞下端受力面積較大 一般設計成噴嘴面積的九倍 缸下腔的壓力雖因排氣而下降 但此時活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的作用力 48 第三階段 蓄氣缸的壓力繼續增大 沖擊缸下腔的壓力繼續降低 當蓄氣缸內壓力高于活塞下腔壓力九倍時 活塞開始向下移動 活塞一旦離開噴嘴 蓄氣缸內的高壓氣體迅速充入到活塞與中間蓋間的空間 使活塞上端受力面積突然增加九倍 于是活塞將以極大的加速度向下運動 氣體的壓力能轉換成活塞的動能 產生很大的沖擊力 49 11 3 2氣馬達 氣馬達也是氣動執行元件的一種 它的作用相當于電動機或液壓馬達 即輸出力矩 拖動機構作旋轉運動 1 氣馬達的分類及特點 氣馬達按結構形式可分為 葉片式氣馬達 活塞式氣馬達和齒輪式氣馬達等 最為常見的是活塞式氣馬達和葉片式氣馬達 葉片式氣馬達制造簡單 結構緊湊 但低速運動轉矩小 低速性能不好 適由于中低功率的機械 目前在礦山及風動工具中應用普遍 活塞式氣馬達在低速情況下有較大的輸出功率 它的低速性能好 適宜于載荷較大和要求低速轉矩的機械 如起重機 鉸車 鉸盤 拉管機等 50 工作安全 可以在易燃易爆場所工作 同時不受高溫和振動的影響 可以長時間滿載工作而溫升較小 可以無級調速 控制進氣流量 就能調節馬達的轉速和功率 額定轉速以每分鐘幾十轉到幾十萬轉 具有較高的啟動力矩 可以直接帶負載運動 結構簡單 操縱方便 維護容易 成本低 輸出功率相對較小 最大只有20KW左右 耗氣量大 效率低 噪聲大 與液壓馬達相比 氣馬達具有以下特點 51 2 氣馬達的工作原理 葉片式氣馬達 與液壓葉片馬達相似 主要包括一個徑向裝有3 10個葉片的轉子 偏心安裝在定子內 轉子兩側有前后蓋板 葉片在轉子的槽內可徑向滑動 葉片底部通有壓縮空氣 轉子轉動是靠離心力和葉片底部氣壓將葉片緊壓在定子內表面上 定子內有半圓形的切溝 提供壓縮空氣及排出廢氣 圖11 16氣馬達工作原理圖 a 葉片式 52 當壓縮空氣從A口進入定子內 會使葉片帶動轉子逆時針旋轉 產生轉矩 廢氣從排氣口C排出 而定子腔內殘留氣體則從B口排出 如需改變氣馬達旋轉方向 只需改變進 排氣口即可 圖11 16氣馬達工作原理圖 53 徑向活塞式馬達 壓縮空氣經進氣口進入分配閥后再進入氣缸 推動活塞及連桿組件運動 再使曲柄旋轉 同時帶動固定在曲軸上的分配閥同步轉動 使壓縮空氣隨著分配閥角度位置的改變而進入不同的缸內 依次推動各個活塞運動 由各活塞及連桿帶動曲軸連續運轉 與此同時 與進氣缸相對應的氣缸則處于排氣狀態 圖11 16氣馬達工作原理圖 b 活塞式 54 薄膜式氣馬達 它實際上是一個薄膜式氣缸 當它做往復運動時 通過推桿端部的棘爪使棘輪轉動 圖11 16氣馬達工作原理圖 薄膜式 55 表11 1列出了各種氣馬達的特點及應用范圍 可供選擇和使用時參考 表11 1各種氣馬達的特點及應用范圍 56 11 4氣動控制元件 在氣壓傳動系統中 氣動控制元件是控制和調節壓縮空氣的壓力 流量和方向的各類控制閥 其作用是保證氣動執行元件 如氣缸 氣馬達等 按設計的程序正常地進行工作 氣壓控制閥按作用可分為壓力控制閥 