第九章 气压传动
第一讲
1、授课日期、班级
2、课题
气压传动概述和基础知识
3、教学目的要求
了解气动技术的应用及发展现状，掌握气压传动的组成和工作原理，掌握气体状态方程和流动规律。
4、教学内容要点
气压传动的工作原理及组成；气压传动的优缺点；气压传动的应用和发展概况；气体的物理特性；气体的状态方程；气体的流动规律。
5、重点
气压传动的工作原理及组成；气体状态方程和流动规律。
6、教学方法和手段
课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。
7、主要参考书目和资料
8、课堂教学
8.1复习提问
1、液压传动的工作原理及组成。
2、液压传动的特点及应用。
8.2讲授新课
10-1气压传动及优缺点
一、气压传动(pneumatics transmission)及其应用
气压传动简称气动，是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。它是流体传动及控制学科的一个重要分支。
应用：
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、电气和电子技术一起，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。
气动技术被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性。
二、气压传动的特点
1. 气压传动的优点（与液压系统相比）
(1)工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。气体不易堵塞流动通道，用之后可将其随时排人大气中，不污染环境；
(2)因空气粘度小(约为液压油的万分之一)，在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。即使有泄漏，也不会像液压油一样污染环境。
(3)与液压相比，气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞。
(4)气动元件结构简单，制造容易，适于标准化、系列化、通用化。
(5)气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。
(6)空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保护，也便于贮气罐贮存能量，以备急需。
(7)排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。
2、气压传动的缺点
(1)由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，外载变化时，对工作速度的影响较大；
(2)由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多。气压传动装置的输出力不宜大于10—40kN；
(3)气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。同时实现生产过程的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的；
(4)噪声较大，尤其是在超音速排气时要加消声器。
气动与其它几种传动控制方式的性能比较见表10.1。
表10.1压传动与其它传动的性能比较
类 型
操作力
动作快慢
环境要求
构造
负载变化影响
操作距离
无级调速
工作寿命
维护
价格
气压传动
中等
较快
适应性好
简单
较 大
中距离
较好
长
一般
便宜
液压传动
最大
较慢
不怕振动
复杂
有一些
短距离
良好
一般
要求高
稍贵
电
传
动
电气
中等
快
要求高
稍复杂
几乎没有
远距离
良好
较短
要求较高
稍贵
电子
最小
最快
要求特高
最复杂
没有
远距离
良好
短
要求更高
最贵
机械传动
较大
一般
一般
一般
没有
短距离
较困难
一般
简单
一般
10-2气压传动系统的组成
一、气压传动的工作原理
气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。
气压传动的工作原理：利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。由此可知，气压传动系统和液压传动系统类似。
二、气压传动的组成（如下图所示）
(1) 气源装置 是获得压缩空气的装置。其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转变为气体的压力能；
(2) 执行元件 是将气体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置。它包括实现直线往复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马达等；
(3) 控制元件 是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工作循环，它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等；
(4) 辅助元件 是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的，它包括过滤器、油雾器、管接头及消声器等。
第十一章 气压传动基础知识
对于气压传动基础知识的介绍，我们主要是对气压传动的工作介质（空气的物理特性和气体的状态特性及流动规律）进行讲解。
11-1 空气的物理性质
空气由多种气体混合而成。其主要成分是氮(N2)和氧(O2)，其次是氩(Ar)和少量的二氧化碳(CO2)及其它气体。空气可分为干空气和湿空气两种形态，以是否含水蒸汽作为区分标志：不含有水蒸汽的空气称为干空气，含有水蒸汽的空气称为湿空气。
一、空气的性质
1．空气的密度
单位体积内空气的质量，称为空气的密度，以 表示，即
(11-1)
式中，为气体质量；为气体体积()。
对干空气
(11-2)
式中，为绝对压力(MPa)；为温度在0℃、压力在0．1013Mh时干空气的密度，=1．293 ；273+t(=T)为绝对温度(K)。
对湿空气
(11-3)
式中，为湿空气的全压力(MPa)；为温度在t℃时饱和空气中水蒸汽的分压力(MPa)；为空气的相对湿度(％)。
2．空气的重度
单位体积内空气的重量，称为空气的重度，以γ表示，即
(11-4)
式中，为空气的重量(N)；为重力加速度，=9．81。
3．空气的粘性
空气粘性受压力变化的影响极小，通常可忽略。空气粘性随温度变化而变化，温度升高，粘性增加；反之亦然。粘度随温度的变化如表11—1所示。
空气的运动粘度与温度的关系
（一个大气压时）
0
5
10
20
30
40
60
80
100
0.133
0.142
0.147
0.157
0.166
0.176
0.196
0.21
0.238
4．气体的易变特性
气体的体积受压力和温度变化的影响极大，与液体和固体相比较，气体的体积是易变的，称为气体的易变特性。例如，液压油在一定温度下，工作压力为0．2MPa，若压力增加0．1MPa时，体积将减少1／20000；而空气压力增加0．1MPa时，体积减少1／2，空气和液压油体积变化相差10000倍。又如，水温度每升高1℃时，体积只改变1／20000；而气体温度每升高1℃时，体积改变1／273，两者的体积变化相差20000／273倍。气体与液体体积变化相差悬殊，主要原因在于气体分子间的距离大而内聚力小，分子运动的平均自由路径大。
气体体积随温度和压力的变化规律遵循气体状态方程。
二、湿度和含湿量
用湿度和含湿量两个物理量来表示湿空气中所含水蒸汽的量，以确定空气的干湿程度。
1．湿度
湿度的表示方法有两种：绝对湿度和相对湿度。
(1)绝对湿度
单位体积的湿空气中所含水蒸汽的质量，称为湿空气的绝对湿度，用表示，即
(11-5)
或由气体状态方程导出
(11-6)
式中，ms为湿空气中水蒸汽的质量(kg)；V为湿空气的体积(m3)；ps为水蒸汽的分压力(Pa)；T为绝对温度(K)；(s为水蒸汽的密度(kg／m3)；Rs为水蒸汽的气体常数，Rs=462．05[J／(kg·K)]。
(2)饱和绝对湿度
湿空气中水蒸汽的分压力达到该温度下水蒸汽的饱和压力，则此时的绝对湿度称为饱和绝对湿度，用χb表示，即
(11-7)
式中， 为饱和湿空气中水蒸汽的分压力(h)；为饱和湿空气中水蒸汽的密度(kg／m3)。
(3)相对湿度
在一定温度和压力下，绝对湿度和饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度，用户表示，即：
(11-8)
式中，为绝对湿度；为饱和绝对湿度；为水蒸汽的分压力(Pa)；为饱
和水蒸汽的分压力(Pa)。
空气绝对干燥时， =0， =0；
空气达到饱和时， = ， =100％。
湿空气的声值在0-100％之间变化，通常空气的值在60％-70％范围内人体感到舒适。气动技术规定各种阀的相对湿度不得超过90％~95％。
2．含湿量
含湿量分为质量含湿量和容积含湿量两种。
(1)质量含湿量
单位质量的干空气中所混合的水蒸汽的质量，称为质量含湿量，用d表示，即
(11-9)
式中，为水蒸汽质量(kg)；为干空气质量(kg)。
(2)容积含湿量
单位体积的干空气中所混合的水蒸汽的质量，称为容积含湿量，用表示，即
(11-10)
式中，为干空气的密度(kg／m3)。
空气中水蒸汽的含量是随温度而变的。当气温下降时，水蒸汽的含量下降；当气温升高时，其含量增加。若要减少进入气动设备中空气的水分，必须降低空气的温度。
表11-2为在大气压力作用下，饱和空气中水蒸汽的含湿量与温度的关系。
含湿量与温度的关系
温度
／oC
饱和水蒸汽
分 压 力
容积含湿量
温度
／oC
饱和水蒸汽
分 压 力
容积含湿量
100
0．1013
0．597
21
0．0025
0．0183
80
0．0473
0．2929
20
0．0023
0．0173
70
0．0312
0．1979
19
0．0022
0．0163
60
0．0199
0．1301
18
0．0021
0．0154
50
0．0123
0．0832
17
0．0019
0．0145
40
0．0074
0．0512
16
0．0018
0．0137
39
0．0070
0．0488
15
0．0017
0．0128
38
0．0066
0．0463
14
0．0016
0．0121
37
0．0063
0．044
13
0．0015
0．0114
36
0．0059
0．0418
12
0．0014
0．0107
35
0．0056
0．0396
11
0．0013
0．010
34
0．0053
0．0376
10
0．0012
0．0094
33
0．0050
0．0357
8
0．0011
0．00837
32
0．0048
0．0338
6
0．0009
0．0073
31
0．0045
0．032
4
0．0008
0．0064
30
0．0042
0．0304
2
0．0007
0．0056
29
0．0040
0．0287
0
0．0006
0．00485
28
0．0038
0．0272
—2
0．0005
0．00423
27
0．0036
0．0258
—4
0．0004
0．0035
26
0．0034
0．0244
—6
0．00037
0．0030
25
0．0032
0．0230
—8
0．0003
0．0026
24
0．0030
0．0218
—10
0．00026
0．0022
23
0．0028
0．0206
—16
0．00015
0．0013
22
0．0026
0．0194
—20
0．00010
0．0009
11-2 气体状态方程
一、理想气体状态方程
一定质量的理想气体，在状态变化的某一稳定瞬时，其状态应满足下述关系：
(11-11)
或 (11-12)
式中，为绝对压力(Pa)；为气体密度(kg／m3)；为绝对温度(K)；为气体比容(m3／kg)，=1/；为气体常数，干空气的=287．1，水蒸汽的=462．05。
式(11-11)和式(11—12)为理想气体状态方程。只要压力不超过20MPa，绝对温度不低于253K，对空气、氧，、氮、二氧化碳等气体，该两方程均适用。
二、理想气体状态变化过程
气体的绝对压力、比容及绝对温度的变化，决定着气体的不同状态和不同的状态变化过程。通常有如下几种情况。
等压过程
一定质量的气体，在压力保持不变时，从某一状态变化到另一状态的过程，称等压过程。如图11—1所示，设气体从状态1变化到状态2，在此过程中压力=常数。由式 (11-12)可得
常数 (11-13)
式(11—13)说明：压力不变时，比容与绝对温度成正比关系，气体吸收或释放热量而发生状态变化。单位质量的气体所得到的热量为
式中，为定压比热，对空气CP=1005。
在此过程中，单位质量气体膨胀所作功为
(11-14)
2．等容过程
一定质量的气体，在容积保持不变时，从某一状态变化到另一状态的过程，称为等容过程。
如图11-2所示，设气体从状态1变化到状态2，在此过程中，比容=常数。由式(11—12)可得
常数 (11—15)
式(11—15)说明：容积不变时，压力与绝对温度成正比关系。
在等容变化过程时，气体对外作功为
(11—16)
即气体对外不作功。但绝对温度随压力增加而增加，提高了气体的内能。单位质量的气体所增加的内能为
(11—17)
式中，为定容比热，对空气C。=718。
3．等温过程
一定质量的气体在温度保持不变时，从某一状态变化到另一状态的过程，称为等温过程。
