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1、第九章第九章 气动控制元件设计生产 第九章气动控制元件设计生产 第一节概述 一、分类 气动控制阀是指在气动自动化系统中控制气流的压力、流量和流动方向，保证气动执行 元件或机构按规定程序正常工作的各类气动元件。控制和调节空气压力的称为压力控制阀； 控制和调节空气流量的称为流量控制阀；改变气流流动方向和控制气流通断的称为方向控制 阀。 除上述三类控制阀外，还有能实现一定逻辑功能的逻辑元件。在结构原理上，气动逻辑 元件基本上是和方向控制阀相同，仅仅是体积、通径较小，一般用来实现信号的逻辑运算功 能。近年来，随着气动元件小型化以及 !“# 可编程序控制器在气动自动化系统中的大量应用， 气动逻辑元件的应
2、用范围已日益减少。 从控制方式来分，气动控制可分为断续控制和连续控制两类。在断续控制系统中，通常 要用压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀来实现程序动作。在连续控制系统中，除了要用 压力、流量控制阀外，还要采用比例、伺服控制阀等，以便对系统进行连续控制。 气动控制阀分类如图 $ % & 所示，这里不包括常规的气动仪表调节器。有关气动比例伺服 控制阀将在第十章介绍。 气动控制阀 断续控制 压力控制阀 流量控制阀 方向控制阀 逻辑控制元件 连续控制 压力比例控制阀 流量比例控制阀 伺服控制阀 图 !“ #气动控制阀分类 $( 二、和液压阀的比较 !“ 使用的能源 气动元件和装置可用空压站集中供气，根
3、据使用要求，各控制点用减压阀调节各自的工 作压力。 液压阀都有回油口，便于油箱收集用过的液压油。气动控制阀可以通过排气口直接把压 缩空气向大气排放。 #“ 对泄漏的要求 液压阀和气动控制阀两者对泄漏的要求根本不同。液压对向外的泄漏要求严格，而对元 件内部的泄漏却是允许的，通常将泄漏的油回收到油箱里。可是对气动控制阀来说，除间隙 密封的阀以外，原则上不允许泄漏。气动阀内部泄漏有导致事故的危险。对气动管道来说， 允许有少许泄漏；而液压管道的泄漏将造成压力明显下降。采用液压的场合可设预防压力泄 漏的压力补偿回路；而采用气动的场合要避免泄漏造成的压力降，除防止泄漏外，没有别的 办法。 $“ 润滑要求
4、液压的工作介质为液压油，液压阀不存在润滑要求，而气动的工作介质为空气，空气中 常含有水份，无润滑性。因此，气动阀本身需要油雾润滑，阀的零件应选择不易受水腐蚀的 材料，或者采取必要的防锈处理。 %“ 压力范围 气动阀的工作压力范围比液压阀低。对气动阀来说，一般要求它具有承受比工作压力高 的耐压强度，而对其冲击强度的要求比耐压强度更高。若气动阀在超过最高容许压力下使用， 往往会发生严重事故。 &“ 使用特点 一般气动阀比液压阀结构紧凑，重量轻，易于集成安装，阀的工作频率高，使用寿命长。 气动阀向低功率、小型化方向发展，已出现功率只有 ! 甚至 (“& 的低功率电磁阀，与微机 和 )*+ 可编程控制
5、器直接连接，特别是最新出现的阀岛，适用于气动工业机械手、复杂的生 产装配线等场合。 三、阀的结构特性 各种控制阀的结构是多种多样的，有截止式、膜片式、平板式、小球式、旋塞式、滑柱 式、滑块式等等。实际上，所有的阀类结构都能分解成包含阀孔的固定阀体（阀座）和阀芯 两部分。阀体上的孔口被阀芯覆盖。当阀芯从孔口上移开时，空气就通过孔口产生流动。从 阀芯相对于阀座开闭运动来分，阀的结构基本上可以分为两大类：截止式和滑柱式两类。 !“ 截止式 （!）结构 截止式阀的阀芯沿着阀座轴向移动，对阀门通道起着开关作用，控制进气和出气。图 , - # 所示为截止式阀。图（!）中，在阀的 “ 口输入工作气压后，阀芯
