第 9 章 气动基础知识 教学目标:了解气动技术目前的应用状况以及气动元件今后发展动向,认识气压传动与其他传动方式比较的优缺点,熟悉气动系统的组成和分类,掌握气压传动工作介质(即空气)的主要性质。 9.1 气动技术的应用与发展 气动(pneumatic)一词来源于希腊文,原意为风吹。从广义来理解,气动系统是指使用气体作为工作介质使固体物件移动的一切系统。本书所指的气动仅仅是气动技术或气压传动与控制技术的简称。气压传动与控制系统是指以压缩气体为工作介质,实现动力传递和工程控制的系统,常用的压缩气体是压缩空气。 9.1.1 气动技术的应用 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,但作为气动技术应用的雏形大约开始于 1776 年 John Wilkinson 发明能产生一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,以减轻繁重的体力劳动。80 年代以来,随着与电子技术的结合,气动技术的应用领域得到迅速拓宽,尤其是在各种自动化生产线上得到广泛的应用。电气可编程序控制系统的发展,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。气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展,对气动技术提出了更多、更高的要求。微电子技术、现代控制理论与气动技术相结合,促进了电—气比例伺服技术的发展,以不断提高控制精度。气动技术已成为实现现代化传动与控制的关键技术之一。 9.1.2 气动元件的发展动向 从各国的行业统计资料来看,近二十多年来气动行业发展很快。20 世纪 70 年代,液压与气动元件的产值比约为 91∶ , 20 多年后的今天, 工业技术发达的欧美等国家该比例已达 64∶ , 有的甚至接近 55∶ , 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应用范围已远远超过了液压元件。我国自改革开放以来,气动行业发展非常快,1996 年全国气动行业的产值约为 6000 万美元左右。纵观世界气动行业的发展趋势,气动元件的发展有以下一些趋势。 液压传动与气动技术 ·136· ·136· 1. 电气一体化 一方面,微电子技术与气动元件相结合,组成了 PC 机—接口—小型阀—气缸的电气一体化的气动系统。另一方面,与电子技术相结合的自适应控制气动元件已经问世,如压力比例阀、流量比例阀、数字控制气缸,使气动技术从以往的开关控制进入到高精度的反馈控制,使定位精度提高到±0.01~0.1mm。电气一体化已不只用于机械手和机器人这样一些典型产品上,而且渗透到工厂本身的加工、装配、检测这些生产领域。 2. 小型化和轻量化 为了让气动元件与电子元件一起安装在印刷线路板上, 构成各种功能的控制回路组件,气动元件必须小型化和轻量化。 气动技术应用于半导体工业、 工业机械手和机器人等方面,要求气动元件实现超轻、超薄、超小。如:缸径 2.5mm 的单作用气缸、缸径 4mm 的双作用气缸、4g 重的低功率电磁阀、M3 的管接头和内径 2mm 的连接管,材料采用了铝合金和塑料等,零件进行了等强度设计,使重量大为减轻。电磁阀由直动型向先导型变换,除了降低功耗外,也实现了小型化和轻量化。 3. 复合集成化 为了减少配管、节省空间、简化装拆、提高效率,多功能复合化和集成化的元件相继出现。阀的集成化是将所需数目的配气装置在集成板上,一端是电接头,另一端是气管接头。将转向阀、调速阀和气缸组成一体的带阀气缸,能实现换向、调速及气缸所承担的功能。气动机器人是能连续完成夹紧、举起、旋转、放下、松开等一系列动作的气动集成体。 4. 无油化 为适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求,预先添加润滑脂的不供油润滑技术已大量问世。正在开发构造特殊、用自润滑材料制造、不用添加润滑脂仍旧能工作的无油润滑元件。 不供油润滑元件组成的系统, 不仅节省大量润滑油、而且不污染环境,系统简单、维护方便、润滑性能稳定、成本低和寿命长。 5. 低功耗 为了与微机、可编程控制器直接连接和节能,电磁阀的功耗最低可降至 0.1W。 6. 高精度 位置控制精度已由过去的 mm 级提高到现在的 1/10mm 级。为了提高气动系统的可靠性,对压缩空气的质量提出了更高的要求。过滤器的标准过滤精度从过去的 70µm 提高到5µm,并有 0.01µm 的精密滤芯,除尘率可达 99.9%~99.9999%,除油率可达 0.1ppm。 7. 高质量 由于新材料及材料处理技术的发展,加工工艺水平的提高,电磁阀的寿命均在 3000万次以上,个别小型阀的寿命有达 1 亿次的,气缸行程的耐久性已达 2000~6000km。 