任务描述

用气体作为工作介质进行能量传递的传动方式称为气压传动。气压传动是利用压缩气体的压力能来实现能量传递的一种传动方式。其介质主要是空气，也包括燃气和蒸汽。

图8-44所示是一种通过气压来控制开闭的自动门，图8-45所示是一种利用气压作为动力源的压力机械。

图8-44　自动门

图8-45　气动压力机

相关知识

一、气压传动概述

从原理上讲，将液压传动系统中的工作介质换为气体，液压传动系统则变为气压传动系统。但由于这两种传动系统的工作介质及其特性有很大区别，所以这两种系统的工作特性有较大不同，所应用的场合也不一样。尽管这两种系统所采用的元器件的结构原理相似，但很多元件不能互换。

1.气压传动的工作原理

下面以图8-46所示气动剪切机为例说明气压传动的工作原理。

图8-46　气动剪切机

①当工料由送料装置送入剪切机并到达规定的位置时，行程阀的按钮被按下，换向阀的下腔A通过行程阀与大气相通，此时，换向阀阀芯在弹簧力的作用下向下移动。

②经处理后的在储气罐中的压缩空气，经过空气过滤器、减压阀和油雾器以及换向阀，进入气缸的下腔，气缸上腔的压缩空气通过换向阀排入大气。于是，气缸活塞在气体压力的作用下向上运动，带动剪刀将工料剪断。工料被剪断后，马上与行程阀分开，行程阀复位。

③这样，阀芯将排气通道封闭，换向阀下腔A中的气压随之升高，迫使换向阀的阀芯向上移动，气路换向。压缩空气进入气缸的上腔，气缸下腔的气体被排出，气缸活塞向下运动，带动剪刀复位，准备下一次的下料。

由此可见，气压传动是以气体作为工作介质来进行能量传递和转换的；气压传动是以气体的压力能来传递动力和运动的；气压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的。

2.气压传动系统的组成

尽管液压传动系统和气压传动系统的各自特点不尽相同，但其组成形式类似，从对上面案例的分析可知，气压传动系统主要由以下四个部分组成。

（1）动力装置

动力装置是指能将原动机的机械能转换成气压能的装置，是气压传动系统的动力源。对气压传动系统来说是气压发生装置，也称为气源装置，其作用是为气压传动系统提供压缩空气。

（2）控制调节装置

控制调节装置包括各种阀类元件，其作用是用来控制工作介质的流动方向、压力和流量，以保证执行元件和工作机构按要求工作。

（3）执行元件

执行元件指气缸或马达，是将压力能转换为机械能的装置，其作用是在工作介质的作用下输出力和速度（或转矩和转速），以驱动工作机构做功。

（4）辅助装置

除以上装置外的其他元器件称为辅助装置，如过滤器、油雾器、消声器、管件、管接头以及各种信号转换器等。辅助装置是一些对完成主运动起辅助作用的元件，在系统中也是必不可少的，对保证系统正常工作有着重要的作用。

二、气源装置

气源装置的主体是空气压缩机，空气压缩机产生的压缩空气，还须经过降温、净化、减压、稳压等一系列的处理才能满足气压系统的要求。一般气源装置的组成与布置如图8-47所示。

图8-47　压缩空气站的设备组成和布置

1.空气压缩机

气源装置中的主体是空气压缩机，是将原动机的机械能转换成气体压力能的装置，是产生压缩空气的气压发生装置。

空气压缩机（简称空压机）的种类很多，根据工作原理可以按照如图8-48所示进行分类。

图8-48　空气压缩机的分类

容积型空气压缩机是靠压缩空气的方法，使单位体积内空气分子密度增加，来提高空气压力的。速度型空气压缩机是利用提高气体分子的运动速度的方法，使气体分子具有的动能转化成气体的压力能。

2.除油器

除油器用于分离压缩空气中所含的油分和水分。其工作原理是：当压缩空气进入除油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。如图8-49所示为撞击折回并回转式除油器的结构及符号。

