气动系统设计的主要内容及设计程序.docx
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气动系统设计的主要内容及设计程序
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气动系统设计的主要内容及设计程序
3.1明确工作要求
1）运动和操作力的要求 如主机的动作顺序、动作时间、运动速度及其可调范围、运动的平稳性、定位精度、操作力及联锁和自动化程序等。
2）工作环境条件如温度、防尘、防爆、防腐蚀要求及工作场地的空间等情况必须调查清楚。
3）和机、电、液控制相配合的情况，及对气动系统的要求。
3.2设计气控回路
1）列出气动执行元件的工作程序图。
2）画信号动作状态线图或卡诺图、扩大卡诺图，也可直接写出逻辑函数表达式。
3）画逻辑原理图。
4）画回路原理图。
5）为得到最佳的气控回路，设计时可根据逻辑原理图，做出几种方案进行比较，如对气控制、电-气控制、逻辑元件等控制方案进行合理的选定。
3.3选择、设计执行元件
其中包括确定气缸或气马达的类型、气缸的安装形式及气缸的具体结构尺寸（如缸径、活塞杆直径、缸壁厚）和行程长度、密封形式、耗气量等。
设计中要优先考虑选用标准缸的参数。
3.4选择控制元件
1）确定控制元件类型，要根据表42.6-13进行比较而定。
表42.6-13 几种气控元件选用比较表
电磁气阀控制
气控气阀控制
气控逻辑元件控制
安全可靠性
较好（交流的易烧线圈）
较好
较好
恶劣环境适应性（易燃、易爆、潮湿等）
较差
较好
较好
气源净化要求
一般
一般
一般
远距离控制性，速度传递
好，快
一般，＞0几毫秒
一般，几毫秒～0几毫秒
控制元件体积
一般
大
较小
元件无功耗气量
很小
很小
小
元件带负载能力
高
高
较高
价格
稍贵
一般
便宜
2）确定控制元件的通径，一般控制阀的通径可按阀的工作压力与最大流量确定。
由表42.6-14初步确定阀的通径，但应使所选的阀通径尽量一致，以便于配管。
至于逻辑元件的类型选定后，它们的通径也就定了（逻辑元件通径常为ф3mm，个别为ф1mm）。
对于减压阀或定值器的选择还必须考虑压力调节范围而确定其不同的规格。
3.5选择气动辅件
1）分水滤气器其类型主要根据过滤精度要求而定。
一般气动回路、截止阀及操纵气缸等要求过滤精度≤50～75μm，操纵气马达等有相对运动的情况取过滤精度≤25μm，气控硬配滑阀、射流元件、精密检测的气控回路要求过滤精度≤10μm。
分水滤气器的通径原则上由流量确定（查表42.6-14），并要和减压阀相同。
2）油雾器根据油雾颗径大小和流量来选取。
当与减压阀、分水滤气器串联使用时，三者通径要相一致。
表42.6-14 标准控制阀各通径对应的额定流量①
公称通径/mm
3
Ф6
Ф8
Ф10
Ф15
Ф20
Ф25
Ф32
Ф40
Ф50
q10-3/m3·s-1
0.1944
0.6944
1.3889
1.9444
2.7778
5.5555
8.3333
13.889
19.444
27.778
q/m3·h-1
0.7
2.5
5
7
10
20
30
50
70
100
q/L·min-1
11.66
41.67
83.34
116.67
166.68
213.36
500
833.4
1166.7
1666.8
①额定流量是限制流速在15～25m/s范围所测得阀的流量。
3）消声器可根据工作场合选用不同形式的消声器，其通径大小根据通过的流量而定，可查有关手册。
4）储气罐其理论容积可按《气压传动及控制》教材中介绍的经验公式计算，具体结构、尺寸可查《压缩空气站设计手册》。
3.6确定管道直径、计算压力损失
1）各段管道的直径可根据满足该段流量的要求，同时考虑和前边确定的控制元件通径相一致的原则初步确定。
初步确定管径后，要在验算压力损失后选定管径。
