《液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)》第11章 氣源及輔助元件

第11章

氣源及輔助元件第1節(jié)

氣源裝置第2節(jié)

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氣源裝置氣源裝置是為系統(tǒng)提供動(dòng)力的部分，將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能，為氣動(dòng)系統(tǒng)提供具能一定壓力和流量的壓縮空氣，且要求提供的氣體清潔、干燥。其性能的好壞直接影響氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作。氣源裝置一般由三部分組成，產(chǎn)生壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置(如空氣壓縮機(jī))、輸送壓縮空氣的管道系統(tǒng)和壓縮空氣的凈化處理裝置。氣源裝置組成及凈化處理流程如圖11一1所示，當(dāng)啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)1后，空氣經(jīng)壓縮提高壓力，同時(shí)溫度升高，高溫、高壓的氣體離開(kāi)空氣壓縮機(jī)后，先進(jìn)入后冷卻器2內(nèi)冷卻，并析出水分和油霧，在經(jīng)過(guò)油水分離器3除去凝結(jié)的水和油后，存于儲(chǔ)氣罐6內(nèi)。對(duì)氣體清潔度要求不高的工業(yè)用氣，可以從儲(chǔ)氣罐6中直接引出使用。下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置若是用于氣動(dòng)裝置，則還需經(jīng)干燥器7,8和空氣過(guò)濾器10，對(duì)壓縮空氣進(jìn)一步干燥和去除雜質(zhì)后方可使用。一、空氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)是氣源系統(tǒng)中的主要設(shè)備，它是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置。其結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格品種很多。1.空氣壓縮機(jī)的種類(lèi)空氣壓縮機(jī)有多種分類(lèi)方法，常用的有如下幾種:①按工作原理分為容積式空氣壓縮機(jī)和速度式空氣壓縮機(jī)兩類(lèi)。容積式空氣壓縮機(jī)是通過(guò)壓縮空氣的方法，使單位體積內(nèi)氣體分子密度增加而提高氣體壓力的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置容積式空氣壓縮機(jī)有活塞式、螺桿式、膜片式、葉片式等類(lèi)型，氣動(dòng)系統(tǒng)中，一般多采用容積式空氣壓縮機(jī);速度式空氣壓縮機(jī)是利用提高氣體分子速度的方法，使氣體分子具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣體的壓力能，如離心式和軸流式空氣壓縮機(jī)。②按輸出壓力分為低壓空氣壓縮機(jī)((0.2一1.0MPa)、中壓空氣壓縮機(jī)(1.010MPa)、高壓空氣壓縮機(jī)(10一100MPa)和超高壓空氣壓縮機(jī)(>100MPa)。③按輸出流量分為小型(1一10m3/s)、中型(10一100m3/s)和大型空氣壓縮機(jī)(>100m3/s)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置2.空氣壓縮機(jī)的工作原理氣壓系統(tǒng)中最常用的空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式空氣壓縮機(jī)，其工作原理如圖11一2所示。圖11-2中曲柄9作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)連桿8、滑塊7、活塞桿6帶動(dòng)活塞5作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞5向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸4的密封腔內(nèi)形成局部真空，吸氣閥2打開(kāi)，空氣在大氣壓力作用下進(jìn)入氣缸，此過(guò)程稱(chēng)為吸氣過(guò)程;當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，吸氣閥關(guān)閉，缸內(nèi)空氣被壓縮，當(dāng)氣缸內(nèi)被壓縮的空氣氣壓高于排氣管內(nèi)的壓力時(shí)，排氣閥1即被打開(kāi)，壓縮空氣進(jìn)入排氣管內(nèi)，此過(guò)程稱(chēng)為排氣過(guò)程。圖11一2所示的是單級(jí)活塞式空壓機(jī)，常用于需要0.3一0.7MPa壓力范圍的系統(tǒng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置單級(jí)空壓機(jī)若壓力超過(guò)0.6MPa，產(chǎn)生的熱量將大大降低壓縮機(jī)的效率，因此，工程實(shí)際中常用的空氣壓縮機(jī)大都是多缸式。圖11一3所示的是常用的兩級(jí)活塞式空壓機(jī)。若最終壓力為0.7MPa，則第1級(jí)通常壓縮到0.3MPa。設(shè)置中間冷卻器是為了降低第2級(jí)活塞的進(jìn)口空氣溫度，提高空壓機(jī)的工作效率。二、壓縮空氣凈化裝置由于空氣壓縮機(jī)排出的壓縮空氣的溫度一般可達(dá)到140℃一1700C，此時(shí)壓縮空氣中的水分和潤(rùn)滑油的一部分已汽化，與含在空氣中的灰塵形成油汽、水汽和灰塵混合而成的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)若被帶進(jìn)氣動(dòng)設(shè)備中，會(huì)引起管道堵塞和銹蝕，加速元件的磨損，縮短使用壽命。