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第1章 气压传动技术及使用与维修概述

气压传动与控制技术简称气动，是以压缩空气为工作介质来进行能量与信号的传递，是实现各种生产过程、自动控制的一门技术。它是流体传动与控制学科的一个重要组成部分。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而作功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。
1.1 气压传动系统的工作原理与组成
1.1.1 气压传动系统的工作原理
在此以气动剪切机为例介绍气压传动系统的工作原理。
剪切机气动系统如图1-1所示。图示位置为剪切前的预备状态，空气压缩机1产生的压缩空气→后冷却器2→油水分离器3→贮气罐4→空气过滤器5→调压阀6→油雾器7→气控换向阀9→气缸10。此时换向阀A腔的压缩空气将阀芯推到上位，使气缸上腔充压，活塞处于下位，剪切机的剪口张开，处于预备工作状态。
当送料机构将工料11送入剪切机并到达规定位置时，工料将行程阀8的阀芯向右推，换向阀A腔经行程阀8与大气相通，换向阀阀芯在弹簧的作用下移到下位，将气缸上腔与大气连通，下腔与压缩空气连通。此时，活塞带动剪刀快速向上运动将工料切下。工料被切下后，即与行程阀脱开，行程阀复位，将排气口封死，换向阀A腔压力上升，阀芯上移，使气路换向。气缸上腔进压缩空气，下腔排气，活塞带动剪刀向下运动，系统又恢复到图示状态，待第二次进料剪切。

图1－1 气动剪切机的工作原理
1－空气压缩机 2－后冷却器 3－分水排水器4－贮气罐 5－分水滤气器 6－减压阀7－油雾器 8－行程阀 9－气控换向阀 10－气缸 11－工料。
1.1.2 气压传动系统的组成
从上面实例可知气压传动系统由以下五个部分组成：
1）气源装置。气源装置是压缩空气的发生装置，其主体部分是空气压缩机。它将原动机的机械能转换为空气的压力能，。
2）执行元件。执行元件是气压传动系统的能量输出装置，主要为气缸和气马达，它们将压缩空气的压力能转换为机械能。
3）控制元件。用以控制压缩空气的压力、流量、流动方向以保证系统各执行机构具有一定的输出动力和速度的元件。即各类压力阀、流量阀、方向阀和逻辑阀等。
4）辅助元件。过滤器、油雾器、消声器、干燥器和转换器等。它们对保持系统正常、可靠、稳定和持久地工作起着十分重要的作用。在气压传动中还有用来感受和传递各种信息的气动传感器。
5）工作介质。气压传动系统中所用的工作介质是空气。
1.2 气压传动的特点
1.2.1 气压传动的优点
     1）以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道。
     2）因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送。并且不易发生过热现象。
     3）与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、可在较短的时间内达到所需的压力和速度。工作介质清洁，不存在介质变质等问题。
     4）安全可靠，在易燃、易爆场所使用不需要昂贵的防爆设施。压缩空气不会爆炸或着火，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动、冲击等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越。
     5）成本低，过载能自动保护，在一定的超载运行下也能保证系统安全工作。
6）系统组装方便，使用快速接头可以非常简单地进行配管，因此系统的组装、维修以及元件的更换比较简单。
7）储存方便，气压具有较高的自保持能力，压缩空气可储存在贮气罐内，随时取用。即使压缩机停止运行，气阀关闭，气动系统仍可维持一个稳定的压力。故不需压缩机的连续运转。