图8-49　除油器

3.空气干燥器

空气干燥器是吸收和排除压缩空气中的水分和部分油分与杂质，使湿空气变成干空气的装置。从压缩机输出的压缩空气经过冷却器、除油器和储气罐的初步净化处理后已能满足一般气动系统的使用要求，但对一些精密机械、仪表等装置还不能满足要求。为此需要进一步净化处理，为防止初步净化后的气体中的含湿量对精密机械、仪表产生锈蚀，需要进行干燥和再精过滤。

图8-50所示为一种常见的不加热再生式干燥器，其有两个填满吸附剂的容器1、容器2。当空气从容器1的下部流到上部，空气中的水分被吸附剂吸收而得到干燥，一部分干燥后的空气又从容器2的上部流到下部，把吸附在吸附剂中的水分带走并放入大气。实现了不需要外加热源而使吸附剂再生，两容器定期地交换工作（5～10分）使吸附剂产生吸附和再生，这样可得到连续输出的干燥压缩空气。

图8-50　干燥器工作原理及符号

4.储气罐

储气罐的作用是消除压力波动，保证输出气流的连续性；储存一定数量的压缩空气，调节用气量或以备发生故障和临时需要时应急使用，进一步分离压缩空气中的水分和油分。储气罐一般采用圆筒状焊接结构，有立式和卧式两种，一般以立式居多。立式储气罐的高度H为其直径D的2～3倍，同时应使进气管在下，出气管在上，并尽可能加大两管之间的距离，以利于进一步分离空气中的油水。

除油器和储气罐都属于压力容器，制造完毕后，应进行水压实验。

5.油雾器

油雾器是以压缩空气为动力，将润滑油喷射成雾状并混合于压缩空气中，使该压缩空气具有润滑气动元件的能力。

目前，气动控制阀、气缸和气马达主要是靠这种带有油雾的压缩空气来实现润滑的，其优点是方便、干净、润滑质量高，图8-51所示为普通型油雾器结构及符号。

图8-51　普通型油雾器结构及符号

6.消声器

气压传动装置的噪声一般都比较大，尤其当压缩气体直接从气缸或阀中排向大气时，较高的气压差使气体体积急剧膨胀，产生涡流，引起气体的振动，发出强烈的噪声，为消除这种噪声应安装消声器。消声器是指能阻止声音传播而允许气流通过的一种气动元件，气动装置中的消声器主要有阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合消声器三大类。

7.管道连接

管道连接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，在实际应用中，管道连接件是不可缺少的。

管道可分为硬管和软管两种。对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。对于用做连接运动部件和临时使用、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、金属纺织塑料管以及挠性金属导管等。

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。

三、气动执行元件

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，其能驱动机构实现往复的直线运动.摆动、旋转运动或冲击动作。气动执行元件可分为气缸和气压马达。

1.气缸

气缸是气压传动系统中使用最广泛的一种执行元件。根据使用条件的不同，其结构形式和种类也不同。

（1）按压缩空气作用在活塞上的方向分类

单作用气缸：气缸只有一个方向的运动是气压传动，活塞的复位靠弹簧力或自重和其他外力。

双作用气缸：气缸的往返运动全靠压缩空气来完成。

（2）按气缸的安装方式分类

固定式气缸：气缸安装在机体上固定不动。

轴销式气缸：缸体围绕一固定轴可做一定角度的摆动。

回转式气缸：缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴做高速旋转运动。(www.daowen.com)

