气动控制阀的定义分类及工作原理详解(参考模板)

气动控制阀(Pneumatic control valves)

气动控制阀是指在气动系统中控制气流的压力、流量和流动方向，并保证气动执行元件或机构正常工作的各类气动元件。气动控制阀的结构可分解成阀体(包含阀座和阀孔等)和阀心两部分，根据两者的相对位置，有常闭型和常开型两种。阀从结构上可以分为：截止式、滑柱式和滑板式三类阀。

一、气动控制阀的分类

气动控制阀是指在气动系统中控制气流的压力、流量和流动方向，并保证气动执行元件或机构正常工作的各类气动元件。控制和调节压缩空气压力的元件称为压力控制阀。国内知名的生产厂家有上海权工阀门设备有限公司和湖南新兴水电设备有限公司。其公司是机械工业部、化工部、中国化工装备总公司定点管理生产企业。其产品在业内有一定的价格优势和技术优势

控制和调节压缩空气流量的元件称为流量控制阀。改变和控制气流流动方向的元件称为方向控制阀。

除上述三类控制阀外，还有能实现一定逻辑功能的逻辑元件，包括元件内部无可动部件的射流元件和有可动部件的气动逻辑元件。在结构原理上，逻辑元件基本上和方向控制阀相同，仅仅是体积和通径较小，一般用来实现信号的逻辑运算功能。近年来，随着气动元件的小型化以及PLC控制在气动系统中的大量应用，气动逻辑元件的应用范围正在逐渐减小。从控制方式来分，气动控制可分为断续控制和连续控制两类。在断续控制系统中，通常要用压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀来实现程序动作;连续控制系统中，除了要用压力、流量控制阀外，还要采用伺服、比例控制阀等，以便对系统进行连续控制。气动控制阀分类如图4.1。

二、气动控制阀和液压阀的比较

(一) 使用的能源不同

气动元件和装置可采用空压站集中供气的方法，根据使用要求和控制点的不同来调节各自减压阀的工作压力。液压阀都设有回油管路，便于油箱收集用过的液压油。气动控制阀可以通过排气口直接把压缩空气向大气排放。

(二) 对泄漏的要求不同

液压阀对向外的泄漏要求严格，而对元件内部的少量泄漏却是允许的。对气动控制阀来说，除间隙密封的阀外，原则上不允许内部泄漏。气动阀的内部泄漏有导致事故的危险。

对气动管道来说，允许有少许泄漏;而液压管道的泄漏将造成系统压力下降和对环境的污染。

(三) 对润滑的要求不同

液压系统的工作介质为液压油，液压阀不存在对润滑的要求;气动系统的工作介质为空气，空气无润滑性，因此许多气动阀需要油雾润滑。阀的零件应选择不易受水腐蚀的材料，或者采取必要的防锈措施。

(四) 压力范围不同

气动阀的工作压力范围比液压阀低。气动阀的工作压力通常为10bar以内，少数可达到40bar 以内。但液压阀的工作压力都很高(通常在50Mpa以内)。若气动阀在超过最高容许压力下使用。往往会发生严重事故。

(五) 使用特点不同

一般气动阀比液压阀结构紧凑、重量轻，易于集成安装，阀的工作频率高、使用寿命长。气动阀正向低功率、小型化方向发展，已出现功率只有0.5W的低功率电磁阀。可与微机和PLC 可编程控制器直接连接，也可与电子器件一起安装在印刷线路板上，通过标准板接通气电回路，省却了大量配线，适用于气动工业机械手、复杂的生产制造装配线等场合。

三、气动控制阀的结构特性

气动控制阀的结构可分解成阀体(包含阀座和阀孔等)和阀心两部分，根据两者的相对位置，有常闭型和常开型两种。阀从结构上可以分为：截止式、滑柱式和滑板式三类阀。

(一)截止式阀的结构及特性

截止式阀的阀心沿着阀座的轴向移动，控制进气和排气。图4.2所示为二通截止式阀的基本结构。图4.2a中，在阀的P口输入工作气压后，阀芯在弹簧和气体压力作用下紧压在阀座上，压缩空气不能从A口流出;图4.2b为阀杆受到向下的作用力后，阀芯向下移动，脱离阀座，压缩空气就能从P口流向A口输出。这就是截止式阀的切换原理。图4.3所示的阀为常通型结构。图4.3a为初始状态，与图4.2a相反，阀心在弹簧力作用

