第11章气压传动 气压传动是风动技术与液压技术演变、发展而来。气压传动是以 压缩空气作为工作介质传递运动和动力。由于气压传动的动力传递介 质是取之不尽的空气,所以污染小,因此在自动化领域中具有广阔的 发展前景。气压传动广泛应用于纺织、机械、汽车、电子、军事、钢 铁、化工、食品、包裝等行业中。随着原子能、空间技术、计算机技 术等的发展,气压传动技术必将更加广泛地应用于各个工业领域。 111气压传动的基本知识 112气压传动元件 113气压传动实例
第11章 气压传动 气压传动是风动技术与液压技术演变、发展而来。气压传动是以 压缩空气作为工作介质传递运动和动力。由于气压传动的动力传递介 质是取之不尽的空气，所以污染小，因此在自动化领域中具有广阔的 发展前景。气压传动广泛应用于纺织、机械、汽车、电子、军事、钢 铁、化工、食品、包装等行业中。随着原子能、空间技术、计算机技 术等的发展，气压传动技术必将更加广泛地应用于各个工业领域。 11.1 气压传动的基本知识 11.2 气压传动元件 11.3 气压传动实例
11.11气压传动的工作原理 图11.1为气动剪切机的气动系统工作原理图。 图示位置为工料被剪前,即非工作位置。当工料5 由上料装置送入剪切机并到达规定位置时,行程阀 8的顶杆受压使阀内通路打开,气控换向阀7的控 ⑦h 制腔便与大气相通,阀芯受弹单簧力作用而下栘,由 空气压缩机4产生并经过初次净化处理后储藏在储 气罐1中的压缩空气,经分水滤气器11、减压阀10 和油雾气9及气控换向阀7,进入气缸6的下腔;汽 缸上腔的压缩空气通过气控换向阀7排入大气。此 时,气缸6活塞向上运动,带动剪刀将工料5切断。 当工料剪下后,随之与行程阀8脱开,行程阀在弹 簧作用下复位,阀芯封住排气通道,气控换向阀7 )坡构原虚图 的控制腔C中的气压升高,使阀芯上移,B口与P口 相通,A口与O相通,气路变换。此时压缩空气便 计高需9米钟 气压传动工作原埋是利用空气压缩机把电 动机或其他原动机输出的机械能转换为空气的压力 b)图形符号 能,然后在控制元件的控制下,通过执行元件把压1τ:2-油水分3一盾特组器,4气压机,5-工料。6一 力能转换为直线动或回转运动形式的机械旄,从 7一气控换向阔:8—行摆阙;9一油尋;10一压阙 检气 而完成各种动作并对外做功 图11.1气动剪切机气动系统工作原图
11.1.1 气压传动的工作原理 图11.1为气动剪切机的气动系统工作原理图。 图示位置为工料被剪前，即非工作位置。当工料5 由上料装置送入剪切机并到达规定位置时，行程阀 8的顶杆受压使阀内通路打开，气控换向阀7的控 制腔便与大气相通，阀芯受弹簧力作用而下移，由 空气压缩机4产生并经过初次净化处理后储藏在储 气罐1中的压缩空气，经分水滤气器11、减压阀10 和油雾气9及气控换向阀7，进入气缸6的下腔；汽 缸上腔的压缩空气通过气控换向阀7排入大气。此 时，气缸6活塞向上运动，带动剪刀将工料5切断。 当工料剪下后，随之与行程阀8脱开，行程阀在弹 簧作用下复位，阀芯封住排气通道，气控换向阀7 的控制腔C中的气压升高，使阀芯上移，B口与P口 相通，A口与O相通，气路变换。此时压缩空气便 进入气缸6的上腔，而下腔空气则通过气控控制阀 7上的A从O口排气，活塞下移，带动剪刀复位准 备第二次剪切工料。 气压传动工作原理是利用空气压缩机把电 动机或其他原动机输出的机械能转换为空气的压力 能，然后在控制元件的控制下，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
