气压传动认识文档格式.docx

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专业技能和动手能力提高；

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团队协作能力；

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习惯

认真完成本次教学任务后，学生逐渐达到以下良好习惯：

安全文明操作的良好习惯；

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课后

总结

检查各项计划实施结果；

评估工作质量及实际效果。

学习单元3气压传动认识及数控设备典型气压传动系统分析

授课内容：

1.认识气压传动控制系统的组成及优缺点。

2.了解工业传动或控制系统对气源的要求。

3.理解压缩空气站的设备组成及布置。

4.掌握空气压缩机的分类、工作原理及选用原则。

5.理解气压辅助元件的工作原理、图形符号、结构形式。

6.掌握气压执行元件的工作原理、图形符号、结构形式。

7.掌握气压控制元件的工作原理、图形符号、结构形式。

8.分析气动回路实例。

1.气压传动概述

引导问题：

请同学们通过查阅相关资料和教师讲解，分析以下问题：

1．气压与液压传动有何相同点？

2．气压传动由哪几部分构成？

各部分有何功能？

3．气压传动有哪些优缺点？

4．工业传动或控制对气源有哪些特殊要求？

5．空气压缩站由哪些设备构成？

各个设备的用途是什么？

1.1气压传动系统的工作原理

气压传动是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。

气压传动的工作原理是利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，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。

由此可知，气压传动系统和液压传动系统类似。

1.2气压传动系统的组成

气压传动系统和液压传动系统的结构类似，也是由四部分组成的：

（1）气源装置它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）控制元件它是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以使执行机构完成预定的工作循环，它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等；

（3）执行元件它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）辅助元件它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。

1.3压缩空气站

气压动力元件将原动机（如电动机）供给机械能转变为气体的压力能，为各类气动设备提供动力。

用气量较大的厂矿一般都专门建立压缩空气站，通过输送管道统一向各用气点分配压缩空气。

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。

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量。

后冷却器，用以降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。

油水分离器，用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等。

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。

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。

过滤器，用以进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质颗粒。

贮气罐输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐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）。

1.4气压传动优缺点

1.气压传动的优点：

（1）工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。

气体不易堵塞流动通道，用后可将其随时排人大气中，不污染环境；

（2）空气的特性受温度影响小。

在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆炸。

温度变化时，对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能；

（3）空气的粘度很小（约为液压油的万分之一），所以流动阻力小，在管道中流动的压力损失较小，所以便于集中供应和远距离输送；

（4）相对液压传动而言，气动动作迅速、反应快，一般只需0.02～0.3s,就可达到工作压力和速度。

液压油在管路中流动速度一般为1～5m／s，而气体的流速最小也大于10m／s，有时甚至达到音速，排气时还达到超音速；

（5）气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置中仍然可以维持一个稳定的压力。

液压系统要保持压力，一般需要油泵继续工作或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性来维持承载缸的压力不变；

（6）气动元件可靠性高、寿命长。

电气元件可运行百万次，而气动元件可运行2000～4000万次；

（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；

（8）气动装置结构简单，成本低，维护方便，过载能自动保护。

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、电信号传动速度慢，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。

3.气压传动与其它传动的性能比较

气压传动与其它传动的性能比较

类型

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

没有

短

要求更高

最贵

机械传动

较困难

2.气压动力元件和辅助元件

1．空气压缩机是如何分类的？

往复活塞式空气压缩机是如何工作的？

2．气压辅助元件包括哪些？

各元件起什么作用？

3．分析各气压辅助元件的工作原理和结构？

4．各气压辅助元件的国家标准图形符号如何绘制？

2.1气压动力元件

气压动力元件是气动系统的动力源，即空气压缩机（简称空压机），将原动机（如电动机）供给机械能转变为气体的压力能，为各类气动设备提供动力。

1.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。

当活塞向右运动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力，吸气阀被打开，空气在大气压力作用下进入气缸内，这个过程称为“吸气过程”。