如图11—3所示，设气体从状态1变化到状态2。因为 =常数，所以有
常数 (11-18)
即温度不变时，气体压力与比容成反比关系。压力增加，气体被压缩，单位质量的气体所需压缩功为
(11-19)
此变化过程温度不变，系统内能无变化，加入系统的热量全部用来作功。
4．绝热过程
气体在状态变化过程中，系统与外界无热量交换的状态变化过程，称为绝热过程。该过程的曲线如图11—4所示。
在此过程中，输入系统的热量等于零，即系统靠消耗内
能作功。由热力学第一定律得
或 (11-20)
因
微分得
(11-21)
将式(11-21)代入式(11-20)得
化简得
对上式积分，得
常数
即 常数 (11-22)
或
式(11—22)和式(11—23)为绝热过程的绝热方程式。式中，k为绝热指数，对不同的气体有不同的值。
绝热过程气体所作的功为
因
故
5．多变过程
不加任何限制条件的气体状态变化过程，称为多变过程。前四种变化过程为多变过程的特例，实际上大多数变化过程为多变过程。如图11—5所示，其状态方程为
式中，n为多变指数。
(1)等压过程：n=0，
(2)等容过程：
(3)等温过程：n=1，
(4)绝热过程：n=k=1．4(空气)，
(5)多变过程：一般k>n>1，
多变过程气体作功，以与绝热过程相同的方法推导，结果为
11-3 气体的流动规律
反映气体流动规律的基本方程有运动方程、连续性方程和能量方程等。在以下讨论过程中不计气体的质量力，并认为是理想气体的绝热流动。
一、运动方程
在纳维斯托克斯方程基础上，理想气体一元定常绝热流动的运动方程为
或
式中，v为气体运动的平均速度(m/s)；p为气体压力(Pa)；ρ为气体的密度(kg／m3)；S为两过流断面之间的距离(m)。
二、连续性方程
连续性方程，实质上是质量守恒定律在流体力学中的一种表现形式。气体在管道中作定常流动时，流过管道每一过流断面的质量流量为一定值。即
对上式微分得
式中，A为过流断面面积(m2)。
其它参数意义与式(11—28)完全相同。式(11—30)为连续性方程的又一表现形式。
三、能量方程
对式(11—28)积分得
(11-31a)
绝热过程有
或
则
代人式(11-31a)中得
(11-31b)
式(11-31b)为能量方程，即可压缩流体的伯努利方程。
四、有机械功的可压缩气体能量方程
在所研究的管道两过流断面之间有流体机械(如压气机、鼓风机等)对气体供以能量E时，绝热过程能量方程变为
对绝热过程，有
对多变过程，有
以上两式中，p1、p2分别为两过流断面1、2上的压力(Pa)；v1、v2分别为两过流断面1、2上的平均速度(m/s)；ρ1为过流断面1的气体密度(kg/m3)；k为绝热指数；n为多变指数。
五、通流能力
气动元件和管路等的通流能力，可用有效截面积A和流量q来描述。
1．有效截面积A
现研究气体流经节流孔口，如图11—6所示，设孔口面积为Ao。由于孔口具有尖锐边缘，而流线又不可能突然转折，经孔口后流束发生收缩，其最小收缩截面称为有效截面积，以A表示，它代表了节流孔的通流能力。节流孔的有效截面积A与孔口实际截面积Ao之比，称为收缩系数，以α表示，即
α=A/Ao (11-34)
(1)对于如图11—6所示之圆形节流孔，设节流孔直径为d，节流孔上游直径为D，节流孔口面积。
令β=(d／D)2，根据β值可从图11—7中查到收缩系数α值，便可计算有效截面积A。
(2)对于气流通过内径为d、长为l的管道，其有效截面积仍按式(11—34)计算。此时的A。为管道的实际截面积，式中收缩系数α由图11—8查得。
系统中有若干元件串联时，合成有效截面积AR用下式计算：
(11-35)
系统中有若干元件并联时，合成有效截面积为
以上两式中，分别为各元件的有效截面积。
2．通过节流小孔的流量q
气流通过气动元件，使元件进口压力p1保持不变，出口压力p2降低。如果当气流压力之比p1／p2>1．893或p2／p1<0．528时，流速在声速区。自由(基准)状态的流量为
当p2／p1>0．528或p1／p2<1．893时，流速在亚声速区。自由(基准)状态的流量为
(11-38)
以上两式中，A为有效截面积(mm2)；p1为进口绝对压力(MPa)；p2为出口绝对压力(MPa)；△p为压力差，△p = p1- p2 (MPa)；T1为进口气体绝对温度(K)。
六、充气、放气温度与时间的计算
1．充气温度与时间的计算
充气过程进行较快，热量来不及通过气罐与外界交换，这种充气过程称为绝热充气。图11-9所示为气罐的充气过程。
气罐充气时，气罐内压力从p1升高到p2，气罐内温度由原来的室温T1升高到T2。根据能量守恒规律，得到充气后的温度为
式中，Ts为气源绝对温度(K)；k为绝热指数。
当Ts= T1，即气源与被充气罐均为室温时，
充气结束后，由于气罐壁散热，使罐内气体温度下降至室温，压力也随之下降，降低后的压力值为
气罐充气到气源压力时，所需时间为
式中，ps为气源绝对压力(MPa)；p1为气罐内初始绝对压力(MPa)；τ为充气与放气的时间常数(s)；V为气罐容积(L)；A为有效截面积(mm2)。
图11—10所示为气罐充气时的压力-时间特性曲线。
2．放气温度与时间的计算
如图11—11所示，气罐内气体初始压力为p1，温度为室温T1，气罐中的气体通过小孔向外放气。
经绝热快速放气后，压力降到p2，放气后温度为
放气至p2时立即关闭气阀，停止放气，气罐内温度上升到室温，此时气罐内压力将上升到p：
(11-45)
式中，p为关闭气阀后罐内气体达到稳定状态时的绝对压力(Pa)；p2为刚关闭气阀时气罐内的绝对压力(Pa)。
气罐放气终了所需时间为
(11-46)
式中，p1为初始绝对压力(大气压力)(MPa)；p*为临界压力，一般取p*=0．192MPa(绝对压力)；τ为时间常数，由式(11—43)决定。
图11-12所示为气罐放气时的压力-时间特性曲线。
8.3课堂小结
1、气压传动是以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化、自动化；
2、气压传动系统由气压发生装置、执行元件、控制元件、辅助元件组成，用空气作为工作介质；
3、气体的各种状态参数直接影响气压传动系统的工作状态。
8.4布置作业或思考题
1、什么是气压传动？其工作原理？
2、与机械传动、电气传动及液压传动相比，气压传动有哪些优缺点？
3、气压传动系统由哪几部分组成？各在系统中起什么作用？
4、气体在气压传动系统中，遵循哪些规律？
8.5课后分析
学生对气压系统的构成及原理理解有些困难，在今后的所涉及到工程实例结合起来讲，效果要好些。
第二讲
1、授课日期、班级
2、课题
气源装置、辅助元件和控制元件
3、教学目的要求
掌握气源装置的组成及作用；了解过滤器、油雾器、消声器等辅助元件的工作原理；掌握方向、压力、流量控制阀的工作原理及在气压系统中的作用、职能符号；掌握气动逻辑元件工作原理及逻辑运算。
4、教学内容要点
气源装置的组成及作用；过滤器、油雾器、消声器等辅助元件的工作原理方向、压力、流量控制阀的工作原理及在气压系统中的作用、职能符号；气动逻辑元件工作原理及逻辑运算。
5、重点
气源装置的组成及作用；流量控制阀的工作原理及在气压系统中的作用、职能符号；气动逻辑元件工作原理及逻辑运算。
6、教学方法和手段
课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。
7、主要参考书目和资料
8、课堂教学
8.1复习提问
气压传动系统由哪几部分组成？各在系统中起什么作用？
8.2讲授新课
气源装置：为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气，它是气压传动系统的重要组成部分。由空气压缩机产生的压缩空气，必须经过降温、净化、减压、稳压等一系列处理后，才能供给控制元件和执行元件使用。
12-1气源装置
一、对压缩空气的要求
(1)要求压缩空气具有一定的压力和足够的流量。因为压缩空气是气动装置的动力源，没有一定的压力不但不能保证执行机构产生足够的推力，甚至连控制机构都难以正确地动作；没有足够的流量，就不能满足对执行机构运动速度和程序的要求等。总之，压缩空气没有一定的压力和流量，气动装置的一切功能均无法实现。
(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。
由空气压缩机排出的压缩空气，虽然能满足一定的压力和流量的要求，但不能为气动装置所使用。因为一般气动设备所使用的空气压缩机都是属于工作压力较低(小于1MPa)，用油润滑的活塞式空气压缩机。它从大气中吸人含有水分和灰尘的空气，经压缩后，空气温度均提高到140℃～180℃，这时空气压缩机气缸中的润滑油也部分成为气态，这样油分、水分以及灰尘便形成混合的胶体微尘与杂质混在压缩空气中一同排出。如果将此压缩空气直接输送给气动装置使用，将会产生下列影响：
①混在压缩空气中的油蒸气可能聚集在贮气罐、管道、气动系统的容器中形成易燃物，有引起爆炸的危险；另一方面，润滑油被气化后，会形成一种有机酸，对金属设备、气动装置有腐蚀作用，影响设备的寿命。
②混在压缩空气中的杂质能沉积在管道和气动元件的通道内，减少了通道面积，增加了管道阻力。特别是对内径只有0.2～0.5mm的某些气动元件会造成阻塞，使压力信号不能正确传递，整个气动系统不能稳定工作甚至失灵。
③压缩空气中含有的饱和水分，在一定的条件下会凝结成水，并聚集在个别管道中。在寒冷的冬季，凝结的水会使管道及附件结冰而损坏，影口向气动装置的正常工作。
④压缩空气中的灰尘等杂质，对气动系统中作往复运动或转动的气动元件(如气缸、气马达、气动换向阀等)的运动副会产生研磨作用，使这些元件因漏气而降低效率，影响它的使用寿命。
因此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。
二、气源装置的组成及布置
气源装置的设备一般包括产生压缩空气的空气压缩机和使气源净化的辅助设备。图12．1是气源装置组成及布置示意图。
在图11．1中，l为空气压缩机，用以产生压缩空气，一般由电动机带动。其吸气口装有空气过滤器以减少进人空气压缩机的杂质量。2为后冷却器，用以降温冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。3为油水分离器，用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等。 4为贮气罐，用以贮存压缩空气，稳定压缩空气的压力并除去部分油分和水分。 5为干燥器，用以进一步吸收或排除压缩空气中的水分和油分，使之成为干燥空气。6为过滤器，用以进一步过滤压缩空气中的灰尘、杂质颗粒。 7为贮气罐。
贮气罐4输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统(如气动仪表及射流元件组成的控制回路等)。气动三大件的组成及布置由用气设备确定，图中未画出。
三、空气压缩机(air compressor)
①分类
空气压缩机是一种气压发生装置，它是将机械能转化成气体压力能的能量转换装置，其种类很多，分类形式也有数种。
1）按其工作原理可分为：容积型压缩机和速度型压缩机，容积型压缩机的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增大以提高压缩空气的压力。速度型压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，然后使气体的动能转化为压力能以提高压缩空气的压力。
2)按输出压力p分类：
鼓风机： p≤0．2MPa
低压空压机： 0．2MPa≤P≤1MPa
中压空压机： 1MPa<p≤1OMPa
高压空压机： 1OMPa<p≤1OOMPa
超高压空压机： p>1OOMPa
3)按输出流量qz(即铭牌流量或自由流量)分类：
微型空压机： qz≤0.017m3／s
小型空压机： 0．017 m3／s < qz≤0．17 m3／s
中型空压机： 0．17 m3／s <qz≤1．7 m3／s
大型空压机： qz>1.7 m3／s
②工作原理
气压传动系统中最常用的空气压缩机是往复活塞式，其工作原理如图12．2所示。当活塞3向右运动时，气缸2内活塞左腔的压力低于大气压力，吸气阀9被打开，空气在大气压力作用下进入气缸2内，这个过程 称为“吸气过程”。当活塞向左移动时，吸气阀9在缸内压缩气体的作用下而关闭，缸内气体被压缩，这个过程称为压缩过程。当气缸内空气压力增高到略高于输气管内压力后，排气阀l被打开，压缩空气进入输气管道，这个过程称为“排气过程”。活塞3的往复运动是由电动机带动曲柄转动，通过连杆、滑块、活塞杆转化为直线往复运动而产生的。图中只表示了一个活塞一个缸的空气压缩机，大多数空气压缩机是多缸多活塞的组合。
图12.2活塞式空气压缩机工作原理图
1-排气阀；2-气缸；3-活塞；4-活塞杆；5、6-滑块与滑道；7-连杆；8-曲柄；9-吸气阀；10-弹簧
③空气压缩机的选用原则
选用空气压缩机的根据是气压传动系统所需要的工作压力和流量两个参数。一般空气压缩机为中压空气压缩机，额定排气压力为1MPa。另外还有低压空气压缩机，排气压力0．2MPa；高压空气压缩机，排气压力为1OMPa；超高压空气压缩机，排气压力为1OOMPa。
输出流量的选择，要根据整个气动系统对压缩空气的需要再加一定的备用余量，作为选择空气压缩机的流量依据。空气压缩机铭牌上的流量是自由空气流量。
四、冷却器(cooling apparatus)
安装：空气压缩机出口处的管道上。
作用：将空气压缩机排出的压缩空气温度由140～170℃降至40～50℃。（这样就可使压缩空气中的油雾和水汽迅速达到饱和，使其大部分析出并凝结成油滴和水滴，以便经油水分离器排出。）
结构形式有：蛇形管式、列管式、散热片式、套管式。