2）压力损失的验算为使执行元件正常工作，气流通过各种元件、辅件到执行元件的总压力损失，必须满足下式
式中
——总压力损失，它包括所有的沿程损失
和所有的局部损失；
[
]——允许压力损失可根据供气情况来定，一般流水线范围约＜0.01MPa，车间范围＜0.05MPa，工厂范围＜0.1MPa。
验算时，车间内可近似取[
]≤0.01～0.1MPa实际计算总压力损失，如系统管道不特别长（一般l＜100m）。
管内的粗糙度不大，在经济流速的条件下，沿程损失
比局部损失
小得多，则沿程损失
可以不单独计入，只须将总压力损失值的安全系数K△p稍予加大就行了。
局部损失
中包含的流经弯头、断面突然放大、收缩等的损失
，往往又比气流通过气动元件、辅件的压力损失
小得多。
因此对不做严格计算的系统，式（42.6-5）可简化为
式中
——流经元、辅件的总压力损失可通过表42.6-15查出；K△p——压力损失简化修正系数，K△p=1.05～1.3，对于管道较长，管道截面变化较复杂的情况可取大值。
如果验算的总压力损失
≤[
]，则上边初步选定的管径可定为所需要的管径。
如果总压力损失
＞[
]，必须加大管径或改进管道的布置，以降低总压力损失，直到
＜[
]为止，初选的管径即为最后确定的管径。
表42.6-15通过气动元、辅件的压力损失
（MPa）
元件名称
公称通径/mm
φ3
φ6
φ8
φ0
φ5
φ20
φ25
φ32
φ40
φ50
额定流量下压力损失≤
方向阀
换向阀
截止阀
0.025
0.022
0.015
0.01
0.009
滑阀
0.025
0.022
0.015
0.01
0.009
单向型控制阀
单向阀、梭阀、双压阀
0.025
0.022
0.02
0.015
0.012
0.01
0.009
0.008
快排阀→A
0.022
0.02
0.012
0.01
0.009
0.008
脉冲阀、延时阀
0.025
流量阀
节流阀
0.025
0.022
0.02
0.015
0.012
0.01
0.009
0.008
单向节流阀P→A
0.025
0.02
消声节流阀
0.02
0.012
0.01
0.009
压力阀
单向压力顺序阀
0.025
0.022
0.02
0.015
0.012
辅件
分水滤气器过滤精度
/μm
25
0.015
0.025
75
0.01
0.02
油雾器
0.015
消声器
0.022
0.02
0.012
0.01
0.009
0.008
0.007
注：
其它元、辅件可通过实验或按上表各件压力损失类比选定。
3.7选择空压机
3.7.1计算空压机的供气量Qj，以选择空压机的额定排气量
Qj可由下式算得
式中ψ——利用系数；
K1——漏损系数，K1=1.15～1.5；
K2——备用系数，K2=1.3～1.6；
QZ——一台设备在一个周期内的平均用气量（自由空气量）m3/s；
n——用气设备台数。
3.7.2计算空压机的供气压力pg，以选择空压机的排气压力
pg=p+ΣΔp
式中 p——用气设备使用的额定压力（表压）（MPa）；
ΣΔp——气动系统的总压力损失。
例10设计某厂鼓风炉钟罩式加料装置气动系统。
加料机构如图42.6-29所示。
图42.6-29a中，ZA、ZB分别为鼓风炉上、下部两个料钟（顶料钟、底料钟），WA、WB分别为顶、底料钟的配重，料钟平时均处于关闭状态。
图中A与B分别为操纵顶、底两个料钟开、闭的气缸。
图42.6-29 鼓风炉加料装置气动机构示意图
a）剖视图；b）外形示意图解：
（1）工作要求及环境条件
1）工作要求具有自动与手动加料两种方式。
自动加料：
加料时，吊车把物料运来，顶钟ZA开启卸料于两钟之间；然后延时发信号，使顶钟关闭；底钟打开，卸料到炉内，再延时（卸完料）关闭底钟，循环结束。
顶、底料钟开闭动作必须联锁，可全部关闭但不许同时打开。
2）运动要求料钟开或闭一次的时间t2≤6s，缸行程s均为600mm。
所以气缸活塞杆平均速度
要求行程末端平缓些。
