液压与气压传动 课件 第13章 气压传动

液压与气压传动第13章气压传动

气压传动简称气动，是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。气压传动的工作原理是利用是利用空气压缩机将电动机或其它原动机输出的机械能转变为空气的压力能，在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行元件把空气的压力能转变为机械能，从而完成直线或回转运动并对外作功。

13.1气压传动概述气源装置分水滤气器压力控制阀油雾器方向控制阀消声器流量控制阀气

缸13.1.1气压传动的工作原理及组成由气源装置、气动执行元件、气动控制元件、辅助元件和工作介质组成13.1.2气压传动的优缺点空气取之不尽，节省购买、贮存、运输的费用；用后空气排入大气，不必设回气管，不污染环境；空气在管内流动阻力小，压力损失小，便于输送；气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞；气动元件结构简单，易于制造、标准化、系列化、通用化；气动系统在恶劣工作环境中，安全可靠性优于液压等系统；气动系统可实现过载保护，可压缩性气体便于贮存能量；气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象；1.气压传动的优点2.气压传动的缺点工作压力较低，输出功率较小；需要净化和润滑；气信号传递的速度比光、电控制慢，不宜用于高速传递的回路中；排气噪声大，需加消声器；空气的可压缩性，在载荷变化时动作稳定性差；气压传动效率较低。

气动系统要求压缩空气既具有一定压力和流量，并具有一定的净化程度。由空气压缩机产生的压缩空气，不但具有一定压力和流量，同时也含有一定的水分、油分和灰尘。要满足气动系统对空气质量的要求，必须对压缩空气进行降温、净化和稳压等一系列处理，才能供给控制元件及执行元件使用。

13.2气源装置及辅件气源系统一般由气压发生装置（空气压缩机）、压缩空气的净化处理及储存装置、传输压缩空气的管道系统和气动三联件四部分组成。13.2.1气源装置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8—加热器9—四通阀气源装置的组成和布置示意图1.气源装置的组成及布置空气压缩机将机械能转化为气压能，供气动机械使用。2.空气压缩机按工作原理分类：可分为容积式空压机和速度式空压机速度式空压机的工作原理是提高气体分子的运动速度以此增加气体的动能，然后将气体分子的动能转化为压力能以提高压缩空气的压力。容积式空压机的工作原理是压缩空压机中气体的体积，使单位体积内空气分子的密度增加以提高压缩空气的压力。按空压机输出压力大小分类低压空压机 0.2～1.0MPa中压空压机1.0～10MPa高压空压机10～100MPa超高压空压机＞100MPa按空压机输出流量(排量)分类微型＜1m3／min小型1～10m3／min中型10～100m3／min大型＞100m3／min

除油、除水、除尘，并使压缩空气干燥的提高压缩空气质量、进行气源净化处理的辅助设备。后冷却器油水分离器储气罐干燥器3.空气净化装置（1）后冷却器结构形式：列管式；蛇管式；套管式；散热片式作用：

将空气压缩机排出具有140℃～170℃的压缩空气降至40℃～50℃，压缩空气中的油雾和水气亦凝析出来。冷却方式有水冷和气冷式两种。

作用:

使水滴、油滴及其他杂质颗粒从压缩空气中分离出来。工作原理：

当压缩空气进入分离器后产生流向和速度的急剧变化，再依靠惯性作用，将密度比压缩空气大的油滴和水滴分离出来。（2）油水分离器（除油器）（3）储气罐作用：1）存储一定数量的压缩空气；2）消除压力波动，保证输出气流的连续性和稳定性；3）进一步分离压缩空气中的水分和油分。储气罐应有：安全阀（比工作压力高10%）、清理检查口、压力表及排污口。工作原理：

压缩空气干燥方法主要采用吸附、冷冻等方法。吸附式干燥器是利用具有吸附性能的吸附剂吸附空气中水蒸气的一种空气净化装置。作用:进一步除去压缩空气中含有的水分、油分、颗粒杂质等，使压缩空气干燥，用于对气源质量要求较高的气动装置、气动仪表等。（4）干燥器13.2.2气动三联件气动三联件是压缩空气质量的最后保证。空气过滤器（分水过滤器）：除去空气中的灰尘、杂质，并将空气中的水分分离出来。油雾器：特殊的注油装置。将润滑油喷射成雾状，随压缩空气流入需要的润滑部件，达到润滑的目的。减压阀：起减压和稳压作用。1.空气过滤器（分水过滤器）作用：除去空气中的灰尘、杂质，并将空气中的水分分离出来。结构：旋风叶子：带角度的缺口，使空气切线方向旋转；存水杯、挡水板：水滴、油滴、灰尘滤芯：微尘、雾状水汽手动放水阀图形符号：人工放水自动放水1—旋风叶子2—滤芯3—存水杯4—挡水板5—排水芯2.