冷却方式：有水冷和气冷两种方式。
蛇形管、列管式和套管式后冷却器的结构见图12.3。
五、油水分离器(oil water separator)
安装：在后冷却器出口管道上。
作用：分离并排出压缩空气中凝聚的油分、水分和灰尘杂质等，使压缩空气得到初步净化。
结构形式：环形回转式、撞击折回式、离心旋转式、水浴式以及以上形式的组合。
撞击折回并回转式油水分离器：
其结构形式如图12．4所示。它的工作原理是：当压缩空气由人口进入分离器壳体后，气流先受到隔板阻挡而被撞击折回向下(见图中箭头所示流向)；之后又上升产生环形回转，这样凝聚在压缩空气中的油滴、水滴等杂质受惯性力作用而分离析出，沉降于壳体底部，由放水阀定期排出。
为提高油水分离效果，应控制气流在回转后上升的速度不超过0.3～0.5m／s。
水浴并旋转离心串联式油水分离器：
如图12.5所示。压缩空气先通过水浴清洗，除掉较难除掉的油分等杂质，再沿切向进入旋转离心式分离器中，利用离心力的作用除去油和水分。此种分离器的油水分离效果很好。
六、贮气罐(air chamber)
贮气罐的主要作用是：
①储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要应急使用；
②消除由于空气压缩机断续排气而对系统引起的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性；
③进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。
贮气罐一般采用焊接结构，以立式居多，其结构如图12.6所示。
七、干燥器(desiccator)
经过后冷却器、油水分离器和贮气罐后得到初步净化的压缩空气，已满足一般气压传动的需要。但压缩空气中仍含一定量的油、水以及少量的粉尘。如果用于精密的气动装置、气动仪表等，上述压缩空气还必须进行干燥处理。
压缩空气干燥方法主要采用吸附法和冷却法。
吸附法：利用具有吸附性能的吸附剂(如硅胶、铝胶或分午筛等)来吸附压缩空气中含有的水分，而使其干燥。
冷却法：利用制冷设备使空气冷却到一定的露点温度，析出空气中超过饱和水蒸气部分的多余水分，从而达到所需的干燥度。
吸附法是干燥处理方法中应用最为普遍的一种方法。吸附式干燥器的结构如图12．7所示。它的外壳呈筒形，其中分层设置栅板、吸附剂、滤网等。湿空气从管l进入干燥器，通过吸附剂21、过滤网20、上栅板19和下部吸附层16后，因其中的水分被吸附剂吸收而变得很干燥。然后，再经过钢丝网15、下栅板14和过滤网12，干燥、洁净的压缩空气便从输出管8排出。
图12.7 吸附式干燥器结构图
1-湿空气进气管；2-顶盖；3、5、10-法兰；4、6-再生空气排气管；7-再生空气进气管；8-干燥空气输出管；9-排水管；11、22-密封座；12、15、20-钢丝过虑网；13-毛毡；14-下栅板；16、21-吸附剂层；17-支撑板；18-筒体；19-上栅板
12-2辅助元件
一、过滤器(filter)
空气的过滤是气压传动系统中的重要环节。不同的场合，对压缩空气的要求也不同。
过滤器的作用：进一步滤除压缩空气中的杂质。
常用的过滤器：一次性过滤器(也称简易过滤器，滤灰效率为50％～70％)；二次过滤器(滤灰效率为70％～99％)。在要求高的特殊场合，还可使用高效率的过滤器(滤灰效率大于99％)。
①一次过滤器
图12．8所示为一种一次过滤器，气流由切线方向进入筒内，在离心力的作用下分离出液滴，然后气体由下而上通过多片钢板、毛毡、硅胶、焦炭、滤网等过滤吸附材料，干燥清洁的空气从．筒顶输出。
②分水滤气器 (water-separating gas filter)
分水滤气器滤灰能力较强，属于二次过滤器。它和减压阀、油雾器一起被称为气动三联件，是气动系统不可缺少的辅助元件。
普通分水滤气器的工作原理（其结构如图12．9所示）：压缩空气从，输人口进入后，被引入旋风叶子l，旋风叶子上有很多小缺口，使空气沿切线反向产生强烈的旋转，这样夹杂在气体中的较大水滴、油滴、灰尘(主要是水滴)便获得较大的离心力，并高速与水杯3内壁碰撞，而从气体中分离出来，沉淀于存水杯3中，然后气体通过中间的滤芯2，部分灰尘、雾状水被2拦截而滤去，洁净的空气便从输出口输出。挡水板4是防止气体漩涡将杯中积存的污水卷起而破坏过滤作用。为保证分水滤气器正常工作，必须及时将存水杯中的污水通过排水阀5放掉。在某些人工排水不方便的场合，可采用自动排水式分水滤气器。
存水杯由透明材料制成，便于观察工作情况、污水情况和滤芯污染情况。滤芯目前采用铜粒烧结而成。发现油泥过多，可采用酒精清洗，干燥后再装上，可继续使用。但是这种过滤器只能滤除固体和液体杂质，因此，使用时应尽可能装在能使空气中的水分变成液态的部位或防止液体进入的部位，如气动设备的气源人口处。滤芯可用多种材料制成，多用铜颗粒烧结成形，也有陶瓷滤芯。滤芯过滤精度常有5—10、10—25、25—50、50—75四种规格，也有0—5的精过滤滤芯。
自动排水式分水滤气器的分水、过滤部分结构与上述普通分水过滤器相同，不同的是存水杯下装有自动排水阀(见图12—10)。图示为无气状态，活塞6的上下腔都等于大气压力，活塞在弹簧5作用下，打开活塞杆的锥部阀口月。一旦通压缩空气，活塞下腔压力远远大于活塞上腔压力(此时支承架8顶部的孔A处于封闭状态)，活塞和活塞杆上移，关闭阀口召，压缩空气不会外泄。当存水杯7中的积水达到一定高度时，浮筒2及其顶盖9浮起，支承架8顶部的孔A被打开，杯内压缩空气经孔A进入活塞6的上腔，此时活塞上下腔液(气)压力基本相等，在弹簧5的作用下，活塞下移，打开阀口B，进行排水。密封条4上固定一根不锈钢针，其作用有两点：①可疏通小孔A及活塞杆上的节流小孔C；②当自动排水失灵时，可手推钢针使浮筒2上升进行手动排水。自动排水式分水滤气器主要用手动放水和观察水位不方便的场合，特别适合寒冷地区。
③选用
一次过滤器只在气源装置中使用。分水滤气器要根据气动设备要求的过滤精度和自由空气流量来选用。分水滤气器一般装在减压阀之前，也可单独使用；要按壳体上的箭头方向正确连接其进、出口，不可将进、出口接反，也不可将存水杯朝上倒装。
二、油雾器(oil fogger)
油雾器是一种特殊的注油装置。
作用：以空气为动力，使润滑油雾化后，注入空气流中，并随空气进入需要润滑的部件，达到润滑的目的。
1.一次油雾器
一次油雾器应用很广，润滑油在油雾器中只经过一次雾化，油雾粒径20—35左右，一般输送距离在5m以内，适于一般气动元件的润滑。图12—11所示为QIU型普通一次油雾器。压缩空气从输人口进入，在油雾器的气流通道中有一个立杆1，立杆上有两个通道口，上面背向气流的是喷油口B，下面正对气流的是油面加压通道口A。一小部分进入A的气流经过加压通道到截止阀2(见图12—12)，在压缩空气刚进入时，钢球被压在阀座上，但钢球与阀座密封不严，有点漏气，可使储油杯上腔的压力逐渐升高，将截止阀2打开，使杯内油面受压，迫使储油杯内的油液经吸油管4、单向阀5和节流针阀6滴人透明的视油器7内，然后从喷油口召被主气道中的气流引射出来，在气流的气动力和油粘性力对油滴的作用下，雾化后随气流从输出口流出。视油器上部可调针阀用来调节滴油量，滴油量为0—200滴／分。关闭针阀即停止滴油喷雾。
图12.11 QIU普通一次油雾器
1-立杆；2-截止阀；3-储油杯；4-吸油管；5-单向阀；6-调节针阀；7-视油器； 8-油塞；9-螺母
这种油雾器可以在不停气的情况下加油。当没有气流输入时，截止阀2中的弹簧把钢球顶起，封住加压通道，阀处于截止状态，见图12-12a。正常工作时，压力气体推开钢球进入油杯，油杯内气体的压力加上弹簧的弹力使钢球处于中间位置，截止阀处于打开状态，见图12-12b。当进行不停气加油时，拧松加油孔的油塞8，储油杯中气压降至大气压，输入的气体把钢珠压到下限位置，使截止阀处于反关闭状态，见图12—12co这样便封住了油杯的进气道，保证在不停气的情况下可以从油孔加油。油塞8的螺纹部分开有半截小孔，当拧开油塞加油时，不等油塞全部旋开小孔已先与大气相通，油杯中的压缩空气通过小孔逐渐排空，这样不致造成油、气从加油孔冲出来。
图12-12 截止阀的工作状态
(a)截止;(b)打开;(c)反关闭
2．二次油雾器
二次油雾器是使润滑油在其中进行了两次雾化，油雾粒径更均匀、更小，可达5，油雾在传输中不易附壁，可输送更远的距离，适用于气马达和气动轴承等对润滑要求特别高的场合。图12-13所示为二次油雾器的结构图。压缩空气从输人口进来后分成三路：第一路通过接头6中的细长孔和输气小管9，以气泡形式在输油管8中上升，将油带到小油杯10中，使小油杯中始终充满油。第二路进入喷雾套4，经环形喷口A及接头6上的斜孔(图中用虚线表示)进入储油杯的上腔。有压气体作用在大、小油杯的油面上，使小油杯内的油经过吸油管、单向阀11、套管12的环形孔道及节流针阀1滴人视油器2内，再经过过滤片3滴入喷嘴5，被流经环形喷口A处的高速气流引射出来，进行一次雾化。雾化后的油雾喷射到大储油杯的上腔，其中粒径大的油滴沉到油杯内，只有粒径小的油雾悬浮在大储油杯上腔。第三路气流径过喷雾套4的外部空间，从喷口B喷出，将油杯上腔悬浮的粒度较小又比较均匀的油雾引射出来，并进行第二次雾化，变成粒度更小(约5)、更均匀的油雾。这种油雾器增加了一个小油杯是为了使滴油量比较稳定，不受大油杯中油面变化的影响。在喷口B前面装有浓度调节螺钉，可调节引射气流的流量和压力，改变引射能力，以调节雾化油的浓度，可通过观察油杯内油面变化的情况了解油的耗量，再加以适当地调节。二次油雾器中只有5％—20％的一次雾化油被带走，因此通过视油器调节油滴数目，应调节到所需油量的10—20倍。
3．油雾器的选用
油雾器主要根据通气流量及油雾粒径大小来选择，一般场合选用一次油雾器，特殊要求的场合可选用二次油雾器。所需油雾粒径在50μm左右选用一次油雾器。若需油雾粒径很小可选用二次油雾器。油雾器一般安装在滤气器和减压阀之后，用气设备之前较近处，尽量靠近换向阀；油雾器进出口不能接反，储油杯不可倒置。油雾器的给油量应根据需要调节，一般10m3的自由空气供给1mL的油量。
4．气动三联件
气动系统中分水滤气器、减压阀和油雾器常组合在一起使用，俗称气动三联件，其安装次序如图12—14所示。目前新结构的三联1平插装在同一支架上，形成无管化连接，如图12—15所示。其结构紧凑、装拆及更换元件方便，应用普遍油雾器的选择主要是根据气压传动系统所需额定流量及油雾粒径大小来进行。
图12-15 气动三联件的结构图及功能符号
三、消声器(silencer)
在气压传动系统之中，气缸、气阀等元件工作时，排气速度较高，气体体积急剧膨胀，会产生刺耳的噪声。噪声的强弱随排气的速度、排量和空气通道的形状而变化。排气的速度和功率越大，噪声也越大，一般可达100～120dB，为了降低噪声可以在排气口装消声器。
作用：通过阻尼或增加排气面积来降低排气速度和功率，从而降低噪声的。
类型：吸收型消声器、膨胀干涉型消声器和膨胀干涉吸收型消声器。最常用的是吸收型消声器。
吸收型消声器
吸收型消声器是依靠吸声材料来消声的。
吸声材料：玻璃纤维、毛毡、泡沫塑料、烧结材料等。
消声原理是：当有压气体通过消声罩时，气流受到阻力，声能量被部分吸收而转化为热能，从而降低了噪声强度。
消声罩为多孔的吸音材料，一般用聚苯乙烯或铜珠烧结而成。当消声器的通径小于20mm时，多用聚苯乙烯作消音材料制成消声罩，当消声器的通径大于20mm时，消声罩多用铜珠烧结，以增加强度。
图12-16所示为常用的QXS型消声器，消声套由聚苯乙烯颗粒或铜珠烧结而成，气体通过消声套排出，气流受到阻力，声波被吸收一部分转化为热能，从而降低了噪声。
特点及应用场合：吸收型消声器结构简单，用于消除中、高频噪声，可降噪约20dB，在气动系统中应用最广。
2．膨胀干涉型消声器
此类消声器结构很简单，相当一段比排气孔口径大的管件。当气流通过时，让气流在其内部扩散、膨胀、碰壁撞击、反射、相互干涉而消声。
特点：排气阻力小，消声效果好，但结构不紧凑。
应用场合：主要用于消除中、低频噪声，尤其是低频噪声。
3．膨胀干涉吸收型消声器
图12-17 膨胀干涉吸收型消声器
此类消声器是上述两类消声器的组合，又称混合型消声器，如图12-17所示。气流由斜孔引入，在A室扩散、减速、碰壁撞击后反射到B室，气流束互相冲撞、干涉，进一步减速，再通过敷设在消声器内壁的吸声材料排向大气。
特点及应用场合：消声效果好，低频可消声20dB，高频可消声约45Db。
四、管道与管接头(pipeline and pipe connection)
有了管道和各种管接头，才能把气动控制元件、气动执行元件以及辅助元件等连接成一个完整的气动控制系统，因此，实际应用中，管道和管接头是不可缺少的。
管道可分为硬管和软管两种。如总气管和支气管等一些固定不动的、不需要经常装拆的地方，使用硬管。连接运动部件和临时使用、希望装拆方便的管路应使用软管。
硬管：铁管、铜管、黄铜管、紫铜管和硬塑料管等；
软管：塑料管、尼龙管、橡胶管、金属编织塑料管以及挠性金属导管等等。常用的是紫铜管和尼龙管。
管接头是连接、固定管道所必需的辅件，分为硬管接头和软管接头两类。
硬管接头：有螺纹连接及薄壁管扩口式卡套连接，与液压用管接头基本相同。
气动系统中使用的管接头的结构及工作原理与液压管接头基本相似，常用的软管接头形式有卡套式、扩口螺纹式、卡箍式、插入快换式等。
对于通径较大的气动设备、元件、管道等可采用法兰连接。
第十四章 气动控制元件
在气压传动系统中，气动控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量和方向的种类控制阀，其作用是保证气动执行元件(如气缸、气马达等)按设计的程序正常地进行工作。
14-1 压力控制阀(pressure control valve)