下离开阀座，压缩空气从P口流向A口输出。图4.3b为工作状态，阀杆在向上的力作用下，阀心紧压在阀座上关闭阀口，流道被关断，A口没有压缩空气流出。

气动控制阀是控制、调节压缩空气的流动方向、压力和流量的气动元件，利用它们可以组成各种气动回路，使气动执行元件按设计要求正常工作。

13.1常用气动控制阀(Common pneumatic control valves)

和液压控制阀类似，常用的基本气动控制阀分为：气动方向控制阀、气动压力控制阀和气动流量控制阀。此外还有通过改变气流方向和通断以实现各种逻辑功能的气动逻辑元件。

13.1.1 气动方向控制阀(Pneumatic direction control valves)

气动方向控制阀是用来控制压缩空气的流动方向和气流通、断的气动元件。

13.1.1.1 气动方向控制阀的分类

气动方向控制阀和液压系统的方向控制阀类似，也分为单向阀和换向阀，其分类方法也基本相同。但由于气压传动具有自己独有的特点，气动方向控制阀可按阀芯结构、控制方式等进行分类。

1．截止式方向控制阀

关系如图13.1

开启后气流的流动方向。

1

紧凑的大口径阀。

2）截止阀一般采用软质材料

此，密封性好、泄漏量小、

也能关闭。

3

击力也较大。不适合用于高灵敏度的场合。

4）比滑柱式方向控制阀阻力损失小，抗粉尘能力强，对气体的过滤精度要求不高。

2. 滑柱式方向控制阀

滑柱式气动方向控制阀工作原理与滑阀式液压控制元件类似，这里不具体说明。

滑柱式方向控制阀的特点：

1）阀芯较截止式长，增加了阀的轴向尺寸，对动态性能有不利影响，大通径的阀一般不易采用滑柱式结构；

2）由于结构的对称性，阀芯处在静止状态时，气压对阀芯的轴向作用力保持平衡，容易设计成气动控制中比较常用的具有记忆功能的阀；

3）换向时由于不受截止式密封结构所具有的背压阻力，换向力较小；

4）通用性强。同一基型阀只要调换少数零件便可改变成不同控制方式、不同通路的阀；同一只阀，改变接管方式，可以做多种阀使用。

5）阀芯对介质的杂质比较敏感，需对气动系统进行严格的过滤和润滑，对系统的维护要求高。

13.1.1.2 常用的气动方向控制阀

1. 单向型方向控制阀

1）单向阀

单向阀的结构原理如图13.2。其工作原理和图形符号和液压单向阀一致，只不过气动单向阀

A

P2同时通气时，哪端压力低，A口就和哪端相通，另一端关闭，其逻辑关系为“与”，图形符号如图。

4）快速排气阀

快速排气阀是为加快气体排放速度而采用的气压控制阀。

如图13.5为快速排气阀的结构原理。当气体从P 通入时，气体的压力使唇型密封圈右移封闭快速排气口e ，并压缩密封圈的唇边，导通P 口和A 口，当P 口没有压缩空气时，密封圈的唇边张开，封闭A 和P 通道，A 口气体的压力使唇型密封圈左移，A 、T 通过排气通道e 连通而快速排气（一般排到大气中）。 2. 换向型方向控制阀

换向型方向控制阀（简称换向阀），是通过改变气流通道而使气体流动方向发生变化，从而达到改变气动执行元件运动方向的目的。它包括气压控制换向阀、电磁控制换向阀、机械控制换向阀、人力控制换向阀和时间控制换向阀等。 （1）气压控制换向阀

