《液压与气压传动技术》课件第10章

第10章气源装置及气动辅助元件10.1气源装置

10.2气源净化装置及辅助元件

思考和练习题

10.1气

源

装

置

10.1.1压缩空气站概述空压机是气压传动系统的动力来源，是气动系统必不可少的重要组成部分，它为气动系统提供具有一定压力和流量的压缩空气，并要求所提供的压缩空气清洁、干燥，以满足气动系统的工作需要。一般的气源装置由三部分组成：空压机;存储、净化压缩空气的设备;连接传输压缩气体的管路及其它辅件。

经空压机产生的压缩空气一般不宜直接使用，这是因为压缩空气中含有汽化的润滑油、水蒸气以及粉尘等杂质，若不经处理而使这些污染物进入到气动元件或管路中，会对气动系统造成极为不利的影响：（1）混在压缩空气中的油蒸气会聚集在储气罐、管路或气动元件的密闭容腔中形成易燃易爆物质，会有爆炸危险。（2）

油液被高温汽化后产生的有机酸，会腐蚀金属元器件。

（3）油水及杂质的混合物沉积到元件或管道中，使通流面积减小,气阻增大，管道堵塞；或使气动信号不能正常传递，造成气动系统工作不稳定，而易产生误动作。（4）压缩空气中的水蒸气，在一定的压力和温度下，会饱和而析出水滴，聚集在管道中形成水膜，增加气阻；如气温较低时，水汽冷凝会使管道及辅件因冻结而胀裂。（5）较大的杂质颗粒会引起气缸、气动马达、气动控制元件的相对运动，从而表面产生磨损，降低气动元件的使用寿命。（6）压缩空气温度过高，会加速气动元件中各种密封件、膜片和软管材料的老化，从而降低整个气动系统的使用寿命。

一般的压缩空气站除空气压缩机外，还必须设置过滤器、后冷却器、油水分离器和储气罐等净化装置和气动辅助元件，一般的气源装置及净化处理流程如图10－1所示。首先，空气经过滤器滤去部分粉尘、杂质后进入空压机1，压缩机输出的空气进入后冷却器2，使压缩空气的温度由140～170℃降至40～50℃，使得空气中的油气和水汽凝结成油滴和水滴;接着进入油水分离器3中，使大部分油、水和杂质从气体中分离出来；最后，将得到初步净化的气体送入到储气罐4中（一般称此过程为一次净化）。对于使用要求不高的气压系统，即可从储气罐4直接供气。对于仪表和用气质量要求高的工业用气，则必须进行二次和多次净化处理。既将经过一次净化处理的压缩空气再送入干燥器5进一步除去气体中的残留水分和油污。在净化系统中干燥器甲和乙交替使用，其中闲置的一个利用加热器8吹入的热空气进行再生，以备替换使用。四通阀9用于转换两个干燥器的工作状态，过滤器6的作用是进一步清除压缩空气中的杂质和油气。经过处理的气体进入储气罐7，可供给气动设备和仪表使用。

图

10-1压缩空气站净化流程示意图

10.1.2空压机

1．空压机的分类

(1）按工作原理，可分为容积式和速度式空压机两类。在容积式压缩机中，气体压力的提高是由于压缩机内部的工作容积被缩小，使单位体积内的气体分子密度增加而形成的；在速度式压缩机中，气体压力的提高是由于气体分子在高速流动时突然受阻而停滞下来，使动能转化为压力能而达到的。容积式压缩机又因其结构的不同可分为活塞式、膜片式和螺杆式等；速度式压缩机按其结构不同可分为离心式和轴流式等。一般常用活塞式空压机（容积式压缩机）。

(2）按输出压力,可分为低压空压机（0.2MPa＜p＜1.0MPa）、中压空压机（1.2MPa＜p＜1.0MPa）、高压空压机(10MPa＜p＜100MPa)和超高压空压机(p＞100MPa)。

(3）按输出的流量,可分为微型（q＜1m3/min)、小型（1m3/min＜q＜10m3/min）、中型（10m3/min＜q＜100m3/min)和大型（q＞100m3/min）四种空压机。

