1 气压传动.ppt

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1、 1 1电子气动控制技术概述大约在1776年发明了能产生一个大气压的空气压缩机 1880年 人们第一次将它成功地应用到火车的制动上 进入二十世纪60年代 气动主要用于比较繁重的作业领域作为辅助传动 如用于矿山 钢铁 机床和汽车制造等行业 70年代后期 开始用于自动装配 包装 检测等轻巧的作业领域 80年代以来 随着与电子技术的结合 特别是航天技术发展的需要 电子气动控制技术得到快速发展 如今计算机控制技术和可编程控制技术的发展 使整个系统的自动化程度更高 控制方式更灵活 性能更加可靠 第一章电子气动控制技术 1 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和信号传递的一门技术

2、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 提问 什么是传动 由于气动元件的单价比液压元件便宜 在相同产值的情况下 气动元件的使用量及使用范围已远远超过了液压行业 随着工业机械化 自动化的发展 气压传动技术广泛地用在生产自动化和其它各个领域 形成现代气动技术 如 焊接生产线 力控 定位 夹紧 组装生产线 工件的搬运 转位 定位 进给 装卸 检测 冲压 工具等 也大量应用于控制技术 有纯气动控制和气动电子控制技术 1 2气压传动的应用 气动技术广泛

3、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 2 2气动控制的发展动向及主要优缺点 近三十年气动行业发展很快 20世纪70年代 液压与气动元件的产值比约为9 1如今已达5 5 纵观世界气动行业的发展趋势 气动技术发展有以下趋势 1 电气一体化2 小型化和轻量化3 复合集成化4 无油化5 低功耗6 高精度 高质量 高速度 高出力 2

4、3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 5 气体压力具有较强的自保持能

5、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 2 4气压传动的缺点 1 因空气的可压缩性较大 气动装置的动作稳定性较差 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

6、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 2 5气动冲床气动原理图 2 5气动冲床电控回路图及电路图 气压传动系统和液压传动系统类似 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

7、 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 1 3气动系统的基本组成示例 2020年12月6日星期日 气压产生装置 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 汽缸 气压的传递 分配和控制即输送系统 气压的消耗 1 工作介质不同 2 动力装置不同 3 液体基本不可压缩 而气体是可压缩的 4 压缩空气必须经过去湿 净化 和降温 5 气源装置由空气压缩机 冷却器 过滤器 干燥器和蓄气罐组成 其作用是为气动系统提供符合要

8、求的压缩空气 因辅助装置多是否不用 否 1 多能源 2 污染小 3 应用广如 化工 设备 食品 医药 交通 航运和人不宜达到的地方 高温 危险劳动等 3 1气源装置及辅件 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 3 2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

9、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 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

10、命 3 3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 图为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 20 5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 6为过滤器 用以进一步过滤压缩空气 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 如气动仪表等 7为贮气罐 21 3 4气压缩机的分类及选用原则 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

11、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 空气压缩机分为往复式与回转式两大类 往复式可细分为活塞式与膜片式 回转式可细分为叶片式与螺杆式 空气压缩机的选用原则选用空气压缩机需用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 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 1

12、00MPa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 气压发生装置 2020年12月6日星期日 2020年12月6日星期日 深圳职业技术学院 液压与气动技术 2020年12月6日星期日 1 4空压机的工作原理 1 常见的空压机有活塞式空压机 叶片式空压机和螺杆式空压机三种 下图为单级活塞式空压机工作原理 27 2 气压缩机的工作原理 气压传动系统中最常用的空气压缩机是往复活塞式 图11 2往复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 十字头与滑道 7 连杆 8 曲柄9 吸气阀1

13、0 弹簧 28 当活塞3向右运动时 左腔压力低于大气压力 吸气阀9被打开 空气在大气压力作用下进入气缸2内 这个过程称为 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 这个过程称为 压缩过程 当气缸内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 2020年12月6日星期日 4 空压机的工作原理 1 单级活塞式空压机通常用于需要 0 3 0 7 Mpa压力范围的系统 在单级压缩机中 若空气压力超过0 6Mpa 产生的过热将大大地降低压缩机的效率 故当输出压力较高时 应采取多级压缩 2 多级压缩可降低

