氣動閥的工作原理

1、一、氣動控制閥的分類氣動控制閥是指在氣動系統(tǒng)中控制氣流的壓力、流量和流動方向，并保證氣動執(zhí)行元件或機構(gòu)正常工作的各類氣動元件?？刂坪驼{(diào)節(jié)壓縮空氣壓力的元件稱為壓力控制閥?？刂坪驼{(diào)節(jié)壓縮空氣流量的元件稱為流量控制閥。改變和控制氣流流動方向的元件稱為方向控制閥。 除上述三類控制閥外，還有能實現(xiàn)一定邏輯功能的邏輯元件，包括元件內(nèi)部無可動部件的射流元件和有可動部件的氣動邏輯元件。在結(jié)構(gòu)原理上，邏輯元件基本上和方向控制閥相同，僅僅是體積和通徑較小，一般用來實現(xiàn)信號的邏輯運算功能。近年來，隨著氣動元件的小型化以及PLC控制在氣動系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，氣動邏輯元件的應(yīng)用范圍正在逐漸減小。 從控制方式來分，氣動控

2、制可分為斷續(xù)控制和連續(xù)控制兩類。在斷續(xù)控制系統(tǒng)中，通常要用壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥來實現(xiàn)程序動作;連續(xù)控制系統(tǒng)中，除了要用壓力、流量控制閥外，還要采用伺服、比例控制閥等，以便對系統(tǒng)進行連續(xù)控制。氣動控制閥分類如圖4.1。二、氣動控制閥和液壓閥的比較(一) 使用的能源不同氣動元件和裝置可采用空壓站集中供氣的方法，根據(jù)使用要求和控制點的不同來調(diào)節(jié)各自減壓閥的工作壓力。液壓閥都設(shè)有回油管路，便于油箱收集用過的液壓油。氣動控制閥可以通過排氣口直接把壓縮空氣向大氣排放。(二) 對泄漏的要求不同液壓閥對向外的泄漏要求嚴格，而對元件內(nèi)部的少量泄漏卻是允許的。對氣動控制閥來說，除間隙密封的閥外，原則

3、上不允許內(nèi)部泄漏。氣動閥的內(nèi)部泄漏有導(dǎo)致事故的危險。對氣動管道來說，允許有少許泄漏;而液壓管道的泄漏將造成系統(tǒng)壓力下降和對環(huán)境的污染。(三) 對潤滑的要求不同液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)為液壓油，液壓閥不存在對潤滑的要求;氣動系統(tǒng)的工作介質(zhì)為空氣，空氣無潤滑性，因此許多氣動閥需要油霧潤滑。閥的零件應(yīng)選擇不易受水腐蝕的材料，或者采取必要的防銹措施。(四) 壓力范圍不同氣動閥的工作壓力范圍比液壓閥低。氣動閥的工作壓力通常為10bar以內(nèi)，少數(shù)可達到40bar以內(nèi)。但液壓閥的工作壓力都很高(通常在50Mpa以內(nèi))。若氣動閥在超過最高容許壓力下使用。往往會發(fā)生嚴重事故。(五) 使用特點不同一般氣動閥比液壓閥結(jié)構(gòu)

4、緊湊、重量輕，易于集成安裝，閥的工作頻率高、使用壽命長。氣動閥正向低功率、小型化方向發(fā)展，已出現(xiàn)功率只有0.5W的低功率電磁閥。可與微機和PLC可編程控制器直接連接，也可與電子器件一起安裝在印刷線路板上，通過標準板接通氣電回路，省卻了大量配線，適用于氣動工業(yè)機械手、復(fù)雜的生產(chǎn)制造裝配線等場合。三、 氣動控制閥的結(jié)構(gòu)特性氣動控制閥的結(jié)構(gòu)可分解成閥體(包含閥座和閥孔等)和閥心兩部分，根據(jù)兩者的相對位置，有常閉型和常開型兩種。閥從結(jié)構(gòu)上可以分為：截止式、滑柱式和滑板式三類閥。(一)截止式閥的結(jié)構(gòu)及特性 截止式閥的閥心沿著閥座的軸向移動，控制進氣和排氣。圖4.2所示為二通截止式閥的基本結(jié)構(gòu)。圖4.2a

