第3章气动控制阀与气动回路及使用与维修Word文档格式.docx
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快速排气阀常安装在气缸排气口。
图3－6快速排气阀
2．换向型方向控制阀
（1）气压控制换向阀
用气压力来使阀芯移动换向的操作方式称为气压控制。
常用的多为加压控制和差压控制。
加压控制是指施加在阀芯控制端的压力逐渐升高到一定值时，使阀芯迅速移动换向的控制。
差压控制是指阀芯采用气压复位或弹簧复位的情况下，利用阀芯两端受气压作用的面积不等而产生的轴向力之差值，是阀芯迅速移动换向的控制。
按阀芯结构特性可分截止式换向阀和滑阀式换向阀，滑阀式换向阀与液压换向阀的结构和工作原理基本相同。
图3-7为二位三通截止式气控换向阀工作原理图。
图3－7气压控制换向阀工作原理图
（2）电磁控制换向阀
由电磁力推动阀芯进行换向。
图3-8a所示为二位三通电磁控制换向阀处于常态，图3-8b为通电状态，图3-8c为图形符号。
图3－8电磁控制换向阀工作原理图
3.1.2方向控制回路
1．单作用气缸换向回路
图3-9所示为单作用换向回路。
在图3-9a所示回路中，当电磁铁通电时，气压使活塞杆伸出，当电磁铁断电时，活塞杆在弹簧作用下缩回。
在图3-9b所示回路中，电磁铁断电后能使活塞停留在行程中任意位置。
图3－9单作用气缸换向回路
2．双作用气缸换向回路
在图3-10a所示回路中，对换向阀左右两侧分别输入控制信号，使活塞伸出和收缩。
在图3-10b所示回路中，除控制双作用气缸换向外，还可在行程中的任意位置停止运动。
图3－10双作用气缸换向回路
3.1.3方向控制阀常见故障及排除
1方向阀的维护与检查
方向阀在使用过程中应注意日常的保养和检修。
这不仅是防止发生故障的有力措施，而且是延长元件使用寿命的必要条件。
日常的保养和检修一般分日检、周检、季检和年检等几种层次的管理制度。
各种检查主要任务见表3-1。
表3-1各种检查主要任务
检查种类
检查主要任务内容
日检
对冷凝水、污物的处理，及时排放空气压缩机、冷却装置、储气罐、管道中的冷凝水及污物，以免它们进入方向阀中造成故障
周检
对油雾器的管理，使方向阀得到适中的油雾润滑，避免方向阀因润滑不良而造成故障
季检
检查方向阀是否漏气、动作是否正常，发现问题及时采取措施处理
年检
更换即将损坏的元件，使平常工作中经常出现的故障，通过大修彻底解决
检修方向阀时，首先要了解故障的原因，这对节省修理时间，提高修理质量，都有很大帮助。
因此，需要详细了解阀的结构，才能从故障现象迅速找到故障的根源。
气动单向阀主要技术性能指标如表3-2所示。
表3-2气动单向阀主要技术性能指标
公称通径／mm
有效截面积A＞／mm2
泄漏量／（mL／min）
耐久性／万次
开启压力／MPa
关闭压差／MPa
换向时间／s
3
6
10
50
200
＜0.030
＜0.025
<
0.03
8
20
40
100
150
＜0.020
＜0.04
15
60
110
＜0.015
＜0.05
25
190
32
300
40
400
＜0.010
＜0.06
50
650
2电磁阀故障及排除方法
要找到电磁换向阀的故障原因，必须掌握气动阀主要技术性能指标和常见故障及排除方法。
主阀故障还要参考气动三通气控换向阀主要技术性能指标，才能彻底解决电磁换向阀故障。
气动三通气控投向阀主要技术性能指标包括：
软质密封、间隙密封的公称通径（mm）、有效截面积（mm2）、泄漏量（mL／min）、耐久性（万次）、最低控制压力（MPa）、换向时间（s）、最高换向频率（Hz）、工作频度等。
以上具体数据查阅有关方向阀的技术性能指标。
电磁阀的故障可分为铁心的机械故障，异物等侵入后引起的故障和由电气原因引起的故障。
先导电磁阀的故障及排除方法见表3-3。
表3-3电磁换向阀的故障原因及处理对策
3.1.4方向阀用于系统故障排除实例
1故障现象
某小型气动冲击试验台（俗称空气炮），气动原理如图3-11。
当操作者按下起动按钮时，Y1通电，压缩空气从工作缸顶部进入。