气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；而在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。而贮气罐的空气压力往往比各台设备实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大。因此需要用减压阀(调压阀)将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。
有些气动回路需要依靠回路中压力的变化来实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。
所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀(溢流阀)。
一、减压阀(调压阀)(reducing valve)
减压阀的功用：将供气气源压力减到每台装置所需要的压力，并保证减压后压力值稳定。
减压阀按调压方式：分为直动式和先导式两大类。直动式减压阀，由旋钮直接通过调节弹簧来改变其输出压力；先导式减压阀，则是由压缩空气来代替调压弹簧来调节输出压力。
1．减压阀的工作原理
(1)直动式减压阀
图14—1a所示为直动式带溢流阀的减压阀(简称溢流减压阀)的结构图。压力为p1的压缩空气，由左端输入经阀口10节流后，压力降为p2输出。p2的大小，可由调压弹簧2、3进行调节。顺时针旋转旋钮1，压缩弹簧2、3及膜片5使阀芯8下移，增大阀口10的开度，使p2增大。若反时针旋转旋钮1，阀口10的开度减小，p2随之减小。
若p1瞬时升高，p2将随之升高，使膜片气室6内压力也升高，在膜片5上产生的推力相应增大。此推力破坏了原来力的平衡，使膜片5向上移动，有少部分气流经溢流孔12、排气孔11排出。在膜片上移的同时，因复位弹簧9的作用，使阀芯8也向上移动，关小进气阀口10，节流作用增大，使输出压力下降，直至达到新的平衡为止，输出压力基本又回到原来值。若输入压力瞬时下降，输出压力也下降，膜片5下移，阀芯8随之下移，进气阀口10开大，节流作用减小，使输出压力也基本回到原来值。
逆时针旋转旋钮1，使调节弹簧2、3放松，气体作用在膜片5上的推力大于调压弹簧的作用力，膜片向上弯曲，靠复位弹簧的作用关闭进气阀口10。再旋转旋钮1，进气阀芯8的顶端与溢流阀座4将脱开，膜片气室6中的压缩空气便经溢流孔12、排气孔11排出，使阀处于无输出状态。
总之，溢流减压阀是靠进气口的节流作用减压，靠膜片上力的平衡作用和溢流孔的溢流作用稳压；调节弹簧即可使输出压力在一定范围内改变。为防止以上溢流式减压阀排出少量气体对周围环境的污染，可采用不带溢流阀的减压阀(即普通减压阀)，其符号如图14—1c所示。
(2)先导式减压阀
当减压阀的输出压力较高或通径较大时，用调压弹簧直接调压，则弹簧刚度必然过大，流量变化时，输出压力波动较大，阀的结构尺寸也将增大。为了克服这些缺点，可采用先导式减压阀。先导式减压阀的工作原理与直动式的基本相同。先导式减压阀所用的调压气体，是由小型的直动式减压阀供给的。若将小型直动式减压阀装在阀体内部，则称为内部先导式减压阀；若将小型直动式减压阀装在阀体外部，则称为外部先导式减压阀。
图14—2所示为内部先导式减压阀的结构图，与直动式减压阀相比，该阀增加了由喷嘴4、挡板3、固定节流孔9及气室召所组成的喷嘴挡板放大环节。当喷嘴与挡板之间的距离发生微小变化时，就会使召室中的压力发生很明显的变化，从而引起膜片10有较大的位移，去控制阀芯6的上下移动，使进气阀口8开大或关小，提高了对阀芯控制的灵敏度，即提高了阀的稳压精度。图14—3所示为外部先导式减压阀的主阀，其工作原理与直动式阀相同。在主阀体外部还有一个小型直动式减压阀(图中未画出)，由它来控制主阀。此类阀适用于通径在20mm以上，远距离(30m以内入高处、危险处、调压困难的场合。
图14-2 内部先导式减压阀 图14-3 外部先导式减压阀的主阀
1-旋钮；2-调压弹簧；3-挡板；4-喷嘴；5-孔道；
6-阀芯；7-排气阀口；8-进气阀口；9-固定节流孔；
10、11-膜片；A-上气室；B-中气室；C-下气室
(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。目前有两种压力规格的定值器：其气源压力分别为0．14MPa和0．35MPa，输出压力范围分别为0—0．1MPa和0—0。25MPao其输出压力波动不大于最大输出压力的1％，常用于需要供给精确气源压力和信号压力的场合，如气动实验设备、气动自动装置等。
图14—4所示为定值器的工作原理图和结构简图。它由三部分组成：Ⅰ是直动式减压阀的 主阀部分；Ⅱ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； Ⅲ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。
定值器处于非工作状态时，由气源输入的压缩空气经过滤器1过滤后进人A室和E室。主阀芯19在弹簧20和气源压力作用下压在阀座上，使A室与B室断开。进入E室的气流经阀口(又称为活门)12至F室，再通过恒节流孔13降压后，分别进人G室和D室。由于这时 尚未对膜片8加力，挡板5与喷嘴4之间的间距较大，气体从喷嘴4流出时的气流阻力较小，G室及D室的气压较低，膜片3及15皆保持原始位置。进入H室的微量气体主要部分经B室通过阀口2从排气口排出；另有一部分从输出口排空。此时输出口无气流输出，由喷嘴流出而排空的微量气体是维持喷嘴挡板装置工作所必须的，因其为无功耗气量，所以希望其耗量越小越好。
定值器处于工作状态时，转动手柄7压下弹簧6并推动膜片8连同挡板5一同下移，挡板5与喷嘴4的间距缩小，气流阻力增加，使G室和D室的气压升高。膜片15在D室气压的作用下下移，将阀口2关闭，并向下推动主阀芯19，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8上，当膜片8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。
当输入压力波动时，如压力上升，B室和H室气压瞬时增高，使膜片8上移，导致挡板5与喷嘴4之间的间距加大，G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15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3在上下压差的作用下上移，关小稳压阀口12。由于节流作用加强，F室气压下降，始终保持节流孔13的前后压差恒定，故通过节流孔13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8连同挡板5由于受力平衡破坏而下移，喷嘴4与挡板5间的间距减小，G室和D室压力上升，膜片3和15下移。膜片15下移使主阀口开度加大，使B室及H室气压回升，直到与调定压力平衡为止。而膜片3下移，使稳压口12开大，F室气压上升，始终保持恒节流孔13前后压差恒定。
同理，当输出压力波动时，将与输人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，即定值稳压精度较高。
2．减压阀的基本性能
(1)调压范围：它是指减压阀输出压力p2的可调范围，在此范围内要求达到规定的精度。调压范围主要与调压弹簧的刚度有关。为使输出压力在高、低调定值下都能得到较好的流量特性，常采用两个并联或串联的调压弹簧。并联时，在低压范围内只用刚度小的弹簧调压，高压范围内则合成调压；串联时，在低压范围内用合成调压，高压范围内则让其中一个起作用。一般QTY型减压阀的调压范围为0．05—0．63MPa。
(2)压力特性：它是指流量q为定值时，因输入压力p1，波动而引起输出压力p2波动的特性。输出压力波动越小，减压阀的特性就越好。输出压力p2必须低于输入压力p1一定值时才基本上不随输入压力变化而变化，如图14—5所示。
(3)流量特性：它是指输入压力p1一定时，输出压力p2随输出流量q的变化而变化的特性。当流量q发生变化时，输出压力p2的变化越小越好。一般输出压力p2越低，它随输出流量的变化波动就越小，如图14—6所示。
流量特性和压力特性是减压阀的两个重要特性，是选择和使用减压阀的重要依据。
减压阀的选用
根据使用要求选定减压阀的类型和调压精度，再根据所需最大输出流量选择其通径。决定阀的气源压力时，应使其大于最高输出压力0．1MPa。减压阀一般安装在分水滤气器之后，油雾器或定值器之前，如图14—7所示；并注意不要将其进、出口接反；阀不用时应把旋钮放松，以免膜片经常受压变形而影响其性能。
二、顺序阀(sequence valve)
顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件按顺序动作的压力控制阀，顺序阀一般很少单独使用，往往与单向阀配合在一起，构成单向顺序阀。目前应用较多的是单向顺序阀。图14—8所示为单向顺序阀的工作原理图，当压缩空气进入腔4后，作用在活塞3上的力小于弹簧2上的力时，阀处于关闭状态。当作用在活塞上的力大于弹簧力时，将活塞顶起，压缩空气从入口P经腔4、腔5到输出口A(见田14—8a)，然后进入气缸或气控换向阀。当切换气源时，由于腔4内压力迅速下降，顺序阀关闭，此时腔5内压力高于腔4内压力，在压差力作用下，打开单向阀6，反向的压缩空气从A口到T口排出(见图14—8b)。图14—9所示为常用单向顺序阀的结构图。通过旋转手轮调节弹簧预紧力，即可改变顺序阀的开启压力。单向顺序阀常用于控制气缸自动顺序动作或不便于安装机控阀的场合。
三、安全阀(safety valve)
安全阀在系统中起安全保护作用。当系统压力超过规定值时，安全阀打开，将系统中的一部分气体排入大气，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。安全阀又称溢流阀。图14—10所示为安全阀的几种典型结构形式。图14—10a为活塞式安全阀，阀芯是一平板。气源压力ps作用在活塞A上，当压力超过由弹簧力确定的安全值时，活塞A被顶开，一部分压缩空气即从阀口排入大气；当气源压力低于安全值时，弹簧驱动活塞下移，关闭阀口。图14-10b和c分别为球阀式和膜片式安全阀，其工作原理与活塞式完全相同。这三种安全阀都是靠弹簧提供控制力，调节弹簧预紧力，即可改变安全值大小，故称之为直动式安全阀。图14-10d为先导式安全阀，由小型直动阀提供的控制压力pc作用于膜片上，膜片上的硬芯就是阀芯，压在阀座上。当气源压力ps大于安全压力时，阀芯开启，压缩空气从左侧输出孔排入大气。膜片式安全阀和先导式安全阀的压力特性较好、动作灵敏；但它们的最大开启力比较小，即流量特性较差。实际应用时，应根据实际需要选择安全阀的类型，并根据最大排气量选择其通径。 图14-9 单向顺序阀的结构图
14-2流量控制阀(flow control valve)
在气压传动系统中，有时需要控制气缸的运动速度，有时需要控制换向阀的切换时间和气动信号的传递速度，这些都需要调节压缩空气的流量来实现。
流量控制阀的作用：通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件。
流量控制阀的种类：节流阀、单向节流阀、排气节流阀和快速排气阀等。
一、节流阀和单向节流阀(throttle valve and one-way throttle valve)
图14-11所示为节流阀结构图。气流径P口输入，通过节流口的节流作用后经A口输出。节流口的流通面积与阀芯位移量之间有一定的函数关系，这个函数关系与阀芯节流部分的形状有关。常用的有针阀型、三角沟槽型和圆柱斜切型等，与液压节流阀阀芯节流部分的形状基本相同，这里不再重复。图示即是圆柱斜切阀芯的节流阀。由于这种节流阀的结构简单、体积小，故应用范围较广。
图14-11 节流阀 图14-12 单向节流阀
1-调节杆；2-弹簧；3-单向阀；4-节流口（三角沟槽型）
图14-12所示为单向节流阀结构图，它是单向阀和节流阀并联而成的组合控制阀。当气流由P口向A口流动时，经过节流阀节流；反方向流动，即由A向P流动时，单向阀打开，不节流。单向节流阀常用于气缸的调速和延时回路中。
二、排气节流阀(exhaust throttle valve)
与节流阀相同之处：靠调节流通面积来调节气体流量的。
与节流阀不同之处：排气节流阀安装在系统的排气口处，不仅能够控制执行元件的运动速度，而且因其常带消声器件，具有减少排气噪声的作用。所以常称其为排气消声节流阀。
原理：图14-13所示为排气节流阀的工作原理图，靠调节节流口1处的流通面积来调节排气流量，由消声套2减少排气噪声。图14—14所示为排气节流阀的结构图，调节旋钮8，可改变阀芯3左端节流口(三角沟槽型)的开度，即改变由A口来的排气量大小。排气节流阀常安装在换向阀和执行元件的排气口处，起单向节流阀的作用。
特点：其结构简单，安装方便，能简化回路，其应用日益广泛。
图14.13 排气节流阀工作原理图
1-节流口；2-消声套（用消声材料制成）
图14—14 排气节流阀的结构图
1-阀座；2-垫圈；3-阀芯；4-消声套；5-阀套；7-锁紧法兰；8-锁紧螺母；8-旋钮
三、柔性节流阀(flexible throttle valve)
原理：图14—15所示为柔性节流阀的工作原理图，依靠阀杆夹紧柔韧的橡胶管而产生节流作用，也可以利用气体压力来代替阀杆压缩胶管。
特点：结构简单，压力降小，动作可靠性高，对污染不敏感，通常工作压力范围为0.3—0．63MPa。
应用气动流量控制阀对气动执行元件进行调速，比用液压流量控制阀调速要困难，因气体具有压缩性。所以用气动流量控制阀调速应注意以下几点，以防产生爬行：
(1)管道上不能有漏气现象；