6、在弹簧和气压力作用 下紧压在阀座上，压缩空气不能从 # 口流出；图（$）为阀杆受到向下的作用力后，阀芯向 下移动，脱离阀座，压缩空气就能从 “ 口流向#口输出，这就是截止式阀的切换原理。 .,. 图 !“ #截止式阀 图 ! “ # 所示为三通截止式阀，有 !、“、# 三个孔口。图（$）为阀的初始状态，阀芯 紧压在上阀座上，! 口和 “ 口间被关断，“ 口和 # 口相通。阀的输出口 “ 没有输出。图（%） 为工作状态，阀杆受力作用后，使阀芯离开上阀座而紧压在下阀座上，关闭排出口 #，打开 & 口和 “ 口之间的通道，压缩空气从 ! 口流向 “ 口输出。图（）所示为阀在切换过程中阀 芯所处的瞬态
7、位置。此时，!、“、# 三个孔口同时相通，而发生窜气现象。一般阀在快速切 换过程中，这种窜气现象对阀的动作不存在什么影响。但在缓慢切换阀的场合，可能会引起 阀的动作不良的结果，对这种窜气现象应予注意。 图 !“ $三通截止式阀 （$）特点 %）阀芯的升程小 截止式阀的阀芯升程是指阀开启时的阀芯移动量，如图 ! “ & 所示，由流通面积可求得阀 芯的升程。对于图 ! “ #（$）有 ! & ($ ) ! (*（! + %） 即 ! ! “ ! “ # 对于图 # $ %（$）有 ! “ #&% & “# （# % &） 图 !“ #截止式阀的阀芯升程 即是说，当阀芯的升程达到阀的通径 !“ 时，
8、阀门便完全开启。因此，截止式阀开启所需的 时间较短，可获得良好的流量特性。其它结构的截止式阀阀芯升程 ! 可根据阀芯结构按几何 学关系求得。 &）受背压作用 以图 # $ & 阀的受力进行说明。图（）为初始状态，若 ( 口输入的工作气压为 )，则阀 芯受弹簧力 *()和气压作用力!*&+“，阀芯紧压在阀座上，阀门关闭。这时阀芯上受到的力 *!为： *!“ ! “ #&) + *,)（# % %） 图（$）所示为工作状态，阀门被打开，压缩空气从 ( 口流向 - 口输出。这时阀芯上受到向 上的弹簧力 *,（*, *,)）和气压作用力!&) .“ 作用。作用在阀芯上的向上合力 *& 为： *&“ !
9、 “ &) + *,（# % “） 式（# $ %） 、式（# $ “）说明，截止式阀无论处于关闭或开启状态，在阀芯上始终有气压力作 用。这个气压作用力称为背压。由于阀芯始终受背压作用，因此阀芯和阀座之间的密封性能 好。但背压的存在，增加了阀切换时的操作力。因而采用截止式结构的阀用于手动操作时， 只有小口径规格的阀，用于大流量或高压时，往往采用先导式控制结构。 %）密封性能 截止式阀的阀芯和阀座之间密封接触面处的空气泄漏量的大小受多种因素的影响，有密 封面的加工质量，密封接触面的宽度，密封边界内外压力差，密封材料，有无润滑密封油脂， 阀芯结构及在密封面上所产生的比压力大小等因素。由于影响密封性
10、能的因素很多，一般是 根据阀的用途来确定阀的密封结构。 为了计算阀切换时的操纵力大小，必须确定在阀芯和阀座密封接触面上单位面积受的力， 即比压 /。保证密封性能所必需的比压称为密封比压 /0，其大小取决于密封的宽度、材料及 )# 工作气压的大小，一般只能由试验的经验公式求得。在计算密封比压时，必须保证 !“! ! ! ! ，! 为密封接触面上实际作用的比压， !为密封材料决定的许用比压。 “）阀的操纵力 由阀的受力分析可知，要使阀从关闭状态变为开启状态，# 口有输出，必须在阀杆上作 用一个操纵力 $，且 $ # $，如图 % & 所示。若阀从开启状态返回到关闭状态，由于阀芯上 已作用了向上的气