减压阀

气动三大件中所用减压阀的作用是将较高的输入压力调整到低于输入压力的凋定压力输出，并能保持输出压力稳定，以保证气动系统或装置的工作压力稳定，不受输出空气流量变化和气源压力波动的影响。3.油雾器作用：润滑工作原理：压缩空气流过时，它将润滑油喷射成雾状，随压缩空气流入需要的润滑部件，达到润滑的目的。(a)不工作时(b)工作进气时(c)刚开始工作时

不停气加油时空气单向阀的状态图形符号气动三大件的安装连接次序：空气过滤器（分水过滤器）、减压阀、油雾器。多数情况下，三件组合使用，也可以少于三件，只用一件或两件。无管连接时称为气动三联件。4.气动三大件的安装次序12.2.3气动辅助元件1.消声器气缸、气阀等工作时排气速度较高，气体体积急剧膨胀，会产生刺耳的噪声。为了降低噪声在排气口要装设消声器。消声器是通过阻尼或增加排气面积来降低排气的速度和功率，从而降低噪声的。吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的。吸声材料有玻璃纤维、毛毡、泡沫塑料、烧结材料等。吸收型消声器2.管道连接件

气动执行元件是将压缩空气的压力能转化为机械能的能量转换装置，分为气缸和气马达两大类。气缸用于提供直线往复运动或摆动，气马达用于提供连续回转运动。13.3气动执行元件分类

分类依据

类

别受压运动件活塞杆数目驱动方式缓冲方式尺寸规格安装形式润滑形式

功能

活塞式、膜片式

单活塞杆型、双活塞杆型

单向作用、双向作用

无缓冲型、缓冲型(单侧缓冲、双侧缓冲)

微型、小型、中型、大型

固定式、摆动式、回转式、嵌入式

给油润滑、无给油润滑、无油润滑

普通型、特殊型13.3.1气缸1.活塞式气缸有单作用和双作用气缸两种。与液压缸类似。1，13－弹簧挡圈2－防尘圈压板3－防尘圈4－导向套5－杆侧端盖6－活塞杆7－缸筒8－缓冲垫9－活塞10－活塞密封圈11－密封圈12－耐磨环14－无杆侧端盖

利用膜片代替活塞，在压缩空气作用下产生变形来推动活塞杆作直线运动。缸体、膜片、膜盘、活塞杆和弹簧组成。

因膜片变形有限，故行程较短，一般不超过（40~50）mm。2.膜片式气缸3.无杆气缸

无杆气杆没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接或间接实现往复运动。由于没有活塞杆，活塞两侧受压面积相等，双向行程具有同样的推力，有利于提高定位精度。这种气缸的最大优点是节省了安装空间，特别适用于小缸径、长行程的场合。无杆气缸主要分为机械接触式和磁性耦合式两种。通常将磁性耦合无杆气缸称为磁性无杆气缸。磁性无杆气缸1－套筒2－外磁环3－外磁导板4－内磁环5－内磁导板6－压盖7－卡环8－活塞9－活塞轴10－缓冲柱塞11－气缸筒12－端盖13－进、排气口机械接触式无杆气缸优点：结构紧凑、最大行程和速度比较高；缺点：密封性能差，可承受负载小。4.气液阻尼缸

以压缩空气为动力，以液压油为阻力来控制调节气缸的运动速度。

由液压缸与气缸串联组成，以双杆活塞腔为液压缸。

用于运动平稳性要求较高的场合。冲击气缸是一种结构简单，成本低，耗气功率小，但能产生相当大的冲击力的一种特殊气缸。可用于锻造、冲压、下料、破碎等多种场合。5.冲击气缸缸体、中盖、活塞、活塞杆组成。