8. 高速度 提高电磁阀的工作频率和气缸的速度,对气动装置生产效率的提高有着重要意义。电 第 9 章 气动基础知识 ·137··137·磁阀工作频率可达 25Hz,气缸速度从 1m/s 提高到 3m/s,冲击气缸可达 11m/s。 9. 高出力 采用杠杆式增力机构或气液增压器,可使输出力增大几倍甚至几十倍。为了发挥气动控制快速的优点,冶金设备用重型气缸缸径可达 700mm。 9.2 气动技术的优缺点 气压传动与其他传动方式的比较,见表 9-1。 表 9-1 气压传动与其他传动方式的比较 项 目 机 械 传 动 电 气 传 动 电 子 传 动 液 压 传 动 气 压 传 动 输出力 中等 中等 小 很大(10t 以上) 大(3t 以下) 动作速度 低 高 高 低 高 信号响应 中 很快 很快 快 稍快 位置控制 很好 很好 很好 好 不太好 遥控 难 很好 很好 较良好 良好 安装限制 很大 小 小 小 小 速度控制 稍困难 容易 容易 容易 稍困难 无级变速 稍困难 稍困难 良好 良好 稍良好 元件结构 普通 稍复杂 复杂 稍复杂 简单 动力源中断时 不动作 不动作 不动作 有蓄能器,可短时动作 可动作 管线 无非是 较简单 复杂 复杂 稍复杂 维护 简单 有技术要求 技术要求高 简单 简单 危险性 无特别问题 注意漏电 无特别问题 注意防火 几乎没有问题 体积 大 中 小 小 小 温度影响 普通 大 大 普通(70℃以下) 普通(100℃以下) 防潮性 普通 差 差 普通 注意排放冷凝水 防腐蚀性 普通 差 差 普通 普通 防振性 普通 差 特差 不必担心 不必担心 构造 普通 稍复杂 复杂 稍复杂 简单 价格 普通 稍高 高 稍高 普通 通过比较,可以归纳出气压传动的主要优缺点如下:  气动装置结构简单、紧凑、易于制造,使用维护简单。压力等级低,故使用安全。  工作介质是取之不尽、用之不竭的空气,来源容易。排气处理简单,不污染环境,成本低。  输出力及工作速度的调节非常容易。气缸动作速度一般为 50~500mm/s,比液压和 液压传动与气动技术 ·138· ·138· 电气方式的动作速度快。  由于空气流动损失小,压缩空气可集中供应和远距离输送。  全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。  成本低,过载能自动保护。  由于空气具有可压缩性,气缸的动作速度易受负载的变化而变化,因此工作速度的稳定性较差。采用气液联动方式可以克服这一缺陷。  由于工作压力低,且结构尺寸不宜过大,因而气动装置总输出力不会很大。 各种传动方式都有自己的优缺点,在选择传动和控制方式时,应扬长避短。对某个工程对象,最理想的传动和控制方式可以是单一式,也可以是混合式。如气液混合控制就可克服气压传动的运动不够平稳和输出力小的缺陷。 9.3 气动元件的分类 图 9.1 所示为典型气动系统的组成示意图,气动元件按功能可分成以下几类。 图 9.1 气动系统的组成示意图 1—电动机;2—空气压缩机;3—气罐;4—压力控制阀;5—逻辑元件;6—方向控制阀; 7—流量控制阀;8—行程阀;9—气缸;10—消声器;11—油雾器;12—分水滤气器 1. 气源设备 将原动机供给的机械能转换成气体的压力能,作为传动与控制的动力源。包括空气压缩机、后冷却器和气罐等。 2. 气源处理元件 清除压缩空气中的水分、灰尘和油污,以输出干燥洁净的空气以供后续元件使用。包 第 9 章 气动基础知识 ·139··139·括过滤器、干燥器和自动排水器等。 3. 执行元件 把空气的压力能转化为机械能,以驱动执行机构作往复或旋转运动。包括气缸、摆动气缸、气马达、气爪和复合气缸等。 4. 控制元件 控制和调节压缩空气的压力、流速和流动方向,以保证气动执行元件按预定的程序正常进行工作。包括压力阀、流量阀、方向阀和比例阀等。 5. 辅助元件 解决元件内部润滑、排气噪声、元件间的连接以及信号转换、显示、放大、检测等所需要的各种气动元件。包括油雾器、消声器、压力开关、管接头及连接管、气液转换器、气动显示器、气动传感器、液压缓冲器等。 6. 真空元件 利用压缩空气的流动形成一定真空来吸吊物体。该类元件包括真空发生器、真空吸盘、真空压力开关和真空过滤器等。 由图 9.1 所示的气动控制系统可知,各种气动元件都可以划分成几大类别,从不同的角度来划分,同一品种可能归入不同的类别。如后冷却器作为空气压缩机的附属设备,则应归入气源设备类;若作为独立元件,按其功能,应属于气源处理元件。 9.4 空气的性质 空气是气压传动的主要工作介质,空气的成分、性能、主要参数等因素对气动系统能否正常工作有直接影响。 9.4.1 空气的特性 1. 