气压控制换向阀是利用气体压力使主阀芯和阀体发生相对运动而改变气体流向的元件。 1）气压控制换向阀的分类

按控制方式不同分为加压控制、卸压控制和差压控制三种。加压控制是指所加的控制信号压力是逐渐上升的，当气压增加到阀芯的动作压力时，主阀便换向；卸压控制是指所加的气控信号压力是逐渐减小的，当减小到某一压力值时，主阀换向；差压控制是使主阀芯在两端压力差的作用下换向。

气控换向阀按主阀结构不同，又可分为截止式和滑阀式两种主要型式。滑阀式气控换向阀的结构和工作原理与液动换向阀基本相同。在此只介绍截止式换向阀。 2）截止式方向控制阀

图13.6态，阀芯4在弹簧2与P 压作用下右移，使P 与开，A 与T 导通；当 K 控制信号时，推动活塞过阀芯压缩弹簧打开P 通道，封闭A 与T 示为常断型阀，如果控制换向阀。

(2)电磁控制方向控制阀 1) 单电控换向阀

由一个电磁铁的衔铁推动换向阀芯移位的阀称为单电控换向阀。单电控换向阀有单电控直动换向阀和单电控先导换向阀两种。

时，压缩弹簧导通P、A通道，封闭T口通道。

图13.8为单电控先导换向阀的工作原理。它是用单电控直动换向阀作为气控主换向阀的先导阀来工作的。图示为断电状态，气控主换向阀在弹簧力的作用下，封闭P口，导通A、T通道；当先导阀带电时，电磁力推动先导阀芯下移，控制压力P1推动主阀芯右移，导通P、A通道，封闭T通道。类似于电液换向阀，电控先导换向阀适用于较大通径的场合。

2) 双电控电磁换向阀

铁没有通电前阀芯仍然保持在右端位置。图13.10为双电控先导换向阀的工作原理，图示为

过

推杆工作的行程换向阀。图13.12为通过杠杆和滚轮作用推动推杆的行程换向阀；图13.13为可通过式杠杆滚轮控制的行程换向阀，当机械撞块向右运动时，压下滚轮，实现换向动作；当撞块通过滚轮后，阀芯在弹簧力的作用下回复；撞块回程时，由于滚轮的头部可弯折，阀芯不换向。此阀由A口输出脉冲信号，常被用来排除回路中的障碍信号，简化设计回路。（4）时间控制换向阀

时间换向阀是通过气容或气阻的作用对阀的换向时间进行控制的换向阀。包括延时阀和脉冲阀。

1）延时阀

如图13.14为二位三通气动延时阀的结构原理。由延时控制部分和主阀组成。常态时，弹簧的作用使阀芯2处在左端位置。当从K口通入气控信号时，气体通过可调节流阀4（气阻）

移，换向阀换向。

2）脉冲阀

脉冲阀是靠气流经过气阻、气容的延时作用，使输入的长信号变成脉冲信号输出的阀。图13.15为一滑阀式脉冲阀的结构原理。P口有输入信号时，由于阀芯上腔气容中压力较低，并且阀芯中心阻尼小孔很小，所以阀芯向上移动，使P、A相通，A口有信号输出，同时从阀芯中心阻尼小孔不断给上部气容充气，因为阀芯的上、下端作用面积不等，气容中的压力上升

这样，P

出的脉冲信号。

13.1.2

起调节、

作安全等作用。

13.1.2.1

阀）

13.1.2.2

1．减压阀

减压阀是气动系统中的压力调节元件。气动系统的压缩空气一般是由压缩机将空气压缩，储存在储气罐内，然后经管路输送给气动装置使用，储气罐的压力一般比设备实际需要的压力高，并且压力波动也较大，在一般情况下，需采用减压阀来得到压力较低并且稳定的供气。减压阀按调节压力的方式分为直动式和先导式两种。