(2)气缸、活塞间的润滑状态要好；
(3)流量控制阀应尽量安装在气缸或气马达附近； 图14-15 柔性节流阀
(4)尽可能采用出口节流调速方式；
(5)外加负载应当稳定。若外负载变化较大，应借助液压或机械装置(如气液联动)来补偿
由于载荷变动造成的速度变化。
14-3方向控制阀(directional control valve)
方向控制阀：气压传动系统中通过改变压缩空气的流动方向和气流的通断，来控制执行元件启动、停止及运动方向的气动元件。
一、方向控制阀的分类
根据方向控制阀的功能、控制方式、结构方式、阀内气流的方向及密封形式等，可将方向控制阀分为几类。见表14.1。
表14.2 方向控制阀的分类
┌───────────┬──────────────────────┐
│ 分类方式 │ 形 式 │
├───────────┼──────────────────────┤
│按阀内气体的流动方向 │单向阀、换向阀 │
├───────────┼──────────────────────┤
│按阀芯的结构形式 │截止阀、滑阀 │
├───────────┼──────────────────────┤
│按阀的密封形式 │硬质密封、软质密封 │
├───────────┼──────────────────────┤
│按阀的工作位数及通路数│二位三通、二位五通、三位五通等 │
├───────────┼──────────────────────┤
│按阀的控制操纵方式 │气压控制、电磁控制、机械控制、手动控制 ．│
└───────────┴──────────────────────┘
二、单向型方向控制阀(one-way directional control valve)
单向型方向控制阀只允许气流沿着一个方向流动。它主要包括单向阀、梭阀、双压阀和快速排气阀等。
1．单向阀(one-way valve)
如图14-16所示，单向阀是气流只能一个方向流动而不能反向流动的方向控制阀。
工作原理：与液压单向阀一样。压缩空气从P口进入，克服弹簧力和摩擦力使单向阀阀口开启，压缩空气从P流至A；当P口无压缩空气时，在弹簧力和A口(腔)余气力作用下；阀口处于关闭状态，使从A至P气流不通。
单向阀应用于不允许气流反向流动的场合，如空压机向气罐充气时，在空压机与气罐之间设置一单向阀，当空压机停止工作时，可防止气罐中的压缩空气回流到空压机。单向阀还常与节流阀、顺序阀等组合成单向节流阀、单向顺序阀使用。
2．梭阀(shuttle valve)
如图14—17所示，梭阀相当于两个单向阀组合的阀，其作用相当于“或门”。
工作原理：与液压梭阀相同。梭阀有两个进气口P1和P2，一个出口A，其中P1、P2都可与A口相通，但P1与P2不相通。P1和P2中的任一个有信号输入，A都有输出。若P1、P2都有信号输入，则先加入侧(p1=p2时)或信号压力高侧(p1≠p2时)的气信号通过A输出，另一侧则被堵死。仅当P1、P2都无信号输入时，A才无信号输出。
梭阀在气动系统中应用较广，它可将控制信号有次序地输入控制执行元件，常见的手动与自动控制的并联回路中就用到梭阀。
图14-16 单向阀 图14-17 梭阀
3.双压阀(double-pressure valve)
如图14—18所示，双压阀也相当于两个单向阀的组合结构形式，其作用相当于“与门”。
工作原理：它有两个输入口P1和P2、一个输出口A。当P1或P2单独有输入时，阀芯被推向另一侧，A无输出。只有当P1和P2同时有输入时，A才有输出。当P1与P2输入的气压不等时，气压低的通过A输出。
双压阀在气动回路中常当“与门”元件使用。
图14-18 双压阀
图14-19 快速排气阀
4．快速排气阀(rapid escape valve)
工作原理：如图14—19所示，它有三个阀口P、A、T，P接气源，A接执行元件，T通大气。当P有压缩空气输入时，推动阀芯右移，P与A通，给执行元件供气；当P无压缩空气输入时，执行元件中的气体通过A使阀芯左移，堵住P、A通路，同时打开A、T通路，气体通过T快速排出。快速排气阀常装在换向阀和气缸之间，使气缸的排气不用通过换向阀而快速排出，从而加快了气缸往复运动速度，缩短了工作周期，参见后面图15—3。
三、换向型方向控制阀(reversing directional control valve)
换向型方向控制阀(简称换向阀)：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。
种类：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。本节主要介绍气压控制换向阀和电磁控制换向阀。
1．气压控制换向阀(reversing valve by pneumatic control)
气压控制换向阀，是利用气体压力来使主阀芯运动而使气体改变流向的。
控制方式：加压控制、卸压控制和差压控制
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形式。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。在此主要介绍截止式换向阀。
应用：用途很广，多用于组成全气阀控制的气压传动系统或易燃、易爆以及高净化等场合。
截止式换向阀的工作原理：图14—20所示为二位三通单气控截止式换向阀的工作原理图。图14—20a为K口没有控制信号时的状态，阀芯在弹簧与P腔气压作用下，使P与A断开，A与T通，阀处于排气状态。当K口有控制信号时(见图14—20b)，P与A通，A与T断开，A口进气。图14—21所示为二位三通单气控截止式换向阀的结构图。当K口无信号时，A与T通，阀处于排气状态；当K口有信号输入后，压缩空气进入活塞9的右端，使阀杆5左移，P与A通。图中所示的为常断型阀，如果P、T换接则成为常通型。
图14-20 截止式换向阀的工作原理图
无控制信号状态；(b)有控制信号状态
1-阀芯；2-弹簧
图14-21 二位三通单气控截止式换向阀
截止式换向阀的特点：
①阀芯行程短，只要移动很小的距离即能使阀完全开启(如图14-22所示)，故阀开启的时间短，通流能力强，流量特性好，结构紧凑，适用于大流量的场合。
②截止式阀一般采用软质密封，且阀芯始终有背压，所以关闭时密封性好，泄漏量小；但换向力较大，换向时冲击力也较大，所以不宜用在灵敏度要求较高的场合。
③抗粉尘及染污力强，对过滤精度要求不高。
2．电磁控制换向阀(reversing valve by solenoid control)
电磁控制换向阀是利用电磁力的作用来实现阀的切换以控制气流的流动方向。按控制方法不同分为电磁铁直接控制(直动)式和先导式两种。
直动式电磁换向阀：
图14-23所示为二位三通直动式单电控电磁换向阀的工作原理图，它只有一个电磁铁，通电时 (见图14-23b)，电磁铁推动阀芯向下运动，A与T断开，P与A通，阀处于进气状态。断电时(见图14-23a)，弹簧力使阀芯复位，P与A断开，A与T通，阀处于排气状态。
图14-24所示为二位三通单电控常断式直动式电磁换向阀的结构图。通电时，线圈4产生磁场，静铁芯被磁化，因电磁力大于弹簧7的弹力，所以动铁芯6向上移动，使P与A通，排气口T被封住。断电时，静铁芯2消磁，动铁芯靠弹簧7复位，P与A断开，A腔气体经动铁芯两侧和静铁芯的中心孔从防尘螺帽3上的排气孔排空。如果P口与A口经常处于通气状态，则称为常通式直动电磁换向阀。
图14-23 直动式单电控电磁阀的工作原理
(a)断电时状态；(b)通电时状态
1-电磁铁；2-阀芯
先导式电磁换向阀：
先导式电磁换向阀是由电磁铁首先控制气路，产生先导压力，再由先导压力去推动主阀阀芯，使其换向。适用于通径较大的场合。
图14-25所示为先导式双电控二位四通电磁换向阀。它由先导阀(D1、D2)和主阀组成。而主阀又包括阀体1和活塞组件2两部分。
图示的是D1、D2均处于断电的状态。电磁阀的动铁芯5、6处于关闭状态。当D1通电、D2断电时，动铁芯5被吸起，由P口来的压缩空气经孔a(虚线)进入阀的c腔。并从密封塞4 (单向阀)的四周唇边进入孔e，并进入f腔，推动活塞组件2下移，使P与A通，B经阀芯中心孔h与T通(排气)。A口有压缩空气输出的同时，有一部分压缩空气流入孔g，其中一路经节流孔d进入c腔使密封塞4下移封住排气孔b，另一路压缩空气进入f腔，作用在活塞组件2的上端。此时，即使D1断电，活塞组件2也不会复位，即该阀具有记忆功能。
当先导阀D2通电、D1断电时，动铁芯6被吸起，c腔内的压缩空气经T1口排出。此时从P到A的压缩空气作用在大、小活塞上，因大、小活塞的面积差而产生向上的作用力，使活塞组件2上移。与此同时，密封塞4也上移，并打开阀口3，使活塞组件2上端的压缩空气经孔b排掉(但不能从密封塞4的唇边排到c腔)。活塞组件2上移后，P与B通，A与T通(排气)。此时即使D2断电，因大小活塞面积差而产生向上的作用力依然存在，所以输出状态也不会改变，即具有记忆功能。
气动电磁换向阀与液压电磁换向阀一样，有很多类型，其工作原理也相似。
先导式电磁换向阀便于实现电、气联合控制，所以应用广泛。
3.机械控制换向阀(reversing valve by mechanical control)
机械控制换向阀：又称行程阀，多用于行程程序控制，作为信号阀使用。常依靠凸轮、挡块或其它机械外力推动阀芯，使阀换向。
工作原理：图14-26为机械控制换向阀的一种结构形式。当机械凸轮或挡块直接与滚轮1接触后，通过杠杆2使阀芯5换向。其优点是减少了顶杆3所受的侧向力；同时，通过杠杆传力也减少了外部的机械压力。
14-4气动逻辑元件(pneumatic logic elements)
一、逻辑运算简介
逻辑运算又称逻辑代数、开关代数或布尔代数，是逻辑回路的设计基础，是分析、设计和简化逻辑回路常用的数学工具。
基本规律：
逻辑代数的变量和真值之间有下列规定：
(1)逻辑代数中的某一变量(如a、b等)，其值不为1即为0，不为0即为1。在气动系统中；以“1’’代表 “有输入” 、“有输出”、“有气”、“接通”等；以“0”代表“无输入”、“无输出”、“无气”、“断开”等。
(2)两个条件同时存在时，才出现某一结果，称为“逻辑乘”或“逻辑与”，表示为
式中，s为因变量；a、b为自变量；符号×组，其逻辑关系表示为或“．”读作“乘”或“与”。若有两个以上自变量的与门组，其逻辑关系表示为
式中，n表示第n个自变量。
(3)两个条件中，只要有一个存在时，就出现某一结果，称为“逻辑或”或“逻辑加”，表示为
若有两个以上自变量的或门组，其逻辑关系表示为
式中，各字母意义同前，符号“+”读作“或”或“加”。
(4)任意事物(变量)的“否定”或“反相”，称为“逻辑非”，表示为
式中，“”表示s的状态与a相反，读作“a非”。
(5)或、与、非三种基本逻辑真值的演算规定见表14-2。
逻辑代数基本运算规律：
逻辑代数以逻辑与、逻辑或、逻辑非为基础，可以导出八个基本运算规律，见表14—30。
表14.3 逻辑代数基本运算定律
形式定理：
依据逻辑代数八个基本定律，可以导出“与／或”式和“或／与”式的形式定理，见表14-4。形式定理有以下三个特征：
(1)定理1表明：在逻辑函数表达式中，如某一乘积项中包括另一项为其因子，则该乘积项可以消去。例如，在s=a+a·b中，a·b中包括了第一项a为其因子，则a·b可消去，即s=a。
(2)定理2表明：在逻辑函数表达式中，如果一个乘积项中，包括另一项的反相为其因子，则该乘积项中的反相可消去。例如，在式s=a+b中，第二项b中包含了第一项a的反相，则b中的可消去，即s=a+b。
(3)定理3表明：在逻辑函数表达式中，若在两个乘积中存在互补因子，而某一项又由互补因子以外的剩余因子所组成，则由剩余因子所组成的项可消去。例如，在式s=ab+bc+c中，第一项与第三项中的a和为互补因子(互为反相)，第二项则为第一、三项除去互补因子a和后的剩余因子b和c组成，则bc项可消去，即s=ab+c。
例14-1 试化简逻辑函数
解 由定理1：
由定理2：
由倒相律和定理2：
由定理3：
所以，原逻辑函数式可化简为
在气动中，用逻辑函数来表达实现自动控制的逻辑线路，而运用上述基本运算定律和定理是简化逻辑函数的重要方法之一(另一方法是卡诺图法)，有助于寻求使用元件最少和工作性能最可靠的最佳回路。
二、气动逻辑元件
气动逻辑元件是用压缩空气为工作介质，通过元件的可动部件在气控信号作用下动作，改变气体流动方向以实现一定逻辑功能的流体控制元件。实际上，气动方向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。
气动逻辑元件的分类：
按工作压力来分：有高压元件(0．2—0．8MPa)、低压元件(0．02-0．2MPa)和微压元件 (<0．02MPa)等三种。
按逻辑功能来分：有是门(s=a)元件、或门(s=a+b)元件、与门(s=a·b)元件、非门 (s=)元件和双稳元件等。
按结构形式来分：有截止式、膜片式和滑阀式等。
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芯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元件。
特点：行程小、流量大、工作压力高，对气源净化要求低，便于实现集成安装和实现集中控制，其拆卸也很方便。
(1)或门元件：图14—37所示为或门元件结构图。a、b为信号输入口，s为信号输出口。仅当a口有输入信号时，阀芯2下移封住信号孔b，气流经s输出；仅当b口有输入信号时，阀芯2上移封住信号孔a，s也有信号输出；若a、b均有信号输人，阀芯2在两个信号作用下或上移、或下移、或暂时保持中位，s均会有信号输出。即a和b中只要有一个口有信号输入，s口均有信号输出。指示活塞1用于显示s有无信号输出：s有输出时，活塞被顶出；s无输出时，活塞靠自重复位。或门元件的逻辑关系见表14-5。 图14-37 或门元件
