十一章 气压传动解读Word下载.docx

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，用于高压气动中最高可达100

；

6）利用空气的可压缩性，可存储能量，实现集中供气。

可在短时间内释放能量，以得到间歇运动中的高速响应和大冲击力。

可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力，气动装置在一定条件下有自我保护能力；

7）工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制优越。

2．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，气压传动比液压传动输出的力要小得多。

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，尤其是在超音速排气时要加消声器。

气压传动与其它传动的性能比较见表11-1。

表11-1气压传动与其他传动的性能比较

传动方式

操作力

动作快慢

环境要求

构造

负载变化影响

操作距离

无级调速

工作

寿命

维护

价格

气压传动

中等

较快

适应性好

简单

较大

中距离

较好

长

一般

便宜

液压传动

最大

较慢

不怕振动

复杂

有一些

短距离

良好

要求高

稍贵

电传动

电气

快

稍复杂

几乎

没有

远距离

较短

要求较高

电子

最小

最快

要求特高

最复杂

短

要求更高

最贵

机械传动

较困难

11.1.2气动系统的组成

典型的气压传动系统由气源装置、控制元件、执行元件和辅助元件四部分组成的，如图11-1所示。

图11-1气压传动系统的组成

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－消音器11－油雾器12－分水滤气器

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。

使用气动设备较多的厂矿常将汽源装置集中于压气站（俗称空压站）内，有压气站在统一向各用气点分配压缩空气；

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或摆动的气马达或摆动马达等；

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，它包括过滤器、油雾器、管接头及消声器等。

11.1.3气动技术的应用和发展

目前气动技术已广泛应用于国民经济的各个部门，而且应用范围越来越广，下面介绍气动技术的应用：

1）在食品加工和包装工业中，气动技术因其卫生、可靠和经济得到广泛应用，如在收割芦笋之后，采用气动技术可以对其进行剥皮，并轻轻除去其中的苦纤维，而不损伤可口的笋尖。

在饮料厂和酒厂里，气动系统完成对玻璃瓶的抓取功能时可以实现软抓取，即使玻璃瓶比允许误差大，它也不会被抓碎。

这主要是由于气缸中的空气是可压缩的，其作用就像缓冲垫一样，气爪可以简单地调整至不同尺寸大小，以免引起玻璃瓶破裂。

当然，这种优点可以适用于整个玻璃制品生产，玻璃制品生产也是气动技术的应用的另一个领域。

气动技术因其高速、高可靠性和特别适合于应用在洁净卫生场合，所以其在包装业中占主导地位，至于气动元件的维护成本低还不是主要的。

气动元件的灵活性（即对不同产品的快速调整能力）以日益为人们所需要。

气动技术是适应这种快速变化的最理想技术。

气缸期望的位置可以直接反馈到包装设备主控制器中，这样包装设备对塑料袋封口就可以比以前短。

2）绝大多数具有管道生产流程的各生产部门都可以采用气动，如有色金属冶炼工业，在冶炼工业中，温度高、灰尘多的场合往往不宜采用电机驱动或液压传动，采用气动就比较安全可靠，高炉炉门的启闭常由气动完成。

3）在轻工业中，电气控制和气动控制一样应用，功能大致相等。

凡输出力要求不大、动作平稳性或控制精度要求不太高的场合，均可以采用气动，成本比电气装置要低得多。

对粘稠液体（如牙膏、化妆品、油漆、油墨等）进行自动计量灌装时采用气动，不仅能提高工效，减轻劳动强度，而且因有些液体具有易挥发性和易燃性，采用气动控制比较安全。

对于食品工业、制药工业、卷烟工业等领域，气动由于其不污染性而具有更强的优势，有广泛的应用前景。

4）在军事工业中气动也得到广泛应用。

因电子装置在没有冷却下很难在300℃以上的高温条件下工作，故现代飞机、火箭、导弹、鱼雷等自动装置大多是气动的，因为以压缩空气作为动力能源，其体积小、重量轻，甚至比具有相同能量的电池体积还小还轻，且不怕电子干扰。

11.2气源装置及辅助元件

气压传动系统中的气源装置是为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气，它是气压传动系统的重要组成部分。

