气压传动系统的设计

第二篇 气压传动系统的设计

第一章

气压传动的特原理、组成及特点

（一）原理

气压传动以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而作功；传递信息的系统是利用气动逻辑元件或射流元件以实现逻辑运算等功能，亦称气动控制系统。

但气压传动速度低，需要气源。气压传动的特点是:工作压力低,一般为0.3～0.8兆帕，气体粘度小，管道阻力损失小，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护

（二）组成

气压传动由气源、气动执行元件、气动控制阀和气动辅件组成。气源一般由Link title压缩机提供。气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工作部件，包括气缸和启动马达。气动控制阀用来调节气流的方向、压力和流量，相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。气动辅件包括：净化空气用的分水滤气器，改善空气润滑性能的油雾器，消除噪声的消声器，管子联接件等。在气压传动中还有用来感受和传递各种信息的气动传感器。 （三）特点 1.气压传动的优点

（1）由于气压传动的工作介质是空气，它取之不尽用之不竭，用后的空气可以排到大气中去，不会污染环境。（2）气压传动的工作介质粘度很低，所以流动阻力很小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。（3）动作迅速、反应快；

（4）工作环境适应性好，气动元件采用相应的材料后，能够在在易燃、易爆、

多尘埃、强磁、强辐射、强振动、强腐蚀等恶劣工作环境中正常工作； （5）成本低，使用安全，无爆炸和电击危险，过载能自动保护； （6）压缩空气的工作压力较低，因此，对气动元件的材质要求较低； （7）气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问

题。

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2.气压传动的缺点

（1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速度和位置控制精度带来很大的影响。（2）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。（3）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差。但采用气液联动装置会得到较满意的效果。

（4）因工作压力低（一般为0.3～1.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，气压传动

装置的总输出力不宜大于10～40kN，且传动效率较低。

（5）气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控

制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路；

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第二章

气压传动系统元件的选择

（一）气缸的选择

由于本设计是关于BH3300型无菌纸盒灌装机气动系统的设计，且该设备的工艺路线及操作步骤为：

供纸 → 纸的输送 → 贴塑 → 消毒灭菌(挤水) → 成筒 → 切刀 → 下横封

↓

整型 ← 焊角成型 ← 上横封 ← 灌装

其中要用到气压传动的部位有贴塑、挤水辊挤水、挤压成筒、 切刀、下横封、 上横封、挤压焊接成型、喷雾系统，而要用到气压传动的部位就要用到气缸，在这里我以上下横封的气缸选择为例，其相关的技术参数如表2所示，并由此参数而得出气缸的其余参数，从而确定缸的型号类型。

通过查相关文献得：气缸的效率一般在0.7~0.95之间，这里去取0.90 气缸的工作压力一般为0.4Mpa~0.6Mpa，这里取p0.6Mpa 1.缸筒内径的确定

又1kgf/cm20.098Mpa,1Mpa10.197kgf/cm2,1kgf/cm29.8N.（注：1kgf/cm2是指工程大气压：大气压的两种量度单位之一,用示,1at=1Kgf/cm2=98.07KPa，相当于海拔200m处正常大气压）

从而得p0.6Mpa6.12kgf/cm2，又由表2的该气缸的工作负载为G=120N，则

F'=G=120N=12.2kgf

at表

因此气缸的理论推力F=12.2kgf

由设计任务可以知道，要驱动的负载大小F0=120N，考虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之负载间的摩擦力的影响。所以在确定气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率β：

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气缸的实际负载100%

气缸的理论负载经过查相关文献得其活塞杆的运动状态和负载率如表5所示：

负载的运动速度v 阻性负载 <100mm/s ≦0.65 100~500mm/s ≦0.5 >500mm/s ≦0.3 又由表2得其运动的最大速度为1m/s=1000mm/s,因此在此取β=0.2，所以实际液压缸的负载大小为：F=F0/β=120N/0.2=600N。又有缸径的计算公式得

D4F4600=0.08m=80mm P3.140.61060.22.气缸筒壁厚的确定

通过查相关文献得气缸筒的壁厚的计算公式为s源。

式中

错误!未找到引用源。—缸筒壁厚（m）；D—缸筒内径（m）； P—缸筒承受的最大工作压力（MPa）；

错误!未找到引用源。—缸筒材料的许用应力（MPa）；

s实际缸筒壁厚的取值：对于一般用途气缸约取计算值的7倍；重型气缸约取计算值的20倍，再圆整到标准管材尺码。而本设计是饮料灌装机的气压系统的设计，固所用气缸为一般气缸，所以取计算值的7倍即可

参考《液压与气压传动》缸筒壁厚强度计算及校核为

错误!未找到引用源。,在这里缸筒的材料选择45号钢，错误!未找到引用源。=600 MPa，[]600=120（n为安全系数 一般取 n=5； 错误!未找到引用源。 缸筒5P.D：错误!未找到引用2[]材料的抗拉强度(Pa)

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P—缸筒承受的最大工作压力（Mpa）。当工作压力p≤16Mpa时，P=1.5p；当工作压力p＞16Mpa时，P=1.25p由此可知工作压力0.6Mpa小于16Mpa ，P=1.5p=1.5×0.6=0.9Mpa