8）清洁 基本无污染，外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境。对于要求高净化、无污染的场合，如食品、印刷、木材和纺织工业等是极为重要的，气动具有独特的适应能力，优于液压、电子、电气控制。
1.2.2 气压传动的缺点
   1）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。    
2）因工作压力低（一般为0.3~1.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN。
     3）噪声较大，在高速排气时要加消声器。
     4）气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路。
1.2.3 气动控制与其他控制的性能比较
    气动控制与其他控制的性能比较见表1-1。
表1-1 几种控制方式性能比较
比较项目
操作力
动作快慢
环境要求
构造
载荷变化影响
远距离操纵
无级调速
工作寿命
维护
价格
气压控制
中等
较快
适应性好
简单
较大
中距离
较好
长
一般
便宜
液压控制
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
电控
制
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
机械控制
较大
一般
一般
一般
没有
短距离
较困难
一般
简单
一般
1.3 气压传动的应用与发展
 1.3.1 气压传动的应用
目前气动控制装置在下述几方面有普遍的应用。
1）在机械工业中，如组合机床的程序控制、轴承的加工、零件的检测、汽车制造、各类机械制造的生产线上和工业机器人中已得到广泛应用。
     2）在冶金工业中，金属冶炼、烧结、冷轧、热轧、线材、板材的打捆、包装，连铸连轧的生产线上已有大量应用。
3）在轻工、纺织、食品工业中，缝纫机、自行车、手表、彩色电视机、洗衣机、电冰箱、纺织机械、皮鞋、制革、卷烟、食品加工、木材加工等生产线上已得到广泛应用。
     4）在化工企业中，对于化工原料的输送、有害液体的灌装石油钻采等设备上已有大量应用。
     5）交通运输中，列车的制动闸、车辆门窗的开闭，汽车与船舶的自动控制装置（制动器、控制器等）。
     6）能源与建筑的自动控制系统，如控制阀、操动机构、工程机械、离合器等。
7）医疗卫生系统中的呼吸机、物流设备等。
1.3.2 气压传动的历史与发展趋势
气压传动早在公元前，埃及人就开始采用风箱产生压缩空气助燃。从18世纪的产业革命开始逐渐应用于各类行业中。
1829年出现了多级空气压缩机，为气压传动的发展创造了条件。1871年风镐开始用于采矿。1868年美国人G.威斯汀豪斯发明气动制动装置，并在1872年用于铁路车辆的制动。后来，随着兵器、机械、化工等工业的发展，气动机具和控制系统得到广泛的应用。1930年出现了低压气动调节器。50年代研制成功用于导弹尾翼控制的高压气动伺服机构。60年代发明射流和气动逻辑元件，遂使气压传动得到很大的发展。
当今气动技术已发展成包括传动、控制与检测在内的自动化技术。它作为柔性制造系统（FMS）在包装设备、自动生产线和机器人等方面成为不可缺少的重要手段。由于工业自动化技术的发展，气动控制技术以提高系统的可靠性、降低总成本为目标，研究和开发系统控制技术和机、电、液、气综合技术。以下是气动元件与系统的主要发展方向。
1）小型化、集成化 气动元件有些使用场合，有限的空间要求气动元件外形尺寸尽量小，小型化是主要发展趋势。
2）组合化、智能化 最常见的组合是带阀、带开关气缸。在物料搬运中，还使用了气缸、摆动气缸、气动夹头和真空吸盘的组合体，同时配有电磁阀、程控器，结构紧凑，占用空间小，行程可调。
3）精密化 目前开发了非圆活塞气缸、带导杆气缸等可减小普通气缸活塞杆工作时的摆转；为了使气缸精确定位开发了制动气缸等。为了使气缸的定位更精确，使用了传感器、比例阀等实现反馈控制，定位精度达0.01 mm。在精密气缸方面已开发了0.3 mm/s低速气缸和0.01N微小载荷气缸。在气源处理中，过滤精度0.01mm，过滤效率为99.9999％的过滤器和灵敏度0.001 MPa的减压阀业已开发出来。
