第10章 气动基础及元件10-1 简述气压传动的优缺点,并举出1~2个工业实例。优点:(1)用空气做介质[1],取之不尽,来源方便,用后直接排放,不污染环境,不需要回气管路因此管路不复杂。(2)空气粘度小,管路流动能量损耗小,适合集中供气远距离输送。(3)安全可靠,不需要防火防爆问题,能在高温,辐射,潮湿,灰尘等环境中工作。(4)气压传动反应迅速。(5)气压元件结构简单,易加工,使用寿命长,维护方便,管路不容易堵塞,介质不存在变质更换等问题。缺点:(1)空气可压缩性大,因此气动系统[2]动作稳定性差,负载变化时对工作速度的影响大。(2)气动系统压力低,不易做大输出力度和力矩。(3)气控信号传递速度慢于电子及光速,不适应高速复杂传递系统。(4)排气噪音大。实例略。10-2 气压传动与液压传动相比较有何异同?主要由哪几部分组成?气压传动是利用压缩空气作为传递动力的工作介质,利用气动元件,构成控制回路,使气动执行元件按照预先设定的动作顺序或条件运动的一种自动化控制技术。(1)液压比[3]气动压力高,动力大,负载重的必须用液压。(2)液压比气动精度高,气缸[4]一般就伸出、缩回两个动作,液压的动作可多样话,加了比例阀或伺服阀后,可以实现动作的加速度和减速度动作。油缸加了位移传感器后还可进行位移反馈,和输出的数据做比较,完成闭环控制系统。(3)动作过程中有停顿的。 要求油缸在中间位置有停顿的必须用油缸。气缸也能停顿但位置偏差过大。根据元件的不同的功能,气动系统可以分成以下几部分:(1)气源装置 由空气压缩机[5]及其附件(后冷却器[6]、油水分离器[7]和气罐等)所组成。它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。(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供后续元件使用。如各种过滤器[8]和干燥器[9]等。(3)执行元件 它把空气的压力能转化为机械能,以驱动执行机构[10]作往复运动(如气缸)或旋转运动(如气马达)。(4)控制元件 控制和调节压缩空气的压力、流量和流动方向,以保证气动执行元件按预定的程序正常地进行工作。如压力阀、流量阀、方向阀和比例阀等。(5)辅助元件 是解决元件内部润滑、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。如油雾器、消声器[11]、管接头及连接管、转换器、显示器、传感器、放大器[12]和程序器等。10-3 气动系统对工作介质有何要求?主要污染源是哪些?气压传动的工作介质主要是压缩空气。(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。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。主要污染源来自水分、油液和粉尘三个方面。10-4 何谓湿空气的绝对湿度、饱和绝对湿度、相对湿度?绝对湿度:每立方米的湿空气中所含水蒸气[13]的质量称为湿空气的绝对湿度。饱和绝对湿度:若湿空气中水蒸气的分压力[14]达到该湿度下蒸气[15]的饱和压力饱和绝对湿度 若湿空气中水蒸气的分压力达到该湿度下蒸气的饱和压力。相对湿度:在某一确定温度和压力下,其绝对湿度与饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度。10-5已知湿空气的温度为30℃,全压力[16]为,,相对湿度是75%,此湿空气的绝对湿度及含湿量各为多少?

参考答案:

略

10-6 气源及净化装置都包括哪些设备?它们各起什么作用?并简述这些设备的工作原理。

压缩空气净化装置,包括后冷却器、各种大流量的过滤器(除水滤清的分水过滤器、除焦油过滤器、除油过滤器和除臭过滤器等)、各种空气干燥器、排污器和贮气罐等。

气源设备又称动力源,是气动系统的重要组成部分。其作用是为气动设备提供满足要求的压缩空气。

后冷却器的作用是将温度高达120~180℃的压缩气体冷却到40~50℃,并使其中的水蒸气和油雾达到饱和使其大部分冷凝成水滴和油滴析出,以便对压缩空气实施进一步净化处理。

气动系统最常用的过滤器是分水过滤器。该过滤器滤尘能力较强,通常它和减压阀^[17]、油雾器组装在一起被称为气动三联件,是气动系统中不可缺少的辅助装置。

10-7 简述气动三联件的连接次序和工作原理。

小型气动系统最常用的过滤器是分水过滤器。该过滤器滤尘能力较强,通常它和减压阀、油雾器组装在一起被称为气动三联件。分水过滤器的工作原理如下:当压缩空气从过滤器的输入口流入后,气体及其所含的冷凝水、油滴和固态杂质由导流板(旋风挡板)引入滤杯中,旋风挡板使气流沿切线方向旋转,空气中的冷凝水、油滴和颗粒较大的固态杂质受离心力作用被甩到滤杯内壁上,并流到底部沉积起来;然后压缩空气流过滤芯,进一步清除其中颗粒较小的固态粒子,洁净的空气便从输出口输出。挡水板的作用是防止已积存的冷凝水再混入气流中。定期打开排放螺栓,放掉积存的油、水和杂质。

10-8 油雾器化的工作原理是什么?用于什么场合?在安装使用油雾器时应注意哪些事项?