中盖和缸体固接，上开有喷嘴和泄气口。

中盖和活塞将缸体分为三个腔室：蓄能腔、活塞腔和活塞杆腔。工作过程由复位、蓄能和冲击三个阶段组成。工作原理a)复位段：气源由孔A供气，孔B排气，活塞上升至密封垫封住喷嘴，气缸上腔成为密封的储气腔。b)储能段：气源改由孔B进气，孔A排气。由于上腔气压作用在喷嘴上面积较小，而下腔气压作用面积大，故使上腔贮存很高的能量。c)冲击段：上腔压力继续升高，下腔压力继续降低，当上下腔压力比大于活塞与喷嘴面积比时，活塞离开喷嘴，上腔气体迅速充入活塞与中盖间的空间。活塞将以极大的加速度向下运动。气体的压力能转换为活塞的动能，产生很大的冲击力。

气马达是一种作连续旋转运动的气动执行元件，其作用相当于电动机或液压马达，它输出转矩、驱动执行机构作旋转运动。在气压传动中使用广泛的是叶片式、活塞式和齿轮式气马达。图形符号：13.3.2气马达1.气马达特点1）工作安全，具有防爆性能，适用于恶劣的环境，在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等条件下均能正常工作。2）有过载保护作用。过载时马达只是降低转速或停止，当过载解除后运转，并不产生故障。3）可以无级调速。只要控制进气流量，就能调节马达的功率和转速。4）比同功率的电动机轻1／3～1／10，输出功率惯性比较小。5）可长期满载工作，而温升较小。6）功率范围及转速范围均较宽，功率小至几百瓦，大至几万瓦，转速可从每分钟几转到上万转。7）具有较高的启动转矩，可以直接带负载启动。启动、停止迅速。8）结构简单，操纵方便，可正反转，维修容易，成本低。9）速度稳定性差。输出功率小，效率低，耗气量大。噪声大，容易产生振动。

2.叶片式气马达的工作原理压缩空气由A孔输入，小部分经定子两端的密封盖的槽进入叶片底部(图中未表示)，将叶片推出，使叶片贴紧在定于内壁上，大部分压缩空气进入相应的密封空间而作用在两个叶片上，由于两叶片伸出长度不等，就产生了转矩差，使叶片与转子按逆时针方向旋转，作功后的气体由定子上的孔c和B排出。若改变压缩空气的输入方向（即压缩空气由B孔进入，A孔和C孔排出），则可改变转子的转向。1—叶片2—转子3—定子叶片式气马达的特点叶片式气动马达一般在中、小容量，高速回转的范围使用，其输出功率为0.1~20kW，转速为500~25000r/min。叶片式气动马达起动及低速时的特性不好，在转速500r/min以下场合使用时，必须要用减速机构。叶片式气动马达主要用于风动工具，高速旋转机械及矿山机械等。1—叶片2—转子3—定子

气动控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量和流动方向的气动控制元件。按其作用和功能可分为：方向控制阀流量控制阀压力控制阀13.4气压控制元件13.4.1方向控制阀

方向控制阀用来控制压缩空气的流动方向和气流的通、断。包括单向阀和换向阀两种类型。分类方式形式按阀内气体的流动方向单向阀、换向阀按阀芯的结构形式截止阀、滑阀按阀的密封形式硬质密封、软质密封按阀的工作位数及通路数二位三通、二位五通、三位五通等按阀的控制操纵方式气压控制、电磁控制、机械控制、手动控制1.气压控制换向阀(a)无控制信号状态

(b)有控制信号状态单气控加压截止式换向阀的工作原理图二位三通单气控截止式换向阀的结构图双气控滑阀式换向阀的工作原理图2)双气控滑阀式换向阀1)单气控加压式换向阀2.电磁控制换向阀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

直动式双电控电磁阀的工作原理图（a）电磁铁1通电、3断电时状态（b）电磁铁3通电、1断电时状态1、2—电磁铁3—阀芯1)直动式电磁换向阀2）先导式电磁换向阀

先导式双电控换向阀的工作原理图（a）电磁先导阀1通电、3断电时状态（b）电磁先导阀3通电、1断电时状态1、3—电磁先导阀2—主阀先导式电磁阀是由电磁铁首先控制气路，产生先导压力，再由先导压力推动主阀阀芯，使其换向。3.机械控制换向阀4.手动控制换向阀机械控制换向阀1—滚轮2—杠杆3—顶杆4—缓冲弹簧5—阀芯6—密封弹簧7—阀体二位三通按钮式手动换向阀1—按钮2—上阀芯3—下阀芯4—阀体5.梭阀梭阀相当于两个单向阀的组合。A始终与压力高的一端相通。

