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欢 迎 使 用 液压与气压传动 多媒体授课系统,燕 山 大 学液压与气压传动课程组内容编辑：李久彤 姚春东 设计制作：姚春东,11 气压传动,11.1 气压传动概述11.2 气源装置及辅件11.3 气动执行元件11.4 气动控制元件11.5 气动回路举例,11.1 气压传动概述,气压传动与控制简称“气动技术”，它是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质进行能量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动化作业的重要手段之一。气压传动是以气体为介质，在密闭容器里进行能量的传递。,11.1.1 气动技术的应用及发展现状,11.1.1.1 气动技术的应用现状 人们利用空气的能量完成各种工作的历史可以追溯到远古时代，但作为气动技术应用的雏形，大约开始于1776年发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。1880年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功的应用到火车的制动上。本世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。进入70年代，随着工业机械化和自动化的发展，气动技术才广泛地应用在生产自动化的各个领域，形成现代气动技术。,(1)汽车制造工业现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，几乎无一例外地采用了气动技术。如车身在每个工序的移动、车身外壳被真空吸盘吸起和放下、在指定工位的夹紧和定位、点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气缸及相应的气动控制系统。高频的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动技术应用之一。另外，搬运装置中使用的高速气缸（最大速度达3m/s）、复合控制阀的比例控制技术都代表了当今气动技术的新发展。,(2)电子、半导体制造行业在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻吸住，运送到指定位置上。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。,(3)生产自动化的实现60年代，气动技术主要用于比较繁重的作业领域作为辅助传动。在缝纫机、手表、自行车、洗衣机、自动和半自动机床等许多行业的零件加工和组装生产线上，工件的搬运、转位、定位、夹紧、进给、装卸、装配、清洗、检测等许多工序中都使用气动技术。(4)包装自动化的实现气动技术还广泛应用于化肥、化工、粮食、食品、药品等许多行业，实现粉状、粒状、块状物料的自动计量包装，用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序，用于对粘稠液体（如油漆、化装品、牙膏等）和有毒气体的自动计量灌装。,近20多年来，气动行业发展很快。70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，20多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达5:4，甚至接近5:5。由于气动元件的单价比液压元件便宜，在相同产值的情况下，气动元件的使用量及使用范围已远远超过了液压行业。作为气动行业的知名企业，有日本的SMC、德国的FESTO、英国的NORGREN和美国的PARKER等。中国改革开放以来，气动行业发展很快。1986年至1993年间，气动元件产值的年递增率达24.2%，高于中国机械工业产值平均年递增率10.5%的水平。1996年全国气动行业的产值约在6 000万美元左右。,11.1.1.2气动技术的发展现状,纵观世界气动行业的发展趋势，气动元件的发展动向可归纳为以下几方面：（1）高质量。气缸寿命可达（2 0005 000）km。（2）高精度。定位精度达（0.05 0.1）mm，过滤精度可达0.01m，除油率可达1 m3标准大气中的油雾在0.1 mg以下。（3）高速度。换向阀频率可达数十Hz，气缸最大速度可达3 m/s。（4）小型化。元件制成超薄、超短、超小型。如缸径2.5 mm的单作用气缸；缸径6 mm的双作用气缸；M3的管接头和内径2 mm的连接管等。,（5）轻量化。元件采用铝合金及塑料等新型材料制造，已出现0.1N重的低功率电磁阀。（6）无给油化。不供油润滑元件组成的系统不污染环境，系统简单，维护也简单，节省润滑油，且摩擦性能稳定，适合食品、医药、电子、纺织、精密仪器、生物工程等行业的需要。（7）复合集成化。减少配线、配管和元件，节省空间，简化拆装，提高工作效率。（8）机电气一体化。典型的是“可编程控制器传感器气动元件”组成的控制系统。