11.1.2气压传动的组成 图111为典型气压传动系统图。与液压传动系统相似,也是由四 部分组成。 (1)气源装置:是将原动机的机械能转变为气体的压力能。包括空 气压缩机。 2)执行元件:是将气体的压力能转变为机械能。包括各种气缸和 气马达等 (3)控制元件:用以控制系统中空气的压力、流量和流动方向以及 执行元件的工作程序,以便使执行机构完成预定的动作。包括各种压 力、流量、方向控制阀等。 (4)辅助元件:保证气压系统正常工作所必需的部分。包括油水分 离器、干燥器、过滤器等气源净化装置以及贮气罐、消声器、油雾器、 管网、压力表及管件等。 为了使气压传动系统能正常可靠地工作,其系统中分水滤气器 减压阀、油雾器是不可省略的,否则会造成系统气压不稳、积水、各 元件锈蚀、动作不可靠等现象。上述三元件合称气动三大件
11.1.2 气压传动的组成 图11.1为典型气压传动系统图。与液压传动系统相似，也是由四 部分组成。 (1)气源装置：是将原动机的机械能转变为气体的压力能。包括空 气压缩机。 (2)执行元件：是将气体的压力能转变为机械能。包括各种气缸和 气马达等。 (3)控制元件：用以控制系统中空气的压力、流量和流动方向以及 执行元件的工作程序，以便使执行机构完成预定的动作。包括各种压 力、流量、方向控制阀等。 (4)辅助元件：保证气压系统正常工作所必需的部分。包括油水分 离器、干燥器、过滤器等气源净化装置以及贮气罐、消声器、油雾器、 管网、压力表及管件等。 为了使气压传动系统能正常可靠地工作，其系统中分水滤气器、 减压阀、油雾器是不可省略的，否则会造成系统气压不稳、积水、各 元件锈蚀、动作不可靠等现象。上述三元件合称气动三大件
11.1.3气压传动的特点 气压传动与液压传动相比,有以下优点 (1)以空气作介质,介质清洁,易得,费用低,维护处理方便,管道不易堵 塞 2)空气粘度很小(约为油的万分之一),管道压力损失小,易集中供应和 远距离输送; (3)气压传动动作迅速,一般只需002~0.3秒就可以达到所需的压力和速 度 (4)压缩空气的工作压力较低,一般为04~0.8MPa。故可降低对气动元件 的加工精度等的要求,易制造,成本低,所以气动元件大都已标准化和系统化, 易购买 (5)空气的性质受温度的影响小,髙温下不会燃烧和爆炸,使用安全,温度 变化时,其粘度变化极小,不会影响传动性能 气压传动与液压传动相比,有以下缺点 (1)由于空气的工作压力低,在输出力相同情况下,装置结构尺寸大,因此 气动装置的总推力不宜过大(一般不大于10~90KN 2)由于空气的可压缩性,气动装置的动作稳定性差,当外载荷变化时,对 速度影响更大; (3)气动装置的噪声较大,特别是在排气时
11.1.3 气压传动的特点 气压传动与液压传动相比，有以下优点： (1)以空气作介质，介质清洁，易得，费用低，维护处理方便，管道不易堵 塞； (2)空气粘度很小（约为油的万分之一），管道压力损失小，易集中供应和 远距离输送； (3)气压传动动作迅速，一般只需0.02～0.3秒就可以达到所需的压力和速 度； (4)压缩空气的工作压力较低，一般为0.4～0.8MPa。故可降低对气动元件 的加工精度等的要求，易制造，成本低，所以气动元件大都已标准化和系统化， 易购买； (5)空气的性质受温度的影响小，高温下不会燃烧和爆炸，使用安全，温度 变化时，其粘度变化极小，不会影响传动性能。 气压传动与液压传动相比，有以下缺点： (1)由于空气的工作压力低，在输出力相同情况下，装置结构尺寸大，因此 气动装置的总推力不宜过大（一般不大于10～90KN）； (2)由于空气的可压缩性，气动装置的动作稳定性差，当外载荷变化时，对 速度影响更大； (3)气动装置的噪声较大，特别是在排气时