由空气压缩机产生的压缩空气，必须经过降温、净化、减压、稳压等一系列处理后，才能供给控制元件和执行元件使用。

气动辅助元件是元件连接和提高系统可靠性、使用寿命以及改善工作环境等所必需的。

11.2.1气源装置

1．对压缩空气的要求

由空气压缩机排出的压缩空气虽然可以满足气动系统工作时的压力和流量要求，但其温度高达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，润滑油被气化后，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。

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、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，进行气源净化处理的辅助设备。

2．气源装置的组成

压缩空气站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。

图11-2是压缩空气站设备组成及布置示意图。

图11-2压缩空气站设备组成及布置示意图

1-空气压缩机2-后却器3-油水分离器4、7-贮气罐5-干燥器6-过滤器8-加热器9-四通阀

在图11-2中，l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人空气压缩机的杂质。

2为后冷却器，用以降温冷却压缩空气，使气化的水、油凝结出来。

3为油水分离器，用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等。

4、7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。

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）。

3．压缩空气发生装置

1）空气压缩机的分类

空气压缩机是一种压缩空气发生装置，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。

如按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压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增大以提高压缩空气的压力。

速度型压缩机的工作原理是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以提高压缩空气的压力。

2）空气压缩机的工作原理

气压传动系统中最常用的空气压缩机是往复活塞式，其工作原理是通过曲柄连杆机构使活塞作往复运动而实现吸、压气，并达到提高气体压力的目的，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高到略高于输气管内压力后，排气阀l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。

图11-3活塞式空气压缩机原理图

1-排气阀2-气缸3-活塞4-活塞杆5-滑块6-滑道7-曲柄连杆8-吸气阀9-弹簧

3）空气压缩机的选用原则

选用空气压缩机的根据是气压系统所需的工作压力和流量两个参数。

按排气压力不同，排气压力0.2MPa为低压空气压缩机；

排气压力1.0MPa为中压空气压缩机；

排气压力10MPa为高压空气压缩机；

排气压力100MPa为超高压空气压缩机。

低压空气压缩机为单级式，中压、高压和超高压空气压缩机为多级式，最多级数可达8级，目前国外已制成压力达343MPa聚乙烯用的超高压压缩机。

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自由空气流量。

4．压缩空气净化、储存设备

压缩空气净化装置一般包括：

后冷却器、油水分离器、贮气罐、干燥器、过滤器等。

1）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。

冷却方式有水冷和气冷两种方式，蛇形管和列管式后冷却器的结构见图11-4。

图11-4后冷却器

（a）蛇管式（b）列管式

2）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。

图11-5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。

图11-5油水分离器

图11-6吸附式干燥器结构图

1、12-密封座2、7-吸附剂层3、8、11-钢丝过虑网4-上栅板5-筒体6-支撑板9-下栅板10-毛毡13、18、20-法兰14-排水管15-干燥空气输出管16-再生空气进气管17、19-再生空气排气管21-顶盖22-湿空气进气管

3）贮气罐

贮气罐的主要作用是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；

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；

进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。

贮气罐一般采用焊接结构。

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、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、离心、机械降水及冷却等方法。

