气压传动

1本章提要本章主要内容为：①气压传动的组成及特点。②气动元件：包括气源装置、气马达、气缸、气压控制方向阀、气压控制压力阀、气压控制流量阀和辅助元件，要掌握这些元件的工作原理、图形符号、结构形式等。③气动回路实例分析。本章重点是气动元件的工作原理、图形符号和结构特点，常用气动回路的工作原理。气压传动(pneumatic)211.1.1气压传动的组成及工作原理11.1气压传动概述气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递、转换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。3气压传动系统和液压传动系统类似，主要也是由四部分组成的，它们是：(1)气源装置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。包括气缸、气马达、摆动马达；(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。4气压传动的历史悠久，埃及人用风箱产生压缩空气助燃，是最初气压传动的应用。气动技术广泛应用于机械、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。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：11.1.2气压传动的优缺点511.1.2.1气压传动的优点(1)工作介质是空气，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0.02~0.3秒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。声波在空气中的传播速度340m/snAFdd6(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2000~4000万次。(7)工作环境适应性好，特别在易燃、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。711.1.2.2气压传动的缺点(1)因空气的可压缩性较大（气体的密度不能视为常量），气动装置的动作稳定性较差（位置和速度的控制精度差）。(2)气动装置工作压力低，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。(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。气体受压力作用而发生体积减小的性质称为流体的可压缩性。8表11-1气压传动与其他传动`的性能比较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一般要求高稍贵电传动电气中等快要求高稍复杂几乎没有远距离良好较短要求较高稍贵电子最小最快要求特高最复杂没有远距离良好短要求更高最贵机械传动较大一般一般一般没有短距离较困难一般简单一般9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气源装置及辅件1011.2.1.1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。（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。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，有引起爆炸的危险或影响设备的寿命。11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。(3)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。(4)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。1211.2.1.2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空气压缩机和使气源净化的辅助设备。1234工业用气甲乙7气动装置仪表用气65图11.1压缩空气站设备组成及布置示意图1-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-过滤器空气压缩机油水分离器干燥器过滤器后冷却器储气罐器131为空气压缩机，一般由电动机带动，其吸气口装有空气过滤器，以减少进入压缩空气内的污染杂质，空气压缩机产生一定压力和流量的压缩空气（温度在140℃～170℃）。1234工业用气甲乙7气动装置仪表用气6514空压机实物图片151234工业用气甲乙7气动装置仪表用气652为冷却器（后冷却器），用以冷却压缩空气，使温度从140℃～170℃降至40℃～50℃，使高温汽化的油分、水分凝结出来。16实物图片蛇管式冷却器171234工业用气甲乙7气动装置仪表用气653为油水分离器，使大部分的油滴、水滴和杂质等从压缩空气中分离出来，并从排污口排出。181234工业用气甲乙7气动装置仪表用气654为储气罐，将初步净化的空气送入贮气罐，贮气罐可平衡空气压缩机的流量和设备的用气量，并稳定压缩空气的压力，同时还可以除去压缩空气中的部分油分和水分。19a）b）立式储气罐a）储气罐结构原理图b）图形符号实物图片储气罐201234工业用气甲乙7气动装置仪表用气655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。21实物图片干燥器221234工业用气甲乙7气动装置仪表用气656为过滤器（又称一次过滤器），用以进一步清除压缩空气中的灰尘、杂质和颗粒。23a）b）分水过滤器a）空气过滤器结构原理图b）图形符号1—旋风叶子2—滤芯3—存水杯4—挡水板5—手动排水阀实物图片分水过滤器241234工业用气甲乙7气动装置仪表用气65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、射流元件等）。7为贮气罐一次净化系统二次净化系统25（1）气压缩机的分类及选用原则①分类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。速度式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。26压力分级压力分级低压中压中高压高压超高压压力/MPa≤2.5＞2.5～8＞8～16＞16～32＞32②空气压缩机的选用原则选用空气压缩机需根据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100MPa。27（2）空气压缩机的工作原理空气压缩机（简称空压机）将电动机或内燃机的机械能转化为压缩空气的压力能。最常用的空气压缩机是卧式容积型活塞式空气压缩机。图11.2活塞式空气压缩机工作原理图1-排气阀；2-汽缸；3-活塞；4-活塞杆；5、6-滑块与滑道；7-连杆；8-曲柄；9-进气阀；10-弹簧28当活塞3向右运动时，左腔压力低于大气压力，进气阀9被打开，空气在大气压力作用下进入气缸2的左腔内，这个过程称为“吸气过程”。当活塞向左移动时，进气阀9在汽缸内压缩气体的作用下关闭，汽缸左腔气体被压缩，这个过程称为“压缩过程”。当气缸左腔的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”。其工作原理:2911.2.2气动辅助元件11.2.2.1气源净化装置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：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压机出口，作用是将空气压缩机排出的压缩空气由1400~1700降至400~500，使压缩空气中的油雾和水汽迅速达到饱和，让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、列管、散热片、管套式。有水冷和气冷两种方式。30图11.3后冷却器a)蛇管式b)列管式钢管盘成螺旋状，形成蛇形，浸在冷却水中；气体在管内流动，水在管外水套中流动。31油水分离器安装在后冷却器出口，作用是分离并排出压缩空气中凝聚的油分、水分等，使压缩空气得到初步净化。油水分离器的分离形式有环形回转式、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。dD出口入口H图形符号放油水图11.4撞击折回并回转式油水分离器2.油水分离器（也称为除油器）32dD出口入口H图形符号放油水图11.4撞击折回并回转式油水分离器它的工作原理是：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）；之后又上升形成回转环形流。这样凝聚在压缩空气中的油滴、水滴等杂质受惯性力和离心力作用而分离析出，沉降于壳体底部，由放水阀定期排出。333储气罐作用：图11.5贮气罐结构图DH(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。储气罐一般采用焊接结构，以立式居多。使用时进气口在下，出气口在上。进气口出气口344.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。吸附法最普遍。露点温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。35图11.6吸附式干燥器结构图1-