油雾器是一种特殊的注油装置,其作用是以压缩空气为动力把润滑油雾化以后注入气流中,并随气流进人需要润滑的部件,达到润滑的目的。在气动系统中,部分运动部件在工作中是需要油液润滑即使用油雾器。

在使用油雾器时应当注意:目前有相当部分的气动元件采用的是带有润滑脂的材料制成。因此,在使用这些元件时是不需要润滑的。如果有油液进入,会将润滑脂洗去,使元件内部处于无润滑状态,加快元件中密封件磨损,引起元件失效。所以在选择气动系统的元件时,应当考虑或者全部选择需要润滑的气动件且配备油雾器,或者全部选择免润滑的气动件且无需配备油雾器,避免两种不同种类元件混合使用。

10-9 简述真空系统^[18]的构成、作用及真空^[19]发生器^[20]的工作原理。

真空系统一般由真空发生器(真空压力源)、吸盘(执行元件)、真空阀^[21](控制元件,有手动阀^[22]、机控阀、气控阀及电磁阀^[23])及辅助元件(管件接头、过滤器和消声器等)组成。有些元件在正压系统和负压系统中是能通用的,如管件接头、过滤器和消声器,以及部分控制元件。

真空发生器是利用压缩空气的流动而形成一定真空度^[24]的气动元件,是真空系统的核心元件。它是利用文丘里原理产生负压,形成真空吸附为动力来进行工作的,作为实现自动化的一种手段。

10-10 简述气动管道系统的布置原则及日常维护。

管道系统的布置原则:

(1)所有管道系统统一根据现场实际情况因地制宜地安排。

(2)车间内部干线管道应沿墙顺气流流动方向向下倾斜3°~5°,在主干管道和支管终点(最低点)设置集水罐,定期排放积水、污物等。

(3)支管的引出必须在主管的上部采用大角度拐弯后再向下引出。在离地面1.2m~1.5m处,接入一个分气器。在分气器两侧接分支管引入用气设备,分气器下面设置放水^[25]排污装置。

(4)为保证可靠供气,可采用多种管网供气系统:单树枝状、双树枝状、环状管网等。

管道日常维护需要注意:

(1)管道须保持倾斜度,以便使凝聚的水分能被收集和有排水器排出系统外。

(2)分支管路必须由主管路顶部分分出,以免水分进入分支管路。

(3)要适当的配置过滤器,以去除管内的铁锈和油雾。

(4)管道须清洁后方可安装。

(5)缠绕密封带至管螺纹时,要露出最后2个螺纹,以免密封带碎片落入管道内。

(6)采用环状配管的方式。

10-11 气源装置中贮气罐的作用是什么?如何确定贮气罐的容积和尺寸?

贮气罐的作用:

1)用来贮存一定量的空气,调节压缩机输出气量与用户耗气量之间的不平衡状况,保证连续、稳定的气流输出。

2)当出现压缩机停机、突然停电等意外事故时,可用贮气罐中贮存的压缩空气实施紧急处理,保证安全。

3)减小空气压缩机输出气流脉动^[26],稳定管道中的压力。

4)降低压缩空气的温度,分离压缩空气中的部分水分和油份。

贮气罐容积的确定,应从以下方面考虑:当空压机或外部管网突然停止供气,贮气罐中贮存的压缩空气应保证气动系统工作一定时间。

10-12 气动系统那些部位易发生噪声?消声器有几种类型?其消声原理是什么?

