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气动系统设计的主要内容及程序.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.47M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    3.1 明确工作要求 气动系统设计的主要内容及设计程序 1）运动和操作力的要求 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、 操作力及联锁和自动化程序等。 2）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。 3）和机、电、液控制相配合的情况，及对气动系统的要求。 3.2 设计气控回路 1）列出气动执行元件的工作程序图。 2）画信号动作状态线图或卡诺图、扩大卡诺图，也可直接写出逻辑函数表达式。 3）画逻辑原理图。 4）画回路原理图。 5）为得到最佳的气控回路，设计时可根据逻辑原理图，做出几种方案进行比较，如对气控制、电-气控制、 逻辑元件等控制方案进行合理的选定。 3.3 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。设计中要优先考虑选用标准缸的参数。 3.4 选择控制元件 1）确定控制元件类型，要根据表 42.6-13 进行比较而定。 表 42.6-13 几种气控元件选用比较表 电磁气阀控制 气控气阀控制 气控逻辑元件控制 较好 一般 一般 较好 较好 较好 一般 较差 好，快 较好（交流的易烧线圈） 安全可靠性 恶劣环境适应性（易 燃、易爆、潮湿等） 气源净化要求 远距离控制性，速度传 递 控制元件体积 元件无功耗气量 元件带负载能力 价格 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 42.6-14 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。至于逻辑元件的类型选定后，它们的通径也就定了（逻辑 元件通径常为 ф3mm，个别为 ф1mm）。对于减压阀或定值器的选择还必须考虑压力调节范围而确定其不同的规格。 3.5 选择气动辅件 一般，＞0 几毫秒 一般，几毫秒～0 几毫秒 一般 很小 高 稍贵 大 很小 高 一般 较小 小 较高 便宜 1）分水滤气器其类型主要根据过滤精度要求而定。一般气动回路、截止阀及操纵气缸等要求过滤精度≤50～ 75μm，操纵气马达等有相对运动的情况取过滤精度≤25μm，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≤10μm。 分水滤气器的通径原则上由流量确定（查表 42.6-14），并要和减压阀相同。 2）油雾器根据油雾颗径大小和流量来选取。当与减压阀、分水滤气器串联使用时，三者通径要相一致。 表 42.6-14 标准控制阀各通径对应的额定流量① Ф8 Ф6 Ф10 Ф15 Ф20 Ф25 Ф32 Ф40 Ф50 3 0.1944 0.6944 1.3889 1.9444 2.7778 5.5555 8.3333 13.889 19.444 27.778 0.7 11.66 公称通径/mm q10-3/m3·s-1 q/ m3·h-1 q/L·min-1 ① 额定流量是限制流速在 15～25m/s 范围所测得阀的流量。 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）储气罐其理论容积可按《气压传动及控制》教材中介绍的经验公式计算，具体结构、尺寸可查《压缩空气 7 30 116.67 166.68 213.36 500 70 1166.7 1666.8 2.5 41.67 5 83.34 50 833.4 100 10 20 站设计手册》。
    3.6 确定管道直径、计算压力损失 1）各段管道的直径可根据满足该段流量的要求，同时考虑和前边确定的控制元件通径相一致的原则初步确定。 初步确定管径后，要在验算压力损失后选定管径。 2)压力损失的验算 为使执行元件正常工作，气流通过各种元件、辅件到执行元件的总压力损失，必须满足下 式 式中 ——总压力损失，它包括所有的沿程损失 和所有的局部损失； [ ]——允许压力损失可根据供气情况来定，一般流水线范围约＜0.01MPa，车间范围＜0.05MPa，工厂范 围＜0.1MPa。验算时，车间内可近似取[ ]≤0.01～0.1MPa 实际计算总压力损失，如系统管道不特别长（一 般 l＜100m)。管内的粗糙度不大，在经济流速的条件下，沿程损失 比局部损失 小得多，则 沿程损失 可以不单独计入，只须将总压力损失值的安全系数 K△p 稍予加大就行了。局部损失 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（42.6-5）可简化为 式中 ——流经元、辅件的总压力损失可通过表 42.6-15 查出；K△p——压力损失简化修正系数， K△p=1.05～1.3，对于管道较长，管道截面变化较复杂的情况可取大值。如果验算的总压力损失 ≤[ ]，则上边初步选定的管径可定为所需要的管径。如果总压力损失 ＞[ ]，必须加 大管径或改进管道的布置，以降低总压力损失，直到 ＜[ ]为止，初选的管径即为最后确定的 管径。 元件名称 表 42.6-15 通过气动元、辅件的压力损失 （MPa） 公称通径/mm φ3 φ6 φ8 φ0 φ5 φ20 φ25 φ32 φ40 φ50 额定流量下压力损失≤
