气动阀的工作原理

1、一、气动控制阀的分类气动控制阀是指在气动系统中控制气流的压力、流量和流动方向，并保证气动执行元件或机构正常工作的各类气动元件。控制和调节压缩空气压力的元件称为压力控制阀。控制和调节压缩空气流量的元件称为流量控制阀。改变和控制气流流动方向的元件称为方向控制阀。 除上述三类控制阀外，还有能实现一定逻辑功能的逻辑元件，包括元件内部无可动部件的射流元件和有可动部件的气动逻辑元件。在结构原理上，逻辑元件基本上和方向控制阀相同，仅仅是体积和通径较小，一般用来实现信号的逻辑运算功能。近年来，随着气动元件的小型化以及PLC控制在气动系统中的大量应用，气动逻辑元件的应用范围正在逐渐减小。 从控制方式来分，气动控

2、制可分为断续控制和连续控制两类。在断续控制系统中，通常要用压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀来实现程序动作;连续控制系统中，除了要用压力、流量控制阀外，还要采用伺服、比例控制阀等，以便对系统进行连续控制。气动控制阀分类如图4.1。二、气动控制阀和液压阀的比较(一) 使用的能源不同气动元件和装置可采用空压站集中供气的方法，根据使用要求和控制点的不同来调节各自减压阀的工作压力。液压阀都设有回油管路，便于油箱收集用过的液压油。气动控制阀可以通过排气口直接把压缩空气向大气排放。(二) 对泄漏的要求不同液压阀对向外的泄漏要求严格，而对元件内部的少量泄漏却是允许的。对气动控制阀来说，除间隙密封的阀外，原则

3、上不允许内部泄漏。气动阀的内部泄漏有导致事故的危险。对气动管道来说，允许有少许泄漏;而液压管道的泄漏将造成系统压力下降和对环境的污染。(三) 对润滑的要求不同液压系统的工作介质为液压油，液压阀不存在对润滑的要求;气动系统的工作介质为空气，空气无润滑性，因此许多气动阀需要油雾润滑。阀的零件应选择不易受水腐蚀的材料，或者采取必要的防锈措施。(四) 压力范围不同气动阀的工作压力范围比液压阀低。气动阀的工作压力通常为10bar以内，少数可达到40bar以内。但液压阀的工作压力都很高(通常在50Mpa以内)。若气动阀在超过最高容许压力下使用。往往会发生严重事故。(五) 使用特点不同一般气动阀比液压阀结构

4、紧凑、重量轻，易于集成安装，阀的工作频率高、使用寿命长。气动阀正向低功率、小型化方向发展，已出现功率只有0.5W的低功率电磁阀。可与微机和PLC可编程控制器直接连接，也可与电子器件一起安装在印刷线路板上，通过标准板接通气电回路，省却了大量配线，适用于气动工业机械手、复杂的生产制造装配线等场合。三、 气动控制阀的结构特性气动控制阀的结构可分解成阀体(包含阀座和阀孔等)和阀心两部分，根据两者的相对位置，有常闭型和常开型两种。阀从结构上可以分为：截止式、滑柱式和滑板式三类阀。(一)截止式阀的结构及特性 截止式阀的阀心沿着阀座的轴向移动，控制进气和排气。图4.2所示为二通截止式阀的基本结构。图4.2a

5、中，在阀的P口输入工作气压后，阀芯在弹簧和气体压力作用下紧压在阀座上，压缩空气不能从A口流出;图4.2b为阀杆受到向下的作用力后，阀芯向下移动，脱离阀座，压缩空气就能从P口流向A口输出。这就是截止式阀的切换原理。 图4.3所示的阀为常通型结构。图4.3a为初始状态，与图4.2a相反，阀心在弹簧力作用下离开阀座，压缩空气从P口流向A口输出。图4.3b为工作状态，阀杆在向上的力作用下，阀心紧压在阀座上关闭阀口，流道被关断，A口没有压缩空气流出。 图4.4所示为三通截止式阀的结构，阀有P、A、0三个孔口。图4.4a为阀的初始状态，阀心紧压在上阀座上，P口和A口通路被关断，A口和0口相通。阀的输出A口