在气动系统中,一般不设排气管道,压缩空气经换向阀向大气排放。由于阀内的气路十分复杂且又十分狭窄,压缩空气以近音速的流速从排气口排出,空气急剧膨胀和压力变化将产生高频噪声。排气速度和排气压力越高,噪音也越高。

目前使用的消声器种类繁多,但根据消声原理不同,有阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器及多孔扩散式消声器。

消声器通常用多孔扩散式消声器,用于消除高速喷气射流噪声,消声材料用铜颗粒烧结而成,也有用塑料制成。长圆筒用钢管制成,内部填装玻璃纤维吸声材料。

10-13 工业中常用的气缸有哪些类型?举例说明应用场合。

气缸按结构分类如图。

按缸径^[27]分类:缸径~6mm为微型气缸,8~25mm为小型气缸,32~320mm为中型气缸,大于320mm为大型气缸。

10-14 磁性气缸工作原理及适用场合?

磁性开关气缸是将磁性开关装在气缸的缸筒外侧。磁性开关气缸用于检测气缸行程的位置,不需在行程两端设置机控阀或行程开关,也不需要在活塞杆^[28]端部设置限位档块,所以使用方便、结构紧凑。

10-15 无杆气缸工作原理及适用场合?

无活塞杆气缸主要有机械接合式气缸、磁性藕合气缸、绳索气缸和钢带气缸四种,前两种无杆气缸在自动化系统、气动机器人中获得了大量应用。通常,把机械接合式无杆气缸简称为无杆气缸,磁性耦合的无杆式气缸称为磁性气缸。图10-19为无杆气缸结构原理图。在气缸筒沿轴向开有一条长槽,为保证开槽处的密封,设有内外密封带。内密封带靠气压力将其压在缸筒内壁上起密封作用。外密封带起防尘作用。

10-16 气-液阻尼缸工作原理及适用场合?

气-液阻尼缸是由将气缸和液压缸组合而成,它是以压缩空气为能源,并利用油液的不可压缩性来获得活塞^[29]的平稳运动。它将液压缸和气缸两个活塞固定在一根活塞杆上,串联成一个整体。当气缸右腔供气时,活塞克服外载并带动液压缸活塞向左运动。液压缸左腔排油,油液只能经节流阀^[30]1缓慢流回右腔。

10-17 回转^[31]气缸工作原理及应用场合?

旋转气缸,其动作原理是按照齿轮齿条啮合原理进行工作的。活塞与一根可上下移动的轴固定在一起。轴的末端有三个环形槽,这些槽与两个驱动轮的齿啮合,驱动轮又分别与手指连接。当活塞杆移动时,带动驱动轮旋转,并带动气动手指同时移动并自动对中,齿轮齿条原理确保了抓取力矩始终恒定。

10-18 气缸缓冲的原理及作用?

气缸缸盖上未设置缓冲装置的气缸称为无缓冲气缸,缸盖上设置缓冲装置的气缸称为缓冲气缸。缓冲装置由节流阀、缓冲柱塞和缓冲密封圈等组成。当气缸行程接近终端时,由于缓冲装置的作用,可以防止高速运动的活塞撞击缸盖的现象发生。由于气缸运动速度较快,设置缓冲装置尤为重要。

10-19 先导式减压阀^[32]结构、工作原理及应用场合?为何一般气动系统都设有减压阀而液压系统都设有溢流阀^[33]?

先导式减压阀是使用预先调整好压力的空气来代替直动式调压弹簧进行调压的。其调节原理和主阀^[34]部分的结构与直动式减压阀相同。在需要远距离控制^[35]时,可采用遥控的先导式减式阀。先导式减压阀所采用的调压空气是由小型直动式减压阀供给的。若把小型直动式减压阀装在主阀的内部,则称为内部先导式液压阀。若将小型直动式减压阀装在主阀的外部,则称为外部先导式减压阀。

气动与液压传动不同,一个空压站输出的压缩空气通常可供多台气动装置使用。空压站的空气压力都高于每台装置所需的压力,且压力波动较大。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。减压阀的作用是将较高的输入压力调到规定的输出压力,并能保持输出压力稳定,不受空气流量变化及气源压力波动的影响。

10-20 气动换向阀按结构的不同分为哪些类型?它们的工作原理是什么?

气动换向阀按阀芯结构不同可分为:滑阀式、截止式、滑板式、旋塞式和膜片式等。

10-21参考图10-47 ,叙述先导式双电控换向阀工作原理。其中先导和双电控的作用是什么?