当活塞向左移动时，吸气阀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。

2.空气压缩机的类型

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。

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。

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1OMPa；

超高压空气压缩机，排气压力为1OOMPa。

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。

2.2气动辅助元件

气动辅助元件分为气源净化装置和其它辅助元件两大类。

压缩空气净化装置一般包括冷却器、油水分离器、贮气罐、干燥器、过滤器等。

1.冷却器

冷却器安装在空气压缩机出口处的管道上，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℃，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。

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，

2.油水分离器（分水排水器）

油水分离器安装在后冷却器出口管道上，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。

油水分离器的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使用等。

撞击折回并回转式油水分离器的结构形式，它的工作原理是：

当压缩空气由人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。

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。

3.贮气罐

贮气罐的主要作用是：

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、水等杂质。

贮气罐一般采用焊接结构，以立式居多

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和冷却法。

吸附法是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；

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。

吸附式干燥器的外壳呈筒形，其中分层设置栅板、吸附剂、滤网等。

湿空气从管进入干燥器，通过吸附剂、过滤网、上栅板和下部吸附层后，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、下栅板和过滤网，干燥、洁净的压缩空气便从输出管排出。

5.过滤器

空气的过滤是气压传动系统中的重要环节。

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％）。

气流进入筒内，在离心力的作用下分离出液滴，然后气体由下而上通过多片钢板、毛毡、硅胶、焦炭、滤网等过滤吸附材料，干燥清洁的空气从筒顶输出。

普通分水滤气器的工作原理如下：

压缩空气从输人口进入后，被引入旋风叶子，旋风叶子上有很多小缺口，使空气沿切线反向产生强烈的旋转，这样夹杂在气体中的较大水滴、油滴、灰尘（主要是水滴）便获得较大的离心力，并高速与水杯内壁碰撞，而从气体中分离出来，沉淀于存水杯中，然后气体通过中间的滤芯，部分灰尘、雾状水被拦截而滤去，洁净的空气便从输出口输出。

挡水板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。

存水杯由透明材料制成，便于观察工作情况、污水情况和滤芯污染情况。

滤芯目前采用铜粒烧结而成。

发现油泥过多，可采用酒精清洗，干燥后再装上，可继续使用。

但是这种过滤器只能滤除固体和液体杂质，因此，使用时应尽可能装在能使空气中的水分变成液态的部位或防止液体进入的部位，如气动设备的气源人口处。

6.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。

油雾器的工作原理：

当压缩空气由输入口进入后，通过喷嘴下端的小孔进入阀座的腔室内，在截止阀的钢球上下表面形成压差，由于泄漏和弹簧的作用，而使钢球处于中间位置，压缩空气进入存油杯的上腔使油面受压，压力油经吸油管将单向阀的钢球顶起，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内，再滴入喷嘴中，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5μm。

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50μm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。

7.气动三联件

分水滤气器和减压阀、油雾器一起被称为气动三联件，是气动系统不可缺少的辅助元件，安装次序如图3-11所示。

图3-11气动三联件

1-分水滤气器；

2-减压阀；

3-油雾器；

4-压力表

8.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100～120dB，为了降低噪声可以在排气口装消声器。

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。

一般有三种类型：

吸收型消声器、膨胀干涉型消声器和膨胀干涉吸收型消声器。

常用的是吸收型消声器。

消声器的工作原理：

它主要依靠吸音材料消声。

消声罩为多孔的吸音材料，一般用聚苯乙烯或铜珠烧结而成。

当消声器的通径小于20mm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20mm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。