则 sP.D0.980mm=0.3mm,取7倍得2.1mm,经过圆整后取4mm。 2[]21203活塞杆直径的确定

通过查相关文献可知在确定气缸活塞杆直径时，一般按d/D=0.2~0.3进行计算。 则 d(0.2~0.3)D(0.2~0.3)80mm=(16~24)mm 但根据相关的技术要求要把所得的值进行圆整，固圆整后取20mm. 4.确定气缸型号

根据以上参数以及相关的技术要求可选择引进德国技术制造的LCZM型双作用无油润滑气缸如图 所示 ：

该缸自带缓冲装置，工作温度在-25~80，安装位置任意，其行程范围及工作压力如表所示：

。111111111

在这里因选择缸径为80mm,行程为>100<1400的气缸 2.空压机的选择

气源装置是向气动系统提供所需压缩空气的动力源，空压机是气压发生装2.空压

二空压机的选择

气源装置是向气动系统提供所需压缩空气的动力源，空压机是气压发生装置，是将机械能转换为气体压力能的转换装置。而选择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主要参数。 而一般空气压缩机为中压空气压

缩机，额定排气压力为1Mpa，在此只需进行流量的计算。

1）耗气量的计算：

由于缸径D=80mm,行程s=140mm,全程需要的时间t=0.194s 则伸出耗气量：

Q伸s3.140.14D20.08020.3610-2m3/s 4t40.194缩回耗气量：

s3.140.14Q缩（D2d2）（0.082-0.022）0.3410-2m3/s

4t40.1942）自由空气量的算（一个标准大气压状态下的流量）：

计

p0.1013Q'Q0.1013

则

Q'伸Q伸P0.10130.60.10130.361020.025m3/s

0.10130.1013'Q缩Q缩p0.10130.60.10130.3410-20.0235m3/s

0.10130.1013111111111

3）气缸的理论用气量的计算：

QZ(aQ'Zt)i/T

i1n其中： n：气缸的个数，本设计中有4个气缸（上下横封4个气缸），所以n=4

A：在一个周期内单程作用次数，所以a=2

Q'Z：一气缸在一个周期内的平均用气量 t:气缸一个单行程的时间,t=0.194s

T:设备的一次工作循环的总时间, T4t0.776s

'QZ(4Q缩44Q伸4)/0.7763（40.0235440.025）/0.7761m/s

取设备利用系数0.95；漏损系数K11.2；备用系数K21.4 则该设备气缸的理论用气量：

'Qj0.951.21.4QZ1.596m3/s

三控制元件的选择

1.选择换向阀

由于本设计中要求气缸完成快进 工进和快退的动作循环，而且有些部位的气缸整个生产过程只需使活塞杆到达指定位置即可，在加上整个生产过程采用自动化控制。所以对整个设备的气压控制系统而言要使气缸完成相关的动作，应选择 二位二通和三位五通电磁换向阀方可满足要求，

根据气缸的工作压力及流量要求查表 得，选换向阀的通径为Ø=6mm，型号为SLP1DF02V3A06的二位二通电磁换向阀，选型号为Q35D2L3T磁换向阀

的

三位五通电

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2.选择流量控制阀

由于本设备的每个工作点的气缸的活塞杆的运动速度均不相同，且均需要完成快进 工进和快退的动作循环，这就需要对每一个缸的进出口气流流速进行控制，固在此选用型号为 3. 选择气动三大件

气动三大件是指调压阀 、分水过滤器和油雾器的组合件。(1)本设计为了调整或控制气压的变化，保持压缩空气减压后稳定在需要值可选择YK43气体减压阀(该阀属于先导活塞式减压阀。由主阀和导阀两部分组成。YK43型气体减压阀主阀主要由阀座、主阀盘、活塞、弹簧等零件组成,导阀主要由阀座、阀瓣、膜片、弹簧、调节弹簧等零件组成。通过调节调节弹簧压力设定出口压力、利用膜片传感出口压力变化，通过导阀启闭驱动活塞调节主阀节流部位过流面积的大小，实现减压稳压功能。)。(2)由于空气中存在灰尘 ﹑水分等杂质，这就需要在减压阀的进口处接一个分水过滤器对空气进行过滤，而分水滤气器指将压缩气体中的水汽、油滴及其他一些杂质从气体中分离出来，达到净化的作用从而很好的保护了气动执行元件，分水滤气器又称为空气过滤器或气水分离器。（3）在气动流体传动系统中，动力是通过闭合回路中的压缩空气来传递和控制的。在空气介质需要润滑的场合，油雾器就是设计用以把需要的润滑剂加入到空气流中的元器件。 油雾器是一种特殊的注油装置，它将润滑油进行雾化并注入空气流中，随压缩空气流入需要润滑的部位，达到润滑的目的。其通常安装在减压阀的出口处组成气动三大件之一 。 4. 消声器

由于气缸﹑气阀等工作时排气速度较高，气体体积急剧膨胀，会产生刺耳的声音。噪声的强弱随排气的速度﹑排气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100~100dB.为了减少噪声对环境的污染，应在排气口装设消声器。气动元件上的消声器一般有三种：吸收型﹑膨胀干涉型和膨胀干涉吸收型。在此我选用BSL-03型消声器，其外形和规格如图 和表所示。

的排气节流调速阀。

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图

型号 材质 通径mm 使用压力 消声效果 使用温度 φ3 BSL-03 黄铜 φ4 φ6 φ8 ...... 0~9bar ≥20db -10。c~60。c

第三章

气动系统原理图的绘制和性能验算