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置水汽和油汽還會(huì)使膜片、橡膠密封件老化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起燃燒和爆炸。因此在高壓氣體進(jìn)入氣動(dòng)系統(tǒng)之前，要經(jīng)過(guò)除油、除水、除塵和干燥處理。1.冷卻器冷卻器安裝在空氣壓縮機(jī)的后面，也稱(chēng)后冷卻器。它將空氣壓縮機(jī)排出的壓縮空氣的溫度由140℃一170℃降至40℃一500C，使其中的水分和油霧冷凝成液態(tài)水滴和油滴，以便將它們?nèi)コ?。常用冷卻器按結(jié)構(gòu)形式有蛇形管式、列管式、散熱片式、套管式等;按冷卻方式有水冷式和風(fēng)冷式兩種。風(fēng)冷式后冷卻器具有占地面積小、質(zhì)量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)成本低、易維修等特點(diǎn)。適用于進(jìn)口壓縮空氣溫度低于100℃和處理空氣量較少的場(chǎng)合。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置水冷式后冷卻器具有散熱面積大(是風(fēng)冷式的25倍)、熱交換均勻、分水效率高等特點(diǎn)。適用于進(jìn)口壓縮空氣溫度較高，且處理空氣量較大、濕度大、粉塵多的場(chǎng)合。圖11一4(a)所示為蛇形管水冷式后冷卻器，壓縮空氣在管內(nèi)流動(dòng)，冷卻水在管外水套中流動(dòng)。冷卻水與熱空氣隔開(kāi)，冷卻水沿?zé)峥諝獾姆捶较蛄鲃?dòng)，以降低壓縮空氣的溫度。壓縮空氣的出口溫度大約比冷卻水的溫度高100C。圖11-4(b)為帶冷卻劑管路的冷卻器圖形符號(hào)，圖11一4(c)為一般符號(hào)。風(fēng)冷式后冷卻器是靠風(fēng)扇產(chǎn)生的冷空氣吹向帶散熱片的熱氣管道。經(jīng)風(fēng)冷后的壓縮空氣的出口溫度大約比室溫高巧℃。后冷卻器最低處應(yīng)設(shè)置自動(dòng)或手動(dòng)排水器，以排除冷凝水。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置2.油水分離器油水分離器安裝在后冷卻器后面的管道上，作用是分離并排除空氣中凝集的水分、油分和灰塵等雜質(zhì)，使壓縮空氣得到初步凈化。油水分離器的結(jié)構(gòu)形式有環(huán)行回轉(zhuǎn)式、撞擊折回式、離心旋轉(zhuǎn)式、水浴式以及以上形式的組合等。應(yīng)用較多的是使氣流撞擊并產(chǎn)生環(huán)形回轉(zhuǎn)流動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)如圖11一5(a)所示。當(dāng)壓縮空氣由入口進(jìn)入油水分離器后，首先與隔板撞擊，一部分水和油留在隔板上，然后氣流上升產(chǎn)生環(huán)行回轉(zhuǎn)。這樣凝集在壓縮空氣中的小水滴、油滴及灰塵雜質(zhì)受慣性力作用而分離析出，沉降于殼體底部，并由下面的放水閥定期排出。圖11一5(b)所示為油水分離器的圖形符號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置為了提高油水分離的效果，氣流回轉(zhuǎn)后的上升速度越小越好，則分離器的內(nèi)徑就會(huì)做得越大。一般上升速度控制在1m/s左右，油水分離器的高度與內(nèi)徑之比為3.5：4。3.儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣罐的功用:一是消除壓力波動(dòng)，保證輸出氣流和穩(wěn)定性;二是儲(chǔ)存一定量的壓縮空氣，當(dāng)空氣壓縮機(jī)發(fā)生意外事故時(shí)，如停機(jī)、突然停電等，儲(chǔ)氣罐中儲(chǔ)存的壓縮空氣可作為應(yīng)急使用;三是進(jìn)一步分離氣中的水、油等雜質(zhì)。儲(chǔ)氣罐一般采用圓筒狀焊接結(jié)構(gòu)，有立式和臥式兩種，通常以立式應(yīng)用較多。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置如圖11-6所示為儲(chǔ)氣罐及其圖形符號(hào)，進(jìn)氣口在下，出氣口在上，并盡可能加大兩口之間的距離，以利于進(jìn)一步分離壓縮空氣中的油水雜質(zhì)。4.干燥器壓縮空氣經(jīng)過(guò)除水、除油、除塵的初步凈化后，已能滿(mǎn)足一般氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。但對(duì)于一些精密機(jī)械、儀表等裝置還不能滿(mǎn)足要求，為防止初步凈化后的氣體中所含的水分對(duì)精密機(jī)械、儀表等產(chǎn)生銹蝕，需使用干燥器進(jìn)一步清除水分。注意，干燥器是用來(lái)清除水分的，不能清除油分。干燥器有冷凍式、吸附式和高分子隔膜式等。如圖11一7所示的是一種常用的吸附式干燥器的結(jié)構(gòu)原理圖和圖形符號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置它有兩個(gè)填滿(mǎn)吸附劑(如活性氧化鋁、硅膠等)的容器1,2。當(dāng)空氣從容器1的下部流到上部，空氣中的水分被吸附劑吸收而得到干燥，一部分干燥的空氣經(jīng)節(jié)流后從容器2的上部流到下部，把吸附在吸附劑中的水分帶走并放入大氣，即實(shí)現(xiàn)了不需要外加熱源而使吸附劑再生，兩容器定期的交換工作(5一10min)使吸附劑產(chǎn)生吸附和再生，這樣可得到連續(xù)輸出的干燥壓縮空氣。5.空氣過(guò)濾器空氣過(guò)濾器的作用是濾除壓縮空氣中的雜質(zhì)微粒(如灰塵、水分等)，達(dá)到系統(tǒng)所要求的凈化程度，但不能除去氣態(tài)油和氣態(tài)水。常用的過(guò)濾器有一次過(guò)濾器(也稱(chēng)簡(jiǎn)易過(guò)濾器)和二次過(guò)濾器。