流量控制閥和方向控制閥 57 氣動系統不同于液壓系統 一般每一個液壓系統都自帶液壓源 液壓泵 而在氣動系統中 一般來說由空氣壓縮機先將空氣壓縮 儲存在貯氣罐內 然后經管路輸送給各個氣動裝置使用 而儲氣罐的空氣壓力往往比各臺設備實際所需要的壓力高些 同時其壓力波動值也較大 因此需要用減壓閥 調壓閥 將其壓力減到每臺裝置所需的壓力 并使減壓后的壓力穩定在所需壓力值上 11 4 1壓力控制閥 1 壓力控制閥的作用及分類 58 有些氣動回路需要依靠回路中壓力變化實現控制兩個執行元件的順序動作 所用的這種閥就是順序閥 順序閥與單向閥的組合稱為單向順序閥 所有的氣動回路或貯氣罐為了安全起見 當壓力超過允許壓力值時 需要實現自動向外排氣 這種壓力控制閥叫安全閥 溢流閥 59 60 當閥處于工作狀態時 調節手柄1 壓縮彈簧2 3及膜片5 通過閥桿6使閥芯8下移 進氣閥口被打開 有壓氣流從左端輸入 經閥口節流減壓后從右端輸出 輸出氣流的一部分由阻尼管7進入膜片氣室 在膜片5的下方產生一個向上的推力 這個推力總是企圖把閥口開度關小 使其輸出壓力下降 減壓閥 61 手柄 溢流口 調壓彈簧 膜片 閥桿 阻尼孔 閥座 閥芯 排氣孔 復位彈簧 當輸入壓力發生波動時 如輸入壓力瞬時升高 輸出壓力也隨之升高 作用于膜片5上的氣體推力也隨之增大 破壞了原來的力的平衡 使膜片5向上移動 有少量氣體經溢流口4 排氣孔11排出 在膜片上移的同時 因復位彈簧10的作用 使輸出壓力下降 直到新的平衡為止 重新平衡后的輸出壓力又基本上恢復至原值 減壓閥 62 減壓閥 調壓閥 調節手柄1使彈簧2 3恢復自由狀態 輸出壓力降至零 閥芯9在復位彈簧10的作用下 關閉進氣閥口 這樣 減壓閥便處于截止狀態 無氣流輸出 QTY型直動式減壓閥的調壓范圍為0 05 0 63MPa 為限制氣體流過減壓閥所造成的壓力損失 規定氣體通過閥內通道的流速在15 25m s范圍內 安裝減壓閥時 要按氣流的方向和減壓閥上所示的箭頭方向 依照分水濾氣器減壓閥油霧器的安裝次序進行安裝 調壓時應由低向高調 直至規定的調壓值為止 閥不用時應把手柄放松 以免膜片經常受壓變形 63 2 順序閥 順序閥是依靠氣路中壓力的作用而控制執行元件按順序動作的壓力控制閥 它根據彈簧的預壓縮量來控制其開啟壓力 當輸入壓力達到或超過開啟壓力時 頂開彈簧 于是P到A才有輸出 反之A無輸出 圖11 18順序閥工作原理圖a 關閉狀態b 開啟狀態 64 2 順序閥 圖11 18順序閥工作原理圖a 關閉狀態b 開啟狀態 65 單向順序閥 順序閥一般很少單獨使用 往往與單向閥配合在一起 構成單向順序閥 66 單向順序閥 當壓縮空氣由左端進入閥腔后 作用于活塞3上的氣壓力超過壓縮彈簧3上的力時 將活塞頂起 壓縮空氣從P經A輸出 此時單向閥4關閉 67 單向順序閥 反向流動時 輸入側排氣變成排氣口 輸出側壓力將頂開單向閥4由O口排氣 見圖11 19b 68 3 安全閥 當儲氣罐或回路中壓力超過某調定值 要用安全閥向外放氣 安全閥在系統中起過載保護作用 圖11 20安全閥工作原理圖 69 3 安全閥 當系統中氣體壓力在調定范圍內時 