嵌入式气缸：气缸制作在夹具本体内。

（3）按气缸的功能分类

普通气缸：是指活塞式单作用气缸和双作用气缸，常用于无特殊要求的场合。

气-液阻尼缸：是气缸与液压缸串联，可控制气缸活塞的运动速度，并使其速度相对稳定。

摆动气缸：用于要求气缸叶片轴在一定角度内绕轴线回转的场合，如夹具转位、阀门的启闭等。

冲击气缸：是一种以活塞杆高速运动形成冲击力的高能缸，可用于冲压、切断等。步进气缸是一种根据不同的控制信号，使活塞杆伸出不同的相应位置的气缸。

2.气压马达

气压马达常用的有叶片式和活塞式两种，其特点如下：

①可以无级调速；

②可正、反方向旋转；

③有过载保护作用；

④具有高的启动力矩，可以直接带负载启动等一般特点；

⑤工作安全，在具有爆炸性瓦斯的工作场所，无引火爆炸的危险。还能用于振动与高温的场合；

⑥功率范围，尤其是转速范围很宽。功率小至几百瓦，大至几千千瓦。转速则为0～50 000r/min。缺点是转矩随转速的增大而降低，特性较软，耗气量较大，效率较低。

气压马达在矿山机械中用得较多，在机械制造厂、油田、化工厂、造纸厂、开凿隧道及开凿水电站等场合也有使用。

（1）叶片式气压马达

图8-52为叶片式气压马达的结构原理图，其原理类似于叶片式液压马达。马达的叶片数一般为3～10片。叶片5纵向安放在转子6的径向槽内。转子中心与定子的内壁是不同心的。

图8-52　叶片式气压马达

1、12—气口；2、3、4、9、10、11—孔道；5—叶片；6—转子；7、8—排气口

当压缩空气从气口1进入、经机体上的孔道2、3从定子的喷口4射进定子内腔时，气压迫使叶片带动转子6顺时针方向旋转，废气则从定子的排气口7和机体上的排气口8排至大气，转子右半部的残余废气则通过孔道9、10、11和气口12处排出。

需要改变马达的旋转方向时，将压缩空气由气口12处通入，如图8-53中的虚线箭头所示，废气仍从孔7和8处排出，此时转子左半部的残余废气则由孔道4、3、2和1排至大气。

叶片式气压马达结构简单紧凑，制造容易，转速高，但低速启动转矩小，低速性能不好，适用于要求低或中等功率的机械。

（2）径向活塞式气压马达

图8-53所示为常见的径向活塞式气压马达的工作原理图。

图8-53　径向活塞式气压马达

1—配气阀套；2—配气阀；3—气缸体；4—活塞；5—连杆组件；6—曲轴

五个气缸呈星形布置，缸内的活塞4通过连杆组件与曲轴6的偏心圆柱面连接，圆柱面的几何中心为O1，曲轴的回旋中心为O，2是配气阀，其与曲轴6同轴连接并一起同步旋转。配气阀套1固定在星形缸体3上。

活塞式气压马达转速比叶片式的低，一般是100～1300r/min，最高为6000r/min，但输出的转矩要比叶片式的大得多。活塞式气压马达结构复杂，但维护与保养比叶片式的容易。

叶片式气压马达制造简单，结构紧凑，但低速启动转矩小，低速性能不好，适用于要求低或中等功率的机械，如手提工具、复合工具传送带、升降机和拖拉机等。

活塞式气压马达在低速时有较大的功率输出和较好的转矩特性，启动准确，启动和停止特性都好于叶片式气压马达，适用于载荷较大和要求低速转矩较高的机械，如手提工具、起重机、绞车、绞盘和拉管机等。

四、气动控制元件

在气压控制系统中，通常使用各种气动控制元件。主要有各种压力控制阀，流量控制阀和方向控制阀。

1.压力控制阀

压力控制阀主要包括减压阀、顺序阀和安全阀。

（1）减压阀

气动系统中各种气动装置用的工作气源，一般都由压缩空气站供给，其输出流量往往可供多台气动装置使用。或由空气压缩机先产生压缩空气，再将此压缩空气储存在储气罐中，然后经管路输送给各气动装置。压缩空气的压力通常高于气动装置实际需要的压力，因此，每台气动装置实际需要的压力都须经过减压阀减压，并保持压力值的稳定。

（2）顺序阀

顺序阀是依靠气压的大小来控制气动回路中各元件先后动作顺序的压力控制元件。如图8-54所示，当输入口P的气体在活塞上的作用力大于弹簧力的调定值时，P-A接通，阀呈开启状态；反之P-A断开，阀呈关闭状态。

图8-54　顺序阀工作原理及符号

（3）安全阀

安全阀的主要作用是当气动系统中空气的压力超过调定的工作压力值时，能将空气自动地排放到大气中去，以保证气动系统安全工作。

如图8-55所示，压缩气体从P口进入，当气体压力低于调定压力时，阀芯在弹簧力的作用下处于关闭状态；当气体压力升高，达到或超过安全阀的调定压力时，阀芯上移，气体从阀口O排入大气，直到系统气压降至调定压力以下，阀口又重新关闭。安全阀的调定压力可用调压旋钮调整弹簧的预压缩量来调节。