6、没有输出。 图4.4b为工作状态。阀杆受力后使阀心离开上阀座而紧压在下阀座上，关闭排气O口，打开P口至A口之间的通道，压缩空气从P口流向A口输出。图4.4c所示为阀在切换过程中阀心所处的瞬态位置。此时，P、A、0三个孔口同时相通，而发生串气现象。实际上，对于快速切换的阀，这种串气现象对阀的动作不存在什么影响。但缓慢切换时，应予以注意。截止式阀的结构决定了其开启所需的时间较短，但开启大口径的阀则需较大的开启力。因此截止式阀多用于小口径的阀。需要大流量或高压时，往往采取先导式的结构。其方法是增加一个控制活塞，先导控制气压作用在活塞上产生的较大操纵力，以弥补上述缺点。 为了使截止式阀密封可靠，操纵方

7、便，另一种方法是采用压力平衡的方法，如图4.5所示，在阀杆两侧增加了活塞，活塞受气压作用面积和阀心受压面积相等，这种阀称为压力平衡式阀。由于初始状态时，工作气压作用在阀杆上的合力为零，使开启阀门的操作力大大降低。 (二)滑柱式阀的结构及特性 滑柱式阀是用圆柱状的阀心在圆筒形阀套内沿轴向移动，从而切换气路。图4.6所示为滑柱式阀的基本结构。图4.6左图为阀的初始状态，滑柱在弹簧力的作用下右移。此时，压缩空气从输人口P流向输出口A，A口有气压输出，B口无气压输出。图4.6右图为阀的工作状态;滑柱在操纵力作用下克服弹簧力左移，关断P 口和A口通路，接通P口和B口。于是，B口有输出，A口无输出。 滑柱

8、式阀在结构上只要稍稍改变阀套或滑柱的尺寸、形状就能实现两位四通和两位五通阀的功能。4.2 方向控制阀一、方向控制阀概述 (一)操作方式 为了使阀换向，必须对阀心施加一定大小的轴向力。使其迅速移动改变阀心的位置。这种获得轴向力的方式叫做换向阀的操作方式，或控制方式。通常可分为气压、电磁、人力和机械四种操作方式。 1.气压操作 用气压力来获得轴向力使阀心迅速移动换向的操作方式叫做气压操作。它按施加压力的方式可分为加压控制、卸压控制、差压控制和时间控制。 1)加压控制是指施加在阀心控制端的压力逐渐升到一定值时，使阀心迅速移动换向的控制，阀心沿着加压方向移动。 2)卸压控制是指施加在阀心控制端的压力逐

9、渐降到一定值时，阀心迅速换向的控制，常用作三位阀的控制。3)差压控制是指阀心采用气压复位或弹簧复位的情况下，利用阀心两端受气压作用的面积不等(或两端气压不等)而产生的轴向力之差值，使阀心迅速移动换向的控制。其原理如图4.7所示，K1为控制气压口。 这种控制方式只需一个控制信号，故得到广泛的应用，可应用于各种结构的主阀.。气压复位省去了弹簧，提高了可靠性。差压控制的特点是所控制的主阀不具有记忆功能，且控制信号和复位信号均须为长信号。 4)时间控制是指利用气流向由气阻(节流孔)和气容构成的阻容环节充气，经过一定时间后，当气容内压力升至一定值时，阀心在差压力作用下迅速移动换向的控制。时间控制的信号输

10、出有脉冲信号和延时信号两种。图4.8所示为脉冲阀原理图，在阀的P口输入气压信号后，A口即有输出，同时气流经节流孔向气室充气，当气容内的压力上升到阀的切换压力时，活塞向左移关断PA通路，A口无输出，即阀的A口输出为脉冲信号。脉冲信号的宽度决定于节流孔和气室的大小。图4.9所示为一种二位三通延时换向阀结构原理(常断延时通型)。调节节流针阀的开度即可改变延时时间。延时换向阀的输出可组成四种型式：常断延时通、常通延时断，常断延时断及常通延时通。其输出状态和对应的图形符号如图4.10所示。2.电磁操作用电磁力来获得轴向力，使阀心迅速移动的换向控制方式称为电磁操作。它按电磁力作用于主阀阀心的方式分为直动式

11、和先导式两种。1)直动式电磁控制是用电磁铁产生的电磁力直接推动阀心来实现换向的一种电磁控制阀。根据阀芯复位的控制方式可分为单电控和双电控，其控制原理如图4.11所示。图4.11a、b为直动式单电磁控制弹簧复位方式。图4.10c、d为直动式双电磁控制方式。 2) 先导式电磁控制是指由先导式电磁阀(一般为直动式电磁控制换向阀)输出的气压力来操纵主阀阀芯实现阀换向的一种电磁控制方式。它实际上是一种由电磁控制和气压控制(加压、卸压、差压等)的复合控制，通常称为先导式电磁气控。图4.12所示为先导式电磁气控换向阀原理，图4.12a、b为单电控动作原理。图 4.12c、d为双电控动作原理。 3.人力操作

