气动系统简介

气压传动与控制

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摘要：本文对气动系统进行了简要介绍，分别从气动系统的组成，特点，应用领域和发展趋势进行了阐述和介绍，重点阐明了气压传动系统与液压传动系统的区别。

关键字：气压传动液压传动系统组成应用领域发展趋势

1.气动技术的概述

1.1气动技术的概念及发展历史

气动技术是指以压缩空气为动力源，进行能量传递或信号传递的工程技术实现各种生产控制自动化的一门技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段。在人类追求与自然界和平共处的今天,研究并大力发展气压传动,对于全球环境与资源保护有着相当特殊的意义。随着工业机械化和自动化的发展,气动技术越来越广泛地应用于各个领域里。特别是成本低廉、结构简单的气动自动装置已得到了广泛的普及与应用,在工业企业自动化中具有非常重要的地位。有人曾指出：气动就是自动化，尽管有些夸张，但至少表明气动技术已被广泛地应用于工业自动化的各个领域中。

气动技术的发展历史十分悠久。早在公元前,埃及人就开始利用风箱产生压缩空气用于助燃。后来,人们懂得用空气作为工作介质传递动力做功,如古代利用自然风力推动风车、带动水车提水灌溉、利用风能航海。从18世纪的产业革命开始,气压传动逐渐被应用于各类行业中,如矿山用的风钻、火车的刹车装置、汽车的自动开关门等。而气压传动应用于一般工业中的自动化、省力化则是近些年的事情。目前世界各国都把气压传动作为一种低成本的工业自动化手段应用于工业领域。国内外自20世纪60年代以来,随着工业机械化和自动化的发展,气动技术越来越广泛地应用于各个领域里。目前气压传动元件的发展速度已超过了液压元件,气压传动已成为一个独立的专门技术领域。

1.2气动系统的组成

典型的气动系统是由气压发生器、传动介质、控制元件、执行元件和辅助元

件组成，下面分别的组成气动系统的各部分进行简要的介绍和说明。

气压发生装置即气动系统中的能源元件，相当于液压系统中的泵，其目的是得到压缩空气，原理是通过原动机供给的机械能转换成气体的压力能。一般在工业中使用的为空气压缩机。按照工作原理可分为速度型，容积型和热力型三种。其他分类方式还可按润滑方式，性能、用途、型式来进行分类。大多数空气压缩机是往复活塞式，旋转叶片或旋转螺杆。其组成结构包括油循环系统、气路循环系统、水路循环系统、屏保护系统、直流电源系统、DTC控制系统。一般空气压缩机典型的参数有压力压强、压缩方法、压缩比例、容积流量、气体含油量、露点单位℃。其中后两点参数表明从空气压缩机出来的压缩空气含有油性杂质，并且湿度较高，不能直接用于驱动执行元件，必须在后面加上各种气源处理元件。这一点在辅助元件里再进行介绍。

一般来说，气动系统中应用的传动介质为压缩空气。压缩空气作为传动介质具有如下优点：（1）压缩空气的原料是空气，而空气在自然界中广泛存在，无须购买并且容易获得。（2）压缩空气可以进行长距离传输而压力损失较小，并且对管路的要求较低，容易在管路中传输。（3）压缩空气易储存在气罐中，并且可以根据需要释放压缩空气，并且气罐本身也比较容易运输。（4）压缩空气规避了爆炸或者失火的危险。（5）压缩空气更加清洁，在经过去除润滑油后即使泄露到空气中，也不会产生污染。（6）压缩空气的流量可以达到很高的速度，这个特性能够满足要求高速运动的场合。然而，使用压缩空气作为传动介质也存在一定的缺点，其缺点如下：（1）压缩空气需要有较高的质量，不能含有灰尘，油雾和较高的湿度。（2）由于空气具有可压缩性，所以对于气缸活塞来说，很难得到持续稳定的速度。（3）由于空气的可压缩性，更加大了对于气压系统的控制难度。所以，需要合理的利用压缩空气，这样可以得到比较好的工程指标，收到良好的效果。

