设备控制基础第五章

第五章气压传动控制第一节气源装置各部件介绍第二节气动执行元件第三节气动控制元件第四节气压传动基本回路第一节气源装置各部件介绍气源装备是一套用来产生具有足够压力和流量的压缩空气并将其净化、处理及储存的装置，它的主体部分是空气压缩机，它是将原动机输出的机械能转变成气体压力能的装置，常见的气源装置如图5-1所示。在原动机的驱动下，空气压缩机1输出一定压力和流量的空气，经冷却器2对输出其高温气体进行冷却，再通过油水分离器3凝出油滴、水滴等杂质后进入储气罐4储存，用于一般要求的气动系统。对于要求较高的气动系统如气动仪表等，则还需要进一步干燥(干燥器5)和过滤(过滤器6)后，才能进入该系统，即由储气罐7输出。下一页返回第一节气源装置各部件介绍1.空气压缩机空气压缩机的种类很多，如按工作原理的不同可分为速度型和容积型。速度型空气压缩机是指随着气体连续地由入口流向出口，将动能换成势能来提高气体压力的一种压缩机，如离心式和转子式就属于这一类空气压缩机。容积型空气压缩机是指通过运动部件的位移，使一定容积的气体顺序地吸入和排出封闭空间，以提高静压力的压缩机。按结构形式可分为往复式和回转式两种，如活塞式和滑片式空气压缩机等。上一页下一页返回第一节气源装置各部件介绍在气压传动中，一般多采用容积式空气压缩机，其中最常使用的机型为活塞式低压空气压缩机，其产生的压缩空气的压力通常小于1MPa。2.冷却器冷却器是安装在压缩机的出口处，用于降低压缩空气的温度，并使压缩空气中的大部分水汽、油气冷凝成水滴、油滴，以便经油水分离器析出，其结构形式有列管式、散热片式、套管式、蛇管式和板式等。常用的有蛇管式冷却器，如图5-2所示为其结构示意图和符号。上一页下一页返回第一节气源装置各部件介绍3.油水分离器油水分离器的作用是用离心、撞击、水洗等方法使压缩空气中凝集的水分、油分等杂质从压缩空气中分离出来，使空气得到初步净化，其结构形式有环回转式，撞击折回式、离心旋转式和水浴式等。如图5-3所示为常见的撞击挡板式油水分离器结构示意图及其符号。当压缩空气进入油水分离器后，气流先受隔板阻挡被撞击折回向下，继而又回升向上，产生环形回转，流向和速度急剧变化，这样在离心力和惯性力作用下，将密度比压缩空气大的油滴和水滴分离出来并沉降在壳体底部。上一页下一页返回第一节气源装置各部件介绍4.储气罐储气罐的作用是:消除压力波动，保证输出气流和连续性;储存一定数量的压缩空气，以调节用气量或以备发生故障和临时需要时应急使用，它还可以进一步分离压缩空气中的水分和油分。其结构示意图和符号如图5-4所示。在储气罐上应设置安全阀、压力表、排污管阀、清洗入孔或手孔等。5.干燥器干燥器的作用是为了满足对气源品质要求较高的气动仪表、射流元件组成系统的需要，把已初步净化的压缩空气进一步净化，吸收和排出其中的水分，油分及杂质，使湿空气变为干燥的空气。干燥器的形式有吸附式，加热式，冷冻式等几种。上一页下一页返回第一节气源装置各部件介绍图5-5所示为吸附式干燥器及图形符号。湿空气从管1进入干燥器，通过吸附剂层12,钢丝过滤网11、上栅板10和下吸附剂层9后，其中的水分被吸附剂吸收而得到干燥，然后再经过钢丝过滤网8、下栅板7和过滤网6，由输出管5排出。6.空气过滤器空气过滤器的作用是滤除压缩空气的水分，油滴及杂质，以达到气动系统所要求的净化程度。它的基本结构及其符号如图5-6所示。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缺口，迫使空气沿旋风叶子的切线方向强烈旋转，夹杂在空气中的水滴，油滴和杂质在离心力的作用下被分离出来，沉积在存水杯底，而气体经过中间滤芯时，又将其中的微粒杂质和雾状水分滤下，使其沿挡水板流入杯底，洁净空气便可经输出口输出。上一页返回第二节气动执行元件气动执行元件有做直线往复运动的气缸，做连续回转运动的气电动机和做不连续回转运动的摆动电动机等。一、气动电动机气电动机是将气体的压力能转换成旋转运动机械能的输出装置，分连续回转式和摆动式两类。