作用在活塞3上的壓力小于彈簧2的力 活塞處于關閉狀態 圖a所示 當系統壓力升高 作用在活塞3上的壓力大于彈簧的預定壓力時 活塞3向上移動 閥門開啟排氣 見圖b 70 11 4 2流量控制閥 在氣壓傳動系統中 有時需要控制氣缸的運動速度 有時需要控制換向閥的切換時間和氣動信號的傳遞速度 都需要調節壓縮空氣的流量來實現 流量控制閥就是通過改變閥的通流截面積來實現流量控制的元件 流量控制閥包括節流閥 單向節流閥 排氣節流閥和快速排氣閥等 71 圖11 21所示為圓柱斜切型節流閥的結構圖 壓縮空氣由P口進入 經過節流后 由A口流出 旋轉閥芯螺桿 就可改變節流口的開度 這樣就調節了壓縮空氣的流量 由于這種節流閥的結構簡單 體積小 故應用范圍較廣 1 節流閥 圖11 21節流閥 72 單向節流閥是由單向閥和節流閥并聯而成的組合式流量控制閥 當氣流沿著一個方向 流動時 經過節流閥節流 反方向流動時 單向閥打開 2 單向節流閥 圖11 22單向節流閥工作原理圖 單向節流閥常用于氣缸的調速和延時回路 73 排氣節流閥是裝在執行元件的排氣口處 調節進入大氣中氣體流量的一種控制閥 它不僅能調節執行元件的運動速度 還常帶有消聲器件 所以也能起降低排氣噪聲的作用 3 排氣節流閥 圖11 23排氣節流閥工作原理圖1 節流口 2 消聲套 74 應當指出 用流量控制的方法控制氣缸內活塞的運動速度 采用氣動比采用液壓困難 特別是在極低速控制中 要按照預定行程變化來控制速度 只用氣動很難實現 在外部負載變化很大時 僅用氣動流量閥也不會得到滿意的調速效果 為提高其運動平穩性 建議采用氣液聯動 75 圖 b 是P口沒有壓縮空氣進入時 在A口和P口壓差作用下 密封活塞迅速下降 關閉P口 使A口通過O口快速排氣 4 快速排氣閥 圖11 24快速排氣閥工作原理圖 進氣口P進入壓縮空氣 并將密封活塞迅速上推 開啟閥口2 同時關閉排氣口O 使進氣口P和工作口A相通 見圖a 76 快速排氣閥常安裝在換向閥和氣缸之間 圖11 25表示了快速排氣閥在回路中的應用 它使氣缸的排氣不用通過換向閥而快速排出 從而加速了氣缸往復的運動速度 縮短了工作周期 圖11 25快速排氣閥的應用回路 77 11 4 3方向控制閥 方向控制閥是通過改變壓縮空氣的流動方向和氣流的通斷 來控制執行元件啟動 停止及運動方向的氣動閥 根據方向控制閥的功能 控制方式 結構形式 閥內氣流的方向及密封形式等 可將方向控制閥分為表11 2幾類 78 1 氣壓控制換向閥 圖11 26單氣控加壓截止式換向閥工作原理圖1 閥芯 2 彈簧 單氣控加壓式換向閥 79 單氣控加壓式換向閥 圖 a 是無氣控信號時 閥A與O相通 A口排氣 圖 b 是在有氣控信號時 P與A接通 A口有氣體輸出 圖11 26單氣控加壓截止式換向閥工作原理圖1 閥芯 2 彈簧 80 單氣控加壓式換向閥 圖11 27為二位三通單氣控截止式換向閥的結構圖 這種結構簡單 緊湊 密封可靠 換向行程短 但換向力大 若將氣控接頭1 即電磁先導閥 可變氣控閥為先導式電磁換向閥 圖11 27二位三通單氣控截止式換向閥的結構圖 81 圖 a 為有氣控信號K2時 P與A B與O相通 圖 b 