吸收型消声器结构简单，具有良好的消除中、高频噪声的性能。

消声效果大于20dB。

在气压传动系统中，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。

在主要是中、低频噪声的场合，应使用膨胀干涉型消声器。

3.气压执行元件

1．气动执行元件的工作原理和结构形式。

2．气动执行元件的国家标准图形符号。

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。

气缸用于直线往复运动或摆动，气马达用于实现连续回转运动。

3.1气缸

气缸是气动系统的执行元件之一。

除几种特殊气缸外，普通气缸其种类及结构形式与液压缸基本相同。

目前最常选用的是标准气缸，其结构和参数都已系列化、标准化、通用化。

QGA系列为无缓冲普通气缸，QGB系列为有缓冲普通气缸。

3.2气液阻尼缸

普通气缸工作时，由于气体的压缩性，当外部载荷变化较大时，会产生“爬行”或“自走”现象，使气缸的工作不稳定。

为了使气缸运动平稳，普遍采用气液阻尼缸。

气液阻尼缸是由气缸和油缸组合而成，它的工作原理是以压缩空气为能源，并利用油液的不可压缩性和控制油液排量来获得活塞的平稳运动和调节活塞的运动速度。

它将油缸和气缸串联成一个整体，两个活塞固定在一根活塞杆上。

当气缸右端供气时，气缸克服外负载并带动油缸同时向左运动，此时油缸左腔排油、单向阀关闭。

油液只能经节流阀缓慢流人油缸右腔，对整个活塞的运动起阻尼作用。

调节节流阀的阀口大小就能达到调节活塞运动速度的目的。

当压缩空气经换向阀从气缸左腔进人时，油缸右腔排抽，此时因单向阀开启，活塞能快速返回原来位置。

这种气液阻尼缸的结构一般是将双活塞杆缸作为油缸。

因为这样可使油缸两腔的排油量相等，此时油箱内的油液只用来补充因油缸泄漏而减少的油量，一般用油杯就行了。

3.3薄膜式气缸

薄膜式气缸是一种利用压缩空气通过膜片推动活塞杆作往复直线运动的气缸。

它由缸体、膜片、膜盘和活塞杆等主要零件组成。

其功能类似于活塞式气缸，它分单作用式和双作用式两种。

薄膜式气缸的膜片可以做成盘形膜片和平膜片两种形式。

膜片材料为夹织物橡胶、钢片或磷青铜片。

常用的是夹织物橡胶，橡胶的厚度为5～6mm，有时也可用l～3mm。

金属式膜片只用于行程较小的薄膜式气缸中。

薄膜式气缸和活塞式气缸相比较，具有结构简单、紧凑、制造容易、成本低、维修方便、寿命长、泄漏小、效率高等优点。

但是膜片的变形量有限，故其行程短（一般不超过40～50mm），且气缸活塞杆上的输出力随着行程的加大而减小。

3.4冲击气缸

冲击气缸是一种体积小、结构简单、易于制造、耗气功率小但能产生相当大的冲击力的一种特殊气缸。

与普通气缸相比，冲击气缸的结构特点是增加了一个具有一定容积的蓄能腔和喷嘴。

它的工作原理

冲击气缸的整个工作过程可简单地分为三个阶段。

第一个阶段，压缩空气由孔输入冲击缸的下腔，蓄气缸经孔排气，活塞上升并用密封垫封住喷嘴，中盖和活塞间的环形空间经排气孔与大气相通。

第二阶段，压缩空气改由孔进气，输入蓄气缸中，冲击缸下腔经孔排气。

由于活塞上端气压作用在面积较小的喷嘴上，而活塞下端受力面积较大，一般设计成喷嘴面积的9倍，缸下腔的压力虽因排气而下降，但此时活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的作用力。

第三阶段，蓄气缸的压力继续增大，冲击缸下腔的压力继续降低，当蓄气缸内压力高于活塞下腔压力9倍时，活塞开始向下移动，活塞一旦离开喷嘴，蓄气缸内的高压气体迅速充人到活塞与中间盖间的空间，使活塞上端受力面积突然增加9倍，于是活塞将以极大的加速度向下运动，气体的压力能转换成活塞的动能。