当气压达到设定压力时，电接点压力表MH使Y2通电，压缩空气同时进入锁定触发缸，但是锁定触发活塞未能后移，“试验舱”没有被释放。
图3-11冲击试验台气动原理图
2直接故障原因
经详细检查直接故障可能原因有3个：
1）电磁阀Y2内有异物，造成阀芯动作失灵；
2）MI-I电接点电阻增大，造成Y2电磁铁吸力降低；
3）锁定触发缸活塞密封圈磨损，造成外泄，减小了活塞推力。
3寻找故障深层次的原因
当维修工将这些故障点逐一排除以后，设备仍不能恢复正常，甚至毛病越来越重。
最初是在额定压力0.25MPa时不能击发，而在0.2MPa时尚可；
后来0.2MPa也不行了。
这台设备虽说是国外进口的，但其工作原理和结构并不复杂。
抽动锁定销的力F1由锁定触发缸活塞提供，阻力F2则主要来源于锁定销与试验舱之间，锁定活塞与缸体之间的摩擦。
显然，正常击发须满足的条件为：
F1>
F2。
对有关数据进行验算。
当设定压力为0.25MPa时，计算得F1的理论值为2215N；
F2为2087N（摩擦系数取0.3，复位弹簧的阻力未计算在内），于是有：
F1-F2=128N。
128N显然太小，看来，这是故障产生的真正原因。
为排除内泄更换了密封圈，却同时大大增加了阻力—由于国产密封圈硬，弹性差，阻力还非常大。
为了证实这一分析，重新将原密封圈装上，为减少泄漏，多涂了些“黄油”，果然，锁定触发机构又突然恢复了“正常”。
不过这个“正常”也不可靠。
在0.20-0.25Mpa之间它一共只触发了4次，就又不动了。
4改进办法
很显然，原气路在设计上确实存在明显不足。
Y2接通时，由于Y1并未截断，气源与工作缸仍是接通的。
所以尽管锁定触发缸体积只有25
，但在瞬时缸内并不能达到气源压力。
只是由于工作缸的体积要比它大240倍，才能使它在触发的瞬时内部气压稍高于工作缸气压（当气源一定，MH调得越低，两缸压力差越大；
F2也越小，便有利击发）。
当工作缸MN为设定压力0.25MPa时，压力表显示锁定缸压力为0.3MPa（气源压力为0.5MPa）。
如果瞬时（零点几秒）不能触发，说明此时Fl≤F2。
并且随着时间的延长。
两缸的气压将同时增高，很快趋于平衡，等于气源压力。
由于工作缸径远大于触发缸径，FI<
F2更多，所以，延长按压起动按钮是无用的。
改造方法是在Y1前A、B处串接一个两位两通电磁阀（常开型），如图1中的虚线所示（电源与压力表MH并联）。
实施后一次成功。
压力表显示触发缸瞬时压力为0.45MPa（MH调定0.25MPa，气源压力仍为0.5MPa）。
按此计算，F2不变，F1却比改进前增加862N。
3.2压力控制阀与压力控制回路及使用与维修
压力控制阀按其控制功能可分为减压阀、溢流阀和顺序阀三种。
3.2.1减压阀
减压阀又称调压阀，可分为直动式、先导式，其中先导式又分为内部先导式和外部先导式两种。
1直动型减压阀
图3-12a所示为QTY型直动型减压阀的结构图。
其工作原理如下：
阀处于工作状态时，压缩空气从左端输入，经阀口11节流减压后再从阀出口流出。
当旋转手柄1，压缩调压弹簧2、3推动膜片5下凹，通过阀杆6带动阀芯9下移，打开进气阀口11，压缩空气通过阀口11的节流作用，使输出压力低于输入压力，以实现减压作用。
与此同时，有一部分气流经阻尼孔7进入膜片室12，在膜片下部产生一向上的推力。
当推力与弹簧的作用相互平衡后，阀口开度稳定在某一值上，减压阀的出口压力便保持一定。
阀口11开度越小，节流作用越强，压力下降也越多。
若输入压力瞬时升高，经阀口11以后的输出压力随之升高，使膜片室内的压力也升高，破坏了原有的平衡，使膜片上移，有部分气流经溢流孔4，排气口13排出。
在膜片上移的同时，阀芯9在复位弹簧10的作用下也随之上移，减小进气阀口11开度节流作用加大，输出压力下降，直至达到膜片两端作用力重新平衡为止，输出压力基本上又回到原数值上。
相反，输入压力下降时，进气节流阀口开度增大，节流作用减小，输出压力上升，使输出压力基本回到原数值上。
图3－12QTY型直动型减压阀
2先导型减压阀