5、中，在閥的P口輸入工作氣壓后，閥芯在彈簧和氣體壓力作用下緊壓在閥座上，壓縮空氣不能從A口流出;圖4.2b為閥桿受到向下的作用力后，閥芯向下移動，脫離閥座，壓縮空氣就能從P口流向A口輸出。這就是截止式閥的切換原理。 圖4.3所示的閥為常通型結(jié)構(gòu)。圖4.3a為初始狀態(tài)，與圖4.2a相反，閥心在彈簧力作用下離開閥座，壓縮空氣從P口流向A口輸出。圖4.3b為工作狀態(tài)，閥桿在向上的力作用下，閥心緊壓在閥座上關(guān)閉閥口，流道被關(guān)斷，A口沒有壓縮空氣流出。 圖4.4所示為三通截止式閥的結(jié)構(gòu)，閥有P、A、0三個孔口。圖4.4a為閥的初始狀態(tài)，閥心緊壓在上閥座上，P口和A口通路被關(guān)斷，A口和0口相通。閥的輸出A口

6、沒有輸出。 圖4.4b為工作狀態(tài)。閥桿受力后使閥心離開上閥座而緊壓在下閥座上，關(guān)閉排氣O口，打開P口至A口之間的通道，壓縮空氣從P口流向A口輸出。圖4.4c所示為閥在切換過程中閥心所處的瞬態(tài)位置。此時，P、A、0三個孔口同時相通，而發(fā)生串氣現(xiàn)象。實際上，對于快速切換的閥，這種串氣現(xiàn)象對閥的動作不存在什么影響。但緩慢切換時，應(yīng)予以注意。截止式閥的結(jié)構(gòu)決定了其開啟所需的時間較短，但開啟大口徑的閥則需較大的開啟力。因此截止式閥多用于小口徑的閥。需要大流量或高壓時，往往采取先導(dǎo)式的結(jié)構(gòu)。其方法是增加一個控制活塞，先導(dǎo)控制氣壓作用在活塞上產(chǎn)生的較大操縱力，以彌補上述缺點。 為了使截止式閥密封可靠，操縱方

7、便，另一種方法是采用壓力平衡的方法，如圖4.5所示，在閥桿兩側(cè)增加了活塞，活塞受氣壓作用面積和閥心受壓面積相等，這種閥稱為壓力平衡式閥。由于初始狀態(tài)時，工作氣壓作用在閥桿上的合力為零，使開啟閥門的操作力大大降低。 (二)滑柱式閥的結(jié)構(gòu)及特性 滑柱式閥是用圓柱狀的閥心在圓筒形閥套內(nèi)沿軸向移動，從而切換氣路。圖4.6所示為滑柱式閥的基本結(jié)構(gòu)。圖4.6左圖為閥的初始狀態(tài)，滑柱在彈簧力的作用下右移。此時，壓縮空氣從輸人口P流向輸出口A，A口有氣壓輸出，B口無氣壓輸出。圖4.6右圖為閥的工作狀態(tài);滑柱在操縱力作用下克服彈簧力左移，關(guān)斷P 口和A口通路，接通P口和B口。于是，B口有輸出，A口無輸出。 滑柱

8、式閥在結(jié)構(gòu)上只要稍稍改變閥套或滑柱的尺寸、形狀就能實現(xiàn)兩位四通和兩位五通閥的功能。4.2 方向控制閥一、方向控制閥概述 (一)操作方式 為了使閥換向，必須對閥心施加一定大小的軸向力。使其迅速移動改變閥心的位置。這種獲得軸向力的方式叫做換向閥的操作方式，或控制方式。通?？煞譃闅鈮骸㈦姶?、人力和機械四種操作方式。 1.氣壓操作 用氣壓力來獲得軸向力使閥心迅速移動換向的操作方式叫做氣壓操作。它按施加壓力的方式可分為加壓控制、卸壓控制、差壓控制和時間控制。 1)加壓控制是指施加在閥心控制端的壓力逐漸升到一定值時，使閥心迅速移動換向的控制，閥心沿著加壓方向移動。 2)卸壓控制是指施加在閥心控制端的壓力逐

9、漸降到一定值時，閥心迅速換向的控制，常用作三位閥的控制。3)差壓控制是指閥心采用氣壓復(fù)位或彈簧復(fù)位的情況下，利用閥心兩端受氣壓作用的面積不等(或兩端氣壓不等)而產(chǎn)生的軸向力之差值，使閥心迅速移動換向的控制。其原理如圖4.7所示，K1為控制氣壓口。 這種控制方式只需一個控制信號，故得到廣泛的應(yīng)用，可應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的主閥.。氣壓復(fù)位省去了彈簧，提高了可靠性。差壓控制的特點是所控制的主閥不具有記憶功能，且控制信號和復(fù)位信號均須為長信號。 4)時間控制是指利用氣流向由氣阻(節(jié)流孔)和氣容構(gòu)成的阻容環(huán)節(jié)充氣，經(jīng)過一定時間后，當(dāng)氣容內(nèi)壓力升至一定值時，閥心在差壓力作用下迅速移動換向的控制。時間控制的信號輸