圖11-8是作為二次過(guò)濾器用的空氣過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)原理和圖形符號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置從入口進(jìn)入的壓縮空氣被引入導(dǎo)流板1，導(dǎo)流板上有許多呈一定角度的缺口，迫使空氣沿切線方向產(chǎn)生強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)。這樣夾雜在空氣中的較大的水滴、油滴、灰塵等便依靠自身的慣性與濾杯3的內(nèi)壁碰撞，并從空氣中分離出來(lái)，沉到杯底。而微小灰塵和霧狀水汽則由濾芯2濾除。為防止氣體旋轉(zhuǎn)將存水杯中積存的污水卷起，在濾芯2底部設(shè)有擋水板4。在水杯中的污水應(yīng)通過(guò)下面的放水閥5及時(shí)排放掉。上述冷卻器、油水分離器、過(guò)濾器、干燥器和儲(chǔ)氣罐等元件通常安裝在空氣壓縮機(jī)的出口管路上，組成一套氣源凈化裝置，是壓縮空氣站的重要組成部分。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置三、管道系統(tǒng)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，從空壓機(jī)到氣動(dòng)設(shè)備和裝置這一段的壓縮空氣分配是絕對(duì)不能忽視的。因?yàn)樵谶@一段，通過(guò)選用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和材料，可有效地節(jié)約成本。此外，系統(tǒng)較小的泄漏、較低的維護(hù)費(fèi)用和較長(zhǎng)的使用壽命，對(duì)于系統(tǒng)也是非常重要的。中小型氣動(dòng)系統(tǒng)的壓縮空氣分配如圖11-9所示。圖中系統(tǒng)內(nèi)部貯氣罐或中間貯氣罐的安裝應(yīng)根據(jù)氣動(dòng)設(shè)備和裝置而定。只有在短時(shí)間大量耗氣時(shí)，才需要安裝貯氣罐，以消除間歇性沖擊。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置1.管路分類(lèi)氣動(dòng)系統(tǒng)的管路按其功能可分為如下幾種:①吸氣管路。從吸入口過(guò)濾器到空壓機(jī)吸入口之間的管路，此段管路管徑宜大，以降低壓力損失。②排出管路。從空壓機(jī)排氣口到后冷卻器或儲(chǔ)氣罐之間的管路，此段管路應(yīng)能耐高溫、高壓與振動(dòng)。③送氣管路。從儲(chǔ)氣罐到氣動(dòng)設(shè)備間的管路。送氣管路又分成主管路和從主管路連接分配到氣動(dòng)設(shè)備之間的分支管路。主管路是一個(gè)固定安裝的用于把空氣輸送到各處的耗氣系統(tǒng)。主管路中必須安裝斷路閥，它能在維修和保養(yǎng)期間把空氣主管道分離成幾部分。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置④控制管路。連接氣動(dòng)執(zhí)行件和各種控制閥間的管路。此種管路大多數(shù)采用軟管。⑤排水管路。收集氣動(dòng)系統(tǒng)中的冷凝水，并將水分排出的管路。2.管路材料在氣動(dòng)裝置中，連接各元件的管路有金屬管和非金屬管。常用的金屬管有鍍鋅鋼管、不銹鋼管、拉制鋁管和純銅管等，主要用于工廠氣源主干道和大型氣動(dòng)裝置上，適用于高溫、高壓和固定不動(dòng)部位的連接)銅、鋁和不銹鋼管防銹性好，但價(jià)格較高。非金屬管有硬尼龍管、軟尼龍管和聚氨醋管等類(lèi)型，經(jīng)濟(jì)、輕便、拆裝容易、工藝性好、不生銹、流動(dòng)摩擦阻力小，另外，非金屬管有多種顏色，化學(xué)穩(wěn)定性好，又有一定柔性，故在氣動(dòng)設(shè)備上大量使用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置但非金屬管存在老化問(wèn)題，不宜用于高溫場(chǎng)合，且易受外部損傷。各類(lèi)非金屬管的應(yīng)用場(chǎng)合如下:①橡膠軟管或強(qiáng)化塑料管:用在空氣驅(qū)動(dòng)手工操作工具上是很合適的，因?yàn)樗哂腥犴g性，有利于操作運(yùn)動(dòng)。②棉線編織膠管:主要推薦用于工具或其他管子受到機(jī)械磨損的地方。③聚氯乙烯(PVC)管或尼龍管:通常用于氣動(dòng)元件之間的連接，在工作溫度限度內(nèi)，它具有明顯的安裝優(yōu)點(diǎn)，容易剪斷和快速連接于快速接頭。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置3.管道系統(tǒng)的布置原則壓縮空氣管道系統(tǒng)的布置，可從下述幾方面進(jìn)行考慮:(1)供氣壓力對(duì)于普通氣動(dòng)系統(tǒng)，一般按一種壓力要求處理，采用同一壓力管道，用減壓閥滿(mǎn)足用氣設(shè)備的壓力要求;當(dāng)系統(tǒng)有多種壓力要求時(shí)，需分別處理:用氣量較大的，應(yīng)采用多種壓力管道設(shè)置不同壓力管網(wǎng)，分區(qū)供氣;管路中低壓裝置占多數(shù)但也有少量高壓裝置時(shí)，可采用管道供大量低壓氣、氣瓶供少量高壓氣的雙重供氣方式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置(2)供氣凈化質(zhì)量根據(jù)各用氣裝置對(duì)空氣質(zhì)量的不同要求)可分別設(shè)計(jì)成一般供氣系統(tǒng)和清潔供氣系統(tǒng)。若清潔供氣用氣量不大，可單獨(dú)設(shè)置小型凈化干燥裝置來(lái)滿(mǎn)足要求。從各種壓縮空氣凈化裝置排出的油和水等污物，應(yīng)設(shè)置統(tǒng)一管道排除處理，以防止造成新的環(huán)境污染;應(yīng)將后冷卻器的冷卻用水循環(huán)使用，避免浪費(fèi)。設(shè)計(jì)和布置管道時(shí)應(yīng)防止產(chǎn)生新的空氣污染源。管路應(yīng)有1%一2%的斜度，并在最低處設(shè)置排水器;所有分支管路都應(yīng)從主氣管上方接出;管道及閥門(mén)和管件的連接處不應(yīng)成為冷凝水積聚地，內(nèi)部不得有焊渣及其他殘存物等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第1節(jié)

