认识气压传动的基础知识

1.气压传动系统组成

气压传动简称气动，其是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制与驱动各种机械和设备，以实现生产过程的机械化和自动化的。因为以压缩空气为工作介质具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、辐射，无污染，结构简单，工作可靠等特点，所以气动技术与液压、机械、电气和计算机技术一起，互相补充，已发展成为实现生产过程自动化的一个重要手段，在机械、冶金、轻纺、食品、化工、交通运输、航空航天、国防建设等各个行业部门得到广泛应用。

（1）气压传动系统的工作原理

气压传动系统的工作原理是利用空气压缩机将电动机或其他原动机输出的机械能转变为空气的压力能，然后在控制元件的控制和辅助元件的配合下，通过执行元件把空气的压力能转变为机械能，从而完成直线或回转运动并对外做功。

（2）气压传动系统的组成

典型的气压传动系统一般由以下几部分组成：

①气压发生装置是将原动机输出的机械能转变为空气的压力能，其主要设备是空气压缩机。

②控制元件的作用是控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以保证执行元件具有一定的输出力和速度，并按设计的程序正常工作，如压力阀、流量阀、方向阀和逻辑阀等。

③辅助元件是用于保证气动系统正常工作的一些辅助装置，如过滤器、干燥器、消声器和油雾器等。

如图5－2所示，原动机驱动空气压缩机1，空气压缩机将原动机的机械能转换为气体的压力能；元件2为后冷却器；元件3为除油器；元件4为干燥器；元件5为储气罐，用于储存压缩空气并稳定压力；元件6为过滤器；元件7为调压器（减压器），用于将气体压力调节到气压传动装置所需的工作压力，并保持稳定；元件8为气压表；元件9为油雾器，用于将润滑油喷成雾状，悬浮于压缩空气内，使控制阀及气缸得到润滑。经过处理的压缩空气，经气压控制元件10、11、12、14和15控制进入气压执行元件13，推动活塞带动负载工作。气压传动系统的能源装置一般都安装在距控制、执行元件较远的空气压缩机站内，压缩空气用管道输送给执行元件，而经过滤后的部分一般都集中安装在气压传动工作机构附近，把各种控制元件按要求进行组合后即构成气压传动回路。

图5－2　气压传动系统工作原理图

1—空气压缩机；2—后冷却器；3—除油器；4—干燥器；5—储气罐；6—过滤器；7—调压器；8—气压表；9—油雾器；10—手动二位三通换向阀；11—操作按钮；12—二位五通换向阀；13—气缸；14—单向节流阀；15—二位三通换向阀

2.气压传动的特点

（1）气压传动的优点

气压传动的优点如表5－1所示。

表5－1　气压传动的优点

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（3）气压传动的缺点

①气压传动系统的工作压力低，因此气压传动装置的推力一般不宜大于10～40 kN，仅适用于小功率场合，在相同输出力的情况下，气压传动装置比液压传动装置尺寸大。

②由于空气的可压缩性大，故气压传动系统的速度稳定性差，这样会给位置和速度控制精度带来误差。

③气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，须加消声器。

④气压传动工作介质本身没有润滑性，如不采用无给油气压传动元件，则需另加油雾器装置润滑，而液压系统无此问题。

3.气压工作介质

气压传动的工作介质主要是压缩空气。空气由若干种气体混合组成，主要有氮气（N2）、氧气（O2）及少量的氩气（Ar）和二氧化碳（CO2）等。此外，空气中常含有一定量的水蒸气，通常把不含水蒸气的空气称为干空气，而把含有水蒸气的空气称为湿空气。

氮气和氧气是空气中含量比例最大的两种气体，它们的体积比近似于4∶1，因为氮气是惰性气体，具有稳定性，不会自燃，所以用空气作为工作介质可以用在易燃、易爆场所。

（1）空气性质

①密度：单位体积内的空气质量称为密度。在绝对温度为273.16 K、绝对压力为1.013×105 Pa时，空气的密度为1.293 kg／m3左右。

②可压缩性和膨胀性：气体受压力的作用而使其体积发生变化的性质被称为气体的可压缩性；气体受温度的影响而使其体积发生变化的性质称为气体的膨胀性。

气体的可压缩性和膨胀性比液体大得多，由此形成了液压传动与气压传动许多不同的特点。液压油在温度不变的情况下，当压力为0.2 MPa时，压力每变化0.1 MPa，其体积变化为1／20 000；而在同样情况下，气体的体积变化为1／2，即空气的可压缩性是油液的10 000倍。水在压力不变的情况下，温度每变化1℃时，体积变化为1／20 000；而空气在同样条件下，体积的改变为1／273，即空气的膨胀性是水的73倍。

空气的可压缩性及膨胀性大，造成了气压传动的软特性，即气缸活塞的运动速度受负载变化影响很大，因此很难得到稳定的速度和精确的位移，这些都是气压传动的缺点。但同时又可利用这种软特性来适应某些生产要求。

③黏性：空气的黏性也是由于分子间存在内聚力，在分子进行相对运动时产生的内摩擦力而表现出的性质。由于气体分子之间距离大、内聚力小，因此与液体相比，气体的黏度要小得多。空气的黏度仅与温度有关，而压力对黏度的影响小到可以忽略不计。与液体不同的是，气体的黏度随温度的升高而增加。

④湿度：在一定的温度和压力下，空气中水蒸气的含量并不是无限的，当水蒸气的含量达到一定值时，再加入水蒸气就会有水滴析出，此时水蒸气的含量达到最大值，即饱和状态，这种湿空气称为饱和湿空气。当空气中所含的水蒸气未达到饱和状态时，这种湿空气称为未饱和湿空气。

（2）对空气的要求

由空气压缩机输出的压缩空气虽然能满足气压传动系统工作时的压力和流量要求，但因所含的杂质较多，故还不能直接给气压传动装置使用。气压传动系统中对压缩空气的主要要求有：在压缩空气中，不能含有过多的油蒸气；不能含有灰尘等杂质，以免阻塞气压传动元件的通道；空气的湿度不能过大，以免在工作中析出水滴，影响正常操作；对压缩空气必须进行净化处理，设置除油、除水、干燥、除尘等净化辅助设备。

一般来说，液压油液的污染是液压传动系统发生故障的主要原因，它严重地影响着液压传动系统工作的可靠性及液压元件的寿命。因此，液压油液的正确使用、管理以及污染控制是提高液压传动系统可靠性及延长液压元件使用寿命的重要手段。对于气压传动系统来说，只要能满足对压缩空气的要求和进行必要的净化，通常来讲均能使气压系统正常工作。