3）动力要求顶部料钟的操作力（打开料钟的气缸推力）为FZA≥5.10kN；底部料钟开启作用力为FZB≥24kN。
4）工作环境环境温度30～40℃，灰尘较多。
（2）回路设计
1）列出气动执行元件的工作程序
2）画信号动作状态线图（图42.6-30）
3）画逻辑原理图（图42.6-31）
4）画回路原理图（图42.6-32）
回路图中YA1和YA2为延时换向阀（常断延时通型），由该阀延时经主控阀QFA、QFB放大去控制缸A1和缸B0状态。
料钟的关闭靠自重。
（3）选择执行元件
1）确定执行元件类型根据料钟开闭（升降）行程较小，炉体结构限制（料钟中心线上下方不宜安装气缸）及安全性要求（机械支力有故障时，两料钟处于封闭状态），故采用重力封闭方案，如图42.6-9所示。
同时，在炉体外部配上使料钟开启（即配重抬起）的传动装置，由于行程小，故采用摆块机构，即相应地采用尾部铰接式气缸做执行元件。
考虑料钟的开启动作是：
开启靠气动，关闭靠配重，所以选用单作用缸。
又考虑开闭平稳，可采用缓冲型的气缸。
因此，初步选择执行元件为两台标准缓冲型、尾部铰接式气缸。
图42.6-30 信号－动作状态线图
图42.6-31 气控逻辑原理图
2）主要参数尺寸 气缸内径D 顶部料钟气缸，其内径由下式计算，即
式中 工作推力F1=FZA=5.1×103N，当υ≤0.2m/s时，η=0.8，p=0.4MPa则
查有关手册，取标准缸径DA=160mm，行程s=600mm。
底钟气缸，由于炉体总体布置限制，气缸的操作力为拉力，由下式计算，即
考虑缸径较大，取上式前边的系数为1.03，且当υ≤0.2m/s时η=0.8，F2=2.4×104N，p=4×105Pa则
查手册，也选择冶金用气缸，取标准缸径DB=320mm，行程s=600mm。
综上，取顶钟气缸A为：
气缸JB160×600；取底钟气缸B为：
气缸JB320×600，活塞杆直径d=90mm。
3）耗气量计算
缸A：
已知缸径DA=160mm，行程s=600mm，全行程需时间t1=6s压缩空气量
缸B：
已知DB=320mm、s=600mm、t2=6s，由于缸B的供气端是有杆腔，所以缸B一个行程的耗气量为
（4）选择控制元件
1）选择类型 根据系统对控制元件工作压力及流量的要求，按照气动回路原理图初选各控制阀如下：
主控换向阀：
QFA、QFB均为JQ23-L型，通径待定；
行程阀：
x0初选为可通过式，其型号为Q23JC4A-L3；
行程阀：
a0、a1、b0初选为杠杆滚轮式，其型号为Q23JC3A-L3；
逻辑阀：
QF1，初选为JQ230631型两位三通双气控阀；
梭阀：
QF2初选为QS-L3型；
手动阀：
S初选为推拉式，其型号为Q23R5-L3；
手动阀：
g初选为按钮式，其型号为Q23R1A-L3。
2）选择主控阀 对A缸主控换向阀QFA的选择：
因A缸要求压力pB=0.4MPa，流量QA=2.09×10-3m3/s，查表42.6-14初选QFA的通径为φ15mm，其额定流量QA=2.778×10-3m3/s。
故初选其型号为Q25Q2C-L15（堵死两个不用的气口）。
对B缸主控换向阀QFB的选择：
因B缸要求压力pB≤0.4MPa流量QB=8.3333×10-3m3/s，故初选其型号为Q25Q2C-L25（堵死两个不用的气口）。
3）选择减压阀根据系统所要求的压力、流量，同时考虑A、B缸因联锁关系不会同时工作的特点，即按其中流量、压力消耗最大的一个缸（B缸）选择减压阀。
由供气压力为0～0.7MPa，额定流量为8.3333×10-3m3/s，选择减压阀订货号为395、291～294。
（5）选择气动辅件
辅件的选择要与减压阀相适应。
分水滤气器：
394、49
油雾器：
396、49
消声器：
配于两主控阀排气口、气缸排气口处，起消声、滤尘作用。
对于A缸及主控阀选FXS2-L15，对于B缸及主控阀选FXS2-L25
（6）确定管道直径、验算压力损失