氣源裝置(3)供氣的可靠性和經(jīng)濟(jì)性圖11一10為三種管網(wǎng)供氣系統(tǒng)。其中圖11一10(a)為單樹(shù)枝狀管網(wǎng)供氣系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，多用于間斷供氣，缺點(diǎn)是可靠性差。圖11一10(b)為單環(huán)狀管網(wǎng)供氣系統(tǒng)，其特點(diǎn)是可靠性高，壓力穩(wěn)定，阻力損失小，但投資較大。圖11一10(c)為雙樹(shù)枝狀管網(wǎng)供氣系統(tǒng)，與單樹(shù)枝狀管網(wǎng)相比較，實(shí)際上是擁有了一套備用管網(wǎng)，因此可靠J性較高。上一頁(yè)返回第2節(jié)

氣動(dòng)輔助元件一、油霧器氣動(dòng)系統(tǒng)中使用的許多元件和裝置都有滑動(dòng)部分，為使其能正常工作，需要進(jìn)行潤(rùn)滑。然而，以壓縮空氣為動(dòng)力源的氣動(dòng)元件滑動(dòng)部分都構(gòu)成了密封氣室，不能用普通的方法注油，只能用某種特殊的方法進(jìn)行潤(rùn)滑。1.作用和特點(diǎn)油霧器是一種特殊的給油裝置，其作用是將普通的液態(tài)潤(rùn)滑油滴霧化成細(xì)微的油霧，并注入空氣，隨氣流輸送到滑動(dòng)部位，達(dá)到潤(rùn)滑的目的。油霧具有潤(rùn)滑均勻穩(wěn)定，耗油量少，不需要大的貯油設(shè)備等特點(diǎn)，且氣路一接通就開(kāi)始潤(rùn)滑，氣路斷開(kāi)就停止供油，并可同時(shí)對(duì)多個(gè)元件進(jìn)行潤(rùn)滑。下一頁(yè)返回第2節(jié)