4）高速化 目前气缸的活塞速度范围为50～750mm/s。为了提高生产率，自动化的节拍正在加快。今后要求气缸的活塞速度提高到5～10m/s。与此相应，阀的响应速度也将加快，要求由现在的1/100秒级提高到1/1000秒级。
5）无油、无味、无菌化 由于人类对环境的要求越来越高，不希望气动元件排放的废气带油雾污染环境，因此无油润滑的气动元件将会普及。还有些特殊行业，如食品、饮料、制药、电子等，对空气的要求更为严格，除无油外，还要求无味、无菌等，这类特殊要求的过滤器将被不断开发出来。
6）高寿命、高可靠性和智能诊断功能 气动元件大多用于自动化生产中，元件的故障往往会影响设备的运行，使生产线停止工作，造成严重的经济损失，因此，对气动元件的工程可靠性提出了更高的要求。
7）节能、低功耗 气动元件的低功耗能够节约能源，并能更好地与微电子技术相结合。功耗≤0.5W的电磁阀已开发和商品化，可由计算机直接控制。
8）机电一体化 为了精确达到预定的控制目标，应采用闭路反馈控制方式。为了实现这种控制方式要解决计算机的数字信号，传感器反馈模拟信号和气动控制气压或气流量三者之间的相互转换问题。
9）应用新技术、新工艺、新材料 在气动元件制造中，型材挤压、铸件浸渗和模块拼装等技术已在国内广泛应用；压铸新技术（液压抽芯、真空压铸等）目前已在国内逐步推广；压电技术、总线技术，新型软磁材料、透析滤膜等正在被应用。
1.4 气动系统使用与维修概述
气动系统的使用与维修主要包括气动系统安装调试、维护检查、故障诊断与排除、技术改进等。
气动系统的安装调试，主要包括以下内容：1）安装前的检查与调整，包括液压控制元件的检查与调整、系统其他元件及辅件的检查与调整、电气系统的检查与调整。2）元件与系统的安装。进行压力试验；电气调试；动作手动调整，确认机械之间有无卡阻、相碰情况；传感器检测和信号调整。3）运转调试。包括空载运转调试与负载运转调试。设备空载运转是全面检查各个元件，各种电气装置的工作是否正常可靠，工作循环或各种动作的自动转接是否符合要求，以便作好负荷运转的准备工作。
气动系统的日常检查即用目视、听觉和手摸等简单的方法进行外观检查，检查时既要检查局部也要注意设备整体。在检查中发现的异常情况，对妨碍设备继续工作的应作应急处理；对其他的则应仔细观察并记录，到定期维护时予以解决。一些便携式的仪器仪表，也常用于气动系统运行现场的日常检查。设备运行初期阶段应加强管理不放过任何异常现象，及时处理并做好详细记录。设备运行中期应特别注意结合气动系统的随机表现，将故障控制在萌芽状态；对工作频繁的元件进行定期检测。此期间对设备维护的好坏，直接关系到整台设备使用寿命的长短。
气动系统维护的主要任务是通过检查、调整、排除故障、更换元件等，防止系统产生污染、油泥、泄漏、冷凝水、噪声，保持系统清洁、干燥、润滑、动力充足、控制灵活、平稳可靠。
气动系统故障诊断与排除的主要工作内容有：判定故障的性质与严重程度。根据现场状况，判断是存在故障，是什么性质的问题（压力、速度、动作还是其他），问题的严重程度（正常、轻微故障、一般故障、还是严重故障）。查找失效元件及失效位置。根据症状及相关信息，找出故障点，以便进一步排除故障。这里主要弄清“问题出在何处”。进一步查找引起故障的初始原因，如污染，元件可靠性低，环境因素不合要求等。这里主要弄清故障的外部原因。机理分析。对故障的因果关系链进行深入的分析与探讨，弄清问题产生的来龙去脉。故障排除主要是消除引起故障的各类因素，使系统恢复正常。气动系统的故障诊断也包括运行状态的在线监测，一些损坏件的修复。
气动系统的技术改进,就是对含有气动系统进行改进，使设备消除缺陷、提高性能,以满足企业生产工艺的需要。改进的对象是含有气动系统的机械设备，改动的具体部位是设备的气动元件与回路、辅助机构、电气系统与仪表系统等。改进的目的是消除设备的缺陷，使设备在工艺性、可靠性、维修性、操作性、安全性、节能性与环保性等方面得以改善，由此满足企业生产工艺对设备性能的要求。