1-指示活塞；2-阀芯；3-阀体
(2)是门和与门元件：如图14-38所示，在是门元件中，P口接气源，a口接信号，s为输出口。当a口无输入时，阀芯5在气源压力和弹簧力的作用下，将阀口关死，s口无信号输出；当a口有信号输人时，信号气压作用在膜片3上，由于膜片作用面积大，膜片压迫阀杆4和阀芯5向下运动，阀口开启，s口有信号输出。指示活塞2可以显示s有无输出。当气源口P改为信号b的输人口时，该元件成为与门元件，只有当a与b两口同时有信号输入时，s才有信号输出。手动按钮1可以实现手动操作(作是门元件时)。是门和与门元件的逻辑关系见表14—5。
图14-38 是门和与门元件
1-手动按钮；2-指示活塞；3-膜片；4-阀杆；5-阀芯
(3)非门和禁门元件：如图14—39所示，在非门元件中，a为信号输人口，P为气源口，s为信号输出口。当a口无输入时，气源压力将阀芯连同阀杆推至上端极限位置，阀口打开，s口有输出；当a口有输入时，膜片3在信号压力作用下，使阀杆和阀芯下移，将阀口封死，s口无输出。手动按钮1和指示活塞2的作用与是门元件相同。如果将气源口P改为信号b的输人口，该元件就变为禁门元件：a口无输入时，元件的输出随b而定，当b有输入时，s有输出，当b无输入时，s无输出；若a口有输入，则无论b口有无输入，s均无输出。这说明信号a对信号b起制约作用。非门和禁门元件的逻辑关系见表14—5。
(4)或非元件：图14-40所示为或非元件的工作原理图。户为气源口，s为信号输出口，a、b、c为信号输入口。当a、b、c均无信号输入时，阀芯6在气源压力作用下处于上限位，s有输出。a、b、c中只要有一个口有输入信号，信号气压作用在膜片上，使阀杆5和阀芯6下移，将阀口封死，s就无输出。或非元件是一种多功能元件，利用这种元件可以组成或门、与门等多种逻辑元件，如图14—41所示。或非元件的逻辑关系见表14—5。
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；而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相关资料选取。
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(如行程开关)与接收点(如元件)之间不能相距太远。一般来说，最好不要超过几十米。
当逻辑元件要相互串联时，一定要有足够的流量，否则可能推不动下一级元件。
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，—定不要使加入油雾的气源进入逻辑元件。
8.3课堂小结
1、气源装置给系统提供足够清洁、干燥具有一定压力和流量的压缩空气；
2、气动辅助元件是元件连接和提高可靠性、使用寿命以及改善工作环境等的必需的；
3、气动控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量、流动方向和发送信号的重要元件，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；
4、气动逻辑元件是用压缩空气为工作介质，通过元件的可动部件在气控信号作用下动作，改变气体流动方向以实现一定逻辑功能的流体控制元件。
8.4布置作业或思考题
1、气源装置的组成及各组成设备的作用。
2、简述油水分离器及分水滤气器的工作原理。
3、简述油雾器的工作原理，油雾器中截至阀的作用是什么？
4、气动换向阀与液压换向阀有哪几个主要方面的区别？
5、定值器与普通减压阀有什么不同？
6、用逻辑函数、逻辑符号、真值表说明“与”、“或”和“或非”气动逻辑元件的工作原理。
8.5课后分析
学生对气源装置的组成设备、辅助元件和气动控制元件的工作原理理解有些困难，在今后的所涉及到工程实例结合起来讲，效果要好些。 《液压传动与气压传动》课程教案讲稿第十九大节
1、授课日期、班级
2、课题
气动基本回路
3、教学目的要求
掌握气动基本回路的工作原理和作用
4、教学内容要点
压力控制回路；流量控制回路；换向回路；气液联动回路；位置控制回路；安全保护回路；往复动作回路；延时回路；计数回路。
5、重点
压力控制回路；气液联动回路。
6、教学方法和手段
课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。
7、主要参考书目和资料
8、课堂教学
8.1复习提问
1、液压系统的基本回路有哪些？
2、气源装置、辅助元件和气动控制元件的作用。
8.2讲授新课
第十五章 气动基本回路
15-1 压力控制回路(pressure control circuit)
作用：压力控制回路用于调节和控制系统压力，使之保持在某一规定的范围之内。
种类：常用的有一次压力控制回路和二次压力控制回路。
一、一次压力控制回路(primary pressure control circuit)
作用：用于控制贮气罐的压力，使之不超过规定的压力值。
控制方式：常采用外控溢流阀(见图15-1)或采用电接点压力表来控制空气压缩机的转、停，使贮气罐内压力保持在规定的范围内。采用溢流阀，结构简单，工作可靠，但气量浪费大；采用电接点压力表，对电机及控制要求较高，常用于对小型空压机的控制。
二、二次压力控制回路(quadratic pressure control circuit)
作用：对气动系统气源压力的控制(见图15-2)。
图a是由气动三联件组成的主要由溢流减压阀来实现压力控制；图b是由减压阀和换向阀构成的，对同一系统实现输出高、低压力p1、p2的控制；图c是由减压阀来实现对不同系统输出不同压力P1、P2的控制。
15-2 速度控制回路(speed control circuit)
气动系统因使用的功率都不大，所以主要的调速方法是节流调速。
一、单作用气缸速度控制回路(speed control circuit of single-acting cylinder)
如图15-3所示，两个反接的单向节流阀，可分别控制活塞杆伸出和缩回的速度。图15-3b中，气缸活塞上升时节流调速，下降时则通过快速排气阀排气，使活塞杆快速返回。
二、双作用气缸速度控制回路(speed control circuit of double-acting cylinder)
如图15-4所示，图a是采用单向节流阀的双向调速回路；取消图中任意一只单向节流阀，便得到单向调速回路。图b是采用排气节流阀的双向调速回路。它们都是采用排气节流调速方式。当外负载变化不大时，采用排气节流调速方式，进气阻力小，负载变化对速度影响小，比进气节流调速效果要好。
三、快速往复动作回路(rapid reciprocating action circuit)
图15-5所示为采用快速排气阀的快速往复动作回路，若欲实现气缸单向快速运动，可省去图中一只快速排气阀。
四、速度换接回路(speed transition circuit)
如图15—6所示，当撞块压下行程开关时，发出电信号，使二位二通阀换向，改变排气通路，从而改变气缸速度。行程开关的位置，由需要而定。二位二通阀也可以用行程阀代替。
五、缓冲回路(buffer circuit)
作用：气缸在行程长、速度快、惯性大的情况下，往往需要采用缓冲回路来消除冲击。
图15—7a所示的回路可实现快进—慢进缓冲—停止—快退的循环，行程阀可根据需要调整缓冲行程，常用于惯性大的场合。图15-7b所示的回路是当活塞返回至行程末端时，其左腔。压力已降至打不开顺序阀4的程度，剩余气体只能经节流阀2排出，使活塞得到缓冲，适于行程长、速度快的场合。图中只是实现单向缓冲，若气缸两侧均安装此回路，则可实现双向缓冲。
15-3 换向回路(reversing circuit)
一、单作用气缸换向回路(reversing circuit of single-acting cylinder)
图15-8a所示为由二位三通电磁阀控制的换向回路，通电时，活塞杆伸出；断电时，在弹簧力作用下活塞杆缩回。图15—8b所示为由三位五通阀电-气控制的换向回路，该阀具有自动对中功能，可使气缸停在任意位置，但定位精度不高、定位时间不长。
二、双作用气缸换向回路(reversing circuit of double-acting cylinder)
图15-9a为小通径的手动换向阀控制二位五通主阀操纵气缸换向；图15-9b为二位五通双电控阀控制气缸换向；图15-9c为两个小通径的手动阀控制二位五通主阀操纵气缸换向；图15-9d为三位五通阀控制气缸换向。
特点：该回路有中停功能，但定位精度不高。
15-4气液联动回路(pneumatic hydraulic coupled circuit)
气液联动：以气压为动力，利用气液转换装置把气压传动变为液压传动，或采用气液阻尼缸来获得能更为平稳地和更为有效地控制运动逮度的气压传动，或使用气液增压器来使传动力增大等。
特点：结构简单、经济可靠，充分利用了液压和气动的优点。
一、气液转换速度控制回路(speed control circuit by pneumatic hydraulic converter)
工作原理：图15-10是用气液转换器将气压变成液压，再利用液压油去驱动液压缸的速度控制回路，调节节流阀，可以改变液压缸运行的速度。这里要求气液转换器的油量大于液压缸的容积，同时要注意气液间的密封，避免气油相混。
二、气液阻尼缸速度控制回路(speed control circuit by pneumatic hydraulic damping cylinder)
如图15-11所示，图a中通过节流阀1和2可以实现双向无级调速，油杯3用以补充漏油。图b为液压结构变速回路，可实现快进一慢进一快退工况。当活塞快速右行过a孔后，液压缸右腔油液只能由b孔径节流阀流回左腔，活塞由快进变为慢进，直至行程终点；换向阀切换后，活塞左行，左腔油液经单向阀从c孔流回右腔，实现快退动作。此回路变速位置不能改变。图c为行程阀变速回路，只要改变撞块或行程阀的安装位置，即可改变开始变速的位置。这两个变速回路适于较长行程场合。图d为液压阻尼缸与气缸并联的形式，液压缸的速度由单向节流阀控制；调节螺母2，可以改变气缸由快进变为慢进的变速位置；三位五通换向阀处于中位时，液压阻尼缸油路被二位二通阀切断，活塞即停在此位置上，即实现中停。此回路较串联形式结构紧凑，气液不易相混，但易产生蹩劲现象，要考虑导向装置。
三、气液增压缸增力回路(step-up circuit by pneumatic hydraulic boosting cylinder)
工作原理：图15—12a利用气液增压缸1把压力较低的气压变为较高压力的液压去驱动气液缸A，使其输出力增大，并实现气液缸A单向节流调速的回路。图15—12b利用气液增压缸1，把较低的气压变为较高的液压力去驱动液压缸B，以增大缸B的输出力，同时实现缸B双向节流调速的回路。
四、气液缸同步回路(synchronizing circuit by pneumatic hydraulic cylinder)
工作原理：如图15—13所示，图a中气液缸中的有效面积A1与B缸的有效面积A2相等，可保证两缸在运动过程中同步。回路中点1接放气装置，以放掉油中的空气。该回路可得到较高的同步精度。图b中当三位五通主阀处于中位时，弹簧蓄能器自动地通过补给回路对液压缸补充油液；该主阀处于另两个位置时，弹簧蓄能器的补给回路被切断，此时油缸内部油液交叉循环，保证两缸同步运动。该回路可以保证加不等负荷F1、F2的工作台运动同步。图中点1、2接放气装置，以放掉混入油中的空气。
图15-13 气液缸同步回路
15-5 位置控制回路(position control circuit)
一、用缓冲挡铁的位置控制回路(position control circuit by buffer damper)
工作原理：如图15—14所示，气马达3带动小车4运动，当小车碰到缓冲器1时，小车缓冲减速行进一小段距离，只有当小车轮碰到挡铁2时，挡铁才强迫小车停止运动。该回路较简单，采用活塞式气马达速度变化缓慢，调速方便，但小车与挡铁频繁碰撞、磨损，会使定位精度下降。
二、用间歇转动机构的位置控制回路(position control circuit by intermittent rotation gear)
工作原理：如图15-15所示，气缸活塞杆前端连齿轮齿条机构。齿条1往复运动时，推动齿轮3往复摆动、齿轮上的棘爪摆动，推动棘轮作单向间歇转动，从而使与棘轮同轴的工作台间歇转动。工作台下装有凹槽缺口，当水平气缸活塞向右运动时，垂直缸活塞杆插入凹槽，让工作台准确定位。限位开关2用以控制阀4换向。
三、多位缸的位置控制回路(position control circuit by multi-position cylinder)
特点：如图15－16所示，按设计要求控制多位气缸的单个或多个活塞伸出或缩回，从而得到多个位置。
图15—16a是用手动阀1、2、3经梭阀6和7控制换向阀4和5，使气缸两个活塞杆收回处于图示状态。当阀2切换时，两活塞杆一伸一缩；阀3切换时，两活塞杆全部伸出。
图15-16b为串列气缸实现三个位置的控制回路。A、B两缸串列联接，当电磁阀2通电时，A缸活塞杆向左推出B缸活塞杆，使B缸活塞杆由Ⅰ位移动到Ⅱ位。当电磁阀1通电时，B缸活塞杆继续由Ⅱ位伸到Ⅲ位。B缸活塞杆有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个位置。如果在A缸的端盖①、②处及B缸的端盖③处分别安上调节螺钉，就可以控制A缸和B缸的活塞杆在Ⅰ—Ⅲ之间的任意位置停止。