,11.1.2 气压传动的组成及工作原理,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，也是由四部分组成的，它们是：,(1)气源装置 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 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。它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等；(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、油雾气、管接头及消声器等。,11.1.3 气压传动的优缺点,气动技术在国外发展很快，在国内也被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性。这主要是因为气压传动与机械、电气、液压传动相比有以下特点。,11.1.3.1 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，用过后可将其随时排入大气中，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，且温度变化时，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0.020.3s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15ms，而气体的流速最小也大于10ms，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，一般需要能源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20004000万次；(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。,11.1.3.2 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1040kN；(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 气压传动与其它传动的性能比较,11.2 气源装置及辅件,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。而用过的压缩空气排向大气时，会产生噪声，应采取措施，降低噪声，改善劳动条件和环境质量。,11.2.1 气源装置,11.2.1.1 对压缩空气的要求(1)要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。因为压缩空气是气动装置的动力源，没有一定的压力不但不能保证执行机构产生足够的推力，甚至连控制机构都难以正确地动作，没有足够的流量，就不能满足对执行机构运动速度和程序的要求等。总之，压缩空气没有一定的压力和流量，气动装置的一切功能均无法实现。,(2)要求压缩空气有一定的清洁度和干燥度。清洁度是指气源中含油量、含灰尘杂质的质量及颗粒大小都要控制在很低范围内。干燥度是指压缩空气中含水量的多少，气动装置要求压缩空气的含水量越低越好。由空气压缩机排出的压缩空气，虽然能满足一定的压力和流量的要求，但不能为气动装置所使用。因为一般气动设备所使用的空气压缩机都是属于工作压力较低(小于1MPa)、用油润滑的活塞式空气压缩机。它从大气中吸入含有水分和灰尘的空气，经压缩后，空气温度均提高到140180，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：,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。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0.20.5mm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。,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。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。,11.2.1.2 压缩空气站的设备组成及布置,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11.1是压缩空气站设备组成及布置示意图。,图11.1 压缩空气站设备组成及布置示意图 l-空气压缩机;2-后冷却器；3-油水分离器;4、7-贮气罐;5-干燥器;6-过滤器,在图11.1中，1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入空气压缩机的杂质量。2为后冷却器，用以降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。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。7为贮气罐。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)。气动三大件的组成及布置由用气设备确定，图中未画出。