2．空压机的工作原理

1）活塞式空压机活塞式空压机的工作原理如图10-2所示。活塞式空压机是通过曲柄连杆机构使活塞作往复运动而完成吸气、压气，并达到提高气体压力的目的的。当活塞3向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力,吸气阀9被打开，空气在大气压力的作用下进入气缸2内，这一过程称为吸气过程；当活塞向左移动时，吸气阀9在缸内压缩气体的作用下关闭，缸内气体被压缩，这一过程称为压缩过程；当气缸内空气压力高于输出管路内压力p后，排气阀1被打开，压缩空气送至输气管路内，这一过程称为排气过程。活塞3的往复动作是由电动机带动曲柄转动，通过连杆、滑块、活塞杆转化成直线往复运动而产生的。

图

10-2卧式空气压缩机工作原理图

2）叶片式空压机叶片式空压机的工作原理如图10-3所示。转子偏心地安装在定子内，一组叶片插在转子的放射状槽内。当转子旋转时，各叶片主要靠离心力作用紧贴于定子内表面。叶片、转子和定子内表面所围成的容积空间在转子回转过程中，其容积逐渐减小，吸入的空气就逐渐被压缩，并从输出口排出。在转子的每一次回转中，将根据叶片的数目多次进行吸气、压缩和排气，所以输出压力的脉动较小。这种压缩机的优点是能连续排出脉动小的压缩空气，一般无需设置储气罐，结构简单，操作及维护方法简便，运转中噪音较小。缺点是叶片、转子、定子之间的相对运动产生较大的机械摩擦，能量损失大，机械效率较低。在输入口附近，还需要向气流喷油，以对叶片及定子内部进行润滑、冷却和密封，所以输出的压缩空气中含有大量油分，故必须在输出口处设置油雾分离器和冷却器，以便把油从压缩空气中分离出来，冷却后循环再用。图

10-3叶片式空压机工作原理

3）螺杆式空压机螺杆式空压机的工作原理如图10-4所示。两个啮合的螺旋转子以相反方向转动，它们当中自由空间的容积沿轴向逐渐减小，从进气口吸入的空气逐渐被压缩，并从排气口排出。由于其进气、压缩和排气等各行程均由转子旋转产生，因此输出的空气压力脉动较小。与叶片式空气压缩机一样，也需加油进行冷却、润滑及密封，所以在出口处也要设置油雾分离器。

图

10-4螺杆式空压机的工作原理

3．空压机的选用首先应按空压机的特性要求，选择空压机类型；再依据气压传动系统所需的工作压力和流量两个主要参数确定空压机的输出压力p和吸入流量qc，最终选取空压机的型号。在确定空压机的额定压力时，应使额定压力等于或略高于使用的工作压力，一般气压传动系统的工作压力为0.4～0.8MPa。空压机的输出压力p的计算表达式如下:式中:pc为空压机输出空气的压力，单位为MPa；p为气动系统的各执行元件工作的最高工作压力，单位为MPa；∑Δp为气动系统总的压力损失，单位为MPa。在确定空压机的额定排气量时，应以各种气动设备所需的最大耗气量（转换为自由空气耗量）之和为基础，并考虑到气动设备和气动系统管路阀门的泄漏量，以及各种气动设备是否连续工作等因素，将各元件和装置在其不同压力下压缩空气流量转换为大气压下的自由空气流量,如下式:式中：qz为气动系统的最大耗气量（自由流量），单位为m3/min；qy为在压力p下的压缩空气流量，单位为m3/min；p为压缩空气压力，单位为MPa。空压机总的计算输出排气量（自由流量）可由下式计算:式中：qc为空压机的输出排气量（自由流量），单位为m3/min；φ为设备利用系数，一般取φ＝0.3～1，也可参照图10-5选取；k1为漏损系数，一般取k1＝1.15～1.5；k2为备用系数，一般取k2＝1.3～1.6。图

10-5气动设备利用系数φ

10.2气源净化装置及辅助元件

10.2.1气源净化装置

1．后冷却器后冷却器安装在空压机输出管路上，其作用是将空压机出口排出的压缩空气温度由140～170℃降至40～50℃，并使其中大部分的水蒸气和油雾冷凝成液态，以便经油水分离器析出。冷却器主要有风冷式和水冷式两种。风冷式后冷却器是靠风扇产生的冷空气吹向带散热片的热气管道来降低压缩空气的温度的。它不需要循环冷却水，使用维护方便，但处理的压缩空气量小，且经冷却后的压缩空气出口温度比环境温度高15℃左右。