图15-16c为三柱塞数字缸控制回路。其中pl为正常工作压力供给A、B、C三通口推动柱塞1、2、3伸出或停于某一位置，D通口接低压气p2，以使各柱塞复位或停于某个需要的位置。该回路可控制活塞杆得到8个位置(包括初始位置在内)。
15-6安全保护回路(safety protection circuit)
一、过载保护回路(overpower protection circuit)
过载保护回路：当活塞杆伸出途中，若遇到偶然障碍或其它原因便气缸过载时，活塞就自动返回，实现过载保护。
工作原理：如图15—17所，示当气缸活塞向右运动，左腔压力升高超过预定值时，顺序阀1打开，控制气流经梭阀2将主阀3切换至右位(图示位置)，便活塞返回，气缸左腔气体经主阀3排出，防止系统过载。
二、互锁回路(interlocking circuit)
工作原理：如图15—18所示，当图中一个气缸动作时，其它气缸则不允许动作。回路主要利用梭阀1、2、3及换向阀4、5、6进行互锁。如切换阀7，阀4也将切换，使A缸活塞杆伸出。与此同时，A缸的进气气流使梭阀1、2动作，把阀5和6锁住。故此时即使阀8、9有切换信号，B、C缸也不会动作。如要改变气缸的动作，必须把前动作缸的气控阀复位才行。
三、双手操作安全回路(safety circuit by conjoined manipulation)
如图15-19所示，在锻造、冲压机械上，采用这种回路，可确保安全。
图15—19a中，只有同时操作手动阀1和2，主阀3才切换，气缸活塞才能下落锻、冲工件4。实际给主阀3的控制信号是阀1、2相“与”的信号。注意阀1和2应安装在单手不能同时操作的距离上。
图15—19b中，当两手同时按下手动阀1、2时，气容3中预先充满的压缩空气经阀2及气阻4节流延迟一定时间后切换主阀5，气缸活塞才能下落。如果两手不同时按下手动阀，或因其中任一个手动阀不能复位，气容3内的压缩空气都将通过手动阀1的排气口排空，建立不起控制压力，阀5不能切换，活塞也不能下落。因此，此回路较前一回路安全可靠些。
15-7 往复动作回路(reciprocating action circuit)
图15-20为两种常用的单往复回路。图a是行程控制的单往复回路。按下阀1，主阀3切换，气缸活塞右行；当撞块碰下行程阀2时，主阀3复位，气缸活塞自动返回。图b是压力控制的单往复回路。按下阀1，主阀3切换，气缸活塞右行；与此同时，气压作用在顺序阀2上。当活塞运动到行程终点时，无杆腔压力升高并打开顺序阀，使主阀3复位，气缸活塞自动返回。
图15-21为连续往复动作回路。
工作原理：按下阀1，主阀4切换，气缸活塞右行。此时由于阀3复位而将控制气路断开，主阀4不能复位。当活塞前行到行程终点压下阀2时，主阀4的控制气体经阀2排出，主阀4在弹簧作用下复位，气缸活塞返回。当活塞返回到行程终点压下阀3时，主阀4切换，重复上一循环动作。断开手动阀1，方可使这一连续往复动作在活塞返回到原位。
15-8 延时回路(delay circuit)
工作原理：图15—22a为延时接通回路。当有信号K输入时，阀A换向，此时气源经节流阀缓慢向气容C充气，经一段时间t延时后，气容内压力升高到预定值，使主阀B换向，气缸活塞开始右行。当信号K消失后，气容C中的气体可经单向阀迅速排出，主阀B立即复位，气缸活塞返回。改变节流口开度，可调节延时换向时间t的长短。
图15-22 延时回路
(a)延时接通回路；(b)延时断开回路
将单向节流阀反接，得到延时断开回路(见图15-22b)，其功用正好与上述相反。
15-9 计数回路(counting circuit)
工作原理：图15-23为二进制计数回路。在图a中，阀4的换向位置，取决于阀2的位置，而阀2的换位又取决于阀3和阀5。如图所示，若按下阀1，气信号经阀2至阀4的左端使阀4换至左位，同时使阀5切断气路，此时气缸活塞杆伸出；当阀1复位后，原通人阀4左控制端的气信号经阀1排空，阀5复位，于是气缸无杆腔的气体经阀5至阀2左端，使阀2换至左位等待阀1的下一次信号输入。当阀1第二次按下后，气信号经阀2的左位至阀4右端使阀4换至右位，气缸活塞杆退回，同时阀3将气路切断。待阀1复位后，阀4右端信号经阀2、阀1排空，阀3复位并将气流导至阀2左端使其换至右位，又等待阀1下一次信号输入。这样，第1，3，5…次(奇数)按下阀1，则气缸活塞杆伸出；第2，4，6…次(偶数)按下阀1，则气缸活塞杆退回。
图b的计数原理与图a的相同。所不同的是：按下阀1的时间不能过长，只要使阀4切换后就放开；否则，气信号将经阀5或阀3通至阀2的左或右端，使阀2换位，气缸反行，从而使气缸来回振荡。
8.3课堂小结
1、气动系统与液压系统一样，无论多复杂的系统都是由一些基本的回路组成的；
2、压力控制回路用于调节和控制系统压力，使之保持在某一规定的范围之内；
3、气液联动以气压为动力，利用气液转换装置把气压传动变为液压传动，或采用气液阻尼缸来获得能更为平稳地和更为有效地控制运动速度的气压传动，或使用气液增压器来使传动力增大等；
4、气液联动回路结构简单、经济可靠，充分利用了液压和气动的优点。
8.4布置作业或思考题
1、试设计一种常用的快进――慢进――快退的气控回路。
2、试用一个单电控二位五通阀和两个单电控二位三通阀，设计出可使双作用气缸活塞在运动中任意位置停止的回路。
8.5课后分析
学生对气动基本回路的构成及原理理解有些困难，应在课后多查阅相关的资料。 《液压传动与气压传动》课程教案讲稿第二十大节
1、授课日期、班级
2、课题
气动系统设计
3、教学目的要求
掌握行程程序回路的设计方法；能构应用X-D线图法设计行程程序控制回路；掌握多缸单往复行程程序回路设计的方法。
4、教学内容要点
行程程序回路设计概述；多缸单往复行程程序回路设计；多缸多往复行程程序回路设计；气动系统设计的主要内容及步骤。
5、重点
多缸单往复行程程序回路设计。
6、教学方法和手段
课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。
7、主要参考书目和资料
8、课堂教学
8.1复习提问
1、气动系统的基本回路有哪些？
2、压力控制回路和气液联动回路的作用。
8.2讲授新课
第十六章 气动系统的设计
16-1 行程程序回路设计概述
一、程序控制的分类
程序控制：根据生产过程的要求，使被控制的执行元件按预先规定的顺序协调动作的一种自动控制方法，在自动控制系统中广泛采用。
程序控制的种类：时间程序控制、行程程序控制和混合程序控制。
时间程序控制:指各执行元件的动作按时间顺序进行。时间信号通过控制线路，按一定的时间间隔分配给相应的执行元件，令其产生有顺序的动作。时间程序控制是一种开环系统。其组成如图16-1a所示。
行程程序控制:是指执行元件执行某一动作后，由行程发信器发出信号，此信号输入逻辑控制回路，再由其作出逻辑运算发出有关执行信号，指挥执行元件完成下一步动作；此动作完成后，又发出新的信号，直到完成预定的控制为止。行程程序控制是一种闭环系统。其组成如图16—1b所示。
逻辑控制回路：由各种控制阀、逻辑元件形成的逻辑回路组合而成。图16-1所示的框图中，外部指令信号是起动信号或从其它装置来的信号。转换器是气、电、液转换装置。执行元件为气缸、气马达等。发信器包括检测装置、行程阀(机控阀)等。时间程序信号发生器常用机械式码盘、环形计数器等。
混合程序控制：通常都是在行程程序控制系统中包含了一些时间信号，若将时间信号也作为行程信号的一种，则它实际上亦属于行程程序控制。
行程程序控制的优点：结构简单、维护容易、动作稳定，特别是当程序中某节拍出现故障时，整个程序就停止进行而实现自动保护。为此，行程程序控制方式在气动系统中被广泛采用。
二、行程程序回路的设计方法
行程程序控制回路常有以下几种设计方法。
试凑法：选用气动基本回路、常用回路试凑在一起组成控制回路，然后分析能否满足要求。如不能满足要求，则要修改或另选回路，直到满足设计要求为止。此法是液压回路常用的设计方法，设计气动回路也可参照使用。
逻辑设计法：
(1)逻辑运算法：此法根据控制要求，直接应用逻辑代数等进行计算简化，但计算过程复杂，特别对于复杂的控制回路不易得到最佳结果。
(2)图解法：图解法是利用逻辑代数的特性，把复杂的计算用图解的方法表示出来，如信号—动作(X—D)线图法和卡诺图法等。
(3)快速消障法：这是在图解法的基础上，找出了一些规律省去作图过程的快速设计方法。
(4)计算机辅助逻辑综合法：在变量多的情况下(如6个变量以上)采用卡诺图法、快速消障法来简化逻辑函数也很困难，因此可借助计算机简化逻辑函数、设计气控行程程序逻辑回路。
(5)采用步进控制回路或程序器：此法当改变控制对象时，回路变换迅速、控制适应性好、机动性强，但成本较高。
分组供气法：在控制回路中增加若干个控制元件对行程阀采取分组供气的。如产生障碍，可切断障碍信号的气源，防止障碍的产生。此法在单往复系统中应用比较方便。
本章只介绍X—D线图法，用这种方法设计行程程序控制回路，找障和消障比较简单、直观，设计出的气动回路控制准确、回路简单，使用和维护方便。
三、常用的符号规定
(1)把所用的气缸依次用大写字母A、B、C、D、…等表示；字母下标“1”或“0”表示气缸活塞杆的伸缩状态，如A1表示气缸A活塞杆的伸出状态，A0表示气缸A活塞杆的缩回状态。
(2)用与各气缸对应的小写字母a、b、c、d、…表示相应的行程阀发出的信号；其下标“1”表示活塞杆伸出时发出的信号，下标“0”表示活塞杆缩回时发出的信号。如a1表示气缸A活塞杆伸出终端位置的行程阀和其所发出的信号；b0表示气缸B活塞杆缩回终端位置的行程阀和其所发出的信号。
(3)控制气缸换向的主控阀，也用与其控制的气缸相应的文字符号表示。
(4)经过逻辑处理而排除障碍后的执行信号在右上角加“＊”号，如a1＊、ao＊。等，而不带 “＊”号的信号则为原始信号，如a1、ao等。
16-2 多缸单往复行程程序回路设计
多缸单往复行程程序控制回路：指在一个循环中所有的气缸都只作一次往复运动。
本节主要结合多缸单往复行程程序回路的设计介绍X-D线图设计法。
一、用X-D线图法设计行程程序控制回路的步骤
行程程序回路设计的目的：主要是为了解决信号和执行元件动作之间的协调和连接问题。
X-D线图法设计行程程序回路的步骤：
(1)根据生产自动化的工艺要求，列出工作程序或工作程序图；
(2)绘制X-D线图；
(3)寻找障碍信号并排除，列出所有执行元件控制信号的逻辑表达式；
(4)绘制逻辑原理图；
(5)绘制气动回路图。
二、X-D线图法介绍
X-D线图法：是一种图解法，它可以把各个控制信号的存在状态和气动执行元件的工作状态较清楚地用图线表示出来，从图中能分析出障碍信号的存在状态，以及消除信号障碍的各种可能性。
本节以攻螺纹机为例，对X-D线图设计法进行说明。
1．根据工艺要求列出工作程序
攻螺纹机由A、B两个气缸组成，其中A为送料缸，B为攻螺纹缸，其自动循环动作要求为
用字母简化后的工作程序为
略去箭头和小写字母，可进一步简化工作程序为
2．绘制X-D线圈
(1)画方格图
如图16-2所示，由左至右画方格，并在方格的顶上依次填上序号1，2，3，4，…等。在序号下面填上相应的动作状态Al、Bl、Bo、A0，在最右边留一栏作为“执行信号表达式”(简写为执行信号)。在方格图最左边纵栏由上至下填上控制信号及控制动作状态组的序号(简称X-D组)1、2、…等。每个X-D组包括上下两行，上行为行程信号行，下行为该信号控制的动作状态。例如：ao(Al)表示控制Al动作的信号是ao；a1(Bl)表示控制Bl动作的信号是a1；等等。下面的备用格可根据具体情况填入中间记忆元件(辅助阀)的输出信号、消障信号及联锁信号等。
(2)画动作状态线(D线)
用横向粗实线画出各执行元件的动作状态线。动作状态线的起点是该动作程序的开始处，用符号“○”画出；动作状态线的终点处用符号“×”画出。动作状态线的终点是该动作状态变化的开始处，例如缸A伸出状态小A1，变换成缩回状态Ao，此时A1的动作线的终点必然是在Ao的开始处。
(3)画信号线(X线)
用细实线画各行程信号线。信号线的起点与同一组中动作状态线的起点相同，用符号 “○”画出；信号线的终点和上一组中产生该信号的动作线终点相同。需要指出的是，若考虑到阀的切换及气缸启动等的传递时间，信号线的起点应超前于它所控制动作的起点，而信号线的终点应滞后于产生该信号动作的终点。当在X-D图上反映这种情况时，则要求信号线的起点与终点都应伸出分界线，但因为这个值很小，因而除特殊情况外，一般不予考虑。
在图16-2中，符号“”表示该信号线的起点与终点重合，实际上即表示该信号为脉冲信号。该脉冲信号的宽度相当于行程阀发出信号、气控阀换向、气缸起动和信号传递时间的总和。
3.确定并排除障碍信号、找出执行信号
(1)障碍信号的确定
用X-D线图设计气动回路时，很重要的问题是确定障碍信号并排除障碍信号。为了找出障碍信号，就要对画出的X-D图进行分析，检查每组中是否存在有信号线比其所控制的动作线长的情况。如存在这种情况，说明动作状态要改变，而其控制信号不允许其改变(障碍动作状态的改变)，这种障碍其动作状态改变的信号就称之为障碍信号。信号线比其所控制的动作线长的那部分线段就叫障碍段，即图16-2中用“﹋﹋”线表示的线段。在多缸单往复系统中，是一个信号妨碍另一个信号的输入而造成的障碍，称为Ⅰ型障碍。
(2)排除障碍段(消障)
为了使各执行元件能按规定的动作顺序正常工作，设计时必须把有障碍信号的障碍段去掉，使其变为无障碍信号，再由它去控制主控阀。在X-D线图中，障碍信号表现为控制信号线长于其所控制的动作状态存在的时间，所以常用的排除障碍的办法就是缩短信号线长度，使其短于此信号所控制的动作线长度，其实质就是要使障碍段失效或消失。常用的消障方法有如下几种。
①脉冲信号法：这种方法的实质，是将所有的障碍信号变为脉冲信号，使其在命令主控阀完全换向后立即消失，这就必然消除了任何Ⅰ型障碍。图16-2中，信号a1和b0是两个障碍信号。如果将信号a1和b0都变成脉冲信号，即a1→△a1，b0→△b0，就都变成无障碍信号了。这样信号a1的执行信号就是