吸附法是利用具有吸附性能的吸附剂（如硅胶、铝胶或分子筛等）来吸附压缩空气中含有的水分，而使其干燥；

冷却法是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。

吸附法是干燥处理方法中应用最为普遍的一种方法。

吸附式干燥器的结构如图11-6所示。

它的外壳呈筒形，其中分层设置栅板、吸附剂、滤网等。

湿空气从管l进入干燥器，通过吸附剂21、过滤网20、上栅板19和下部吸附层16后，因其中的水分被吸附剂吸收而变得很干燥。

然后，再经过钢丝网15、下栅板14和过滤网12，干燥、洁净的压缩空气便从输出管8排出。

5）过滤器

空气的过滤是气压传动系统中的重要环节。

不同的场合，对压缩空气的要求也不同。

过滤器的作用是进一步滤除压缩空气中的杂质。

常用的过滤器有一次性过滤器（也称简易过滤器，滤灰效率为50％～70％）；

二次过滤器（滤灰效率为70％～99％）。

在要求高的特殊场合，还可使用高效率的过滤器（滤灰效率大于99％）。

11.2.2辅助元件

分水滤气器、减压阀和油雾器一起称为气动三大件，三大件依次无管化连接而成的组件称为三联件，是多数气动设备中必不可少的气源装置。

大多数情况下，三大件组合使用，其安装次序依进气方向为分水滤气器、减压阀、油雾器。

三大件应安装在进气设备的近处。

压缩空气经过三大件的最后处理，将进入各气动元件及气动系统。

因此，三大件是气动系统使用压缩空气质量的最后保证。

其组成及规格，须由气动系统具体的用气要求确定，可以少于三大件，只用一件或两件，也可多于三件。

1．分水滤气器

图11-8普通油雾器结构简图

1-喷嘴2-钢球3-弹簧4-阀座5-存油杯6-吸油管7-单向阀

8-节流阀9-视油器10、12-密封垫11-油塞13-螺母、螺钉

分水滤气器能除去压缩空气中的冷凝水、固态杂质和油滴，用于空气精过滤。

分水滤气器的结构如图11-7所示。

其工作原理如下：

当压缩空气从输入口流入后，由导流叶片l引入滤杯中，导流叶片使空气沿切线方向旋转形成旋转气流，夹杂在气体中的较大水滴、油滴和杂质被甩到滤杯的内壁上，并延杯壁流到底部。

然后气体通过中间的滤芯2，部分灰尘、雾状水被2拦截而滤去，洁净的空气便从输出口输出。

挡水板4是防止气体漩涡将杯中积存的污水卷起而破坏过滤作用。

为保证分水滤气器正常工作，必须及时将存水杯中的污水通过排水阀5放掉。

在某些人工排水不方便的场合，可采用自动排水式分水滤气器。

图11-7分水滤气器结构图

1-导流叶片2-滤芯3-储水杯

4-挡水板5-手动排水阀

2．油雾器

油雾器是一种特殊的注油装置。

它以空气为动力，使润滑油雾化后，注入空气流中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的。

图11-8是普通油雾器（也称一次油雾器）的结构简图。

当压缩空气由输入口进入后，通过喷嘴1下端的小孔进入阀座4的腔室内，在截止阀的钢球2上下表面形成压差，由于泄漏和弹簧3的作用，而使钢球处于中间位置，压缩空气进入存油杯5的上腔使油面受压，压力油经吸油管6将单向阀7的钢球顶起，钢球上部管道有一个方形小孔，钢球不能将上部管道封死，压力油不断流人视油器9内，再滴入喷嘴l中，被主管气流从上面小孔引射出来，雾化后从输出口输出。

节流阀8可以调节流量，使滴油量在每分钟0～120滴内变化。

二次油雾器能使油滴在雾化器内进行两次雾化，使油雾粒度更小、更均匀，输送距离更远。

二次雾化粒径可达5

。

油雾器的选择主要是根据气压传动系统所需额定流量及油雾粒径大小来进行。

所需油雾粒径在50

左右选用一次油雾器。

若需油雾粒径很小可选用二次油雾器。

油雾器一般应配置在滤气器和减压阀之后，用气设备之前较近处。

3．消声器

在气压传动系统之中，气缸、气阀等元件工作时，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100～120