图3-13a所示为内部先导型减压阀结构图，它由先导阀和主阀两部分组成。
当气流从左端流入阀体后，一部分经进气阀口9流向输出口，另一部分经固定节流孔1进入中气室5经喷嘴2、挡板3、孔道反馈至下气室6，在经阀杆7中心孔及排气孔8排至大气。
把手柄旋到一定位置，使喷嘴挡板的距离在工作范围内，减压阀就进入工作状态。
中气室5的压力随喷嘴与挡板间距离的的减小而增大，于是推动阀芯打开进气阀口9，立即有气流流到出口，同时经孔道反馈到上气室4，与调压弹簧相平衡。
若输入压力瞬时升高，输出压力也相应升高，通过孔口的气流使下气室6的压力也升高，破坏了膜片原有的平衡，使阀杆7上升，节流阀口减小，节流作用增强，输出压力下降，使膜片两端作用力重新平衡，输出压力恢复到原来的调定值。
当输出压力瞬时下降时，经喷嘴挡板的放大也会引起中气室5的压力比较明显地提高，而使得阀芯下移，阀口开大，输出压力升高，并稳定到原数值上。
图3-13b为图形符号。
图3－13内部先导型减压阀
3减压阀的应用
图3-14a所示回路同时输出高低压力P1、P2。
图3-14b所示是利用减压阀的高低压转换回路。
图3－14减压阀应用回路
4减压阀的故障原因及处理
减压阀的故障原因及处理对策见表3-4。
表3-4减压阀的故障原因及处理对策
5定值器及故障排除
（1）定值器
定值器是一种高精度的减压阀，主要用于压力定值。
图3-15为定值器的工作原理图。
它由三部分组成：
一是直动式减压阀的主阀部分；
二是恒压降装置，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；
三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。
图3-15定值器
定值器处于非工作状态时，由气源输入的压缩空气进人A室和E室。
主阀芯2在弹簧1和气源压力作用下压在截止阀座3上，使A室与B室断开。
进人E室的气流经阀口（又称为活门7）进至F室，再通过节流孔5降压后，分别进人G室和D室。
由于这时尚未对膜片12加力，挡板5与喷嘴4之间的间距较大，气体从喷嘴10流出时的气流阻力较小，C室及D室的气压较低，膜片8及4皆保持原始位置。
进人H室的微量气体主要部分经B室通过溢流口从排气口排出；
另有一部分从输出口排空。
此时输出口输出压力近似为零，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，因其为无功耗气量，所以希望其耗气量越小越好。
定值器处于工作状态时，转动手柄14压下弹簧13并推动膜片12连同挡板11一同下移，挡板11与喷嘴10的间距缩小，气流阻力增加，使G室和D室的气压升高。
膜片4在D室气压的作用下下移，将溢流阀口关闭，并向下推动主阀芯2，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12上，当膜片12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。
当输入的压力发生波动，如压力上升，若活门、进气阀芯2的开度不变，则B、F、H室气压瞬时增高，使膜片12上移，导致挡板11与喷嘴10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4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8在上下压差的作用下向上移，关小活门口7。
由于节流作用加强，F室气压下降，始终保持节流孔5的前后压差恒定，故通过节流孔门的气体流量不变，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12连同挡板11由于受力平衡破坏而下移，喷嘴10与挡板11间的间距减小，C室和D室压力上升，膜片8和4下移。
膜片4的下移使主阀口开度加大，B室及H室气压回升，直到与调定压力平衡为止。
而膜片8下移，开大活门口，F室气压上升，始终保持节流孔5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，定值稳压精度较高。