在冲程达到一定时，获得最大冲击速度和能量，利用这个能量对工件进行冲击做功，产生很大的冲击力。

3.5气马达

气马达也是气动执行元件的一种。

它的作用相当于电动机或液压马达，即输出力矩，拖动机构作旋转运动。

气马达按结构形式可分为：

叶片式气马达、活塞式气马达和齿轮式气马达等。

最为常见的是活塞式气马达和叶片式气马达。

叶片式气马达制造简单，结构紧凑，但低速运动转矩小，低速性能不好，适用于中、低功率的机械，目前在矿山及风动工具中应用普遍。

活塞式气马达在低速情况下有较大的输出功率，它的低速性能好，适宜于载荷较大和要求低速转矩的机械，如起重机、绞车、绞盘、拉管机等。

1.气马达的工作原理

叶片式气马达的工作原理：

它的主要结构和工作原理与液压叶片马达相似，主要包括一个径向装有3～10个叶片的转子，偏心安装在定子内，转子两侧有前后盖板，叶片在转子的槽内可径向滑动，叶片底部通有压缩空气，转子转动是靠离心力和叶片底部气压将叶片紧压在定子内表面上。

定子内有半圆形的切沟，提供压缩空气及排出废气。

当压缩空气从A口进入定子内，会使叶片带动转子作逆时针旋转，产生转矩。

废气从排气口C排出；

而定子腔内残留气体则从B口排出。

如需改变气马达旋转方向，只需改变进、排气口即可。

径向活塞式马达的原理。

压缩空气经进气口进入分配阀（又称配气阀）后再进入气缸，推动活塞及连杆组件运动，再使曲柄旋转。

曲柄旋转的同时，带动固定在曲轴上的分配阀同步转动，使压缩空气随着分配阀角度位置的改变而进入不同的缸内，依次推动各个活塞运动，由各活塞及连杆带动曲轴连续运转。

与此同时，与进气缸相对应的气缸则处于排气状态。

薄膜式气马达的工作原理。

它实际上是一个薄膜式气缸，当它作往复运动时，通过推杆端部的棘爪使棘轮转动。

2.气马达的特点

气马达的特点及应用范围

形式

转矩

速度

功率

每千瓦耗气量Q（m3/min）

特点及应用范围

叶片式

低转矩

高速度

由零点几千瓦到l.3kW

小型：

1.8～2.3

大型：

1.0～1.4

制造简单，结构紧凑，但低速启动转矩小，低速性能不好，适用于要求低或中功率的机械，如手提工具、复合工具传送带、升降机、泵、拖拉机等。

活塞式

中、高转矩

低速或中速

由零点几千瓦到1.7kW

1.9～2.3

在低速时有较大的功率输出和较好的转矩特性。

启动准确，且启动和停止特性均较叶片式好，适用于载荷较大和要求低速转矩较高的机械，如手提工具、起重机、绞车、绞盘、拉管机等。

薄膜式

高转矩

低速度

小于lkW

1.2～1.4

适用于控制要求很精确、启动转矩极高和速度低的机械。

与液压马达相比，气马达具有以下特点：

（1）工作安全。

可以在易燃易爆场所工作，同时不受高温和振动的影响；

（2）可以长时间满载工作而温升较小；

（3）可以无级调速。

控制进气流量，就能调节马达的转速和功率。

额定转速以每分钟几十转到几十万转；

（4）具有较高的启动力矩。

可以直接带负载运动；

（5）结构简单，操纵方便，维护容易，成本低；

（6）输出功率相对较小，最大只有20kW左右；

（7）耗气量大，效率低，噪声大。

4.气压控制阀

通过查阅气压控制阀的相关资料和教师讲解，学习并分析以下内容：

1．各类控制阀的功用及工作原理。

2．各类控制阀的主要结构及国家标准图形符号。

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、气马达等）按设计的程序正常地进行工作。

4.1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，储存在贮气罐内，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）将其压力调整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。

有些气动回路需要依靠回路中压力的变化来实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。

顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。

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