减压阀（调压阀）：气动三大件之一，用于保证减压后的压力稳定；

顺序阀：依靠回路中压力的不同，控制两个执行元件的顺序动作，与单向阀并联可组成单向顺序阀；溢流阀(安全阀）：使压力控制在某一调定值范围内，保证气动回路或蓄气罐的安全。13.4.2压力控制阀1.减压阀（调压阀）QTY型直动式减压阀1—调节手柄2、3—压缩弹簧4—溢流口5—膜片6—阀杆7—阻尼管8—阀芯9—阀口10—复位弹簧11—排气孔安装减压阀时，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。2.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。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。顺序阀工作原理图单向顺序阀工作原理图(a)关闭状态；(b)开启状态1—调节手柄2—弹簧3—活塞4—单向阀3.溢流阀溢流阀在系统中起过载保护作用。溢流阀也称为安全阀。开启压力大小与弹簧的预压缩量有关。溢流阀工作原理图(a)关闭状态(b)开启状态1-调节手柄2-压缩弹簧3-活塞与液压阀一样，气动流量控制阀也是通过改变阀的通流面积或通流长度来实现流量（或流速）控制的元件。节流阀

单向节流阀

排气节流阀快速排气阀13.4.3流量控制阀

排气节流阀是装在执行元件的排气口处，调节排入大气中气体流量的一种控制阀。作用：不仅能进行调速，还能排气、消声，降低噪音。1.排气节流阀图形符号：1—节流口2—消声套2.快速排气阀加快气缸排气腔排气，以提高气缸运动速度。通常装在换向阀与气缸之间，使气缸的排气不需要通过换向阀而快速完成，从而加快了气缸往复运动的速度。注意：

应用气控流量阀对气缸进行调速，比用液控流量阀调速困难，因气体压缩性较大，所以调速时必须注意：1、管道上不能存在漏气现象；2、气缸、活塞间的润滑状态要好；3、外加负载应稳定，否则应借助液压或机械装置来补偿；4、流量阀应尽量靠近气缸附近。

以比例和伺服控制阀为核心组成的气动比例和伺服控制系统可实现压力、流量连续变化的高精度控制，能够满足自动化设备的柔性生产要求。13.5气动比例阀和气动伺服阀气动比例控制阀是一种输出量与输入信号成比例的气动控制阀，可以按给定的输入信号连续地、成比例地控制气流的压力、流量和方向等，其输出压力、流量可不受负载变化的影响。输入信号可以是气压或电信号，按输出信号可分为比例压力阀和比例流量阀两大类。按输入信号不同，气动比例阀分为气控比例阀和电控比例阀。13.5.1气动比例阀气流作为控制信号控制阀的输出参量；实际应用时，应与电气转换器相结合。1.气控比例阀气控比例压力阀结构原理图1—弹簧

2—阀芯

3—溢流阀芯

4—阀座

5—输出压力膜片6—控制压力膜片7—调节针阀2.电控比例阀电磁铁驱动的比例控制阀1—比例电磁铁

2—滑柱

3—阀套

4—弹簧

5—阀体可作为压力阀，也可作为流量阀；做比例流量阀时，按通数的不同，比例流量阀又有二通与三通之分。13.5.2气动伺服阀动态响应和静态性能高；价格较贵，使用维护困难；控制信号均为电信号。电气伺服阀1—节流口2—过滤器3—气室4—补偿弹簧5—反馈杆

6—喷嘴7—挡板8—线圈9—支持弹簧10—导磁体11—磁铁动圈式压力伺服阀结构图1—动圈式力马达2—喷嘴3—挡板4—固定节流口5—阀芯6—阀体7—复位弹簧8—阻尼孔气动系统一般由最简单的气动基本回路和气动常用回路组成：安全保护回路同步动作回路往复动作回路13.6气动回路压力与力控制回路方向控制回路速度控制回路位置控制回路基本回路常用回路1.方向控制回路作用：使气缸伸出、缩回。13.6.1气动基本回路单作用气缸换向回路各种双作用气缸的换向回路溢流阀作为安全阀使用。特点：结构简单，工作可靠，但气量浪费大；电接点压力表对电机及控制要求高，常用于对小型空压机的控制。1）一次压力控制回路作用：使储气罐送出的气体压力不超过规定压力。2.压力和力控制回路采用溢流式减压阀对气源实行定压控制。是气动设备中必不可少的常用回路。2）