（2）定值器常见故障及排除
定值器常见故障及排除方法见表3-5。
表3-5定值器的常见故障及排除方法
常见故障
原因及排除方法
出口压力达不到调定值
1．阀杆与阀座配合不好，大量空气流人大气。
校正阀杆与阀座的相对位置（重新安装或更换零件）
2．喷嘴与挡板的密封性不好。
重新安装或更换有关零件
3．背压室O、G漏气
转动旅钮时没有出口压力
恒节流孔被阻塞。
用通针通后吹净
旋钮全部放松时，出口压力超过规定值
1．阀座与阀杆接触时，密封性不好。
检查有关零件或更换
2．阀座与环室间密封不好
3．阀杆与阀座离开
4．恒节流孔前端锥面密封性不好。
更换有关零件
压力特性不好
阀门密封不好
3.2.3溢流阀
1溢流阀的原理
溢流阀的作用是当气动系统的压力上升到调定值时，与大气相通以保持系统的压力的调定值。
图3-18a所示为直动式溢流阀的结构原理，气压作用在膜片的力小于调压弹簧的预压力时，阀处于关闭状态。
当气压力升高，作用于膜片上的气压力超过了弹簧的预压力，溢流阀开启排气，系统的压力降到调定压力以下时，阀门重新关闭。
阀的开启压力大小靠调压弹簧的预压缩量来实现。
图3-18b为图形符号。
图3-19为气动控制先导式溢流阀的结构原理图。
它是靠作用在膜片上的控制口气体的压力和进气口作用在截止阀口的压力进行比较来进行工作的。
2溢流阀的应用
如图3-20所示为一次压力控制回路，这种回路主要使贮气罐输出的压力稳定在一定的范围内。
常用电触点压力表1控制，一旦罐内压力超过规定上限时，电触点压力表内的指针碰到上触点，即控制中间继电器断电，电动机停转，空气压缩机停止运转，压力不再上升。
当贮气罐中压力下降到预定下限时，指针碰到下触点，使中间继电器通电，电机启动，向贮气罐供气。
当电触点压力表或电路发生故障而失灵时，压缩机不能停止运转使贮气罐压力不断上升，在超过预定上限时，溢流阀就开启溢流，从而起安全保护作用。
图3－18直动式溢流阀的结构原理
1阀座2阀芯3膜片4先导压力控制口
图3-19气动控制先导式溢流阀
图3－20一次压力控制回路
3溢流阀故障及排除方法
溢流阀的故障一般是阀内进入异物或密封件损伤，严重的故障主要是因回路和溢流阀不匹配以及元件本身的故障引起的。
一般溢流阀的常见故障及排除方法见表3-6。
表3-6溢流阀的故障及排除方法
故障
原因
排除方法
压力虽超过调定溢流压力但不溢流
1．阀内部的孔堵塞
2．阀的导向部分进入异物
清洗
虽压力没有超过调定值，但在出口却溢流空气
1．阀内进入异物
2．阀座损伤
3．调压弹簧失灵
1．清洗
2．更换阀座
3．更换调压弹簧
溢流时发生振动（主要发生在膜片式阀，其启闭压力差（P开一P闭）较小
1．压力上升速度很慢，溢流阀放出流量多，引起阀振动
2．因从气源到溢流阀之间被节流，溢流阀进口压力上升慢而引起振动
1出口侧安装针阀微调溢流量，使其与压力上升量匹配
2．增大气源到溢流阀的管道口径，以消除节流
从阀体或阀盖向外漏气
1．膜片破裂（膜片式）
2．密封件损伤
1．更换膜片
2．更换密封件
3.2.4顺序阀
1单向顺序阀
图3-21所示为单向顺序阀的工作原理。
当压缩空气由P口进入阀左腔4后，作用在活塞3上的力小于调压弹簧2上的力时，阀处于关闭状态。
而当作用于活塞上的力大于弹簧力时，活塞被顶起，压缩空气经阀左腔4流入阀右腔5由A口流出（图3-21a），顺序阀开启，此时单向阀关闭。
当切换气源时（图3-21b），阀左腔4压力迅速下降，顺序阀关闭，此时阀右腔5压力高于阀左腔4压力，在气体压力差作用下，打开单向阀，压缩空气由阀右腔5经单向阀6流入阀左腔4向外排出。
图3-21c为图形符号。
图3-21单向顺序阀的工作原理图
2顺序阀的应用
图3-22所示为用顺序阀控制两个气缸顺序动作的回路。
图3－22顺序阀的应用回路
3.3流量控制阀与速度控制回路及使用与维修
3.3.1流量控制阀
流量控制阀是通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件，它包括节流阀、单向节流阀和排气节流阀等。