参考答案:

略

10-22 分别叙述延时换向阀、梭阀、双压阀、快速排气阀^[36]的工作原理并举例应用。

(1)动力粘度:动力粘度又称为绝对粘度,由式:确定。液体动力粘度的物理意义是:液体在单位速度梯度下流动或有流动趋势时,相接触的液层间单位面积上产生的内摩擦力。动力粘度的法定计量单位为Pa?s (N?s/m2)。

(2)运动粘度?:液体的动力粘度与其密度的比值被称为液体的运动粘度,即:

液体的运动粘度没有明确的物理意义,但它在工程实际中经常用到。因为它的单位中只有长度和时间的量纲,类似于运动学的量,所以被称为运动粘度。它的法定计量单位为m2/s,常用的单位为mm2/s。

(3)相对粘度:相对粘度又称为条件粘度,它是采用特定的粘度计在规定的条件下测量出来的粘度。我国采用恩氏度?E。相对粘度无量纲。

2-2 液压油种类有哪些?如何选用液压油?

参考答案:

液压油有两大类,即石油基液压油和难然液压液。液压油的运动粘度是划分牌号的依据。国家标准GB/T3141-1994中规定,液压油的牌号就是用它在温度为时的运动粘度平均值(单位为mm2/s)来表示。

对液压油液的选用,首先应根据液压传动系统的工作环境和工作条件来选择合适的液压油液类型,然后再选择液压油液的粘度。

2-3 什么是压力?如何理解液压系统的压力取决于外负载?

参考答案:

液体在单位面积上所受的内法线方向的力称为压力。压力有绝对压力和相对压力,绝对压力是以绝对真空为基准来度量的,而相对压力是以大气压为基准来进行度量的。

由公式可知液压系统中的压力是由外界负载决定的。

2-4 什么是流量?如何理解液压系统执行元件的速度取决于流量?

参考答案:

单位时间内流过通流截面的液体体积称为流量,用(单位为m3/s)表示,如图2-12a)。对于微小流束,通过该通流截面的流速为,其微小流量为:

实际液体流过整个通流截面的流量为:

液压系统执行元件通流截面固定,运行的速度与流量成正比。

2-5 写出雷诺数的表达式,并说明其作用。

参考答案:

雷诺数:由平均流速、管径d和液体的运动粘度三个参数组成的无量纲数,是用来表明液体流动状态的数。雷诺数的物理意义是流动液体的惯性力与粘性力之比。雷诺数小,表示粘性力占主导地位,由压力与粘性力之间的平衡决定了流动的规律,流体质点受粘性力制约只能按层沿轴线方向运动,因此流动为层流。

利用延时控制的气动元件称为延时阀。延时阀是一种时间控制元件,利用气阻和气容的充气特性来实现气压信号的延时。梭阀是气动控制中的或门逻辑功能元件。梭阀应用广泛,适合在不同位置操纵阀或气缸动作,也可用于逻辑气路上。如在需要手动、自动操作转换的回路中。双压阀的作用相当于“与”门逻辑功能。双压阀可在互锁回路中应用。快速排气阀可以用来使气缸快速排气,以提高气缸的运动速度。

10-23 简述流量控制阀的使用方法。

在气动系统中,对气缸运动速度、信号延迟时间、气缸缓冲能力等的控制,都是依靠控制流量来实现的。其中最常用的有节流阀、单向节流阀和排气消声节流阀等。

(1)由于受空气的压缩性及气阻阻力的影响,一般用流量阀调节气缸的速度不得低于30mm/s。

(2)气缸速度控制有进气节流和排气节流两种,但多采用后者。用排气节流的方法比进气节流稳定、可靠。

(3)流量阀应尽量安装在气缸附近,以减少气体压缩对速度产生的影响。

(4)彻底防止管路中的气体泄漏。

(5)尽可能使加在气缸活塞杆上的载荷稳定。在载荷变化的情况下,可采用气液联动,以达到运动平稳、无冲击。

10-24参考图10-70,叙述开关控制的比例压力阀工作原理和特点。

参考答案:

略

10-25 简述气动伺服定位系统的作用和工作原理。

气动伺服定位系统是气动机器人中极其关键的技术之一。传统机械手的自动定位一直是依靠伺服电机、步进马达或液压伺服定位系统来完成的。气动伺服定位系统与电机驱动定位系统相比,尽管控制精度要差一个等级,但它价格低廉,结构简单,速度高,抗环境污染和抗干扰性强,一经出现便受到工业界的高度重视。

采用气动伺服定位系统可非常方便地实现多点无级定位(柔性定位)和无级调速,此外,利用伺服定位气缸的运动速度连续可调性以替代传统的节流阀和气缸端部缓冲方式,可以达到最佳的速度和缓冲效果,大幅度降低气缸的动作时间,缩短工序节拍,提高生产率。