气动和气动系统的基础知识

气动和气动系统的基础知识

长期以来，气动作为一项技术在机械工作的性能中发挥着重要作用。它还被用于开发自动化解决方案。气动系统类似于液压系统，但在这些系统中使用压缩空气代替液压油。

气动系统是使用压缩空气来传输和控制能量的系统。气动系统广泛用于各个行业。大多数气动系统依靠持续供应的压缩空气来使它们工作。这是由空气压缩机提供的。压缩机从大气中吸入空气并将其储存在称为接收器的高压罐中。然后这些压缩空气通过一系列管道和阀门供应到系统中。

“Pneuma”一词的意思是空气。气动技术就是使用压缩空气来完成工作。压缩空气是来自大气的空气，通过压缩使体积减少，从而增加其压力。它通常用作工作介质，压力为 6 kg/sq mm 至 8 kg/sq mm。使用气动系统时，可产生高达 50 kN 的最大力。控制装置的驱动可以是手动、气动或电动驱动。压缩空气主要用于通过作用在活塞或叶片上来做功。这种能源用于钢铁行业的许多领域。

气动系统的优点

气动系统广泛应用于不同行业，用于驱动自动机器。气动系统有很多优点。

• 高效 - 大气中的空气供应无限，可产生压缩空气。此外，还可以轻松存储大容量。压缩空气的使用不受距离的限制，因为它可以很容易地通过管道输送。使用后，压缩空气无需处理即可直接释放到大气中。
• 高耐用性和可靠性 - 气动系统组件非常耐用，不易损坏。与电动元件相比，气动元件更耐用、更可靠。
• 设计简单——气动系统组件的设计相对简单。因此它们更适用于简单的自动控制系统。可以选择直线运动或角旋转运动等运动，操作速度简单且连续可变。
• 对恶劣环境的适应性强——与其他系统的元件相比，压缩空气受高温、灰尘、腐蚀性环境等的影响较小，因此更适用于恶劣的环境。
• 安全方面 - 气动系统比电动系统更安全，因为它们可以在易燃环境中工作而不会引起火灾或爆炸。除此之外，气动系统中的过载只会导致滑动或停止运行。与电动系统组件不同，气动系统组件在过载时不会燃烧或过热。
• 轻松选择速度和压力 - 气动系统的直线和摆动运动的速度易于调整，几乎没有限制。压缩空气的压力和体积可以通过压力调节器轻松调节。
• 环保 - 气动系统的运行不会产生污染物。气动系统是环境清洁的，经过适当的排气处理，可以安装到洁净室标准。因此，气动系统可以在要求高清洁度的环境中工作。一个例子是集成电路的生产线。
• 经济 – 由于气动系统组件并不昂贵，因此气动系统的成本相当低。此外，由于气动系统非常耐用，因此维护成本明显低于其他系统。

气动系统的局限性

尽管气动系统具有许多优点，但它们也受到一些限制。下面给出了这些限制。

• 精度相对较低 – 由于气动系统是由压缩空气提供的力驱动的，因此它们的运行取决于压缩空气的体积。由于压缩或加热时空气的体积可能会发生变化，因此系统的空气供应可能不准确，从而导致系统的整体精度下降。
• 低负载 - 由于气动系统中使用的气缸不是很大，因此气动系统无法驱动过重的负载。
• 使用前需要处理 - 压缩空气在使用前必须进行处理，以确保没有水蒸气或灰尘。否则，气动元件的运动部件可能会因摩擦而迅速磨损。
• 运动速度不均匀 - 由于空气很容易被压缩，活塞的运动速度相对不均匀。
• 噪音——通常在压缩空气从气动元件中释放时产生噪音。

气动系统的组件

气动缸、旋转执行器和气动马达为大多数气动系统提供力和运动，用于材料的保持、移动、成型和加工。为了操作和控制这些执行器，需要其他气动元件，例如用于准备压缩空气的空气服务单元和用于控制执行器的压力、流量和运动方向的阀门。一个基本的气动系统由以下两个主要部分组成。

• 压缩空气生产、运输和分配系统
• 压缩空气消耗系统

压缩空气生产、输送和分配系统的主要部件包括空压机、电动机和电机控制中心、压力开关、止回阀、储罐、压力表、自动排水器、空气干燥器、过滤器、空气润滑器、管道，以及不同类型的阀门。空气消耗系统的主要部件包括进气过滤器、压缩机、排气阀、自动排水器、空气服务单元、换向阀、执行器和速度控制器。气动系统的基本组成如图1所示。

图1气动系统主要部件

进气滤清器又称空气滤清器，用于过滤空气中的污染物。

空气压缩机将电动机或内燃机的机械能转化为压缩空气的势能。压缩空气系统中使用了几种类型的压缩机。用于产生压缩空气的压缩机是根据所需的最大输送压力和所需的空气流量来选择的。压缩空气系统中的压缩机类型有 (i) 活塞式或往复式压缩机，(ii) 旋转式压缩机，( iii) 离心式压缩机，和 (iv) 轴流式压缩机。往复式压缩机是 (i) 单级或双级活塞式压缩机，和 (ii) 隔膜压缩机。旋转式压缩机是（i）滑片式压缩机和（ii）螺杆式压缩机。