為有氣控信號K1時 P與B A與O相通 雙氣控滑閥具有記憶功能 即氣控信號消失后 閥仍能保持在有信號時的工作狀態 圖11 28雙氣控滑閥式換向閥工作原理圖 雙氣控加壓式換向閥 82 雙氣控加壓式換向閥 83 差動控制換向閥是利用控制氣壓作用在閥芯兩端不同面積上所產生的壓力差來使閥換向的一種控制方式 圖11 29二位五通差壓控制換向閥的結構原理圖1 端蓋 2 緩沖墊片 3 控制活塞 4 密封墊 5 襯套 6 閥體 7 隔套 8 擋片 9 閥芯 差動控制換向閥 84 閥的右腔始終與進氣口P相通 在沒有進氣信號K時 控制活塞13上的氣壓力將推動閥芯9左移 其通路狀態為P與A B與O相通 A口進氣 B口排氣 85 當有氣控信號K時 由于控制活塞3的端面積大于控制活塞13的端面積 作用在控制活塞3上的氣壓力將克服控制活塞13上的壓力及摩擦力 推動閥芯9右移 P與B A與O相通 B口進氣 A口排氣 86 當氣控信號K消失時 閥芯9借右腔內的氣壓作用復位 采用氣壓復位可提高閥的可靠性 87 常用的電磁換向閥有直動式和先導式兩種 2 電磁控制換向閥 圖11 30直動式單電控電磁閥的工作原理圖a 斷電時狀態 b 通電時狀態1 電磁鐵 2 閥芯 直動式電磁換向閥 88 直動式電磁換向閥 激勵線圈不通電時 閥在復位彈簧的作用下處于上端位置 為A與T相通 A口排氣 當通電時 電磁鐵1推動閥芯向下移動 P與A相通 A口進氣 89 直動式電磁換向閥 圖11 31為直動式雙電控電磁閥的工作原理圖 它有兩個電磁鐵 若電磁線圈斷電 氣流通路仍保持原狀態 圖11 31直動式雙電控電磁閥的工作原理圖1 2 電磁鐵 3 閥芯 90 先導式電磁換向閥 直動式電磁閥是由電磁鐵直接推動閥芯移動的 當閥通徑較大時 用直動式結構所需的電磁鐵體積和電力消耗都必然加大 為克服此弱點可采用先導式結構 先導式電磁閥是由電磁鐵首先控制氣路 產生先導壓力 在由先導壓力推動主閥閥芯 使其換向 91 先導式電磁換向閥 當電磁先導閥1的線圈通電 主閥3的K1腔進氣 K2腔排氣 使主閥閥芯向右移動 此時P與A B與O2相通 圖11 32先導式雙電控換向閥的工作原理圖 92 先導式電磁換向閥 當電磁先導閥2通電 主閥的K2腔進氣 K1腔排氣 使主閥閥芯向左移動 此時P與B A與O1相通 先導式雙電控電磁閥具有記憶功能 即通電換向 斷電保持原狀態 圖11 32先導式雙電控換向閥的工作原理圖 93 機械控制換向閥又稱行程閥 常依靠凸輪 擋塊或其他機械外力推動閥芯 使閥換向 3 機械控制換向閥 圖11 33機械控制換向閥1 滾輪 2 杠桿 3 頂桿 4 緩沖彈簧 5 閥芯 6 密封彈簧 7 閥體 94 這類閥分為手動及腳踏兩種操縱方式 手動閥的主體部分與氣控閥類似 其操縱方式有多種形式 如按鈕式 旋鈕式 鎖式及推拉式等 4 人力控制換向閥 圖11 34推拉式手動閥 95 4 人力控制換向閥 96 4 人力控制換向閥 97 時間控制換向閥是使氣流通過氣阻 如小孔 縫隙等 節流后到氣容 儲氣空間 中 經一定的時間使氣容內建立起一定的壓力后 再使閥芯換向的閥類 在不允許使用時間繼電器 電控制 的場合 如易燃 易爆 