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1、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,11.1.1 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
2、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
3、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、(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0.020.3秒就可以达到所需的压
5、力和速度；(4)压缩空气的工作压力较低，一般为0.40.8MPa。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1090KN）；(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。,11.2.1 空气压缩机,空气压缩机是将原动机
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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。,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
11、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
12、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。,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
13、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。,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
14、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
15、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。,11.2.4 气动辅件,2.储气罐 储气罐作用是：(1)保证输出气流的连续性和平稳性；(2)储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要时使用；(3)进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。(4)一般采用焊接结构，有立式和卧式两种，如图11.11所示为立式储气罐。3.油雾器 油雾器是一种特殊的注油装置，它以压缩空气为动力，将润滑油油雾化后注入空气流中，随压缩空气流入到需要润滑的气动元件，以达到润滑目
16、的。油雾器的主要作用有：(1)减少相对运动件之间的摩擦，保证元件动作正常；(2)减少密封材料的磨损，防止泄漏；(3)防止管道及金属零部件的腐蚀，延长元件使用寿命。图11.12为油雾器的结构和图形符号。压缩空气从气流入口进入，部分由小孔通过截止阀进入油杯的上腔A。油面受压缩空气的作用，使油液从吸油管6上升，顶开单向阀7流入视油帽9，再经过可调节流阀8滴入喷嘴小孔中，由主管道通过的气流从小孔把油引射出来，油滴被高速气流打碎雾化，并随气流出口输出，送入气动系统。,11.2.4 气动辅件,4消声器 消声器的作用是降低气动系统的噪声（排气时噪声可达100200分贝）。消声器是通过阻尼或增加排气面积来降低
17、排气速度和排气功率，从而达到降低噪声的目的。图11.13所示是气动装置中常用的一种吸收型消声器的结构原理，它是依靠装在体内的吸声材料（泡沫塑料、玻璃纤维、毛毡等）来消声的。消声器一般装在排气口。,11.3.1 公共汽车车门启闭机构中的应用,图11.14所示为采用连杆机构的车门启闭机构简图。当气缸内的活塞受压缩空气作用向左运动时，其连杆带动左扇车门轴上的摇臂，使左扇车门开启；同时，通过中间摇臂带动右侧连杆和右侧车门轴上的摇臂，使右扇车门与左扇车门同时开启。反之，则使车门关闭。,下面具体分析车门启闭时的气路工作原理。(1)车门已闭合 如图11.15a所示，压缩空气按实心箭头方向从储气罐经过手截阀后
18、分成两路。其中到电磁阀的一路因进气孔A在关闭状态而受堵；另一路沿管路进入气缸左腔，使活塞左侧面受到气压，电磁阀的排气孔B在此时处于打开状态，使气缸的右腔通过管道及B孔与大气相通，使左腔气压高于右腔气压，从而推动活塞右移，通过连杆拉动车门至关紧为止。,11.3.1 公共汽车车门启闭机构中的应用,(2)车门开启后 如图11.15b所示，接通门开关的电路，电磁阀的阀芯被电磁开关的推力推向右方，使进气阀口A打开，将排气阀口B关闭，此时压缩空气按实线分成两路，一路进入气缸左腔，另一路通过孔A进入气缸右腔，由于活塞左侧有效面积小于右侧有效面积，因此右侧受到的推力大于左侧，活塞向左移动，活塞的推杆带动连杆机
19、构使车门开启。(3)车门开始闭合 如图11.15c所示，切断电磁开关的电源，电磁阀失去了电磁推力，在弹簧的作用下回到左位，使进气口A关闭，排气口B打开，气缸右腔的压缩空气从B口排入大气，在左腔压缩空气作用下活塞右移，活塞的推杆带动连杆机构使车门逐渐合拢。需要附加说明的是调整螺钉的作用是调节气孔 C和D的孔隙大小，来控制车门启闭的快慢速度。,11.3.2 机械手气压技术的应用,图11.16所示为气动机械手的结构示意图，图11.17为气动机械手气压传动系统图。要求该机械手实现动作顺序：立柱下降C0伸臂B1夹紧工件A0缩臂B0立柱顺时针转D1立柱上升C1放开工件A1立柱逆时针转D0。该传动系统的工作
20、循环分析如下：(1)按下启动阀q，主控阀C将处于C0位，活塞杆退回，即得到C0；(2)当C缸活塞杆上的挡铁碰到C0，则控制气将使主控阀B处于B1位，使B缸活塞杆伸出，即得到B1；(3)当B缸活塞杆上的挡铁碰到b1，则控制气将使主控阀A处于A0位，A缸活塞杆退回，即得到A0；(4)当A缸活塞杆上的挡铁碰到a0，则控制气将使主控阀B处于B0位，B缸活塞杆退回，即得到B0；,11.3.2 机械手气压技术的应用,(5)当B缸活塞杆上的挡铁碰到b0，则控制气将使主控阀D处于D1位，D缸活塞杆往右，即得到D1；(6)当D缸活塞杆上的挡铁碰到d1，则控制气将使主控阀C处于C1位，使C缸活塞杆伸出，即得到C1；(7)当C缸活塞杆上的挡铁碰到C1，则控制气将使主控阀A处于A1位，使A缸活塞杆伸出，得到A1；(8)当A缸活塞杆上的挡铁碰到a1，则控制气将使主控阀D处于D0位，使D缸活塞杆往左，即得到D0；(9)当D缸活塞杆上的挡铁碰到d0，则控制气经启动阀q又使主控阀C处于C0位，新的一轮工作循环又重新开始。,