14、排气温度 节省压缩功 提高容积效率 增加压缩气体排气量 下面介绍多级空压机工作原理 2020年12月6日星期日 5 空压机的工作原理 2 二级活塞式空压机工作原理 2020年12月6日星期日 6 空压机的工作原理 2 由两级三个阶段将吸入的大气压空气压缩到最终的压力 如果最终压力为0 7Mpa 第一级通常将它压缩到0 3Mpa 然后经过中间冷却器被冷却 压缩空气通过中间冷却器后温度大大下降 再输送到第二级气缸中压缩到0 7Mpa 因此 相对于单级压缩机提高了效率 最后输出温度可控制在120度左右 2020年12月6日星期日 7 空压机的工作原理 3 叶片式空压机 2020年12月6日星期日 8

15、 空压机的工作原理 3 在回转过程中不需要活塞式空压机中具有的吸气阀和排气阀 在转子的每 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 通常情况下 叶片式空压机需采用润滑油对叶片 转子和机体内部进行润滑 冷却和密封 所以排出的压缩空气中含有大量的油份 因此在排气口需要安装油气分离器和冷却器 以便把油份从压缩空气中分离出来进行冷却并循环使用 2020年12月6日星期日 9 空压机的工作原理 4 膜片式压缩机 2020年12月6日星期日 10 空压机的工作原理 4 膜片式压缩能提供5巴的压缩空气 由于它完全没有油 因此广泛用于食品 医药和相类似的工业中 膜片使气室容积

16、发生变化 在下行程时吸进空气 上行程时压缩空气 2020年12月6日星期日 11 空压机的工作原理 5 螺杆式空压机 2020年12月6日星期日 12 空压机的工作原理 5 螺杆式压缩机 由电动机带动两个啮合的螺旋转子以相反方向运动 它们当中自由空间的容积沿轴向减少 从而压缩两转子间的空气 利用喷油来润滑密封的两旋转螺杆 油分离器将油与输出空气分开 此类压缩机可连续输出流量可超过400m3 min 压力高达10巴 和叶片式压缩机相比 此类压缩机能输送出连续的无脉动的压缩空气 虽然螺杆式和叶片式压缩机愈来愈受青睐 但过去工业上最普遍使用的仍然是往复式压缩机 2020年12月6日星期日 13 空压

17、机的使用注意事项 空压机的安装位置 空压机的安装地点必须清洁 无粉尘 通风好 湿度小 温度低且要留有维护保养空间 所以一般要安装在专用机房内 噪音 空压机一运转即产生噪音 必须考虑噪音的防治 如设置隔声罩 设置消声器 选择噪音较低的空压机等 一般而言 螺杆式空压机的噪音较小 3 使用专用润滑油并定期更换 启动前应检查润滑油位 并用手拉动传动带使机轴转动几圈 以保证启动时的润滑 启动前和停车后 都应及时排除空压机气罐中水分 39 1 5气动辅助元件 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

18、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 2020年12月6日星期日 5 1压缩空气净化处理装置 1 风冷式和水冷式后冷却器 41 后冷却器a 蛇管式b 列管式 42 2 水分离器 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 油水分离器的结构形式有环形回转式 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

19、 撞击折回并回转式油水分离器 43 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 之后又上升产生环形回转 这样凝聚在压缩空气中的油滴 水滴等杂质受惯性力作用而分离析出 沉降于壳体底部 由放水阀定期排出 44 3贮气罐 作用 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 贮气罐一般采用焊接结构 以立式居多 贮气罐结构图 2020年12月6日星期日 深圳职业技术学院

20、 液压与气动技术 46 4 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 吸附法最普通 47 图11 6吸附式干燥器结构图1 湿空气进气管 2 顶盖 3 5 10 发兰 4 6 再升空气排气管 7 再升