    换向阀 方向 阀 单向型 控制阀 0.025 0.025 截止阀 滑阀 单向阀、梭阀、 双压阀 快排阀→A 0.022 0.015 0.022 0.015 0.01 0.01 0.009 0.025 0.022 0.02 0.015 0.012 0.01 0.022 0.02 0.012 0.01 0.009 0.009 0.009 0.008 0.008 0.009 0.008 流量 阀 压力 阀 辅件 脉冲阀、延时阀 节流阀 单向节流阀 P→A 消声节流阀 0.025 0.025 0.022 0.02 0.025 0.015 0.012 0.01 0.02 0.009 0.02 0.012 0.01 单向压力顺序阀 0.025 0.022 0.02 0.015 0.012 25 75 分水滤气器过滤精 度 /μm 油雾器 消声器 0.015 0.01 0.015 0.022 0.02 0.025 0.02 0.012 0.01 0.009 0.008 0.007 注：其它元、辅件可通过实验或按上表各件压力损失类比选定。 3.7 选择空压机 3.7.1 计算空压机的供气量 Qj，以选择空压机的额定排气量 Qj 可由下式算得 式中 ψ——利用系数； K1——漏损系数，K1=1.15～1.5； K2——备用系数，K2=1.3～1.6； QZ——一台设备在一个周期内的平均用气量（自由空气量）m3/s； n——用气设备台数。 3.7.2 计算空压机的供气压力 pg，以选择空压机的排气压力 式中 p——用气设备使用的额定压力（表压）（MPa）； ΣΔp——气动系统的总压力损失。 pg=p+ΣΔp 例 10 设计某厂鼓风炉钟罩式加料装置气动系统。 加料机构如图 42.6-29 所示。图 42.6-29a 中，ZA、ZB 分别为鼓风炉上、下部两个料钟（顶料钟、底料钟）， WA、WB 分别为顶、底料钟的配重，料钟平时均处于关闭状态。图中 A 与 B 分别为操纵顶、底两个料钟开、闭的气缸。 图 42.6-29 鼓风炉加料装置气动机构示意图 a）剖视图；b）外形示意图解： （1）工作要求及环境条件 1）工作要求具有自动与手动加料两种方式。自动加料：加料时，吊车把物料运来，顶钟 ZA 开启卸料于两钟之 间；然后延时发信号，使顶钟关闭；底钟打开，卸料到炉内，再延时（卸完料）关闭底钟，循环结束。 顶、底料钟开闭动作必须联锁，可全部关闭但不许同时打开。 2）运动要求料钟开或闭一次的时间 t2≤6s，缸行程 s 均为 600mm。所以气缸活塞杆平均速度
    要求行程末端平缓些。 3）动力要求顶部料钟的操作力（打开料钟的气缸推力）为 FZA≥5.10kN；底部料钟开启作用力为 FZB≥24kN。 4）工作环境环境温度 30～40℃，灰尘较多。 （2）回路设计 1）列出气动执行元件的工作程序 2）画信号动作状态线图（图 42.6-30） 3）画逻辑原理图（图 42.6-31） 4）画回路原理图（图 42.6-32） 回路图中 YA1 和 YA2 为延时换向阀（常断延时通型），由该阀延时经主控阀 QFA、QFB 放大去控制缸 A1 和缸 B0 状 态。料钟的关闭靠自重。 （3）选择执行元件 1）确定执行元件类型根据料钟开闭（升降）行程较小，炉体结构限制（料钟中心线上下方不宜安装气缸）及 安全性要求（机械支力有故障时，两料钟处于封闭状态），故采用重力封闭方案，如图 42.6-9 所示。同时，在炉 体外部配上使料钟开启（即配重抬起）的传动装置，由于行程小，故采用摆块机构，即相应地采用尾部铰接式气 缸做执行元件。 考虑料钟的开启动作是：开启靠气动，关闭靠配重，所以选用单作用缸。又考虑开闭平稳，可采用缓冲型的 气缸。因此，初步选择执行元件为两台标准缓冲型、尾部铰接式气缸。 图 42.6-30 信号－动作状态线图 图 42.6-31 气控逻辑原理图 2）主要参数尺寸 气缸内径 D 顶部料钟气缸，其内径由下式计算，即