，为了降低噪声可以在排气口装消声器。

图11-9吸收型消声器结构简图

1-连接螺丝2-消声罩

消声器就是通过阻尼或增加排气面积来降低排气速度和功率，从而降低噪声的。

根据消声原理不同，消声器可分为三种类型：

阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器。

常用的是吸收型消声器。

图11-9是阻性消声器的结构简图。

这种消声器主要依靠吸音材料消声。

消声罩2为多孔的吸音材料，一般用聚苯乙烯或铜珠烧结而成。

当消声器的通径小于20

时，多用聚苯乙烯作消音材料制成消声罩，当消声器的通径大于20

时，消声罩多用铜珠烧结，以增加强度。

其消声原理是：

当有压气体通过消声罩时，气流受到阻力，声能量被部分吸收而转化为热能，从而降低了噪声强度。

阻性消声器结构简单，具有良好的消除中、高频噪声的性能。

在气动系统中，排气噪声主要是中、高频噪声，尤其是高频噪声，所以采用这种消声器是合适的。

4．真空元件

气动系统中的大多数气动元件，包括气源发生装置、执行元件、控制元件以及各种辅助元件，都是在高于大气压力的气压作用下工作的，用这些元件组成的气动系统称为正压系统；

另有一类元件可在低于大气压力下工作，这类元件组成的系统称为负压系统（或称真空系统）。

1）真空系统的组成

真空系统一般由真空发生器（真空压力源）、吸盘（执行元件）、真空阀（控制元件，有手动阀、机控阀、气控阀及电磁阀）及辅助元件（管件接头、过滤器和消音器等）组成。

有些元件在正压系统和负压系统中是通用的，如管件接头、过滤器和消声器及部分控制元件。

图11-10典型的真空回路

1-过滤器2-精过滤器3-减压阀4-压力表5-电磁阀6-真空发生器7-消声器8-真空过滤器9-真空压力开关10-真空压力表11-吸盘12-工件

图11-10为典型的真空回路。

实际上，用真空发生器构成的真空回路，往往是正压系统的一部分，同时组成一个完整的气动系统。

如在气动机械装置中，图11-10所示的吸盘真空回路仅是其气动控制系统的一部分，吸盘是机械手的抓取机构，随着机械手臂而运动。

以真空发生器为核心构成的真空系统适合于任何具有光滑表面的工件，特别是对于非金属制品且不适合加紧的工件，如易碎的玻璃制品，柔软而薄的纸张、塑料及各种电子精密零件。

真空系统已广泛用于轻工、食品、印刷、医疗、塑料制品以及自动搬运和机械手等各种机械，如玻璃的搬运、装箱，机械手抓取工件，印刷机械中的纸张检测、运输，真空包装机械中包装纸的吸附、送标、贴标、包装袋的开启，精密零件的输送，塑料制品的成型，电子产品的加工、运输、装配等各种工序作业。

2）真空发生器

用真空发生器产生负压的特点有：

结构简单，体积小，使用寿命长；

产生的真空度可达88

，抽吸流量不大，但可控、可调，稳定可靠；

瞬时开关特性好，无残余负压；

同一输出口可使用负压或交替使用正负压。

图11-11所示为真空发生器的工作原理图，它由喷嘴、接收室、混合室和扩散室组成。

压缩空气通过收缩的喷嘴射出的一束流体的流动称为射流。

射流能能卷吸周围的静止流体和它一起向前流动，这称为射流的卷吸作用。

而自由射流在接收室内的流动，将限制了射流与外界的接触，但从喷嘴流出的主射流还是要卷吸一部分周围的流体向前运动，于是在射流的周围形成一个低压区，接收室内的流体便被吸进来，与主射流混合后，经接收室另一端流出。

这种利用一束高速流体将另一束流体（静止或低速流）吸进来，相互混合后一起流出的现象称为引射现象。

若在喷嘴两端的压差达到一定值时，气流达声速或亚声速流动，于是在喷嘴出口处，即接收室内可获得一定负压。

11.2.3管路系统设计

1．供气系统管道

1）压缩空气站内气源管道：

包括压缩机的排气口至后冷却器、油水分离器、储气罐、干燥器等设备的压缩空气管道。

2）厂区压缩空气管道：

包括从压缩空气站至各用气车间的压缩空气输送管道。

3）用气车间压缩空气管道：

包括从车间入口到气动设备和气动装置的压缩空气输送管道。

2．供气管道设计的原则

1）从供气的压力和流量考虑

若工厂中的气动设备对压缩空气源压力有多种要求，则气源系统管道必须满足最高压力要求来设计。

若仅采用同一个管道系统供气，对于供气压力要求较低者，可通过减压阀来实现。

从供气的最大流量和允许压缩空气在管道内流动的最大压力损失决定气源供气系统管道的管径大小。

为避免在管道内流动时有较大的压力损失，压缩空气在管道中的流速一般应小于

当管道内气体的体积流量为

，管道中允许流速为

时，管道的内径为：

（11-1）

式中

－流量（

）；

－流速（

）。

由式（11-1）计算求得的管道内径

，结合流量（或流速），再验算空气通过某段管道的压力损失是否在允许范围内。

一般对较大的空气压缩站，在厂区范围内，从管道的起点到终点，压缩空气的压力降不能超过气源初始压力的8%；

在车间范围内不能超过供气压力的5%。

若超过了，可增大管道直径。

2．从供气的质量要求考虑