21、空气进气管 8 干燥空气输出管 9 排水管 11 22 密封垫 12 15 20 钢丝过滤网 13 毛毡 14 下栅板 16 21 吸附剂层 17 支撑板 18 筒体 19 上栅板 外壳呈筒形 其中分层设置栅板 吸附剂 滤网等 湿空气从管1进入干燥器 通过吸附剂21 过滤网20 上栅板19和下部吸附层16后 因其中的水分被吸附剂吸收而变得很干燥 然后 再经过铜丝网15 下栅板14和过滤网12 干燥 洁净的压缩空气便从输出管8排出 2020年12月6日星期日 压缩空气净化处理装置 2 冷冻式空气干燥器 49 5 过滤器 过滤器的作用是进一步滤除压缩空气中的杂质 常用的过滤器有一次性过滤器 也称简

22、易过滤器 滤灰效率为50 70 二次过滤器 滤灰效率为70 99 在要求高的特殊场合 还可使用高效率的过滤器 一次过滤器 图为一种一次性过滤器 气流由切线方向进入筒内 在离心力的作用下分离出液滴 然后气体由下而上通过多片钢板 毛 毡 硅胶 焦炭 滤网等过滤吸附材料 干燥清洁的空气从筒顶输出 50 图11 7一次性过滤器1 10蜜孔网 2 280目细铜丝网 3 焦碳 4 硅胶等 2020年12月6日星期日 2020年12月6日星期日 从空压机输出的压缩空气要通过管路系统被输送到各气动设备上 管路系统如同人体的血管 输送空气的管路配置如设计不合理 将产生下列问题 压降大 空气流量不足 冷凝水无法排

23、放 气动设备动作不良 可靠性降低 维修保养困难 2020年12月6日星期日 54 分水滤气器 分水滤气器滤灰能力较强 属于二次过滤器 它和减压阀 油雾器一起称为气动三联件 是气动系统不可缺少的辅助元件 图11 8普通分水滤气器结构图1 旋份叶子 2 滤芯 3 存水杯 4 挡水板 5 手动排水阀 55 空气进入后 被引入旋风叶子1 旋风叶子上有很多小缺口 使空气沿切线反向产生强烈的旋转 这样夹杂在气体中的较大水滴 油滴 灰尘便获得较大的离心力 并高速与水杯3内壁碰撞 而从气体中分离出来 沉淀于存水杯3中 然后气体通过中间的滤芯2 部分灰尘 雾状水被2拦截而滤去 洁净的空气便从输出口输出 56 存

24、水杯由透明材料制成 便于观察工作情况 污水情况和滤芯污染情况 滤芯目前采用铜粒烧结而成 发现油泥过多 可采用酒精清洗 干燥后再装上 可继续使用 但是这种过滤器只能滤除固体和液体杂质 因此 使用时应尽可能装在能使空气中的水分变成液态的部位或防止液体进入的部位 如气动设备的气源入口处 57 5 2其它辅助元件 1 油雾器 油雾器是一种特殊的注油装置 它以空气为动力 使润滑油雾化后 注入空气流中 并随空气进入需要润滑的部件 达到润滑的目的 普通油雾器 也称一次油雾器 的结构简图1 喷嘴 2 钢球 3 弹簧 4 阀座 5 存油杯 6 吸油管 7 单向阀 8 节流阀 9 视油器 10 12 密封垫 11

25、 油塞 13 螺母 螺钉 58 压缩空气由入口进入后 通过喷嘴1下端的小孔进入阀座4的腔室内 在截止阀的钢球2上下表面形成压差 由于泄漏和弹簧3的作用 而使钢球处于中间位置 压缩空气进入存油杯5的上腔油面受压 压力油经吸油管6将单向阀7的钢球顶起 钢球上部管道有一个方形小孔 钢球不能将上部管道封死 压力油不断流入视油器9内 再滴入喷嘴1中 被主管气流从上面小孔引射出来 雾化后从输出口输出 节流阀8可以调节流量 使滴油量在每分钟0 120滴内变化 59 二次油雾器能使油滴在雾化器内进行两次雾化 使油雾粒度更小 更均匀 输送距离更远 二次雾化粒径可达5微米 油雾器的选择主要是根据气压传动系统所需额