它的工作原理与同类液压电动机的工作原理相似。如图5-7所示为双向旋转叶片式气电动机的工作原理图。它有4个叶片，叶片1可以在转子槽内做径向运动。转子和输出轴连在一起，并与定子有一个偏心距。当压缩空气从A口进入气室后，作用在叶片的外伸部分，产生转矩带动转子2作逆时针转动，输出旋转机械能，做功后的气体从排气口G排出，剩余空气气体则经孔B排出。下一页返回第二节气动执行元件改变压缩空气进气孔(即改为由B孔进气)，电动机将反向旋转。转子转动的离心力和叶片底部的气压力或弹簧力使得叶片紧紧地压在定子3的内壁上，以保障密封。二、气缸气缸是气动系统中使用最多的一种执行元件，根据使用条件不同，其结构，形状也有多种形式。常见气缸的分类及特点见表5-1。普通气缸工作时，由于气体具有可压缩性，当外界负载变化较大时，气缸可能产生“爬行”或“自走”现象，因此，气缸不易获得平稳;要想准确控制气缸位置时，可采用气一液阻尼。上一页下一页返回第二节气动执行元件如图5-8所示为气一液阻尼缸的原理图，它由气缸和液压缸串联而成，两缸的活塞用一根活塞杆带动，在液压缸进出口之间装有单向节流阀。当右端供气时，气缸克服外载荷并带动油缸活塞同时向左运动，此时油缸左腔排油，单向阀3关闭，油液只能经节流阀缓慢流入油腔，节流阀此时起阻尼作用，如果调节节流口的大小，即能达到调节活塞运动速度的目的。由于有液体的参与，气缸活塞的运动平衡性大大提高;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3开启，活塞能快速返回原来位置。上一页返回第三节气动控制元件在气动系统中，控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量、流动方向和发送信号的重要元件。利用它们可以组成各种气动控制回路，使气动执行元件按设计的程序正常工作。气动元件按功能和用途可分为压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀三大类。此外，还有通过改变气流方向和通断实现各种逻辑功能的气动逻辑阀和射流阀等。一、方向控制阀气动方向控制阀是用来控制压缩空气的流动方向和气流通断的。其分类方法与液压方向控制阀类似，但由于气动所具有的特点，又有所不同。按阀内气流的流动方向及控制方式分为单向型方向控制阀和换向型控制阀。单向型方向控制阀包括单向阀、梭阀、双压阀和快速排气阀等。换向型控制阀包括气压、电磁、机械、人力控制换向阀和时间控制阀等。下一页返回第三节气动控制元件1.单向型方向控制阀单向型方向控制阀只允许气流沿着一个方向流动。其单向阀与液压单向阀类似，在此不再重复。(1)梭阀梭阀相当于两个单向阀的组合，其作用相当于“或门”，故又称或门型梭阀。如图5-9所示为梭阀的结构及图形符号。梭阀有两个输入口P1和P2及一个输出口A,阀芯在两个方向上均起单向阀作用，但P1与P2不相通。当P1进气时，阀芯将P2口切断，P1与A口相通，A口有输出。当P2口进气时，阀芯P1口被切断，P1口与A口相通，同样A口有输出。只有当P1,P2都无信号输入时，A才无信号输出。梭阀可将控制信号有次序地输入控制执行元件，在气动系统中应用较广。上一页下一页返回第三节气动控制元件(2)双压阀双压阀也相当于两个单向阀的组合，其作用相当于“与门”，故又称为“与门型梭阀”。如图5-10所示为双压阀的结构及图形符号。它有两个输出入口P1和P2个输出口A，当P1或P2单独有输入时，阀芯被推向另一侧，A无输出。只有当P1和P2同时有输入时，A才有输出。当P1与P2输入的气压不等时，气压低的通过A输出。双压阀在气动回路中适用于互锁回路，起逻辑“与作用”。(3)快速排气阀又称快排阀，它的作用是使气动元件或装置快速排气以提高气缸的运动速度。如图5-11所示为快速排气阀的结构图及图形符号。当压缩空气从P口进入时，膜片1被压下而封住排气口，气流经膜片四周小孔及A口流出。当气流反向流动时，A口处气压将膜片顶起并封住P口，A口气体经0口迅速排出。