12、用人力来获得轴向力使阀迅速移动换向的控制方式称作人力操作。人力控制可分为手动控制和脚踏控制等。按人力作用于主阀的方式可分为直动式、先导式。4.机械操作用机械力来获得轴向力使阀芯迅速移动换向的控制方式称作机械操作。按机械力作用于主阀的形式可分为直动式和先导式两种。(二)方向控制阀的通口数和基本机能换向阀的基本机能就是对气体的流动产生通、断作用。一个换向阀具有同时接通和断开几个回路，可以使其中一个回路处于接通状态而另一个回路处于断开状态，或者几个回路同时被切断。为了表示这种切换性能，可用换向阀的通口数(通路数)来表达。1)二通阀 二通阀有两个通口，即输入口(用P表示)和输出口(用A表示)，只能控制

13、流道的接通和断开。根据PA通路静止位置所处的状态又分为常通式二通阀和常断式二通阀。2)三通阀 三通阀有三个通口，除P、A口外，还有一个排气口(用O表示)。根据PA、A0通路静止位置所处的状态也分为常通式和常断式两种三通阀。3)四通阀 四通阀有四个通口，除P、A、0外。还有一个输出口(用B表示)。流路为PA、B0，或PB、A0。可以同时切换两个流路，主要用于控制双作用气缸。4)五通阀 五通阀有五个通口，除P、A、B外，有两个排气口(用01、02表示)。其流路为PA、B02或PB、A一01。这种阀与四通阀一样作为控制双作用气缸用。这种阀也可作为双供气阀(即选择阀)用，即将两个排气口分别作为输入口P

14、l、P2。此外，也有五个通口以上的阀，是一种专用性较强的换向阀，这里不作介绍。(三) 方向控制阀的位数 位数是指换向阀的切换状态数，有两种切换状态的阀称作二位阀，有三种切换状态的阀称作三位阀。有三种以上切换状态的阀称作多位阀。常见换向阀的通路数与切换位置如表4.1所示。 1)二位阀 二位阀通常有二位二通、二位三通、二位四通、二位五通等。二位阀有两种，一种是取消操纵力后能恢复到原来状态的称为自动复位式。另一种是不能自动复位的阀(除非加反向的操纵力)，这种阀称为记忆式。2)三位阀 三位阀通常有三位三通、三位四通、三位五通等。三位阀中，中间位置状态有中间封闭、中间卸压、中间加压三种状态。表4.1所示

15、为气动换向阀的通路数与切换位置数。(四)方向控制阀的公称通径阀的规格直接反映了阀的流通能力，是阀的一项基本参数，也是用户选用换向阀的重要 依据之一。通常用其配管的公称通径来表示，另外也有用螺纹管接头的公称通径来表示。表4.2列出了阀的常用公称通径及相应的流量性能、接管螺纹等，供选用参考。表4.2 阀的常用公称通径及相应的流量性能、接管螺纹连接螺纹 公制M10×1M14×1.5M18×1.5M22×1.5M27×2M33×2M42×2M50×2 M60×2英制G1/8G1/4G3/8Gl/2G3/4G1Gl

16、 1/4G1 1/2G2压力降/MPa0.020.0150.0150.0150.0120.0120.0120.010.01 二、电磁阀 (一)电磁铁的基本结构电磁阀由电磁铁和阀体组成。电磁铁是电磁阀的主要部件之一，其作用是利用电磁原理将电信号转换成阀芯(动铁心)的位移。根据电磁铁的结构，可分为T型、型和平板型，如图4.13所示。T型电磁铁为了减少铁损，用高磁通的硅钢片层叠制成，能够获得较好的效率和较大的吸引力，但所需的行程和体积较大，主要用于行程较大的直动式电磁阀。型电磁铁适用于直流电磁铁和小型交流电磁铁，用圆柱形普通磁性材料制成，其铁心的端面通常制成平面状或圆锥状。与T型电磁铁相比，型电磁铁

17、的吸力较小，行程较短。圆柱形铁心的重量轻、吸引时的冲击小，所以使用寿命长，主要用于小型直动式和先导式电磁阀。平板型电磁铁适用于交流和直流小型电磁铁，其特性与型相似，主要用于小型直动式截止阀和先导式电磁阀。(二)电磁铁的基本特性图4.14所示为电磁铁的电流与行程的特性关系。由图4.14可见，交流电磁铁开始吸合时电流最大(起动电流);当动铁心与静铁心吸合后，电流呈一定值(保持电流)。大型交流电磁阀的启动电流可达保持电流的10倍以上，是小型交流电磁阀和先导式电磁阀的2倍左右。直流电磁铁的电流与行程无关，电流始终保持一定值。通常，电磁铁长时间吸合是不会烧坏的。但是，当发生诸如主阀被杂质卡住、动铁心与静