水冷式后冷却器是通过强迫冷却水沿压缩空气流动方向的相反方向流动来进行冷却的，压缩空气的出口温度比环境温度高10℃左右。通常使用间接式水冷冷却器，其结构形式有蛇管式、列管式、散热片式、套管式等。图10-6所示为几种常见的后冷却器的结构示意图。

安装时需特别注意压缩空气和冷却水的流动方向（图中箭头所示方向）。

图10-6几种常见冷却器(a)蛇管式冷却器；

(b)列管式冷却器；

(c)套管式冷却器;(d)图形符号

2．油水分离器油水分离器的作用是分离压缩空气中冷凝的水滴和油滴及粉尘等杂质，使压缩空气得到初步的净化。其结构形式有：撞击折回式、环形回转式、水浴式、离心旋转式等。图10-7所示为撞击折回式油水分离器的结构原理示意图。当压缩空气由进气管输入口进入分离器壳体后，气流先受到隔板的阻挡，被撞击而折回向下（如图中箭头所示方向）；之后又上升并产生环形回转，最后从输出管口排出。与此同时，在压缩空气中凝聚的水滴、油滴等杂质，受惯性力作用而分离析出，

沉降于壳体底部，

由排污阀定期排出。

图10-7撞击折回式油水分离器结构及原理图(a)结构；

(b)图形符号

图10-8所示为水浴式和旋转离心式油水分离器的串联结构示意图。压缩空气从管道进入分离器底部后，经水洗和过滤以除去压缩空气中大量的油分等杂质，之后从出口输出，再沿切向进入旋转离心分离器后，产生强烈的旋转，使压缩空气中的水滴、油滴等杂质，利用离心力作用被分离出来而沉降到壳体底部，再由排污阀定期排出。这种组合式分离器可显著增强净化效果。

图10-8水浴式和旋转离心式油水分离器串联结构(a)水浴式油水分离器；

(b)旋转离心式油水分离器

3．储气罐

储气罐的作用是储存一定数量的压缩空气，调节用气量以备空压机发生故障和临时应急用；消除压力脉动，保证连续、稳定的气流输出；减弱空压机排气压力脉动引起的管道振动；

进一步分离压缩空气中的水分和油分。

储气罐一般为焊接结构，多以立式放置，图10-9为储气罐的结构示意图。罐高H为罐内径D的2～3倍。进气口在下，出气口在上，并应尽可能加大两管口的间距，以利于充分分离空气中的油水等杂质。储气罐上设置有安全阀，应调整其极限压力比正常工作压力高10％；装设有压力表以显示罐内空气压力；装设有清洗入孔或手孔；底部设置排放油、水的接管和阀门。

图10-9储气罐设计或选择储气罐容积时，

储存一定量的压缩空气所需储气罐的容积可按下式计算：

式中：Vc为储气罐的容积，单位为m3；qz为气动系统的最大耗气量（自由流量），单位为m3/min；qc为空压机的输出排气量（自由流量），单位为m3/min；t为气动系统一个工作循环所用的时间（周期），单位为s；p0为大气压力（MPa），p0＝0.103MPa；p1为储气罐中气体上升能够达到的最高压力，单位为MPa；p2为储气罐中气体下降允许达到的最低压力，单位为MPa。以消除压力脉动为目的的储气罐，可参考下列经验公式：qc＜0.1m3/s时， Vc＝12qcm3

qc＝0.1～0.5m3/s时，Vc＝9qcm3

qc＞0.5m3/s时，Vc＝6qcm3

4．空气干燥器

压缩空气经后冷却器、油水分离器的初步净化后，可进入到储气罐中以满足一般气动系统的使用；而某些对压缩空气质量要求较高的气动设备的用气，还需经过进一步净化处理后才能够使用。干燥器的作用是进一步除去压缩空气中含有的少量的水分、油分、粉尘等杂质，使压缩空气干燥，