（1）直动式减压阀

图13.16为直动式减压阀的结构原理。输入气流经P1 进入阀体，经阀口2节流减压后从P2口输出，输出口的压力经过阻尼孔4进入膜片室，在膜片上产生向上的推力，当出口的压力P2瞬时增高时，作用在膜片上向上的作用力增大，有部分气流经溢流口和排气口排出，同时减压阀芯在复位弹簧1的作用下向上运动，关小节流减压口，使出口压力降低；相反情况不难理解。调解手轮8就可以调节减压阀的输出压力。

采用两个弹簧调压的作用是调节的压力更稳定。

阀芯4的上下移动，使进气阀口3开大或关小，提高了对阀芯控制的灵敏度，也就提高了阀的稳压精度。

（3）定值器

定值器是一种高精度的减压阀，主要用于压力定值。图13.18为定值器的工作原理图。它由三部分组成：一是直动式减压阀的主阀部分；二是恒压降装置，相当于一定差值减压阀，主要作用是使喷嘴得到稳定的气源流量；三是喷嘴挡板装置和调压部分，起调压和压力放大作用，利用被它放大了的气压去控制主阀部分。由于定值器具有调定、比较和放大的功能，因而稳压精度高。

E

使

5与

8

H室

定值器处于工作状态时，转动手柄14压下弹簧13并推动膜片12连同挡板11一同下移，挡板11与喷嘴10的间距缩小，气流阻力增加，使C室和D室的气压升高。膜片4在D室气压的作用下下移，将溢流阀口关闭，并向下推动主阀芯2，打开阀口，压缩空气即经 B室和H室由输出口输出。与此同时，H室压力上升并反馈到膜片12上，当膜片12所受的反馈作用力与弹簧力平衡时，定值器便输出一定压力的气体。

当输入的压力发生波动，如压力上升，若活门、进气阀芯2的开度不变，则B、F、H室气压瞬时增高，使膜片12上移，导致挡板11与喷嘴10之间的间距加大，C室和D室的气压下降。由于B室压力增高，D室压力下降，膜片4在压差的作用下向上移动，使主阀口减小，输出压力下降，直到稳定在调定压力上。此外，在输入压力上升时，E室压力和F室瞬时压力也上升，膜片8在上下压差的作用下上移，关小活门口7。由于节流作用加强，F室气压下降，始终保持节流孔5的前后压差恒定，故通过节流孔门的气体流量不变，使喷嘴挡板的灵敏度得到提高。当输入压力降低时，B室和H室的压力瞬时下降，膜片12连同挡板11由于受力平衡破坏而下移，喷嘴10与挡板11间的间距减小，C室和D室压力上升，膜片8和4下移。膜片4的下移使主阀口开度加大，B室及H室气压回升，直到与调定压力平衡为止。而膜片8下移，开大活门口，F室气压上升，始终保持节流孔5前后压差恒定。

同理，当输出压力波动时，将与输入压力波动时得到同样的调节。

由于定值器利用输出压力的反馈作用和喷嘴挡板的放大作用控制主阀，使其能对较小的压力

变化作出反应，从而使输出压力得到及时调节，保持出口压力基本稳定，定值稳压精度较高。

2

1

2．柔性节流阀

柔性节流阀的结构原理如图13.22b。其工作原理是依靠阀杆夹紧柔韧的橡胶管2产生变型来减小通道的口径实现节流调速作用的。

所以常称排气消声节流阀。

图13.22c为排气节流阀的结构原理。节流口的排气经过由消声材料制成的消声套，在节流的同时减少排气噪声，排出的气体一般通入大气。

4．单向节流阀

图13.23

型结构。气流从

气流从阀座6

流向A

当气流从A

阀芯1

截止阀口2，

口流向P

功能。

13.2气动逻辑

(Pneumatic

control valves)

13.2.1

任何一个实际的控制问题都可以用逻辑关系来进行描述。从逻辑角度看，事物都可以表示为两个对立的状态，这两个对立的状态又可以用两个数字符号“l”和“0”来表示。它们之间的逻辑关系遵循布尔代数的二进制逻辑运算法则。