26、定流量及油雾粒径大小来进行 所需油雾粒径在50微米左右选用一次油雾器 若需油雾粒径很小可选用二次油雾器 油雾器一般应配置在滤气器和减压阀之后 用气设备之前较近处 所有的气动系统均有一个最适合的工作压力 而在各种气动系统中 皆可出现或多或少的压力波动 气动与液压传动不同 一个气源系统输出的压缩空气通常可供多台气动装置使用 气源系统输出的空气压力都高于每台装置所需的压力 且压力波动较大 如果压力过高 将造成能量的损失并增加损耗 过低的压力则出力不足 造成不良效率 例如空压机的开启与关闭所产生的压力波动对系统的功能会产生不良影响 因此每台气动装置的供气压力都需要用减压阀减压 并保持稳定 对于低压控制

27、系统 如气动测量 除用减压阀减压外 还需用精密减压阀以获得更稳定的供气压力 2020年12月6日星期日 2020年12月6日星期日 2 先导式减压阀 先导式减压阀是使用预先调整好压力的空气来代替调压弹簧进行调压的 其调节原理和主阀部分的结构与直动式减压阀相同 先导式减压阀的调压空气一般是由小型的直动式减压阀供给的 若将这个小型直动式减压阀与主阀合成一体 则称为内部先导式减压阀 若将它与主阀分离 则称为外部先导式减压阀 它可以实现远距离控制 2020年12月6日星期日 2 内部先导式减压阀 2020年12月6日星期日 64 2 消声器 在气压传动系统之中 气缸 气阀等元件工作时 排气速度较高 气

28、体体积急剧膨胀 会产生刺耳的噪声 噪声的强弱随排气的速度 排量和空气通道的形状而变化 排气的速度和功率越大 噪声也越大 一般可达100 120dB 为了降低噪声可以在排气口装消声器 消声器就是通过阻尼或增加排气面积来降低排气速度和功率 从而降低噪声的 气动元件使用的消声器一般由三种类型 吸收型消声器 膨胀干涉型消声器和膨胀干涉吸收型消声器 65 吸收型消声器主要依靠吸音材料消声 消音罩2为多孔的吸音材料 一般用聚苯乙烯或铜珠烧结而成 当消声器的通径小于20mm时 多用聚苯乙烯作消音材料制成消声罩 当消声器的通径大于20mm时 消音罩多用铜珠烧结 以增加强度 其消声原理是 当有压气体通过消声罩时

29、 气流受到阻力 声能量被部分吸收而转化成热能 从而降低了噪声强度 图11 10吸收型消声器的结构简图1 连接螺丝2 消声罩 66 3 管道连接件 吸收型消声器结构简单 具有良好的消除中 高频噪声的性能 消声效果大于20dB 在气压传动系统中 排气噪声主要是中 高频噪声 尤其是高频噪声 所以采用这种消声器是合适的 在主要是中低频噪声的场合 应使用膨胀干涉型消声器 管道连接件包括管子和各种管接头 有了管子和各种管接头 才能把气动控制元件 气动执行元件以及辅助元件等连接成一个完整的气动控制系统 因此 实际应用中 管道连接件是不可缺少的 67 管子可分为硬管和软管两种 如总气管和支气管等一些固定不动的 不需要经常装拆的地方 使用硬管 连接运动部件 临时使用 希望装拆方便的管路应使用软管 硬管有铁管 铜管 黄铜管 紫铜管和硬塑料管等 软管有塑料管 尼龙管 橡胶管 金属编织塑料管以及挠性金属导管等等 常用的是紫铜管和尼龙管 气动系统中使用的管接头的结构及工作原理与液压管接头基本相似 分为卡套式 扩口螺纹式 卡箍式 插入快换式等 作业 1 什么是气压传动 气压传动有何优缺点 2 分析说明活塞式空压机工作原理 3 简述直动式减压阀的结构及工作原理