粉塵大等 用氣動時間控制就顯出其優越性 5 時間控制換向閥 98 圖11 35二位三通常斷延時型換向閥結構圖m 延時部分n 換向部分1 單向閥2 氣容3 節流閥4 過濾器5 閥芯 延時閥 99 m 延時部分n 換向部分1 單向閥2 氣容3 節流閥4 過濾器5 閥芯 圖11 35所示為二位三通常斷延時型換向閥 從該閥的結構上可以看出 它由兩大部分組成 延時部分m包括氣源過濾塞4 可調節流閥3 氣容2和排氣單向閥1 換向部分n實際是一個二位三通差壓控制換向閥 延時閥 100 101 當無氣控信號時 P與A斷開 A腔排氣 當有氣控信號時 從K腔輸入 經過濾塞4 可調節流閥3 節流后到氣容2內 使氣容不斷充氣 直到氣容內的氣壓上升到某一值時 使閥芯5由左向右移動 使P與A接通 A有輸出 所謂延時精度是指延時時間受氣源壓力變化和延時時間的調節重復性的影響程度 102 脈沖閥 脈沖閥是靠氣流流經氣阻 氣容的延時作用 使壓力輸入長信號變為暫短的脈沖信號輸出的閥類 圖11 36脈沖閥工作原理圖 103 圖a為無信號輸入的狀態 圖b為有信號輸入的狀態 此時滑柱向上 A口有輸出 同時從滑柱中間節流小孔不斷向氣室 氣容 中充氣 圖c是當氣室內的壓力達到一定值時 滑柱向下 A與O接通 A口的輸出結束狀態 104 圖11 37為脈沖閥的結構圖 這種閥的信號工作壓力范圍是0 2 0 8MPa 脈沖時間為2秒 圖11 37脈沖閥結構圖 105 梭閥相當于兩個單向閥組合的閥 圖11 38為梭閥的工作原理圖 6 梭閥 圖11 38梭閥的工作原理圖 106 107 b P2進氣狀態 P1與P2都進氣狀態 108 11 5氣動回路舉例 氣動技術是實現工業生產機械化 自動化的方式之一 由于氣壓傳動本身所具有的獨特優點 所以應用日益廣泛 以土木機械為例 隨著人們生活水平的不斷提高 土木機械的結構越來越復雜 自動化程度不斷提高 由于土木機械在加工時轉速高 噪聲大 木屑飛濺十分嚴重 在這樣的條件下采用氣動技術非常合適 因此近期研發或引進的土木機械上 普通采用氣動技術 下面以八軸仿形銑加工機床為例加以分析 109 八軸仿形銑加工機床是一種高效專用半自動加工木質工件的機床 其主要功能是仿形加工 如梭柄 虎形腿等異型空間曲面 工件表面經粗 精銑 砂光等仿形加工后 可得到尺寸精度較高的木質構件 八軸仿形銑加工機床一次可加工八個工件 在加工時 把樣品放在居中位置 銑刀主軸轉速一般為8000r min左右 工件轉速 縱向進給運動速度的改變 都是根據仿形輪的幾何軌跡變化 反饋給變頻調速器后 再控制電動機來實現的 該機床的接料盤升降 工件的夾緊松開 粗 精銑 砂光和仿形加工等工序都是由氣動控制與電氣控制配合來實現的 1 八軸仿形銑加工機床簡介 110 2 氣動控制回路的工作原理八軸仿形銑加工機床使用加緊缸B 共8只 接料盤升降缸A 共2只 蓋板升降缸C 銑刀上 下缸D 粗 銑缸E 砂光缸F 平衡缸G共計15只氣缸 其動作程序為 111 該機床的氣控回路如圖11 39所示 圖11 39八軸仿形銑加工機床氣控回路圖1 氣動三聯件 2 3 4 8 9 11 12 氣控閥 5 6 7 10 減壓閥 1