提供给要求气源质量较高的系统及精密气动装置使用。

目前使用的干燥器，主要有吸附法和冷却法。吸附法是利用硅胶、铝胶、分子筛、焦炭等吸附剂吸收压缩空气中的水分，使压缩空气得到干燥的方法。吸附法除水效果很好。采用焦炭做吸附剂相对效果差些，但成本低，还可吸附油分。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气压部分的水分，降低其含湿量，增加空气的干燥程度。吸附法应用较为普遍。图10-10所示为吸附式干燥器的结构原理图。其工作原理是使压缩空气从管道1进入干燥器内，通过上吸附层21、铜丝过滤网20、上栅板19、下吸附层16之后，湿空气中的水分被吸附剂吸附而干燥，再经过铜丝过滤网15、下栅板14、毛毡层13、铜丝过滤网12滤去空气中的粉尘杂质，最后干燥、洁净的压缩空气从输出管输出。

图10-10吸附式干燥器(a)结构；

(b)图形符号

5．空气过滤器过滤器的作用是滤去压缩空气中的油分、水分和粉尘等杂质的。不同的使用场合对过滤器的要求不尽相同。过滤器的形式较多，常用的过滤器可分为一次过滤器和二次过滤器。一次过滤器又称为简易过滤器，一般置于干燥器之后，其滤灰效率为50％～70％。二次过滤器又称分水滤气器，其滤灰效率为70％～90％。图10-11所示为一次过滤器。过滤原理是：气流由切线方向进入筒体内，在惯性力的作用下分离出液体，然后气体由下而上通过多孔钢板、毛毡、硅胶、滤网等过滤吸附材料，

干燥洁净的压缩空气从筒顶输出。

图

10-11一次过滤

图

10-12分水滤气器

10.2.2辅助元件

1．油雾器油雾器是一种特殊的注油装置。其作用是使润滑油雾化后，随压缩空气一起进入到需要润滑的气动部件，以达到润滑的目的。这种注油方法具有润滑均匀、稳定，耗油量少和不需要大的储油设备等优点。图10-13所示为油雾器的结构原理图。压缩空气从气流入口1进入，大部分气体从主气道流出，一小部分气体由小孔2通过特殊单向阀10进入储油杯5的上腔A，使杯中油面受压，迫使储油杯中的油液经吸油管11、单向阀6和可调节流阀7滴入透明的视油器8内，而后再滴入喷嘴小孔3，被主管道通过的气流引射出来，雾化后随气流由出口4输出，送入到气动系统中。透明的视油器8可观察滴油情况，上部的节流阀7可用来调节滴油量。

图

10-13油雾器

这种油雾器可在不停气的情况下加油，实现不停气加油的关键部件是特殊单向阀(截止阀)10。当没有气流输入时，阀中的弹簧把钢球顶起，封住加压通道，阀处于截止状态，如图10－14(a)所示；正常工作时，压力气体推开钢球进入油杯，油杯内气体的压力加上弹簧的弹力使钢球悬浮于中间位置，截止阀10处于打开状态，如图10-14(b)所示；当进行不停气加油时，拧松加油孔的油塞，储油杯中的气压立刻降至大气压，输入的气体压力把钢球压至下端位置，使截止阀10处于反向关闭状态，如图10-14(c)所示，这样便封住了油杯的进气道，不致使油杯中的油液因高压气体流入而从加油孔中喷出。

此外，由于单向阀6的作用，压缩空气也不能从吸油管倒流入油杯。所以可在不停气情况下，从油塞口往杯中注油，当注油完毕拧紧油塞后，由于截止阀有少许的漏气，因此A腔内压力逐渐上升，直至把钢球推至中间位置，油雾器重新正常工作。

图10-14特殊单向阀(a)不工作时；

(b)工作时(进气)；

(c)不停气加油时

图

10-15气动三联件的安装顺序

2．消声器

1）吸收型消声器

这种消声器主要靠吸声材料消声，如图10-16所示。消声套为多孔的吸声材料，是用聚苯乙烯颗粒或铜珠烧结而成的。当有压气体通过消声罩时，气流受阻，声波被吸收一部分并转化为热能，从而降低了噪声强度。吸收型消声器结构简单，具有良好的消除中、高频噪声的功能，可降低噪声约20dB，

在气动系统中应用广泛。

图10-16吸收型消声器(a)结构；

(b)图形符号

2）膨胀干涉型消声器这种消声器的直径比排气孔径大得多，气流在其内部扩散