11.21空气压缩机 空气压缩机是将原动机提供的机械能转变为气体压力能的装置,它属于动力元件 1.空气压缩机的分类 空气压缩机的种类很多,按工作原理不同可分为动力式和容积式。常用的是容积式,它 是利用运动部件的位移来改变密封工作容积大小,以不断吸入和排岀空气,以获得压缩空气 2.容积式空气压缩机的工作原理 图112a所示为单缸活塞式空气压缩机的工作原理简图。图中曲柄5作回转运动,通过 连杆4,活塞3,带动气缸活塞3作上、下移动,活塞3顶面与缸体6组成密封容积A。 当活塞3向下移动时,密封容积A逐渐增大形成 局部真空,完成吸气。当活塞3向上移动时,密 封容积A逐斩减小,A腔内空气受到挤压,产生 压力,当压力升高到一定值时,克服排气阀殚弹单 簧力和排气管压力作用,推开排气阀7,将压缩 。空气经排气管压入系统中,完成排气。这样曲柄 5通过连杆4不断驱动活塞3上、下往复移动,使 密封容积A不断增大或减小,完成吸气和排气, 获得压缩空气。图11.2b为图形符号 汽车气制动系统常用上述空气压缩机。按缸数 b图形符号 可分为单缸式和双缸式两种。如:解放CA15型-变被品2-气阙3一活嘉;4连杆:5一柄,6-航件:7一排阙 汽车采用双缸风冷活塞式空气压缩机;东风 EQ1090型汽车采用单缸风冷活塞式空气压缩机 A一密封工作容积;D一进气室;E一出气寞 图11.2飢活塞式变气压角机示意图
11.2.1 空气压缩机 空气压缩机是将原动机提供的机械能转变为气体压力能的装置，它属于动力元件。 1．空气压缩机的分类 空气压缩机的种类很多，按工作原理不同可分为动力式和容积式。常用的是容积式，它 是利用运动部件的位移来改变密封工作容积大小，以不断吸入和排出空气，以获得压缩空气。 2．容积式空气压缩机的工作原理 图11.2a所示为单缸活塞式空气压缩机的工作原理简图。图中曲柄5作回转运动，通过 连杆4，活塞3，带动气缸活塞3作上、下移动，活塞3顶面与缸体6组成密封容积A。 当活塞3向下移动时，密封容积A逐渐增大形成 局部真空，完成吸气。当活塞3向上移动时，密 封容积A逐渐减小，A腔内空气受到挤压，产生 压力，当压力升高到一定值时，克服排气阀7弹 簧力和排气管压力作用，推开排气阀7，将压缩 空气经排气管压入系统中，完成排气。这样曲柄 5通过连杆4不断驱动活塞3上、下往复移动，使 密封容积A不断增大或减小，完成吸气和排气， 获得压缩空气。图11.2b为图形符号。 汽车气制动系统常用上述空气压缩机。按缸数 可分为单缸式和双缸式两种。如：解放CA 15型 汽车采用双缸风冷活塞式空气压缩机；东风 EQ1090型汽车采用单缸风冷活塞式空气压缩机
11.2.2液压油的特性及选用 气缸是将压缩空气的压力能转换为机械能并驱动工作机构作往复运动或摆动的装置,为执 行元件 1.气缸的分类 按压缩空气对活塞端面的作用方向不同,气缸可分为单作用式和双作用式;按结构不同, 可分为活塞式、叶片式膜片式和气液阻尼式;按有无缓冲装置,可分为缓冲式和无缓冲式气 2.膜片式气缸工作过程实例分析 如图11.3a所示为膜片式气缸的结构简图,汽车上的制动气缸常采用膜片式气缸,来控制制 ●动机构的动作,它是由缸体6、膜片3、顶盘4、复位弹5和推杆8等零件组成。 盖与缸体用螺栓连接,中间用带织物的橡晈膜片。该 缸主要靠压缩空气作用在膜片上,推动推杄来控制 压缩空气自储气罐经制动控制阀通过气缸通气口充入 缸工作腔即膜片3与盖2之间密封腔,使膜片3右 拱曲,使推杆8右移,带动制动器内制动凸轮转动, 张开制动蹄实现制动作用。