a1＊(B1)= △a1，信号b0为b0＊(Ao)= △b0，将它们填人X-D线图中，就成为图16-2中所示的形式。
如何发出脉冲信号△a1和△b0呢？可以采用机械法，也可采用脉冲回路法。
机械法排障，就是利用活络挡块或可通过式行程阀发出脉冲信号的排障方法。如图16-3a所示，当活塞杆伸出时，活络挡块使行程阀发出脉冲信号；而当活塞杆缩回时，行程阀不发信号。如图16-3b所示，当活塞杆伸出时，压下单向滚轮式行程阀发出脉冲信号；当活塞杆缩回时，因行程阀头部具有可折性，因而没有把阀压下，阀不发出信号。但在机械法排障中，不能将行程阀用来限位，因为不可能把这类行程阀安装在活塞杆行程的末端，而必须保留一段行程以便挡块或凸轮通过行杆阀。
图16-3 机械式脉冲排障
脉冲回路法排障，就是利用脉冲回路或脉冲阀的方法将有障信号变为脉冲信号。图16—4所示为脉冲回路原理图。当有障信号a发出后，阀K立即有信号输出。同时，a信号又经气阻、气容延时，当阀K控制端的压力上升到切换压力后，输出信号。即被切断，从而使其变为脉冲信号。若将图16—4所示的脉冲回路制成一个脉冲阀，就可使回路简化。这时，只要将有障行程阀a1和b0换成脉冲阀就可设计成无障的A1B1BoAo回路了，但其成本相对较高。
②逻辑回路法：即利用逻辑门的性质，将长信号变成短信号，从而排除障碍信号。
利用逻辑“与”排障法：如图16-5所示，为了排除障碍信号m中的障碍段，可以引入一个辅助信号(制约信号)x，把x和m相“与”而得到消障后的无障信号m＊，即m＊=mx。制约信号x的选用原则是，要尽量选用系统中某原始信号。这样，可不增加气动元件。但原始信号作为制约信号x时，其起点应在障碍信号m开始之前，其长短应包括障碍信号m的执行段，但不包括它的障碍段。这种逻辑“与”的关系，可以用一个单独的逻辑“与”元件来实现，也可用一个行程阀两个信号的串联或两个行程阀的串联来实现。
利用逻辑“非”排障法：用原始信号经逻辑非运算得到反相信号来排除障碍。原始信号做逻辑“非”(即制约信号x)的条件是，其起始点要在有障信号m的执行段之后，m的障碍段之前；其终止点则要在m的障碍段之后，如图16-6所示。
③辅助阀法：若在X-D线图中找不到可用来作为排除障碍的制约信号时，可采用增加一个辅助阀的方法来消除障碍。这里的辅助阀，就是中间记忆元件，即双稳元件。其方法是：用中间记忆元件的输出信号作为制约信号，用它和有障碍信号相“与”以排除掉m中的障碍段。其消障后执行信号为m＊=mKdt，这里m为有障碍信号，m＊为排障后的执行信号，K为辅助阀(中间记忆元件)输出信号，t和d分别为辅助阀K的两个控制信号。
图16-7a为辅助阀排除障碍的逻辑原理图，图16-7b为其回路原理图。图中K为双气控二位三通(亦可用二位五通)阀，当t有气时K阀有输出，而当d有气时K阀无输出。显然，t与d不能同时存在，只能一先一后存在，从X—D线图上看，t与d二者不能重合，用逻辑代数式表示，二者要满足td=0的制约关系。在用辅助阀(中间记忆元件)排障中，辅助阀的控制信号t、d的选择原则是：t是使K阀通的信号，其起点应选在m信号起点之前(或同时)，其终点应在m的无障碍段中；d是使K阀断的信号，其起点应在m信号的无障碍段中，其终点应在t起点之前。图16-8所示为记忆元件控制信号选择的示意图。
图16-9所示为攻螺纹机工作程序A1B1BoAo。用辅助阀法消障(消除障碍信号a1和b0)的X-D线图。
还需指出的是：在X—D线图中，若信号线与动作线等长，则此信号可称为瞬时障碍信号，它不加排除也能自动消失，仅使某个行程的开始比预定的程序产生稍微的时间滞后，一般不需要考虑。在图16-9中，排除障碍后的执行信号a1＊(B1)和b0＊(Ao)实际上也是属于这种类型。
4．绘制逻辑原理图
气控逻辑原理图是根据X-D线图的执行信号表达式及考虑手动、起动、复位等所画出的逻辑方框图。当画出逻辑原理图后，再按它就可以较快地画出气动回路原理图了，因此它是由X-D线图画出回路原理图的桥梁。
(1)气动逻辑原理图的基本组成及符号
①在逻辑原理图中，主要是由“是”、“或”、“与”、“非”、“记忆”等逻辑符号表示。其中任一符号可理解为逻辑运算符号，不一定总代表某一确定的元件，这是因为逻辑图上的某逻辑符号，在气动回路原理图上可由多种方案表示，例如“与”逻辑符号可以是一种逻辑元件，也可由两个气阀串联而成。
②执行元件的输出，由主控阀的输出表示，因为主控阀常具有记忆能力，因而可用逻辑记忆符号表示。
③行程发信装置主要是行程阀，也包括外部信号输入装置如起动阀、复位阀等。这些符号加上小方框表示各种原始信号(有时简画不加小方框)，而在小方框上方画相应的符号表示各种手动阀，如图16-10左侧所示。
(2)气动逻辑原理图的画法
绘制步骤：
①把系统中每个执行元件的两种状态与主控阀相联后，自上而下一个个地画在图的右侧。
②把发信器(如行程阀)大致对应其所控制的元件，一个个地列于图的左侧。
③在图上要反映出执行信号逻辑表达式中的逻辑符号之间的关系，并画出为操作需要而增加的阀(如起动阀)。图16-10是根据图16-9所示的X-D线图而绘制的逻辑原理图。
5．绘制气动回路图
由图16-10所示的逻辑原理图可知，这一半自动程序需用一个起动阀、四个行程阀和三个双输出记忆元件(二位四通阀)。三个与门可由元件串联来实现，由此可绘出如图16-11所示的气动回路图。图中q为起动阀，K为辅助阀(中间记忆元件)o
注意：哪个行程阀为有源元件(即直接与气源相接)，哪个阀为无源元件(即不能与气源相连)。
一般规律：无障碍的原始信号为有源元件（如图16-11中的ao、b1信号）；而有障碍的原始信号，若用逻辑回路法排障，则为无源元件，若用辅助阀排障，则只需使它们与辅助阀、气源串接即可（如图16-11中的a1、bo信号）。
16-3 多缸多往复行程程序回路设计
多缸多往复行程程序回路：指在同一个动作循环中，至少有一个气缸往复动作两次或两次以上。
其设计步骤与前述多缸单往复行程程序回路设计步骤基本一致。
本节以一双气缸多往复行程程序回路为例说明其设计方法。设有一双气缸多往复行程程序回路，其工作程序为：
略去箭头及控制信号可简化为。
一、画X-D线图
根据16-2中所述的X—0线图的绘制方法，把在不同节拍内出现的同一动作线画在X—D线图的同一横行内，如B1的动作线都画在第二行内；同时，把控制同一动作的不同信号线也错落地画在动作线的上方，如a1(B1)、b0(B1)分别画在控制动作状态线B1的上方。此外把控制不同动作的同名信号线在相对应的格内补齐，如b0(B1)要在第二行内补齐，b0(A0)要在第四行补齐。这样，就得到了程序A1 B1 B0 B1 B0 A1的X-D线图，如图16-12所示。
二、判断和排除障碍
Ⅰ型障碍：在X-D线图中凡是信号线长于动作线的信号；
Ⅱ型障碍：有信号线而无动作线或信号线重复出现而引起的障碍。
在图16-12中，a1信号存在Ⅰ型障碍，b0信号既存在Ⅰ型障碍又存在Ⅱ型障碍。
图16-12 的X-D图
障碍信号的特点和排除障碍信号的方法：
障碍信号
排除障碍信号的方法
Ⅰ型障碍信号
脉冲信号法
Ⅱ型障碍信号
对重复信号给以正确的分配
由工作程序可知，第一个b0信号应是动作B1的主令信号，而第二个b0信号应是动作Ao的主令信号。为了正确分配重复信号b0，需要在两个b0信号之前确定两个辅助信号a0和b1，信号。a0信号是出现在b0信号之前的独立信号，而b1虽然是非独立信号，它却是两个重复信号间的唯一信号，借助这些信号组成分配回路如图16-13a所示。图中，“与”门r3和单输出记忆元件R1是为提取第二个b1信号做制约信号而设置的元件。
信号分配的原则：a0信号首先输入，使双输出记忆元件R2置零，为第一个b0信号提供制约信号，同时也使单输出记忆元件R1置零，使它无输出。当第一个b1输入后，“与”门r3无输出(R1置零)，而当第一个b0输入后，“与”门r2输出执行信号以b0＊(B1)去控制B1动作，同时使R1置1，为第二个b1信号提供制约信号。在第二个b1到来时，“与”门r3输出使R2置1，为第二个b0提供制约信号；当第二个b0输入后，“与”门r1输出执行信号b0＊(Ao)去控制Ao动作。至此完成了重复信号b0的分配。图16-13b为信号分配回路图，按此原理也可组成多次重复信号分配原理图，但回路变得很复杂。
信号分配方法：可采用辅助机构和辅助行程阀或定时发信装置完成多缸多次重复信号的分配。
信号分配的特点：在多往复缸行程终点设置多个行程阀或定时发信装置，使每个行程阀只指挥一个动作或根据程序定时给出信号，这样就排除了Ⅱ型障碍。
三、绘制逻辑原理图
根据动作程序A1 B1 B0 B1 B0 A0、图16-12的X-D线图和图16-13的重复信号b0的分配回路(消Ⅱ型障碍)，可画出A1 B1 B0 B1 B0 A0的逻辑原理图，如图16-14所示。
四、绘制气动控制回路图
根据图16-14所示的A1 B1 B0 B1 B0 A0程序的逻辑原理图，综合Ⅰ型、Ⅱ型排障的方法，就可绘出A1 B1 B0 B1 B0 A0的气动控制回路，如图16-15所示。该回路能准确地完成A1 B1 B0 B1 B0 A0的动作程序。
16-4 气动系统设计的主要内容及步骤
气动系统的设计与液压系统的设计一样，包括回路设计、元件选择、管道设计等一系列内容。
一、明确工作要求
设计气动系统之前，一定要明确主机对控制的要求，包括以下几个方面：
运动和操作力要求：如主机的动作顺序、动作时间、运动速度及其可调范围、运动的平稳性、定位精度、操作力以及联锁和自动化程度等。
工作环境条件：如温度、防尘、防爆、防腐蚀要求及工作场地的空间等情况，必须调查清楚o
与机、电、液控制相配合的情况及对气动系统的要求。
二、设计气控回路
设计的一般步骤：
(1)列出气动执行元件的工作程序图。
(2)画信号一动作(X-D)线图(或卡诺图)，也可直接写出逻辑函数表达式。
(3)画逻辑原理图。
(4)画气动控制回路图。
(5)为得到最佳的气控回路，设计时可根据逻辑原理图作出几种方案进行比较，如对气控制、电一气控制、逻辑元件等控制方案进行合理的选定。
三、选择、设计执行元件
其中包括确定气缸或气马达的类型，气缸的安装形式及气缸的具体结构尺寸(如缸径、活塞杆直径、缸壁厚)和行程长度、密封形式、耗气量等。设计中要优先考虑标准缸的参数。
四、选择控制元件
(1)确定控制元件类型：根据表16—1比较而定。
(2)确定控制元件的通径：一般控制阀的通径可按阀的工作压力与最大流量确定。由表16—2初步确定阀的通径，但应使所选的阀通径尽量一致，以便于配管。至于逻辑元件和射流元件的类型选定后，它们的通径也就选定了(通常逻辑元件为 3，个别为1；射流元件为 0．5-1)。对于减压阀或定值器的选择，还必须考虑压力调整范围确定其不同的规格。
五、选择辅助元件
1．分水滤气器
其类型主要根据过滤精度要求而定。对于一般气动回路、截止阀及操纵气缸等，要求过滤精度≤50～75；对于操纵气马达等，有相对运动的情况，取过滤精度≤25；对于气控硬配滑阀、射流元件、精密检测的气控回路，要求过滤精度≤10。
对分水滤气器的通径，原则上查表16-2由流量确定，并要和减压阀相同。
2．油雾器
根据油雾器颗粒直径大小和流量来选取。当与减压阀、分水滤气器串联使用时，三者通径要一致。
3．消声器
可根据工作场合选用不同形式的消声器。其通径大小根据通过的流量而定，可查有关手册。
4．贮气罐
贮气罐的理论容积可按第十二章的经验公式(12—4)—(12-7)计算，具体结构、尺寸可查有关手册。
六、确定管道直径、计算压力损失
1．确定管道直径
管道直径主要根据流量、流速要求和允许的压力损失来确定，详见第十二章。通常情况下，考虑与其连接的控制元件通径相一致的原则初步确定管径，并在验算压力损失后选定管径。
2．验算压力损失
为保证执行元件正常工作，压缩空气通过各种控制元件、辅助元件和连接输送管道后到达执行元件的总压力损失，必须满足下式：
(16-1)
式中，为沿程压力损失之和(MPa)；(为局部压力损失之和(MPa)；[]为允许总压力损失(MPa)，[]可根据供气的具体情况而定，详见第十二章。
实际验算总压力损失，如系统管道不特别长(一般l<100m)，管子内表面粗糙度不大，在经济流速的条件下，沿程压力损失很小，可以不单独计人，只是在总压力损失值的安全系数中稍予考虑就行了。而局部压力损失中包含的流经弯头、断面突然放大、收缩等的损失往往又比气流通过气动元件、辅件的压力损失小得多，因此对不做严格计算的系统，式(16—1)可简化为
(16—2)
式中，为流经元件、辅件的压力损失之和(MPa)，可查表16-3经计算而得；为压
力损失简化修正系数，足=1．05～1．3，对于长管道，截面变化复杂的管道，取大值。
如果验算的总压力损失>[]，则必须加大管径或改进管道的布置，以降低总压力损失，直到<[]时为止。这样即得到最后确定的管径。
七、选择空压机
1．计算空压机的供气量qz
空压机的供气量qz可由式(121)计算而得。
2．计算空压机的供气压力ps
空压机的供气压力按下式计算：
式中，p为用气设备使用的额定压力(MPa)；为气动系统的，总压力损失(MPa)。
根据计算出的qz和ps，即可选用相应型号的空压机。
8.3课堂小结
1、气动系统的设计与液压系统的设计一样，包括回路设计、元件选择、管道设计等一系列内容；
2、程序控制是根据生产的要求，使被控制的执行元件按预先规定好的顺序协调动作的一种自动控制方法；
3、本章主要介绍了X-D线图法进行多缸单往复行程程序控制回路和多缸多往复行程程序控制回路的设计。
8.4布置作业或思考题
1、程序控制的种类有哪些？行程程序控制回路的设计方法有哪些？
2、如何消除Ⅰ型障碍信号和Ⅱ型障碍信号？
3、X-D线图法主要描述的系统的哪些状态？
8.5课后分析
学生对行程程序回路的设计有些困难，应该在课后多看书，多练习，效果要好些。