氣動(dòng)輔助元件2.結(jié)構(gòu)原理圖11一11(a)所示的是油霧器的工作原理。假設(shè)氣流輸入壓力為Pi，通過(guò)文氏管后壓力降為Pz，當(dāng)P，和Pz的壓差卻大于位能P動(dòng)時(shí)，油被吸上，并被主通道中的高速氣流引射出，霧化后從輸出口輸出。圖11-11(b)為油霧器的圖形符號(hào)。圖11一12是普通油霧器的結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理是:壓縮空氣從入口進(jìn)入油霧器后，其中絕大部分氣流經(jīng)文氏管，從主管道輸出，小部分通過(guò)特殊單向閥流入油杯使油面受壓。由于氣流通過(guò)文氏管的高速流動(dòng)使壓力降低，與油面上的氣壓之間存在著壓力差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第2節(jié)

氣動(dòng)輔助元件在此壓力下，潤(rùn)滑油經(jīng)吸油管、給油單向閥和調(diào)節(jié)油量的針閥，滴入透明的視油器內(nèi)，并順著油路被文氏管的氣流引射出來(lái)，霧化后隨氣流一同輸出。視油器上部的針閥用以調(diào)節(jié)滴油量，滴油量根據(jù)所使用的空氣流量來(lái)選擇，以保持一定的油霧濃度，可在0一200滴每分范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。能實(shí)現(xiàn)在不停氣工作狀態(tài)下向油霧器油杯注油。實(shí)現(xiàn)不停氣加油的關(guān)鍵零件是特殊單向閥，特殊單向閥的作用如圖11一13所示。二、消聲器在執(zhí)行元件完成動(dòng)作后，壓縮空氣便經(jīng)換向閥的排氣口排入大氣。由于壓力較高，一般排氣速度接近聲速，空氣急劇膨脹，引起氣體振動(dòng)，便產(chǎn)生了強(qiáng)烈的排氣噪聲。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第2節(jié)

氣動(dòng)輔助元件噪聲的強(qiáng)弱與排氣速度、排氣量和排氣通道的形狀有關(guān)。排氣噪聲一般可達(dá)80一100dB。這種噪聲使工作環(huán)境惡化，使人體健康受到損害，工作效率降低。所以，一般車(chē)間內(nèi)噪聲高于75dB時(shí)，都應(yīng)采取消聲措施。消聲器是通過(guò)阻尼或增加排氣面積來(lái)降低排氣的速度和功率，從而降低噪聲的。消聲器的類(lèi)型以