10、出有脈沖信號和延時信號兩種。圖4.8所示為脈沖閥原理圖，在閥的P口輸入氣壓信號后，A口即有輸出，同時氣流經(jīng)節(jié)流孔向氣室充氣，當(dāng)氣容內(nèi)的壓力上升到閥的切換壓力時，活塞向左移關(guān)斷PA通路，A口無輸出，即閥的A口輸出為脈沖信號。脈沖信號的寬度決定于節(jié)流孔和氣室的大小。圖4.9所示為一種二位三通延時換向閥結(jié)構(gòu)原理(常斷延時通型)。調(diào)節(jié)節(jié)流針閥的開度即可改變延時時間。延時換向閥的輸出可組成四種型式：常斷延時通、常通延時斷，常斷延時斷及常通延時通。其輸出狀態(tài)和對應(yīng)的圖形符號如圖4.10所示。2.電磁操作用電磁力來獲得軸向力，使閥心迅速移動的換向控制方式稱為電磁操作。它按電磁力作用于主閥閥心的方式分為直動式

11、和先導(dǎo)式兩種。1)直動式電磁控制是用電磁鐵產(chǎn)生的電磁力直接推動閥心來實現(xiàn)換向的一種電磁控制閥。根據(jù)閥芯復(fù)位的控制方式可分為單電控和雙電控，其控制原理如圖4.11所示。圖4.11a、b為直動式單電磁控制彈簧復(fù)位方式。圖4.10c、d為直動式雙電磁控制方式。 2) 先導(dǎo)式電磁控制是指由先導(dǎo)式電磁閥(一般為直動式電磁控制換向閥)輸出的氣壓力來操縱主閥閥芯實現(xiàn)閥換向的一種電磁控制方式。它實際上是一種由電磁控制和氣壓控制(加壓、卸壓、差壓等)的復(fù)合控制，通常稱為先導(dǎo)式電磁氣控。圖4.12所示為先導(dǎo)式電磁氣控換向閥原理，圖4.12a、b為單電控動作原理。圖 4.12c、d為雙電控動作原理。 3.人力操作

12、用人力來獲得軸向力使閥迅速移動換向的控制方式稱作人力操作。人力控制可分為手動控制和腳踏控制等。按人力作用于主閥的方式可分為直動式、先導(dǎo)式。4.機械操作用機械力來獲得軸向力使閥芯迅速移動換向的控制方式稱作機械操作。按機械力作用于主閥的形式可分為直動式和先導(dǎo)式兩種。(二)方向控制閥的通口數(shù)和基本機能換向閥的基本機能就是對氣體的流動產(chǎn)生通、斷作用。一個換向閥具有同時接通和斷開幾個回路，可以使其中一個回路處于接通狀態(tài)而另一個回路處于斷開狀態(tài)，或者幾個回路同時被切斷。為了表示這種切換性能，可用換向閥的通口數(shù)(通路數(shù))來表達。1)二通閥 二通閥有兩個通口，即輸入口(用P表示)和輸出口(用A表示)，只能控制

13、流道的接通和斷開。根據(jù)PA通路靜止位置所處的狀態(tài)又分為常通式二通閥和常斷式二通閥。2)三通閥 三通閥有三個通口，除P、A口外，還有一個排氣口(用O表示)。根據(jù)PA、A0通路靜止位置所處的狀態(tài)也分為常通式和常斷式兩種三通閥。3)四通閥 四通閥有四個通口，除P、A、0外。還有一個輸出口(用B表示)。流路為PA、B0，或PB、A0?？梢酝瑫r切換兩個流路，主要用于控制雙作用氣缸。4)五通閥 五通閥有五個通口，除P、A、B外，有兩個排氣口(用01、02表示)。其流路為PA、B02或PB、A一01。這種閥與四通閥一樣作為控制雙作用氣缸用。這種閥也可作為雙供氣閥(即選擇閥)用，即將兩個排氣口分別作為輸入口P