排气节流阀只能安装在气动装置的排气口处，图3-23为排气节流阀的工作原理图，气流进入阀内，由节流口1节流后经消声套2排出，因而它不仅能调节执行元件的运动速度，还能起到降低排气噪声的作用。
图3-24所示回路，把两个排气节流阀安装在二位五通电磁换向阀的排气口上，可控制活塞的往复运动速度。
图3－23排气节流阀的工作原理图
图3－24排气节流阀的应用
图3－25为单向节流阀结构原理。
其节流阀口为针型结构。
气流从P口流入时，顶开单向密封阀芯1，气流从阀座6的周边槽口流向A，实现单向阀功能；
当气流从A流入时，单向阀芯1受力向左运动紧抵截止阀口2，气流经过节流口流向P，实现反向节流功能。
图3－25单向节流阀
单向节流阀的故障原因及处理对策如表3-7所示。
表3-7单向节流阀的故障原因及处理对策
3.3.2速度控制回路
速度控制回路用来调节气缸的运动速度或实现气缸的缓冲等。
气缸活塞的速度控制可以采用进气节流调速和排气节流调速。
1．单作用气缸的速度控制回路
图3-26a为用两个单向节流阀来分别控制活塞往复运动的速度。
图3-23b为用节流阀调节活塞的速度，活塞向左运动时，气缸左腔通过快速排气阀排气。
图3-26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
双作用气缸的调速回路如图3-27所示。
缓冲回路如图3-28所示。
当活塞向右运动时，缸右腔的气体经行程阀及三位五通阀排出，当活塞运动到末端碰到行程阀时，气体经节流阀通过三位五通阀排出，活塞运动速度得到缓冲，此回路适合于活塞惯性力大的场合。
图3－27双作用气缸的调速回路图3-28缓冲回路
图3-29所示为采用气液转换器的调速回路。
此调速回路可实现快进、工进、快退等工况。
该回路利用气液转换器将气压变成液压，充分发挥了气动供气方便和液压速度容易控制的优点。
图3－29气液调速回路
3.4其他常用气动回路
3.4.1安全保护回路
1．互锁回路
如图3-40所示，主控阀的换向将受三个串联机控三通阀的控制，只有三个机控三通阀都接通时，主控阀才能换向，活塞才能动作。
图3－30互锁回路
2．过载保护回路
如图3-31所示，当活塞向右运行过程中遇到障碍或其他原因使气缸过载时，左腔内的压力将逐渐升高，当其超过预定值时，打开顺序阀3使换向阀4换向，阀1、2同时复位，气缸返回，保护设备安全。
图3－31过载保护回路
3．双手同时操作回路
图3-32所示双手操作回路，为使主控阀3换向，必须同时按下两个二位三通手动阀1和2。
这两个阀必须安装在单手不能同时操作的位置上，在操作时，如任何一只手离开时则信号消失，主控阀复位，则活塞杆后退。
图3－32双手操作回路
3.4.2往复动作回路
如图3-33所示为三种往复动作回路，图3-30a为行程阀控制的单往复回路，按下手动换向阀1后，压缩空气使阀3换向，活塞杆向右伸出，当活塞杆上的挡铁碰到行程阀2时，阀3复位，活塞杆返回。
图3-33b是压力控制的往复动作回路，当按下阀1的手动按钮后，阀3右移，气缸无杆腔进气使活塞杆伸出，同时气压还作用在顺序阀4上。
当活塞到达终点后，无杆腔压力升高并打开顺序阀，使阀3又切换至右位，活塞杆就缩回。
图3-33c是利用延时回路形成的时间控制往复动作回路。
当按下行程阀2后，延时一段时间后，阀3才能换向，活塞杆再缩回。
图3-33往复动作回路
3.4.3延时回路
如图3-34所示为延时回路。
图3-34a为延时输出回路，当控制信号切换阀4后，压缩空气经单向节流阀3向气罐2充气。
当充气压力经过延时升高致使阀1换位时，阀1就有输出。
图3-34b为延时接通回路，按下阀8，则活塞向外伸出，当活塞在伸出行程中压下阀5后，压缩空气经节流阀到气罐6，延时后才将阀7切换，活塞退回。
图3-34延时回路
3.5气动逻辑控制阀
3.5.1逻辑控制概述
任何一个实际的控制问题都可以用逻辑关系来进行描述。
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