当松开制动踏板时 工作腔中压缩空气,自通口1经制动控制阀的排气口 通入大气,膜片与推杄在复位弹簧5作用下复位,收 拢制动蹄解除制动作用。图11.3b为图形符号 形符号 上述膜片式气缸属单作用式气缸,该气缸的特点是 1一通气口;2一盖;3一片;4一顶盘;5一复位婵:6—纬;7一固定曝孔 结构紧凑、制造方便、泄漏少、成本低、寿命长、效 8—杆;9一连耱又;10—固定栓 率高但推杄行程短。适于短行程场合,解放CA1092 把和东风EQ1092型汽车制动系采用这种 图11.3联片式气链构图
11.2.2 液压油的特性及选用 气缸是将压缩空气的压力能转换为机械能并驱动工作机构作往复运动或摆动的装置，为执 行元件。 1．气缸的分类 按压缩空气对活塞端面的作用方向不同，气缸可分为单作用式和双作用式；按结构不同， 可分为活塞式、叶片式、膜片式和气液阻尼式；按有无缓冲装置，可分为缓冲式和无缓冲式气 缸。 2．膜片式气缸工作过程实例分析 如图11.3a所示为膜片式气缸的结构简图，汽车上的制动气缸常采用膜片式气缸，来控制制 动机构的动作，它是由缸体6、膜片3、顶盘4、复位弹簧5和推杆8等零件组成。 盖与缸体用螺栓连接，中间用带织物的橡胶膜片。该 缸主要靠压缩空气作用在膜片上，推动推杆来控制制 动器起制动作用。工作过程为：当踩下制动踏板时， 压缩空气自储气罐经制动控制阀通过气缸通气口充入 气缸工作腔即膜片3与盖2之间密封腔，使膜片3向右 拱曲，使推杆8右移，带动制动器内制动凸轮转动， 张开制动蹄实现制动作用。当松开制动踏板时，气缸 工作腔中压缩空气，自通口1经制动控制阀的排气口 通入大气，膜片与推杆在复位弹簧5作用下复位，收 拢制动蹄解除制动作用。图11.3b为图形符号。 上述膜片式气缸属单作用式气缸，该气缸的特点是 结构紧凑、制造方便、泄漏少、成本低、寿命长、效 率高但推杆行程短。适于短行程场合，解放CA1092 型和东风EQ1092型汽车制动系采用这种气缸
11.2.3气动控制阀 气压传动控制阀与液压传动控制阀类似, 也可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制 阀三大类。 1.压力控制阀 压力控制阀是用来调节、控制系统中压缩 空气的压力和依靠气体压力来控制执行元件顺 序动作。根据功能不同可分为减压阀、顺序阀 和安全阀。 (1)减压阀在气动传动系统中,一个空压 站输出的压缩空气往往要供给多台气动设备使 输入 用,因此它所提供的压缩空气压力应高于每台 设备所需的最高压力。调压阀的作用是将较高 的输入压力调整到符合设备使用要求压力并输 出,且保持输出压力的稳定。由于输出压力必 ●然小于输入压力,所以调压阀也常被称为减压1-释椭2.3一调压棒40,5片,5杆,7一舰 阀。如图1.4所示为QTY型减压阀结构图,它 8一阙疾 是属于直控式调压阀,靠膜片上端的两弹簧控 图11.4qⅣY诫压阔 制输出压力,此阀不但能调压,还能输出压力。 具体过程不再细述
11.2.3 气动控制阀 气压传动控制阀与液压传动控制阀类似， 也可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制 阀三大类。 1．压力控制阀 压力控制阀是用来调节、控制系统中压缩 空气的压力和依靠气体压力来控制执行元件顺 序动作。根据功能不同可分为减压阀、顺序阀 和安全阀。 (1)减压阀 在气动传动系统中，一个空压 站输出的压缩空气往往要供给多台气动设备使 用，因此它所提供的压缩空气压力应高于每台 设备所需的最高压力。调压阀的作用是将较高 的输入压力调整到符合设备使用要求压力并输 出，且保持输出压力的稳定。由于输出压力必 然小于输入压力，所以调压阀也常被称为减压 阀。如图11.4所示为QTY型减压阀结构图，它 是属于直控式调压阀，靠膜片上端的两弹簧控 制输出压力，此阀不但能调压，还能输出压力。 具体过程不再细述