1）确定管径本例按各管径与气动元件通径相一致的原则，初定各段管径（图42.6-33）。
同时考虑A、B缸不同时工作的特点，按其中用气量最大的B缸主控阀的通径初步确定oe段的管径也是25mm。
而总气源管yo段的管径，考虑为两台炉子同时供气、由流量为供给两台炉子流量之和的关系
可导出：
取标准管径为40mm。
2）验算压力损失 如图42.6-33所示，本例中验算供气管y处到A缸进气口x处的损失（因A缸的管路较细，损失要比B缸管路的大）是否在允许范围内
ΣΔp≤[△p]
图42.6-33 管道的布置示意图
沿程压力损失
①y—o段的沿程压力损失
由式（1-40）
式中 △pl——沿程压力损失；
d——管内径，d=0.04m；
l——管长，l=0.6m；
υ——管中流速，
λ——沿程阻力系数，由雷诺数Re和管壁相对粗糙度
确定。
根据温度30℃，由表42.1-5查得运动粘度υ=1.66×10-5m2/s
根据Re、
查有关手册得λ=0.0265，温度30℃、压力0.4MPa时γ值可由式（42.1-2、42.6-4）算出
②o－e段的沿程压力损失
由
和Re1=2.27×104可查得λ1=0.029
③e-x段沿程压力损失
可查得λ3=0.035
④由y-x的所有沿程损失
局部压力损失
①流经管路中的局部压力损失
Σζ=ζy+ζ0+ζa+ζe+ζƒ+ζg+ζh+ζi+ζj+ζl+ζk+ζx
各局部阻力系数
ζy——入口局部阻力系数ζy=0.5；
ζ0、ζe——分别为三通管局部阻力系数ζ0=2，ζe=1.2；
ζa、ζƒ——流经截止阀处局部阻力系数，ζa=ζƒ=3.1；
ζh、ζi、ζj、ζk——弯头局部阻力系数；分别为ζh=ζi=ζj=0.29，ζk=2×2×0.29=0.58；
ζl——软管处局部阻力系数，近似计算
ζl=2×
=0.16；
ζx——出口局部阻力系数，ζx=1
②流经元、辅件的压力损失流经减压阀的压力损失较小可忽略不计，其余损失：
式中 △pb——流经分水滤气器的压力损失；
△pd——流经油雾器的压力损失；
△pg——流经截止式换向阀的压力损失。
查表42.6-15得△pb=0.02MPa，△pd=0.015MPa，△pg=0.015MPa。
③总局部压力损失
总压力损失
考虑排气口消声器等未计入的压力损失：
则
从
的计算可知，压力损失主要在气动元、辅件上，所以在不要求精确计算的场合，可不细算，只要在安全系数K△p中取较大值就可以了。
执行元件需工作压力p=0.4MPa，压力损失
供气压力为
说明供气压力满足了执行元件需要的工作压力，故以上选择的通径和管径是可以的。
（7）空压机的选择
在选择空压机之前，必须算出自由空气量（一个标准大气压状态下的流量）Q′
气缸的理论用气量由下式计算
其中 QZ——一台用气设备上的气缸总用气量；
n——用气设备台数，本例中考虑左右两台炉子有两组同样的气缸，故n=2；
m——一台设备上的用气执行元件个数，本例中一台炉子上有A和B两个缸用气，故m=2；
α——气缸在一个周期内单程作用次数，本例中，每个气缸一个周期内单程作用一次α=1；
Qz——一台设备中某一气缸在一个周期内的平均用气量，本例中Q′A=9.95×10-3×10-3m3/s，Q′B=3.68×10-2m3/s；
t——某个气缸一个单行程的时间，本例中tA=tB=6s；
T——某设备的一次工作循环时间，本例中T=2tA+2tB=24s。
若考虑左右两台炉子的气缸都由一台空压机供气，则气缸的理论用气量
取设备利用系数φ=0.95；漏损系数K1=1.2；备用系数K2=1.4。
则两台炉子气缸的理论用气量；
如无气源系统而需单独供气时，可按供气压力≥0.5MPa，流量Qj=2.08m3/min，查有关手册选用4S-2.4/7型空压机，该空压机的额定排气压力为0.7MPa，额定排气量为2.4m3/min（自由空气量）。
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