图8-55　安全阀的工作原理及符号

2.流量控制阀

在气压传动系统中，经常要求控制气动执行元件的速度，这就要靠调节压缩空气的流量来实现。凡用来控制气体流量的阀，称为流量控制阀。流量控制阀是通过改变阀的通流面积来实现流量控制的元件，包括普通节流阀、单向节流阀、排气节流阀等。

3.方向控制阀

单向阀控制气体只能向一个方向流动、反向截止或有控制地反向流动。单向阀按其功能分为普通单向阀、梭阀和快速排气阀等。

梭阀相当于两个单向阀的组合，其作用相当于“或门”，其工作原理如图8-59所示。梭阀有两个进口P1和P2，一个出口A。P1和P2口都可与A口相通，但P1和P2不相通。无论是P1有信号［图8-56（a）］，还是P2有信号［图8-59（b）］，A口都有输出；在P1和P2都有信号输入，并且两侧压力相等时，阀芯可以停在左边或右边，这主要取决于压力输入的先后次序，先入者通道开放；若两边压力不等时，压力高的通道开放，A口有输出。

图8-56　梭阀

五、气压传动系统实例分析

下面以香皂装箱机的气压传动系统为例说明气压传动系统的构成。

香皂装箱机的工作过程是将每480块香皂装入一个纸箱内，其组成结构如图8-57所示。香皂装箱的全部动作由托皂气缸A、装箱气缸B、托皂气缸C和计数气缸D完成。其气压系统的工作原理如图8-58所示，A、B、C三个气缸都是普通型双作用气缸，但计数气缸是单作用气缸，并且它的气压由托皂气缸C直接供给。气压推动活塞伸出，活塞的返回靠弹簧作用来实现。

图8-57　香皂装箱机结构原理图

1～9—行程开关；11、12—凸轮；13—挡板

图8-58　香皂装箱机气压系统图

①香皂装箱机工作时，首先由人工把纸箱套在装箱框内，这时触动行程开关7，使运输带的电路接通，运输带将香皂运送过来；这样，香皂排列在托皂板上，每排满12块，就碰到行程开关1使运输带停止运转，同时电磁铁1YA通电，托皂气缸C将托皂板托起，使香皂通过搁皂板后就搁在搁皂板上（搁皂板只能向上翻，不能向下翻）；这时行程开关1已被松开，运输带继续运送香皂，如此动作每满12块，托皂气缸C就上下一次，并通过计数气缸D将棘轮转过一齿。棘轮圆周上共有40个齿，在棘轮同一轴上还有两个凸轮11和12，凸轮11有四个缺口，凸轮12有两个缺口，凸轮的圆周各压住一个行程开关。

②托皂板每升起10次，棘轮就转过10个齿，这时行程开关3刚好落入凸轮11的缺口而松开。由此发出的信号使电磁铁3YA通电，装箱气缸B推动装箱板，将叠成10层的120块香皂推到装箱台上，推动的距离由行程开关9的位置决定。当装箱气缸B活塞杆上的挡板13碰到行程开关9时，气缸就退回。

③当托皂气缸C上下20次之后，装皂台上存有240块香皂，这时凸轮12上的缺口正好对正行程开关8，它发出信号，一方面使行程开关9断开，同时又将电磁铁3YA再次接通，因此装箱气缸B再次前进，直到其活塞杆上的挡板碰到行程开关6才退回。此时，电磁铁5YA接通，托箱气缸A活塞杆伸出，使托板托住箱底。这样重复上述过程，直到将480块香皂都通过装箱框装进纸箱内，这时托板又起来托住箱底，将装有香皂的纸箱送到运输带上，再由人工贴上封箱条，至此完成一次操作循环。

思考练习

1.简要说明液压传动的特点。

2.说明帕斯卡原理的基本意义，该原理对液压传动有何指导意义？

3.说明液压泵和液压马达的区别。

4.简述压力控制阀的分类，分别举例说明其用途。

5.说明液压传动和气压传动的主要区别。