112.3气动控制阀 (2)顺序阀顺序阀的工作原理与作用和液压同类阀相似。通过顺序阀,用气路本身 的压力来控制两个或两个以上的气动执行元件的顺序动作。通常顺序阀和单向阀并联使用 称单向顺序阀,其结构原理图如图11.5乐示,孔A与气源相接,当气压上升到某一调定值时 向上顶开顺序阀阀芯1,压缩空气经孔B进入气缸。当压缩空气反向流动时,顶开单向阀的钢 球2.快谏排气、拧动阀卜部的螺帽,就可调节打开顺序阀的压力大小。 节口;2一消商套 图11.7锋气节流 1一顺序陋芯;2一单自间的钢球 图11.6直动式亥全阀 图11.5雄向颗阀 (3)安全阀安全阀的作用是防止气动装置因气压过高而发生破裂等故障。有直动式和先导式 两种。图11.6为直动式安全阀的结构原理图。 2.流量控制阀 气压传动系统中的流量控制阀是通过改变阀的通流面积来控制空气流量的大小,以改变气缸 工作时的运动速度、换向速度和气动信号的传递速度的元件。常用的有节流阀、单向节流阀、 排气节流阀等。由于它们的工作原理与液压阀中同类阀相似,故在此不再重复。下面只介绍排 气节流阀。图11.7为排气节流阀的工作原瑯图,气流从O口进入阀内,由节流口1节流后经由消 声材料制成的消声套2排出。由于其结构简单安装方便、故应用日益厂
11.2.3 气动控制阀 （2）顺序阀 顺序阀的工作原理与作用和液压同类阀相似。通过顺序阀，用气路本身 的压力来控制两个或两个以上的气动执行元件的顺序动作。通常顺序阀和单向阀并联使用， 称单向顺序阀，其结构原理图如图11.5所示，孔A与气源相接，当气压上升到某一调定值时， 向上顶开顺序阀阀芯1，压缩空气经孔B进入气缸。当压缩空气反向流动时，顶开单向阀的钢 球2，快速排气。拧动阀上部的螺帽，就可调节打开顺序阀的压力大小。 (3)安全阀 安全阀的作用是防止气动装置因气压过高而发生破裂等故障。有直动式和先导式 两种。图11.6为直动式安全阀的结构原理图。 2．流量控制阀 气压传动系统中的流量控制阀是通过改变阀的通流面积来控制空气流量的大小，以改变气缸 工作时的运动速度、换向速度和气动信号的传递速度的元件。常用的有节流阀、单向节流阀、 排气节流阀等。由于它们的工作原理与液压阀中同类阀相似，故在此不再重复。下面只介绍排 气节流阀。图11.7为排气节流阀的工作原理图，气流从O口进入阀内，由节流口1节流后经由消 声材料制成的消声套2排出。由于其结构简单、安装方便、故应用日益广泛
112.3气动控制阀 3.方向控制 气压传动系统中,方向控制阀是通过改变压缩空气的流动方向和气流的通或断,来控制执 行件的动方向动像址它结均与作度理和压传力回类类:酸有单向哩 (1)单向阀如图118所示为单向阀的结构图。当气流由P口向A口流动时,作用在阀芯2上 作用下南陶关,如,伊口与A口个反同时,间在的和单 阏汴;z一阏芯;3一阏 13 图11,8单向阳 图11.9盘式电除换向阴 ()电磁换向阀电磁换向阀是利用电磁线圈通电时,静铁芯对动铁芯产生的电磁吸力,使 阀芯改变位置实现换向的,简称电磁阀。有直动式和先导式两种。其中直动式的主阀阀芯的 换向是由电磁铁直接推动的。先导式的主阀阀芯换向是由电磁先导阀控制的压缩空气来推动 故可称为电磁先导式。如图11.9所示为二位三通盘式双线圈电磁换向阀的结构图