空气的组成 自然界的空气是由许多种气体混合而成的, 其主要成分是氮气(78.03%)、 氧气(20.95%)、氩气(0.93%)、二氧化碳(0.03%)、氢气(0.01%)、氖气(0.0012%)、氦气(0.00043%)、氪气(0.000005%)和氙气(0.0000006%)等,另外还包含水蒸气、砂土等细小固体。在城市和工厂区,由于烟雾及汽车排气,大气中还含有二氧化硫、亚硝酸、碳氢化合物等物质。 2. 干空气和湿空气 1) 干空气和湿空气的定义 干空气是指完全不含水蒸气的空气。 湿空气是指含有水蒸气的空气。 湿空气中含有的水蒸气量愈多,则湿空气愈潮湿。 液压传动与气动技术 ·140· ·140· 2) 湿度 湿度的表示方法有绝对湿度和相对湿度。 (1) 绝对湿度 绝对湿度是指单位体积的湿空气中所含水蒸气的质量,用 χ 表示,单位为 kg/m3,其表达式为: smVχ = 式中: sm ——湿空气中水蒸气的质量(kg); V ——湿空气的体积(空气中的水蒸气含量是有极限的。在一定温度和压力下,空气中所含水蒸气达到最大可能的含量时,将空气叫做饱和湿空气。饱和湿空气所处的状态叫饱和状态。 (2) 饱和绝对湿度 饱和绝对湿度是指在一定温度下, 单位体积饱和湿空气所含水蒸气的质量, 用 χb表示,其表达式为: 3m )。 bbbpR T=χ 式中: b p ——饱和湿空气中水蒸气的分压力(Pa); bR ——水蒸气的气体常数,bR =462N·m/(kg·K); T ——热力学温度(K)。 在 2MPa 压力下,可近似地认为饱和空气中水蒸气的密度与压力大小无关,只取决于温度。标准大气压下,湿空气的饱和水蒸气的密度、分压力和绝对湿度列于表 9-2。 表 9-2 饱和湿空气表 温度 t/℃ 饱和水蒸气分压力pb/MPa 饱和绝对湿度χ/(kg/m3) 温度 t/℃ 饱和水蒸气分压力pb/MPa 饱和绝对湿度 χ/(kg/m3) 100 0.10123 588.7 20 0.00233 17.28 80 0.04732 290.6 15 0.00170 12.81 70 0.03113 196.8 10 0.00123 9.39 60 0.01991 129.6 5 0.00087 6.79 50 0.01233 82.77 0 0.00061 4.85 40 0.00737 51.05 -6 0.00037 3.16 35 0.00562 39.55 -10 0.00026 2.25 30 0.00424 30.32 -16 0.00015 1.48 25 0.00316 23.04 20 0.0001 1.07 第 9 章 气动基础知识 ·141··141·(3) 相对湿度 相对湿度是指在某温度和压力下, 湿空气的绝对湿度与饱和绝对湿度之比, 用φ 表示,其表达式为: 100%100%sbbppχχφ=×=× 当 ps=0,φ =0 时,空气绝对干燥;当 ps=pb,φ =100%时,湿空气饱和,饱和空气吸收水蒸气的能力为零,此时的温度为露点温度,简称露点。温度降至露点温度以下,湿空气中便有水滴析出。降温法清除湿空气中的水分,就是利用此原理。 当空气的相对湿度在φ =60%~70%范围内时,人体感觉舒适。为了使各元件正常工作,气动技术中规定工作介质的相对湿度不得大于 90%,当然相对湿度越低越好。 3. 空气的状态参数 1) 密度 气体与固体不同,它既无一定的体积,也无一定的形状,要说明气体的质量是多少,必须说明质量占有多大容积。单位容积内所含气体的质量叫密度,用 ρ 表示,单位为 kg/m3。 2) 压力  定义和单位 空气的压力是由于气体分子热运动而相互碰撞, 从而在容器的单位面积上产生的力的统计平均值,用 p表示。压力的法定计量单位是 Pa,它和其他各种压力单位的换算见表 9-3。 表 9-3 各种压力单位的换算 Pa bar kgf/cm1.02×10-5 2 lbf/ in1.45×10-4 2mmHg 7.5×10-3 mmH2O Pa(N/m2),帕 1 105 0.981×105 6.9×103 10-5 0.102 1.02×104 104 Bar,巴 kgf/cm2,公斤力/厘米2 lbf/ in2,磅力/英寸2 1 1.02 14.5 750 0.981 1 14.22 735.6 0.069 1.33×104 9.81×10-5 0.07 1.36×10-3 10-4 1 19.3×10-3 1.42×10-3 51.71 703 mmHg,毫米汞柱 133.3 1 7.36×10-2 13.6 mmH2O,毫米水柱 注:1 mmHg = 1Torr(托),1 Kgf/cm2称为一个工程大气压,760 mmHg 称为一个物理大气压。  表达方式 空气压力可用绝对压力、表压力和真空度等来度量,绝对压力、表压力和真空度的相互关系如图 9.2 所示。 绝对压力:以绝对真空作为计算压力的起点。一般...