气压传动中的控制元件同液压传动类似，可以按照控制量分为压力控制阀，流量控制阀，方向控制阀和逻辑元件。其中压力控制阀包含减压阀、溢流阀和顺序阀。减压阀的功能是将储气罐内的压力气体减压到每套装置实际需要的压力的减压阀；溢流阀与液压传动中的溢流阀原理功能类似，限制和保证储气罐和管道压力在某一定值；顺序阀可以根据回路中压力变化控制执行元件顺序动作。流量控制阀是通过阀的流道面积的改变来实现流量控制的元件，其目的时为了改变执

行机构的运动速度。流量控制阀一般包括节流阀、单向节流阀和快速排气阀。方向控制阀是用来改变管道内气流的通断和气流的流动方向的，按阀芯种类分类可分为：提动式、滑阀式、滑动式、膜片式等。按切换位置和通口数目可分成二位四通阀，三位四通阀等。按照控制方式可分成气压控制、人工控制、机械控制和电磁控制等。逻辑元件可以实现“是”、“非”、“与”、“或”等逻辑功能，可分为气动逻辑元件和射流逻辑元件。

气动执行元件是将气体的能量转换成机械能的能量转换装置。一般分类可分为气缸和气动马达。气缸用于实现直线往复运动或摆动，输出力和直线或摆动位移；气动马达用于实现连续回转运动，输出力矩和角位移。气缸在基本结构上分为单作用式和双作用式两种。其区别在于回程是否由压缩空气驱动，双向运动都由压缩空气驱动的即为双作用式。其基本结构由前端盖、后端盖、活塞、气缸筒、活塞杆等构成，并且随着应用场合的变化发展出更多特殊结构的气缸。气动马达可分为摆动式和回转式。摆动式（又称为摆动缸）实现有限回转运动，回转式实现连续回转运动。

气动辅助元件是用于辅助保证气动系统正常工作。由于前文谈到了用作工作介质的压缩空气需要控制其清洁度和湿度，所以需要在空气压缩机后面加上起到净化作用的净化器，包括过滤器、干燥器、分水滤清器等。其中过滤器的作用是分离压缩空气中的凝结的水分和油分，使压缩空气得到初步净化，典型的过滤器有离心旋转式油水分离器，自动排水式分水滤气器等。同时由于压缩机输出的压缩气体温度较高，不能够输送到储气罐或者管路，因此常常需要设置后冷却器。其冷却方法通常是水冷法，用水冷式换热器进行冷却。另外，在气动执行元件中往往需要润滑，然而以压缩气体为动力的气动元件都是密封气室，不能用一般方法去注油，因此需要油雾器使得压缩空气含有润滑油，在气动执行元件中起到润滑的作用。另外，还有消除噪声的消音器，连接元件的管件和必需的仪器仪表等。

2.气动技术的特点

由于气动技术与液压技术都为流体控制领域的学科，在技术手段，系统组成，系统分析方法，工作介质很多方面都有很多联系。然而在更多的方面却存在很大的差异，这些差异决定了在分析气动系统的时候不能够完全照抄照搬液压传动的方法，并且，气动技术的一些特点在一些场合也体现了其优势，气动技术具有如

下特点。

2.1工作介质的特点

由之前的分析可知压缩空气的优点，与液压传动的工作介质——液压油相比有其优势有其不足。

（1）压缩空气的原料可以广泛获取，但是液压油必须从石油中特殊提取制造，并且在极压极温的条件下还需要添加其他物质，需要耗费一定的人力财力，从这一点来说，气压传动经济性更好。

（2）压缩空气作为气体有更小的粘度，相对于液压油来说，其粘度小的优点使得压缩空气可以长距离传输而没有较明显的压力损失，这一特点使得一般气动系统能源装置可以与执行装置间隔很远，中间用管道连接；而液压系统往往希望管道较短，压力损失小，发热小，效率高，有时候为了提高液压控制系统的固有频率，将液压阀背在液压执行元件上面。

（3）压缩空气本身比较清洁，在系统中发生泄漏不会引起环境的污染，能够保证工作环境的清洁；而液压系统相比来说污染较严重，一般液压系统都不可避免的有一定的外泄露，导致液压油流到工作环境中，引起污染。