18、铁心没有完全吸合等情况时，特别是交流直动式电磁阀会引起电流过载，并产生高温，烧坏线圈。 图4.15所示为电磁铁的吸力特性。交流电磁铁和直流电磁铁相似，当电压增加或行程减小时，吸力增加。但是，当动铁心的行程较大时，由于交流与直流电磁铁的电流特性不同，直流电磁铁的吸力将大大下降，而交流电磁铁吸力下降较缓慢。 常用电磁铁的额定电压有ACll0V、AC220V、DC24V等三种，允许电压偏差值为±10%，小型直流电磁铁的电压允许偏差值为-15%一+10%。交流电磁铁的特性因频率不同而变，但当频率为50Hz或60Hz时，其特性相差甚小，可以通用。交流电磁铁因磁力线和电流方向交替变化，会发生动铁

19、心的吸合与释放的反复动作，其频率为交流频率的2倍，因而会产生交流峰鸣声。其解决方法是在静铁心的吸合端面上嵌入短路的整流铜环，利用短路铜环感应的电流产生与主磁力线相位错开的磁力线来阻止交流蜂鸣声。(三)二通电磁阀 图4.16 所示为二通电磁阀。图4.16a为直动式电磁阀，阀的动铁心端面带有密封橡胶，可直接封住阀座气孔。电磁铁通电时，动铁心被吸合向上，主阀打开;电磁铁断电时，动铁心被弹簧力复位，主阀关闭。图4.16b为膜片截止式先导电磁阀，膜片上有一节流小孔，输入气压能通过节流小孔作用在膜片上部，使主阀关闭。当电磁铁通电时动磁心被吸合向上，膜片上部的空气经阀座气孔流出，压力下降，膜片在上下压差作用

20、下被顶起，主阀被打开。当电磁铁断电时动铁心关闭阀座气孔，上部压力增加，压下膜片关闭主阀。这种阀的特点是体积小、流通能力大，可通过大流量。这类阀适用于石油、化工、制冷等工业部门，用来输送空气、隋性气体、水及矿物油。 (四) 三通电磁阀图4.17所示为截止式二位三通直动式电磁阀。这种阀有常闭式(NC)和常开式(NO)两种。图示为常闭式，电磁铁的动铁心两端面装有密封橡胶，上下有两个阀座。当电磁铁断电时，下面阀座被封住，PA通路关闭，A0通路打开;当电磁铁通电时，上面的阀座被封住。PA通路打开，AO通路关闭。阀体上装有手动杆，用来手动操作阀的切换。这种阀结构简单，工作可靠。常用于控制小型单作用气缸，或

21、用作先导电磁阀的先导部分。(五)四通和五通电磁阀根据电磁铁的个数分为单电控和双电控两种。根据切换位置分为二位阀和三位阀，而主阀部分的密封方式有多种多样。 (1) 二位单电控电磁阀 图4.18所示为一种二位五通单电控电磁阀，其主阀采用截止式弹簧复位结构。先导阀的气源可以用内部P口气源(内先导)，也可以用外接控制气源(外先导)。该阀用作外先导时，其最低工作压力可从零开始。图4.19所示也是一种二位五通单电控电磁阀，其主阀采用滑柱式气压复位结构。通路间密封采用D形密封，安装在滑柱的密封沟槽中，由于密封圈圆弧直径很小，压缩量只有0.05mm左右，所以通过圆角为0.2mm左右沟槽时不会损坏。该阀具有结构紧凑、摩擦阻力小、无给油润滑等特点。(2) 二位双电控电磁阀这种阀如图4.20 a所示，具有记忆功能，电磁铁断电后主阀仍继续保持所处的切换位置。 图4.20 所示为一种二位五通双电控先导式电磁阀，先导原理如图4.20b所示。主阀部分由TS密封(Triple Sqeeze)的无阀套的滑柱式阀构成。其特点是滑动阻力小，在密封方向上截面对称，无密封方向性，具有压缩密封和唇形密封的各自优点。装配时,在阀杆的 TS密封件上已封入了特种润滑油脂，可在无给油润滑系统中应用。阀的结构简单，维修方便