同样任何一个气动控制系统及执行机构的动作和状态，亦可设定为“1”和“0”。例如将气缸前进设定为“l”，后退设定为“0”；管道有压设定为“1”，无压设定为“0”；元件有输出

信号设定为“1”，无输出信号设定为“0”等。这样，一个具体的气动系统可以用若干个逻辑

函数式来表达。由于逻辑函数式的运算是有规律的，对这些逻辑函数式进行运算和求解，可

使问题变得明了、易解，从而可获得最简单的或最佳的系统。

总之，逻辑控制即是将具有不同逻辑功能的元件，按不同的逻辑关系组配，实现输入、输出

口状态的变换。气动逻辑控制系统，遵循布尔代数的运算规则，其设计方法已趋于成熟和规

范化，然而元件的结构原理发展变化较大，自60年代以来已经历了三代更新。第一代为滑阀

式元件，可动部件是滑柱，在阀孔内移动，利用了空气轴承的原理，反应速度快，但要求很

高的制造精度；第二代为注塑型元件，可动件为橡胶塑料膜片，结构简单，成本低，适于大

批量生产；第三代为集成化组合式元件，综合利用了电、磁的功能，便于组成通用程序回路或

者与可编程序控制器（PLC）匹配组成气——电混合控制系统。

13.2.2 逻辑元件(Pneumatic logical elements)

气动逻辑元件是用压缩空气为介质，通过元件的可动部件（如膜片、阀心）在气控信号作用

下动作，改变气流方向以实现一定逻辑功能的气体控制元件。实际上气动方向控制阀也具有

逻辑元件的各种功能，所不同的是它的输出功率较大，尺寸大。而气动逻辑元件的尺寸较小，

因此在气动控制系统中广泛采用各种形式的气动逻辑元件（逻辑阀）。

13.2.3 气动逻辑元件的分类

气动逻辑元件的种类很多，可根据不同特性进行分类。

1．按工作压力

（1）高压型工作压力 0.2～0.8MPa

（2）低压型工作压力 0.05～0.2MPa

（3）微压型工作压力 0.005～0.05MPa

2．按结构型式

元件的结构总是由开关部分和控制部分组成。开关部分是在控制气压信号作用下来回动作，

改变气流通路，完成逻辑功能。根据组成原理，气动逻辑元件的结构型式可分为三类：

（1）截止式气路的通断依靠可动件的端面（平面或锥面）与气嘴构成的气口的开启或关闭

来实现。

（2）滑柱式（滑块型）依靠滑柱（或滑块）的移动，实现气口的开启或关闭。

（3）膜片式气路的通断依靠弹性膜片的变形开启或关闭气口。

3．按逻辑功能

对二进制逻辑功能的元件，可按逻辑功能的性质分为两大类：

（1）单功能元件每个元件只具备一种逻辑功能，如或、非、与、双稳等。

（2）多功能元件每个元件具有多种逻辑功能，各种逻辑功能由不同的连接方式获得。如三

膜片多功能气动逻辑元件等。

13.2.4 主要逻辑元件

13.2.4.1 高压截止式逻辑元件

高压截止式逻辑元件是依靠控制气压信号推动阀心或通过膜片的变形推动阀芯动作，改变气

流的流动方向以实现一定逻辑功能的逻辑元件。气压逻辑系统中广泛采用高压截止式逻辑元

件。它具有行程小、流量大、工作压力高、对气源压力净化要求低，便于实现集成安装和实现

图示13.24为或门元件的

结构原理。A、B为元件的信

号输入口，S为信号的输出

口。气流的流通关系是：A

B口任意一个有信号或

同时有信号，则S 口有信号输出；逻辑关系式：B A S +=。

2．是门和与门元件

是说，在A 、B 同时有信号时，由于作用面积的关系，阀芯紧抵下截止阀口1，S 口没有输出。 在A 口无信号而B 口有信号时，S 有输出。A 信号对B 信号起禁止作用，逻辑关系式：B A S =。