11、压力，因此弹簧力 $%不必很大，就可把阀门关闭。但是，若完全靠压差作 用使阀门关闭，当工作气压太低时，将不能保证阀完全密封。反之，当工作气压太高时，虽 然能保证阀完全密封，但阀门开启时的操纵力 $ 又太大，使操纵困难。 既要使阀密封可靠，又要操纵方便，一般有两种方法。一种方法是增加一个控制活塞， 先导控制气压作用在活塞上产生的较大操纵力，以弥补上述缺点。另一种方法是采用压力平 衡式结构，在初始状态时，气压作用在阀杆上的合力为零，使开启阀门的操纵力大大降低， 见图 % & (。 图 !“ #压力平衡式阀 ) 滑柱式 （$）结构 滑柱式阀是利用圆柱状的阀芯在圆筒形阀套内轴向移动来实现换向动作的。图
12、 % & * 所示 为滑柱式阀，这是一种弹簧复位的单控阀。图（&）所示为阀的初始状态，滑柱在弹簧力的 作用下位于右端，压缩空气从输入 口流向输出 # 口，# 口有输出，( 口无输出。图（)） 为阀的工作状态，滑柱在控制力作用下克服弹簧力于左侧，关断 口和 # 口之间通路，接通 口和 ( 口。于是，( 口有输出，# 口无输出。 滑柱式阀在结构上只要稍微改变阀套或滑柱的尺寸、形状就能实现多种机能。这种结构 容易设计成多位多通阀。如图 % & + 所示为五通阀的结构，它是在图 % & * 所示的结构上增加 了两个孔口构成。 滑阀的密封方式有两类：一类是采用金属对金属的间隙密封；另一类是采用弹性密封件
13、 来进行密封。图 % & + 所示为采用间隙密封的滑柱式结构，一般滑柱与阀套之间的间隙只有几 $,% 图 !“ #滑柱式阀 图 !“ $五通阀 个微米，阀工作时有微量空气泄漏，使用时应予注意。图 ! “ # 所示为采用弹性密封的滑柱式 结构，图（!）是密封圈安装在滑柱上的结构。这种结构应除去阀体沟槽上的毛刺，使滑柱 上的密封圈过孔时不被损坏。图（“）所示为密封件安装在阀体上的结构，这是最简单的滑 柱式结构。随着数控加工技术普及，这种结构的阀获得推广。采用弹性密封的阀，只要密封 件不产生磨损或破坏就不会有空气泄漏。 （$）特点 %）阀的换向行程 如图 ! “ ! 所示，阀换向时滑柱从右侧（实线位
14、置）切换到左侧（虚线位置）的行程 # 应 满足以下条件： # $ % & ! $ “ % & ! $ ! $ “ %（! & &） $! 图 !“ #弹性密封的滑柱式结构 式中，滑柱台阶宽 ! 同时起着导向和防止泄漏的密封作用，“ 是两相邻通口之间的距离，它 随着密封方式的不同而不同；# 是沟槽宽度。 另外，空气流过宽度为 # 的沟槽的流通面积 $!“!%#流过滑柱部分的流通面积 $#“! （% # $ &#）%。若 $!“ $#，则 # “ （%#$ &#）%。同时考虑到 !、#、“ 三者之间的关系， 即 “ !#。若以最小值 “ “ # 代入式（& $ %）得： ( ) # * “ ) #
15、 ) %#+ &# #% （& + ） 式中，% 为阀套（滑柱）直径，& 为阀杆直径。若式中 & “ (，则 ( “ ()*%，为滑柱式阀的换 向行程的最大极限值。总之，滑柱式阀的换向行程比截止式来得大，影响阀的轴向尺寸和阀 的工作频率。可有两种方法予以改进，一种方法是从加工工艺上缩小轴向尺寸，如已有采用 金属压铸的阀壁厚仅为 ()* + (),-，甚至已出现无壁厚的阀。另一种方法是采用同轴截止式 结构。 #）受力平衡 如图 & $ & 所示，阀在初始状态时 ,“$ 相通。从 , 口输入的工作气压作用在滑柱左右台 阶的两侧面 $!和 $#上，由于滑柱的两台阶直径相等，所以气压作用在滑柱上的合力为零， 即滑柱受力是平衡的。 .）密封性能 滑柱式阀的密封性能是指阀的通路间的密封。对于密封结构设计的一般原则是密封性要 好，摩擦阻力和始动摩擦力要小，寿命要长，结构工艺性要好。这些原则也适用于滑柱式阀 通路间密封结构的设计。用于滑柱式阀的弹性密封结构，为了降低摩擦力和始动摩擦力，在 保证密封性能的前提下出现了两种趋势：一是密封件宽度或接触面宽度趋于减小，二是压缩 量由 ()#- 减小到 ()(#- 左右（相对于双向密封结构） 。同时对摩擦密封副零件的表面粗糙 度提出了更高的要求。 %）操纵力 .(&