11.2.3 气动控制阀 3．方向控制阀 气压传动系统中，方向控制阀是通过改变压缩空气的流动方向和气流的通或断，来控制执 行元件的运动方向、起动或停止。它的结构与工作原理和液压传动同类阀类似，一般有单向型 和换向型两类。换向型有电磁换向阀、气控换向阀等，下面主要介绍单向阀和电磁换向阀。 (1)单向阀 如图11.8所示为单向阀的结构图。当气流由P口向A口流动时，作用在阀芯2上 的气体压力克服弹簧力将阀打开，使P口与A口相通。当气流反向流动时，阀在A腔的气压和弹 簧作用下将阀关闭，如图示位置。 (2)电磁换向阀 电磁换向阀是利用电磁线圈通电时，静铁芯对动铁芯产生的电磁吸力，使 阀芯改变位置实现换向的，简称电磁阀。有直动式和先导式两种。其中直动式的主阀阀芯的 换向是由电磁铁直接推动的。先导式的主阀阀芯换向是由电磁先导阀控制的压缩空气来推动， 故可称为电磁先导式。如图11.9所示为二位三通盘式双线圈电磁换向阀的结构图
112.4气动辅件 气动辅助元件的作用是进行空气的净化、气动元件的润滑、消除排气噪声、气路连接等,以保 证气动系统正常工作。 气动辅助元件主要有空气过滤器、储气罐、油雾器和消声器等装置 1.空气过滤器 空气进入气动系统前必须经过空气过滤器,空气过滤器的作用是进一步过滤压缩空气中的杂质。 它的过滤原理是根据固体物质和空气分子大小和质量不同,利用惯性、阻隔和吸附的方法将灰尘 和杂质与空气分离。空气过滤器常用的形式有两种,一种是油水分离器,另种是分水过滤器。 前者用于次分离,后者用于两次分离。下面介绍一下分水过滤器 图1110际示为QSL型分水过滤器结构图。压缩空气从输入口进入后,被引入旋风叶子1、旋风 叶子上有许多成定角度的小缺口,迫使气流产生强烈旋转,旋转产生的离心力将气体中夹杂的 较大水滴、油滴和灰尘等由于自身惯性的作用与滤杯3内壁髙速碰槿鐘,从空气中分离岀来流至杯底 沉积,而微粒灰尘和雾状水汽则由滤芯2滤除。净化的有压 气体经过滤后从输出口排出。挡水板4的作用是防止气流旋 涡将水杯中积存的污水卷起,污水可通过放水阀5放掉。在 某些人工排水不方便的场合可采用自动排水式空气过器 分水 滤面积大 的优点,故应用较广泛。 1一能风叶干;2一芯;3一水杆;4一挡水板;5一放水阔 图11.10QL型分水过崎器
11.2.4 气动辅件 气动辅助元件的作用是进行空气的净化、气动元件的润滑、消除排气噪声、气路连接等，以保 证气动系统正常工作。 气动辅助元件主要有空气过滤器、储气罐、油雾器和消声器等装置。 1．空气过滤器 空气进入气动系统前必须经过空气过滤器，空气过滤器的作用是进一步过滤压缩空气中的杂质。 它的过滤原理是根据固体物质和空气分子大小和质量不同，利用惯性、阻隔和吸附的方法将灰尘 和杂质与空气分离。空气过滤器常用的形式有两种，一种是油水分离器，另一种是分水过滤器。 前者用于一次分离，后者用于两次分离。下面介绍一下分水过滤器。 图11.10所示为QSL型分水过滤器结构图。压缩空气从输入口进入后，被引入旋风叶子1、旋风 叶子上有许多成一定角度的小缺口，迫使气流产生强烈旋转，旋转产生的离心力将气体中夹杂的 较大水滴、油滴和灰尘等由于自身惯性的作用与滤杯3内壁高速碰撞，从空气中分离出来流至杯底 沉积，而微粒灰尘和雾状水汽则由滤芯2滤除。净化的有压 气体经过滤后从输出口排出。挡水板4的作用是防止气流旋 涡将水杯中积存的污水卷起，污水可通过放水阀5放掉。在 某些人工排水不方便的场合，可采用自动排水式空气过滤器。 分水过滤器具有过滤效率较高，过滤面积大，压力损失小 的优点，故应用较广泛