,(1)空气压缩机的分类及选用原则,分类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，其种类很多，分类形式也有数种。如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。,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10MPa；超高压空气压缩机，排气压力为100MPa。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)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，其工作原理如图11.2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1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。,11.2.2 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。11.2.2.1 气源净化装置 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140170降至4050。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，蛇形管式后冷却器的结构见图11.3。,(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。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。图11.4所示是撞击折回并回转式油水分离器的结构形式。,1-支架；2-隔板；3-输出管；4-进气管；5-栅板；6-放液阀,它的工作原理是：当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。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0.30.5ms。,1-支架；2-隔板；3-输出管；4-进气管；5-栅板；6-放液阀,（3）储 气 罐,储气罐在气动系统中主要作用：是稳定由往复式压风机工作时引起的周期性脉动；是储备一定量的压缩空气，保证在压风机停车后仍能在一定时间内，维持系统所需要的压力和气量，使整个气动系统正常工作。同时压缩空气经储气罐也可进一步分离其中的水份和油份。储气罐一般采用焊接结构，以立式居多。立式储气罐的结构形式如图所示。,(4)、干燥器,经过油水分离器的压缩空气仍含有一定量的水分和油气等杂质，为了进一步提高压缩空气的质量，通常采用干燥器。干燥器是采用吸附法、冷冻法、机械除水法等干燥的装置。吸附式干燥器见图14.4，在干燥器内装硅胶，颗粒直径一般为58 mm，硅胶有白色和紫色两种，白色硅胶吸水饱和不变色，而紫色硅胶变为淡红色，所以干燥器内使用大量白色硅胶，掺入少量紫色硅胶，以便判断是否饱和。,1-湿空气进气管;2-顶盖;3,5,10-法兰;4,6-再生空气排气管;7-再生空气进气管;8-干燥空气输出管;9-排水管;11,22-密封垫;12,15,20-铜丝过滤网;13-毛毡;14-下栅板;16,21-吸附剂层;17-支撑板;18-筒体;19-上栅板,(5)一次过滤器,过滤器的作用是滤除压缩空气中杂质微粒，达到气动系统所要求的净化程度，常用过滤器有一次过滤器滤灰效率50%70%；二次过滤器，滤灰效率为70%90%，在要求高的场合，还可使用高效过滤器，滤灰效率达99%。图示为一次过滤器，气流由切线方向进入筒内，在离心力作用下分离出液滴，然后气体由下而上通过多孔钢板，毛毡、硅胶、焦碳、滤网等过滤吸附材料，干燥清洁的空气从筒顶输出。,（6）分水滤气器,分水滤气器滤灰能力较强，属于二次过滤器。它和减压阀、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。普通分水滤气器的结构如图11.8所示。,图11.8 分水滤气器结构图1-旋风叶子；2-滤芯；3-存水杯；4-挡水板；5-手动排水阀,其工作原理如下：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3内壁碰撞，而从气体中分离出来，沉淀于存水杯3中，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。,图11.8 分水滤气器结构图1-旋风叶子；2-滤芯；3-存水杯；4-挡水板；5-手动排水阀,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11.8 分水滤气器结构图1-旋风叶子；2-滤芯；3-存水杯；4-挡水板；5-手动排水阀,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，如气动设备的气源入口处。,图11.8 分水滤气器结构图1-旋风叶子；2-滤芯；3-存水杯；4-挡水板；5-手动排水阀,(1)油雾器,油雾器是一种特殊的注油装置。其作用是使润滑油雾化，随着空气流进需要润滑的部件，达到润滑的目的。图为油雾器的结构。