5．双稳元件

双稳元件属于记忆型元件，在逻辑线路中具有重要的作用。图示13.28为双稳元件的工作原理。

A有信号输入时，阀芯移动

P口的压缩空气通S1输出，S2与排气口T相A信号消失后B信号到

总有输出；当B有信号输入

左端极限位P口的压缩空气通过S2输S1与排气口T相通；在B

A信号到来前，阀

S2总有输

出；这里，两个输入信号不能同时存在。元件的逻辑关系式为：

A

B

K

S=

1；

B

A

K

S=

2。

13.2.4.2 高压膜片式逻辑元件

高压膜片式逻辑元件是利用膜片式阀芯的变形来实现其逻辑功能的。最基本的单元是三门元件和四门元件。

1．三门元件

图示13.29

的工作原理。

有输入口A

膜片将上、

A口接气源

为输出口，B

号。若B

则A

膜片从S

13.29b；如S

若A 口和B

的压力，由于膜片两边作用面积不同，受力不等，S口通道被封闭，A、S气路不通,如图13.29c。若S口封闭，A、B口通入相等的压力信号，膜片受力平衡，无输出，13.29d。但在S口接负载时，三门的关断是有条件的，即S口降压或B口升压才能保证可靠地关断。利用这个压力差作用的原理，关闭或开启元件的通道，可组成各种逻辑元件。其图形符号如图13.29e。2．四门元件

四门元件的工作原理如图13.30。膜片将元件分成上、下两个气室，下气室有输入口A和输出口B，上气室有输入口C和输出口D，因为共有四个口，所以称之为四门元件。四门元件是一个压力比较元件。就是说膜片两侧都有压力且压力不相等时，压力小的一侧通道被断开，压力高的一侧通道被导通；若膜片两侧气压相等，则要看那一通道的气流先到达气室．先到者通过，迟到者不能通过。

当A、C口同时接气源，B口通大气，D口封闭时，则D口有气无流量，B口关闭无输出，如

图13.30b；此时若封闭B口，情况与上述状态相同，如图13.30c此时放开D，则C至D气体流动，放空，下气室压力很小，膜片上气室气体由A输入，为气源压力，膜片下移，关闭D 口，则D无气，B有气但无流量，如图13.0d；同理，此时再将D封闭，元件仍保持这一状态。根据上述三门和四门这两个基本元件，就可构成逻辑回路中常用的或门、与门、非门、记忆元件等。

13.2.4.3 逻辑元件的选用

气动逻辑控制系统所用气源的压力变化必须保障逻辑元件正常工作需要的气压范围和输出端切换时所需的切换压力，逻辑元件的输出流量和响应时间等在设计系统时可根据系统要求参照有关资料选取。

无论采用截止式或膜片式高压逻辑元件，都要尽量将元件集中布置，以便于集中管理。

由于信号的传输有一定的延时，信号的发出点（例如行程开关）与接收点（例如元件）之间，不能相距太远。一般说来，最好不要超过几十米。

当逻辑元件要相互串联时—定要有足够的流量，否则可能无力推动下一级元件。

另外，尽管高压逻辑元件对气源过滤要求不高．但最好使用过滤后的气源，一定不要使加入油雾的气源进人逻辑元件。

13.3气动比例、伺服、数字控制阀（pneumatic ratio servo numerical control valves）工业自动化的发展，一方面对气动控制系统的精度和调节性能等提出了更高的要求，如在高技术领域中的气动机械手、柔性自动生产线等部分，都需要对气动执行机构的输出速度、压力和位置等按比例进行们服调节；另一方面气动系统各组成元件在性能及功能厂都得到了极大的改进；同时，气动元件与电子元件的结合使控制回路的电于化得到迅速发展，利用微型计算OL使新型的控制思想得以实现，传统的点位控制已不能满足更高要求，并逐步被一些新型系统所取代。现已实用化的气动系统大多为断续控制，在和电于技术结合之后，可连续控制位置、速度及力等的电一气伺服控制系统将得到大的发展。在工业较为发达的国家电，电