电动机将电能转化为机械能。用于驱动空压机。

来自压缩机的压缩空气储存在储气罐中。空气接收器的目的是平滑来自压缩机的脉动流。它还有助于空气冷却和冷凝存在的水分。储气罐应足够大以容纳压缩机输送的所有空气。接收器中的压力保持高于系统工作压力，以补偿管道中的压力损失。接收器的大表面积也有助于散发压缩空气中的热量。

为了气动系统的满意运行，需要对压缩空气进行清洁和干燥。大气中的空气被灰尘、烟雾污染并且是潮湿的。这些颗粒会导致系统组件磨损，并且水分的存在可能会导致腐蚀。因此，必须对空气进行处理以去除这些杂质。此外，在压缩操作期间，空气温度升高。因此使用冷却器来降低压缩空气的温度。使用分离器或空气干燥器将空气中的水蒸气或水分从空气中分离出来。

空气处理可分为三个阶段。在第一阶段，进气过滤器阻止大尺寸颗粒进入空气压缩机。离开压缩机的空气可能是潮湿的并且可能是高温的。来自压缩机的压缩空气在第二阶段进行处理。在这个阶段，压缩空气的温度通过冷却器降低，空气被干燥器干燥。

空气干燥系统可以是吸附式、吸收式、制冷式或半透膜式。还提供了一个在线过滤器以去除存在的任何污染物颗粒。这种处理称为一次空气处理。在第三阶段，即二次空气处理过程中，进行进一步的过滤。

气缸和阀门的运动部件的润滑在气动系统中是非常重要的。为此，在气动设备之前使用压缩空气润滑器。润滑器将细小的油雾引入压缩空气中。这有助于润滑应用压缩空气的系统的移动部件。正确等级的润滑油通常运动粘度在20-50厘沲左右。

控制阀用于调节、控制和监控方向流量、压力等。控制阀的主要功能是保持空气管路中恒定的下游压力，而不受上游压力变化的影响。由于压缩空气流的高速，在接收器和负载（应用）之间存在与流量相关的压降。因此，接收器中的压力始终保持高于系统压力。在应用现场，压力被调节以保持恒定。下面给出三种控制局部压力的方法。

• 在第一种方法中，负载不断地将空气排放到大气中。压力调节器限制流向负载的气流，从而控制空气压力。在这种类型的压力调节中，需要一些最小流量来操作调节器。如果负载是不吸入空气的死端类型，则接收器中的压力会上升到歧管压力。这种类型的调节器被称为“非减压调节器”，因为空气必须通过负载。
• 在第二种类型中，负载是死端负载。然而，调节器将空气排放到大气中以降低压力。这种类型的调节器被称为“减压调节器”。
• 第三种稳压器的负载非常大。因此其对风量的要求非常高，不能用简单的调节器来满足。在这种情况下，使用由压力传感器、控制器和排气阀组成的控制回路。由于负载较大，系统压力可能会上升到其临界值以上。它由换能器检测。然后信号由控制器处理，控制器指示阀门打开以排出空气。当难以将压力调节阀安装在需要压力调节的点附近时，也可以使用此技术。

气缸和马达是用于获得气动系统机械元件所需运动的执行器。执行器是将压缩空气中的能量转换为所需类型的动作或运动的输出设备。通常，气动系统用于各种行业中的抓取和/或移动操作。这些操作是通过使用致动器来执行的。执行器可分为三种类型，即（i）将气动能量转换为线性运动的线性执行器，（ii）将气动能量转换为旋转运动的旋转执行器，以及（iii）用于操作流量控制阀的执行器 - 这些用于控制气体、蒸汽或液体等流体的流量和压力。液压和气动线性致动器的结构是相似的。然而，它们的工作压力范围不同。液压缸的典型压力约为 100 kg/sq mm，气压缸的典型压力约为 10 kg/sq mm。

压缩空气的分配

压缩空气的正确分配对于实现良好的性能非常重要。需要保证的一些重要要求如下。

• 管道布置（开环或闭环），在对角处有适当数量的排水阀
• 管道设计具有重要参数，例如给定流量的管道直径、压降、管件数量和类型以及绝对压力
• 压缩机主水平集管的斜率通常为 1:20
• 从水平标头顶部起飞的分支与 U 或 45 度角
• 在所有垂直集管的底部提供带排放旋塞的蓄能器
• 与垂直集管直角连接的空气服务单元

所有主要的气动元件都可以用简单的气动符号来表示。每个符号只显示它所代表的组件的功能，而不是它的结构。气动符号可以组合形成气动图表。气动图描述了每个气动元件之间的关系，即系统的设计。气动系统的典型示意图如图2所示。

图2气动系统典型示意图

在分析或设计气动回路时，必须考虑以下四个重要因素

• 操作安全
• 所需功能的性能
• 运营效率
• 费用

气动系统的应用

气动系统有多种应用。其中一些是气动压力机、风钻、空气、水或化学品系统阀门的操作、料斗和料箱的卸载、机床、气动夯、物体的提升和移动、喷漆、夹具和固定装置的保持、钎焊或焊接、成型操作、铆接、工艺设备操作等。