,11.3.2.2 其它辅助元件,（2）消声器,气缸、气动马达及气阀等排出的气体速度和功率均较高，直接排向大气时，会发出100200 dB的噪音。为了降低气动系统的噪音，可在排出口设置消声器，消声器是通过对气流的阻尼或增加排气面积来降低噪音的。a)吸收型消声器吸收型消声器是利用吸音材料消音的，吸音材料有玻璃纤维、钢丝、毛毡等容易压缩变形的材料。软质材料消音效果较好，但阻力往往太大，如图所示。,1-端盖；2-消音套3-连接管,11.3 气动执行元件,气动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。,11.3.1 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，其结构如图11.11所示；,QGB系列为有缓冲普通气缸，其结构如图11.12所示。由单向阀进气；排气孔为虚线圆孔；缓冲柱塞与节流阀节流排气，实现缓冲。其它几种较为典型的特殊气缸有气液阻尼缸、薄膜式气缸和冲击式气缸等。,图11.12 缓冲气缸结构简图,11.3.1.1 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，它的工作原理见图11.13。它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入油缸右腔，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入时，油缸右腔排油，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由缸泄漏而减少的油量，一般用油杯就行了。,11.3.1.2.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做往复直线运动的气缸。它由缸体、膜盘、膜片、弹簧、活塞杆等主要零件组成。其功能类似于活塞气缸，它可分为单作用式和双作用式两种。如图11.14所示为一种单作用膜片式气缸，现场把它称为气动加速器。,1-缸体;2-膜盘;3-膜片；4-弹簧;5-活塞杆;6-壳体;7-调节螺钉;,膜片式气缸与活塞式气缸相比，具有结构简单、紧凑；制造容易，成本低；维修方便，寿命长；泄漏少等优点。但是，由于膜片式气缸存在以下两个缺点，其使用范围受到一定的限制：其一是因为膜片的变形量有限，因而行程很短。一般行程不超过4050mm。其二是膜片式气缸活塞杆的输出力和速度是变化的。膜片的变形量越大，吸收的压缩空气能量就越多，因而活塞杆输出的推力即使在输入气压不变的情况下也随行程的增加而减小。,11.3.1.3 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。它的工作原理如图11.15。,冲击气缸的整个工作过程可简单地分为三个阶段。第一个阶段图11.15(a)，压缩空气由孔A输入冲击缸的下腔，蓄气缸经孔B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。,第二阶段图11.15(b)，压缩空气改由孔B进气，输入蓄气缸中，冲击缸下腔经孔A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。,第三阶段图11.15(c)，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入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。,11.3.2 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。11.3.2.1 气马达的分类及特点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动的机械，如起重机、绞车、绞盘、拉管机等。,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。,11.3.2.2 气马达的工作原理,图11.16(a)是叶片式气马达的工作原理图。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310个叶片的转子，偏心安装在定子内，转子两侧有前后盖板(图中未画出)，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。,图11.16(b)是径向活塞式马达的原理图。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。,图11.16 气马达工作原理图(b)活塞式,图11.16(c)是薄膜式气马达的工作原理图。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。表11.1列出了各种气马达的特点及应用范围，可供选择和使用时参考。,图11.16 气马达工作原理图(c)薄膜式,11.4 气动控制元件,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、流量和方向的各类控制阀，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。