欢 迎 使 用液压与气压传动 多媒体授课系统 燕 山 大 学液压与气压传动课程组内容编辑：李久彤 姚春东设计制作：姚春东 11 气压传动11.1 气压传动概述 11.2 气源装置及辅件 11.3 气动执行元件 11.4 气动控制元件 11.5 气动回路举例11.1 气压传动概述气压传动与控制简称“气动技术”，它 是以空气压缩机为动力源，以压缩空 气为工作介质进行能量传递或信号传 递的工程技术，是实现各种生产控制 、自动化作业的重要手段之一。 气压传动是以气体为介质，在密闭容 器里进行能量的传递。 11.1.1 气动技术的应用及发展现状 11.1.1.1 气动技术的应用现状人们利用空气的能量完成各种工作的历 史可以追溯到远古时代，但作为气动技术应 用的雏形，大约开始于1776年发明能产生1 个大气压左右压力的空气压缩机。1880年， 人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将 它成功的应用到火车的制动上。本世纪30年 代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭 及各种机械的辅助动作上。进入70年代，随 着工业机械化和自动化的发展，气动技术才 广泛地应用在生产自动化的各个领域，形成 现代气动技术。 (1)汽车制造工业 现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺 的焊接生产线，几乎无一例外地采用了气动技 术。如车身在每个工序的移动、车身外壳被真 空吸盘吸起和放下、在指定工位的夹紧和定位 、点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变 压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气缸及 相应的气动控制系统。 高频的点焊、力控的准 确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称 是最有代表性的气动技术应用之一。另外，搬 运装置中使用的高速气缸（最大速度达3m/s） 、复合控制阀的比例控制技术都代表了当今气 动技术的新发展。 (2)电子、半导体制造行业 在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生 产线上，在半导体芯片、印刷电路等各 种电子产品的装配流水线上，不仅可以 看到各种大小不一、形状不同的气缸、 气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘 将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等 物品轻轻吸住，运送到指定位置上。对 加速度限制十分严格的芯片搬运系统， 采用了平稳加速的SIN气缸。 (3)生产自动化的实现 60年代，气动技术主要用于比较繁重的作业领域 作为辅助传动。在缝纫机、手表、自行车、洗衣 机、自动和半自动机床等许多行业的零件加工和 组装生产线上，工件的搬运、转位、定位、夹紧 、进给、装卸、装配、清洗、检测等许多工序中 都使用气动技术。 (4)包装自动化的实现 气动技术还广泛应用于化肥、化工、粮食、食品 、药品等许多行业，实现粉状、粒状、块状物料 的自动计量包装，用于烟草工业的自动卷烟和自 动包装等许多工序，用于对粘稠液体（如油漆、 化装品、牙膏等）和有毒气体的自动计量灌装。 近20多年来，气动行业发展很快。70年代，液压 与气动元件的产值比约为9:1，20多年后的今天， 在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已 达5:4，甚至接近5:5。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。作为气 动行业的知名企业，有日本的SMC、德国的 FESTO、英国的NORGREN和美国的PARKER等。 中国改革开放以来，气动行业发展很快。1986年 至1993年间，气动元件产值的年递增率达24.2%， 高于中国机械工业产值平均年递增率10.5%的水平 。1996年全国气动行业的产值约在6 000万美元左 右。11.1.1.2气动技术的发展现状 纵观世界气动行业的发展趋势，气动元件的发展 动向可归纳为以下几方面： （1）高质量。气缸寿命可达（2 0005 000） km。 （2）高精度。定位精度达（0.05 0.1）mm， 过滤精度可达0.01m，除油率可达1 m3标准大气 中的油雾在0.1 mg以下。 （3）高速度。换向阀频率可达数十Hz，气缸最 大速度可达3 m/s。 （4）小型化。元件制成超薄、超短、超小型。 如缸径2.5 mm的单作用气缸；缸径6 mm的双作 用气缸；M3的管接头和内径2 mm的连接管等。 （5）轻量化。元件采用铝合金及塑料等新型 材料制造，已出现0.1N重的低功率电磁阀。 （6）无给油化。不供油润滑元件组成的系统 不污染环境，系统简单，维护也简单，节省润 滑油，且摩擦性能稳定，适合食品、医药、电 子、纺织、精密仪器、生物工程等行业的需要 。 （7）复合集成化。减少配线、配管和元件， 节省空间，简化拆装，提高工作效率。 （8）机电气一体化。典型的是“可编程控制器 传感器气动元件”组成的控制系统。11.1.2 气压传动的组成及工作原理 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。 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。由此可知，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 是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 是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； (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，它包括实现直线往复运动的气 缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马达 等; (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。11.1.3 气压传动的优缺点 气动技术在国外发展很快，在国内也被 广泛应用于机械、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， 它们在提高生产效率、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。11.1.3.1 气压传动的优点 (1)工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而 且取之不尽、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0.020.3s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15ms，而气体的流 速最小也大于10ms，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20004000万次； (7)工作环境适应性好，特别是在易燃、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。11.1.3.2 气压传动的缺点 (1)由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定 性较差，外载变化时，对工作速度的影响较大； (2)由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到 限制。在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比 液压传动装置输出的力要小得多。气压传动装置的 输出力不宜大于1040kN； (3)气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢 ，所以不宜用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。 气压传动与其它传动的性能比较见表11.1。 表11.1 气压传动与其它传动的性能比较类 型操作 力动作 快慢环境 要求构造负载 变化 影响操作 距离无级 调速工作 寿命维护价格气压 传动中等较快适应 性好简单较 大 中距 离较好长一般便宜液压 传动最大较慢不怕 振动复杂有一 些短距 离良好一般要求 高稍贵电 传 动电 气中等快要求 高稍复 杂几乎 没有远距 离良好较短要求 较高稍贵电 子最小最快要求 特高最复 杂没有远距 离良好短要求 更高最贵机械 传动较大一般一般一般没有短距 离较困 难一般简单一般11.2 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。11.2.1 气源装置 11.2.1.1 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。因为压缩空气是气动装置的动力源， 没有一定的压力不但不能保证执行机构产生 足够的推力，甚至连控制机构都难以正确地 动作，没有足够的流量，就不能满足对执行 机构运动速度和程序的要求等。 总之，压缩空气没有一定的压力和流量，气 动装置的一切功能均无法实现。 (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。 由空气压缩机排出的压缩空气，虽然能满足一定的 压力和流量的要求，但不能为气动装置所使用。因 为一般气动设备所使用的空气压缩机都是属于工作 压力较低(小于1MPa)、用油润滑的活塞式空气压缩 机。它从大气中吸入含有水分和灰尘的空气，经压 缩后，空气温度均提高到140180 ，这时空 气压缩机气缸中的润滑油也部分成为气态，这样油 分、水分以及灰尘便形成混合的胶体微尘与杂质混 在压缩空气中一同排出。如果将此压缩空气直接输 送给气动装置使用，将会产生下列影响： 混在压缩空气中的油蒸气可能聚集在贮 气罐、管道、气动系统的容器中形成易燃 物，有引起爆炸的危险；另一方面，润滑 油被气化后，会形成一种有机酸，对金属 设备、气动装置有腐蚀作用，影响设备的 寿命。 混在压缩空气中的杂质能沉积在管道和 气动元件的通道内，减少了通道面积，增 加了管道阻力。特别是对内径只有0.2 0.5mm的某些气动元件会造成阻塞，使压力 信号不能正确传递，整个气动系统不能稳 定工作甚至失灵。 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 。 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(如气缸、 气马达、气动换向阀等)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。11.2.1.2 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产生压缩空气的空气压 缩机和使气源净