    式中 工作推力 F1=FZA=5.1×103N，当 υ≤0.2m/s 时，η=0.8，p=0.4MPa 则 查有关手册，取标准缸径 DA=160mm，行程 s=600mm。 底钟气缸，由于炉体总体布置限制，气缸的操作力为拉力，由下式计算，即 考虑缸径较大，取上式前边的系数为 1.03，且当 υ≤0.2m/s 时 η=0.8，F2=2.4×104N，p=4×105Pa 则 查手册，也选择冶金用气缸，取标准缸径 DB=320mm，行程 s=600mm。 综上，取顶钟气缸 A 为：气缸 JB160×600；取底钟气缸 B 为：气缸 JB320×600，活塞杆直径 d=90mm。 3）耗气量计算 缸 A：已知缸径 DA=160mm，行程 s=600mm，全行程需时间 t1=6s 压缩空气量 缸 B：已知 DB=320mm、s=600mm、t2=6s，由于缸 B 的供气端是有杆腔，所以缸 B 一个行程的耗气量为 （4）选择控制元件 1）选择类型 根据系统对控制元件工作压力及流量的要求，按照气动回路原理图初选各控制阀如下： 主控换向阀：QFA、QFB 均为 JQ23-L 型，通径待定； 行程阀：x0 初选为可通过式，其型号为 Q23JC4A-L3； 行程阀：a0、a1、b0初选为杠杆滚轮式，其型号为 Q23JC3A-L3； 逻辑阀：QF1，初选为 JQ230631 型两位三通双气控阀； 梭阀：QF2 初选为 QS-L3 型； 手动阀：S 初选为推拉式，其型号为 Q23R5-L3； 手动阀：g 初选为按钮式，其型号为 Q23R1A-L3。 2）选择主控阀 对 A 缸主控换向阀 QFA 的选择： 因 A 缸要求压力 pB=0.4MPa，流量 QA=2.09×10-3m3/s，查表 42.6-14 初选 QFA 的通径为 φ15mm，其额定流量 QA=2.778×10-3m3/s。故初选其型号为 Q25Q2C-L15（堵死两个不用的气口）。 对 B 缸主控换向阀 QFB 的选择： 因 B 缸要求压力 pB≤0.4MPa 流量 QB=8.3333×10-3m3/s，故初选其型号为 Q25Q2C-L25（堵死两个不用的气口）。 3）选择减压阀 根据系统所要求的压力、流量，同时考虑 A、B 缸因联锁关系不会同时工作的特点，即按其中 流量、压力消耗最大的一个缸（B 缸）选择减压阀。由供气压力为 0～0.7MPa，额定流量为 8.3333×10-3m3/s，选 择减压阀订货号为 395、291～294。 （5）选择气动辅件 辅件的选择要与减压阀相适应。
    分水滤气器：394、49 油雾器：396、49 消声器：配于两主控阀排气口、气缸排气口处，起消声、滤尘作用。对于 A 缸及主控阀选 FXS2-L15，对于 B 缸及主控阀选 FXS2-L25 （6）确定管道直径、验算压力损失 1）确定管径 本例按各管径与气动元件通径相一致的原则，初定各段管径（图 42.6-33）。同时考虑 A、B 缸 不同时工作的特点，按其中用气量最大的 B 缸主控阀的通径初步确定 oe 段的管径也是 25mm。而总气源管 yo 段的 管径，考虑为两台炉子同时供气、由流量为供给两台炉子流量之和的关系 可导出： 取标准管径为 40mm。 2）验算压力损失 如图 42.6-33 所示，本例中验算供气管 y 处到 A 缸进气口 x 处的损失（因 A 缸的管路较细， 损失要比 B 缸管路的大）是否在允许范围内 ΣΔp≤[△p] 图 42.6-33 管道的布置示意图 沿程压力损失 ① y—o 段的沿程压力损失 由式（1-40） 式中 △pl——沿程压力损失； d——管内径，d=0.04m； l——管长，l=0.6m； υ——管中流速，
    λ——沿程阻力系数，由雷诺数 Re 和管壁相对粗糙度 确定。 根据温度 30℃，由表 42.1-5 查得运动粘度 υ=1.66×10-5m2/s 根据 Re、 查有关手册得 λ=0.0265，温度 30℃、压力 0.4MPa 时 γ 值可由式（42.1-2、42.6-4）算出 ② o－e 段的沿程压力损失 由 和 Re1=2.27×104 可查得 λ1=0.029 ③ e-x 段沿程压力损失 可查得 λ3=0.035 ④ 由 y-x 的所有沿程损失
    局部压力损失 ① 流经管路中的局部压力损失 Σζ=ζy+ζ0+ζa+ζe+ζƒ+ζg+ζh+ζi+ζj+ζl+ζk+ζx 各局部阻力系数 ζy——入口局部阻力系数 ζy=0.5； ζ0、ζe——分别为三通管局部阻力系数 ζ0=2，ζe=1.2； ζa、ζƒ——流经截止阀处局部阻力系数，ζa=ζƒ=3.1； ζh、ζi、ζj、ζk——弯头局部阻力系数；分别为 ζh=ζi=ζj=0.29，ζk=2×2×0.29=0.58； ζl——软管处局部阻力系数，近似计算 ζl=2× =0.16； ζx——出口局部阻力系数，ζx=1 ② 流经元、辅件的压力损失 流经减压阀的压力损失较小可忽略不计，其余损失： 式中 △pb——流经分水滤气器的压力损失； △pd——流经油雾器的压力损失； △pg——流经截止式换向阀的压力损失。 查表 42.6-15 得△pb=0.02MPa，△pd=0.015MPa，△pg=0.015MPa。 ③ 总局部压力损失 总压力损失 考虑排气口消声器等未计入的压力损失： 则
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