气动控制阀按作用可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。,11.4.1 压力控制阀,11.4.1.1 压力控制阀的作用及分类 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)将其压力减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。所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀(溢流阀)。,11.4.1.2 减压阀(调压阀),图11.17是QTY型直动式减压阀结构图。其工作原理是：当阀处于工作状态时，调节手柄1、压缩弹簧2、3及膜片5，通过阀杆6使阀芯8下移，进气阀口被打开，有压气流从左端输入，经阀口节流减压后从右端输出。,图11.17 QTY型减压阀结构图 及其职能符号 l-手柄;2、3-调压弹簧;4-溢流口;5-膜片;6-阀杆;7-阻尼孔;8-阀芯;9-阀座;10-复位弹簧;1l-排气孔,阀口开启,输出气流的一部分由阻尼管7进入膜片气室，在膜片5的下方产生一个向上的推力，这个推力总是企图把阀口开度关小，使其输出压力下降。当作用于膜片上的推力与弹簧力相平衡后，减压阀的输出压力便保持一定。,阀口开启,当输入压力发生波动时，如输入压力瞬时升高，输出压力也随之升高，作用于膜片5上的气体推力也随之增大，破坏了原来的力的平衡，使膜片5向上移动，阀口关闭，有少量气体经溢流口4、排气孔11排出。在膜片上移的同时，因复位弹簧10的作用，使输出压力下降，,直到新的平衡为止。重新平衡后的输出压力又基本上恢复至原值。反之，输出压力瞬时下降，膜片下移，进气口开度增大，节流作用减小，输出压力又基本上回升至原值。调节手柄1使弹簧2、3恢复自由状态，输出压力降至零，阀芯8在复位弹簧10的作用下，关闭进气阀口，这样，减压阀便处于截止状态，无气流输出。,阀口关闭,阀口开启,阀口关闭,QTY型直动式减压阀的调压范围为0.050.63MPa。为限制气体流过减压阀所造成的压力损失，规定气体通过阀内通道的流速在1525ms范围内。安装减压阀时，要按气流的方向和减压阀上所示的箭头方向，依照分水滤气器减压阀油雾器的安装次序进行安装。调压时应由低向高调，直至规定的调压值为止。阀不用时应把手柄放松，以免膜片经常受压变形。,11.4.1.3 顺序阀,顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件按顺序动作的压力控制阀，如图11.18所示，它根据弹簧的预压缩量来控制其开启压力。当输入压力达到或超过开启压力时，顶开弹簧，于是P到A才有输出；反之A无输出。顺序阀一般很少单独使用，往往与单向阀配合在一起，构成单向顺序阀。,图11.18 顺序阀工作原理图(a)关闭状态；(b)开启状态,图11.19所示为单向顺序阀的工作原理图。当压缩空气由左端进入阀腔后，作用于活塞上的气压力超过压缩弹簧上的力时，将活塞顶起，压缩空气从P经A输出，见图11.19(a)，此时单向阀在压差力及弹簧力的作用下处于关闭状态。,图11.19 单向顺序阀工作原理图(a)顺序阀开启状态；,反向流动时，输入口侧变成排气口，输出侧压力将顶开单向阀由O口排气，见图11.19(b)。调节旋钮就可改变单向顺序阀的开启压力，以便在不同的开启压力下，控制执行元件的顺序动作。,图11.19 单向顺序阀工作原理图(b)顺序阀关闭单向阀打开状态,11.4.1.4 安全阀,当贮气罐或回路中压力超过某调定值，要用安全阀向外放气，安全阀在系统中起过载保护作用。图11.20是安全阀工作原理图。当系统中气体压力在调定范围内时，作用在活塞1上的压力小于弹簧2的力，活塞处于关闭状态图(a)所示。,图11.20 安全阀工作原理图(a)关闭状态；,当系统压力升高，作用在活塞1上的压力大于弹簧的预定压力时，活塞1向上移动，阀门开启排气(见图(b)。直到系统压力降到调定范围以下，活塞又重新关闭。开启压力的大小与弹簧的预压量有关。,图11.20 安全阀工作原理图(b)开启状态,11.4.2 流量控制阀,在气压传动系统中，有时需要控制气缸的运动速度，有时需要控制换向阀的切换时间和气动信号的传递速度，这些都需要调节压缩空气的流量来实现。流量控制阀就是通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件。流量控制阀包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀和快速排气阀等。,11.4.2.1 节流阀,图11.21所示为圆柱斜切型节流阀的结构图。压缩空气由P口进入，经过节流后，由A 口流出。旋转阀芯螺杆，就可改变节流口的开度，这样就调节了压缩空气的流量。由于这种节流阀的结构简单、体积小，故应用范围较广。,图11.21 节流阀工作原理图,11.4.2.2 单向节流阀,单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式流量控制阀，如图11.22所示。当气流沿着一个方向，例如PA见图(a)流动时，经过节流阀节流；反方向见图(b)流动，由A P时单向阀打开，不节流，单向节流阀常用于气缸的调速和延时回路。