二次压力控制回路作用：气源压力控制，由气动三大件——空气过滤器（分水滤气器）、减压阀与油雾器组成的压力控制回路。3）高、低压力控制回路由减压阀控制同时输出高低压力p1、p2由换向阀控制分时输出高低压力p1、p2电气比例压力阀的进口应设置油雾分离器，防止油雾及杂质进入电气比例阀，影响阀的性能及使用寿命。4）无级压力控制回路作用：为避免太多的减压阀和换向阀，可使用电气比例阀来实现压力的无级控制。无级压力控制回路1—大流量排气型减压阀

2—比例压力阀3—油雾分离器通过控制电磁阀的通电个数，实现对分段式活塞缸的活塞杆输出推力的控制。

气动系统一般压力较低，所以往往是通过改变执行元件的受力面积来增加输出力。5）串联气缸回路利用气液增压器1把较低的气压变为较高的液压力，提高了气液缸2的输出力。6）气液增压缸增力回路气液增压缸增力回路1—气液增压缸2—气液缸

因气动系统所用功率都不大，故常用的调速回路主要是节流调速。1）单作用气缸的速度控制回路a)升降速度分别由两个节流阀控制b)快返回路，活塞返回时，气缸下腔通过快速排气阀排气。3.速度控制回路2）双作用气缸的速度控制回路a）单向调速回路节流供气和节流排气两种调速方式调节节流阀的开度，就可控制不同的进气、排气速度，从而也就控制了活塞的运动速度，

通过两个单向节流阀或两个排气节流阀控制气缸伸缩的速度。b）图进气阻力小。2）双作用气缸的速度控制回路b）双向调速回路用两个快排阀实现双作用气缸的快速往返，可达到节省时间的要求。c）快速往复运动回路

利用两个二位二通阀与单向节流阀并联，当撞块压下行程开关时，发出电信号，使二位二通阀换向，改变排气通路，从而使气缸速度改变。d）速度换接回路

活塞快速向右运动接近末端，压下机动换向阀，气体经节流阀排气，活塞低速运动到终点。

适用于活塞惯性力大的场合。e）缓冲回路

利用比例流量阀实现气缸无级调速的控制回路。给比例流量阀1输入电信号，可使气缸以与电信号大小匹配的速度前进或后退。f）无级调速回路1—比例流量阀2—三通电磁阀

利用三位五通电磁换向阀实现位置控制。中位封闭式换向阀(a)(b)中位加压式换向阀(c)1)采用三位换向阀的位置控制回路4.位置控制回路

利用机械挡块来确定气缸的位置，该回路简单可靠；

定位精度取决于挡块的机械精度。2)采用机械挡块的位置控制回路4.位置控制回路

单向减压阀3来进行负载的压力补偿。当阀1、2断电时，气缸在行程中间制动并定位；当阀2通电时，制动解除。3)采用制动气缸的位置控制回路4.位置控制回路1.安全保护回路13.6.2气动常用回路1)过载保护回路2)互锁回路3)双手同时操作回路防止由于气动机构负荷过载、气压突然降低以及气动执行机构的快速动作等原因危害操作人员或设备的安全。2.同步动作回路将油液密封在回路之中，油路和气路串接，同时驱动1、2两个缸，使二者运动速度相同；截止阀3用以放掉混入油液中的空气。液液气气3.往复动作回路行程阀控制的单缸单往复回路压力控制的单往复回路利用阻容回路形成的时间控制单缸单往复回路1)单缸往复动作回路2）连续往复动作回路

按下阀1的按钮后，阀4换向，活塞向前运动，这时阀3复位，阀4不能复位，活塞继续前进。到行程终点压下行程阀2，使阀4复位，气缸返回，在终点压下阀3，阀4换向，活塞再次向前，形成了连续往复动作。

提起阀1的按钮后，阀4复位，活塞返回而停止运动。

通过典型气动系统的分析，熟悉各种气压元件在系统中的作用和各种基本回路的构成，进而