（4）工作过程中压缩空气需要经过更多的环节进行处理，需要控制其湿度，防止污染，同时为了实现润滑，还需要安装油雾器，处理过程复杂繁琐；液压系统只需要控制污染，但是并不意味着液压系统的工作介质处理更简单，由于液压元件抗污染能力差，往往要经过多道过滤。

（5）由于空气的可压缩性，所以在气动控制系统中无法获得较大的刚度，同时控制的准确性也不高；而液压控制系统由于液压油具有较大的液体体积弹性模量，其刚度较大，抗干扰能力强。

2.2系统功能结构的特点

对于气动系统，从系统功能、结构上，还具有以下的特点：

（1）动作速度快，由于压缩空气可以有很大的流速，在气动系统，电气系统，和液压系统比较时，气动系统可以获得最大的运动速度。在一些要求执行元件高速运动的场合，可以考虑使用气动系统。

（2）气动系统出力较小。一般来说气动系统的工作压力被限制在一定的范围内，使得气动系统不能输出较大的力，尤其相对于液压系统来说，其工作压力和输出

的力和力矩都较小。

（3）气动系统不需要容纳工作介质的结构（比如液压系统中的油箱），同时由于其工作压力不高，其元件较轻便，尺寸小，相对于液压系统来说节省占用的空间。（4）气动元件的可靠性高，使用寿命比较长。相对与电气系统而言，气动元件的寿命比较长。

（5）气动系统具有防爆防燃的特性，这一点是液压系统很难具备的（需要在液压油中添加防爆防燃的添加剂），所以气动系统可以应用在煤矿，军工等方面。（6）气动系统相对于液压系统和电器系统而言噪声比较大，在高速排气的过程中，噪声频率很高，所以一般需要加消音器。

3.气动技术的应用领域

气压传动技术目前的应用范围相当广泛，在工业各领域,如机械、电子、钢铁、运输车辆及制造、橡胶、纺织、化工、食品、包装、印刷和烟草领域等,气压传动技术已成为基本组成部分。在尖端技术领域如核工业和宇航中,气压传动技术也占据着重要的地位。接下来将分别展开来进行介绍。

（1）轻工食品包装业。其中包括各种半自动或全自动包装生产线,例如:酒类、油类、煤气罐装,聚乙烯、化肥和各种食品的包装等。

（2)机械制造业。其中包括机械加工生产线上零件的加工和组装,如工件的搬运、转位、定位、夹紧、进给、装卸、装配、清洗、检测等工序;冷却、润滑液的控制等。

（3)石油、化工业、介质管道运输送业。用管道输送介质的自动化流程绝大多数采用气动控制,如石油提炼加工、气体加工、化肥生产等。

（4)机器人。例如装配机器人,喷漆机器人,搬运机器人以及爬墙、焊接机器人等。

4.气动技术的发展趋势

随着科技的发展和对气动系统更高更新的要求，气动技术也迎来了新的发展趋势，下面分别进行介绍：

（1）小型化、节能化。气动元件的有些使用场合主要是满足在有限的空间要求气动元件外形尺寸尽量小的要求。小型化是主要发展趋势。比如针笔型气缸、薄型气缸可以用于小型和微型机械设备的场合。SMC生产的多种电磁阀中，很多的功率都比较小，电磁铁低功耗的意义不仅仅在于能节约电能消耗,提高电磁铁

的可靠性,另一方面,也为气动技术与微电子技术相结合创造了必要条件。

（2)组合化、集成化。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。这些具有组合功能的气缸,大大方便了用户的选择与使用。同时，还有新型的控制阀与控制器的集成———阀岛。把控制阀的供气支路和排气口等气流通道集成,把传感器输入电信号的接线集成在一个插座里,形成模块化的、小巧的集成块则称为阀岛。通过采用多外接口的阀岛使得

系统的设计、制造和维护过程大为简化。

（3）高速化。气缸的高速化发展对提高装置的生产效率有着重要意义,气缸高速化的发展相应需要解决的技术问题,除对密封的材料、形状有所考虑外,气缸的驱动方式及如何吸收冲击惯量进行缓冲等问题非常重耍。

参考文献：

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