,图11.22 单向节流阀工作原理图,11.4.2.3 排气节流阀,排气节流阀是装在执行元件的排气口处，调节进入大气中气体流量的一种控制阀。它不仅能调节执行元件的运动速度，还常带有消声器件，所以也能起降低排气噪声的作用。,图11.23 排气节流阀工作原理图 l-节流口；3-消声套,图11.23为排气节流阀工作原理图。其工作原理和节流阀类似，靠调节节流口 1处的通流面积来调节排气流量，由消声套3来减小排气噪声。,应当指出，用流量控制的方法控制气缸内活塞的运动速度，采用气动比采用液压困难，特别是在极低速控制中，要按照预定行程变化来控制速度，只用气动很难实现。在外部负载变化很大时，仅用气动流量阀也不会得到满意的调速效果。为提高其运动平稳性，建议采用气液联动。,11.4.2.4 快速排气阀,图11.24为快速排气阀工作原理图。进气口P进入压缩空气，并将密封活塞迅速右推，开启阀口，同时关闭排气口O，使进气口P和工作口A相通见图(a)。图11.24(b)是P口没有压缩空气进入时，在A口和P口压差作用下，密封活塞迅速左移，关闭P口，使A口通过O口快速排气。注意其职能符号。,图11.24 快速排气阀工作原理图,快速排气阀常安装在换向阀和气缸之间。图11.25表示了快速排气阀在回路中的应用。它使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出，从而加速了气缸往复的运动速度，缩短了工作周期。,图11.25 快速排气阀的应用回路,11.4.3 方向控制阀,方向控制阀是气压传动系统中通过改变压缩空气的流动方向和气流的通断，来控制执行元件启动、停止及运动方向的气动元件。根据方向控制阀的功能、控制方式、结构形式、阀内气流的方向及密封形式等，可将方向控制阀分为几类，见表11.2。,表11.2 方向控制阀的分类,下面仅介绍几种典型的方向控制阀。,11.4.3.1 气压控制换向阀,气压控制换向阀是以压缩空气为动力切换气阀，使气路换向或通断的阀类。气压控制换向阀的用途很广，多用于组成全气阀控制的气压传动系统或易燃、易爆以及高净化等场合。,(1)单气控加压式换向阀,图11.26为单气控加压截止式换向阀的工作原理图。即11.26(a)是无气控信号K时的状态(即常态)，此时，阀芯1在弹簧2的作用下处于上端位置，使阀A与O相通，A口排气。,图11.26 单气控加压截止式换向阀工作原理图(a)无控制信号状态；(b)有控制信号状态 l-阀芯；2-弹簧,图11.26(b)是在有气控信号K时阀的状态(即动力阀状态)，由于气压力的作用，阀芯1压缩弹簧2下移，使阀口A与O断开，P与A接通，A口有气体输出。,图11.27为二位三通单气控截止式换向阀的结构图。这种阀结构简单、紧凑、密封可靠、换向行程短，但换向力大。若将气控接头换成电磁头(即电磁先导阀)，可变气控阀为先导式电磁换向阀。,无控制气,图1127 二位三通单气控截止式换向阀的结构图,有控制气,(2)双气控加压式换向阀,图11.28为双气控滑阀式换向阀的工作原理图。图11.28(a)为有气控信号K2时阀的状态，此时阀芯停在左边，其通路状态是P与A、B与O相通。图11.28(b)为有气控信号K1时阀的状态(此时信号K2已不存在)，阀芯换位，其通路状态变为P与B、A与O相通。双气控滑阀具有记忆功能，即气控信号消失后，阀仍能保持在有信号时的工作状态。,图11.28 双气控滑阀式换向阀工作原理图,(3)差动控制换向阀,差动控制换向阀是利用控制气压作用在阀芯两端不同面积上所产生的压力差来使阀换向的一种控制方式。图11.29为二位五通差压控制换向阀的结构原理图。阀的右腔始终与进气口P相通。在没有进气信号K时，控制活塞13上的气压力将推动阀芯9左移，其通路状态为P与A、B与O相通。A口进气、B口排气。,图11.29 二位五通差压控制换向阀结构原理,1-端盖；2-缓冲垫片；3,13-控制活塞；4,10,1l-密封垫；15,12-衬套；6-阀体；7-隔套；8-挡片；9-阀芯,当有气控信号K时，由于控制活塞3的端面积大于控制活塞13的端面积，作用在控制活塞3上的气压力将克服控制活塞13上的压力及摩擦力，推动阀芯9右移，气路换向，其通路状态为P与B、A与O相通，B口进气、A口排气。当气控信号K消失时，阀芯9借右腔内的气压作用复位。采用气压复位可提高阀的可靠性。,11.4.3.2 电磁控制换向阀,电磁换向阀是利用电磁力的作用来实现阀的切换以控制气流的流动方向。常用的电磁换向阀有直动式和先导式两种。(1)直动式电磁换向阀 图11.30为直动式单电控电磁阀的工作原理图。它只有一个电磁铁。,图11.30 直动式单电控电磁阀的工作原理图(a)断电时状态；(b)通电时状态 1-电磁铁；2-阀芯,图11.30(a)为常态情况，即激励线圈不通电，此时阀在复位弹簧的作用下处于上端位置。其通路状态为A与T相通，A口排气。当通电时，电磁铁1推动阀芯向下移动，气路换向，其通路为P与A相通，A口进气，见图11.30(b)。,图11.30 直动式单电控电磁阀的工作原理图(a)断电时状态；(b)通电时状态 1-电磁铁；2-阀芯,图11.31为直动式双电控电磁阀的工作原理图。它有两个电磁铁，当线圈1通电、2断电见图11.31(a)，阀芯被推向右端，其通路状态是P与A、B与O2相通，A口进气、B口排气。当线圈1断电时，阀芯仍处于原有状态，即具有记忆性。