上一页下一页返回第三节气动控制元件快速排气阀通常安装在换向阀与气缸之间，使气缸的排气过程不需要通过换向阀就能够快速完成，从而加快气缸往复运动速度。2.换向型控制阀换向型控制阀简称换向阀，它是通过改变气流通道使气体流动方向发生变化，从而改变气动执行元件的运动方向的。根据操纵的方式不同可分为气压、电磁、机械、人力控制换向阀及时间控制换向阀等。上一页下一页返回第三节气动控制元件(1)气压控制换向阀气压控制换向阀是利用气体压力为动力使主阀芯运动来改变气体流向的。按控制方式的不同可分为加压控制、卸压控制和差压控制三种;按主阀结构的不同又可分为截止式和滑阀式两种，滑阀式气控换向阀的结构和原理与液压方向换向阀基本相同，只是工作介质不一样。在此主要介绍截止式换向阀。如图5-12所示为二位三通单气控截止式换向阀的工作原理图及图形符号。上一页下一页返回第三节气动控制元件图5-12(a)是没有控制信号时的状态，此时阀芯1在弹簧2和P腔气体压力的共同作用下，使P与A口断开，A与0接通，阀处于排气状态;图5-12(b)是K口有控制信号时的状态，由于K腔控制气压的作用，阀芯1下移，此时P与4接通，A与0断开，阀处于进气状态二截止式换向阀除上述二位三通的形式外，还可组成二位四通、二位五通、三位四通和三位五通等多种形式。它具有结构紧凑、换向行程短、阀开启时间短、通流能力强、流量特性好等特点。此外，由于采用了软质密封，且阀芯始终有背压，所以关闭时密封性好，泄漏小，对过滤精度要求也不高。但换向力较大，换向时冲击力也较大，且不宜用在灵敏度要求较高的场合。上一页下一页返回第三节气动控制元件(2)电磁控制换向阀气压传动中的电磁换向阀与液压传动中的电磁换向阀一样，也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。按控制方式不同又分为直动式和先导式两种。它们的工作原理分别与液压阀中的电磁阀和电液动阀相似，只是二者的工作介质不同。图5-13为直动式单电控电磁阀的工作原理图及图形符号。它只有一个电磁铁，图5-13(a)为常态，此时电磁线圈不通电，阀芯在复位弹簧的作用下处于上端位置，A与0接通，阀处于排气状态。通电时，阀芯在电磁铁推动下，向下运动使A与0断开，P与A接通，阀处于进气状态。上一页下一页返回第三节气动控制元件(3)机械控制换向阀机械控制换向阀主要用于行程程序控制系统，作为信号阀使用，所以又称为行程阀。它通常是依靠凸轮、撞块或其他机械外力推动阀芯，使之换向。按阀芯头部结构形式分类有直动圆头式、滚轮式、杠杆滚轮式和可通过式等。图5-14为杠杆滚轮式机控阀结构图及图形符号，当撞块与滚轮1接触后，通过杠杆2,顶杆3使阀芯5下移，P与A接通，A与0断开;当撞块松开时，弹簧6使阀芯上移，P与A断开，同时A与T接通，即排气。借助于杠杆传力，可减小顶杆3所受的侧向力，此外还可以减少撞块的机械压力。上一页下一页返回第三节气动控制元件(4)人力控制换向阀人力控制换向阀分为手动阀和脚踏阀两种，其操纵方式常有按钮式、旋钮式、锁式、推拉式和脚踏式等。由于其主阀部分结构和工作原理与前述几种换向阀相同，在此不作介绍。二、压力控制阀在气压传动系统中，控制压缩空气的压力和依靠气压力来控制执行元件动作顺序的阀统称为压力控制阀。它们的共同特点是利用作用于阀芯上压缩空气压力和弹簧力相平衡的原理进行工作。压力控制阀主要有减压阀、顺序阀和安全阀。上一页下一页返回第三节气动控制元件1.减压阀气动系统一般由空气压缩机先将空气压缩并储存在储气罐内，然后经管路输送给各气动装置使用。由于储气罐的压力一般比较高，每个执行机械所需的压力又不同，只有使用减压阀才能达到其要求。因此，减压阀是气动系统一种必不可缺少的调压元件。减压阀又称调压阀，按其调压的方式可分为直动型和先导型两种。上一页下一页返回第三节气动控制元件图5-15为QTY型直动型减压阀的结构及其图形符号。压力为p1的压缩空气由左端输入，经阀口H节流后，压力降为v2输出。v2的大小可由调压弹簧2,3进行