14、l、P2。此外，也有五個通口以上的閥，是一種專用性較強的換向閥，這里不作介紹。(三) 方向控制閥的位數(shù) 位數(shù)是指換向閥的切換狀態(tài)數(shù)，有兩種切換狀態(tài)的閥稱作二位閥，有三種切換狀態(tài)的閥稱作三位閥。有三種以上切換狀態(tài)的閥稱作多位閥。常見換向閥的通路數(shù)與切換位置如表4.1所示。 1)二位閥 二位閥通常有二位二通、二位三通、二位四通、二位五通等。二位閥有兩種，一種是取消操縱力后能恢復(fù)到原來狀態(tài)的稱為自動復(fù)位式。另一種是不能自動復(fù)位的閥(除非加反向的操縱力)，這種閥稱為記憶式。2)三位閥 三位閥通常有三位三通、三位四通、三位五通等。三位閥中，中間位置狀態(tài)有中間封閉、中間卸壓、中間加壓三種狀態(tài)。表4.1所示

15、為氣動換向閥的通路數(shù)與切換位置數(shù)。(四)方向控制閥的公稱通徑閥的規(guī)格直接反映了閥的流通能力，是閥的一項基本參數(shù)，也是用戶選用換向閥的重要 依據(jù)之一。通常用其配管的公稱通徑來表示，另外也有用螺紋管接頭的公稱通徑來表示。表4.2列出了閥的常用公稱通徑及相應(yīng)的流量性能、接管螺紋等，供選用參考。表4.2 閥的常用公稱通徑及相應(yīng)的流量性能、接管螺紋連接螺紋 公制M10×1M14×1.5M18×1.5M22×1.5M27×2M33×2M42×2M50×2 M60×2英制G1/8G1/4G3/8Gl/2G3/4G1Gl

16、 1/4G1 1/2G2壓力降/MPa0.020.0150.0150.0150.0120.0120.0120.010.01 二、電磁閥 (一)電磁鐵的基本結(jié)構(gòu)電磁閥由電磁鐵和閥體組成。電磁鐵是電磁閥的主要部件之一，其作用是利用電磁原理將電信號轉(zhuǎn)換成閥芯(動鐵心)的位移。根據(jù)電磁鐵的結(jié)構(gòu)，可分為T型、型和平板型，如圖4.13所示。T型電磁鐵為了減少鐵損，用高磁通的硅鋼片層疊制成，能夠獲得較好的效率和較大的吸引力，但所需的行程和體積較大，主要用于行程較大的直動式電磁閥。型電磁鐵適用于直流電磁鐵和小型交流電磁鐵，用圓柱形普通磁性材料制成，其鐵心的端面通常制成平面狀或圓錐狀。與T型電磁鐵相比，型電磁鐵

17、的吸力較小，行程較短。圓柱形鐵心的重量輕、吸引時的沖擊小，所以使用壽命長，主要用于小型直動式和先導(dǎo)式電磁閥。平板型電磁鐵適用于交流和直流小型電磁鐵，其特性與型相似，主要用于小型直動式截止閥和先導(dǎo)式電磁閥。(二)電磁鐵的基本特性圖4.14所示為電磁鐵的電流與行程的特性關(guān)系。由圖4.14可見，交流電磁鐵開始吸合時電流最大(起動電流);當(dāng)動鐵心與靜鐵心吸合后，電流呈一定值(保持電流)。大型交流電磁閥的啟動電流可達保持電流的10倍以上，是小型交流電磁閥和先導(dǎo)式電磁閥的2倍左右。直流電磁鐵的電流與行程無關(guān)，電流始終保持一定值。通常，電磁鐵長時間吸合是不會燒壞的。但是，當(dāng)發(fā)生諸如主閥被雜質(zhì)卡住、動鐵心與靜

18、鐵心沒有完全吸合等情況時，特別是交流直動式電磁閥會引起電流過載，并產(chǎn)生高溫，燒壞線圈。 圖4.15所示為電磁鐵的吸力特性。交流電磁鐵和直流電磁鐵相似，當(dāng)電壓增加或行程減小時，吸力增加。但是，當(dāng)動鐵心的行程較大時，由于交流與直流電磁鐵的電流特性不同，直流電磁鐵的吸力將大大下降，而交流電磁鐵吸力下降較緩慢。 常用電磁鐵的額定電壓有ACll0V、AC220V、DC24V等三種，允許電壓偏差值為±10%，小型直流電磁鐵的電壓允許偏差值為-15%一+10%。交流電磁鐵的特性因頻率不同而變，但當(dāng)頻率為50Hz或60Hz時，其特性相差甚小，可以通用。交流電磁鐵因磁力線和電流方向交替變化，會發(fā)生動鐵

19、心的吸合與釋放的反復(fù)動作，其頻率為交流頻率的2倍，因而會產(chǎn)生交流峰鳴聲。其解決方法是在靜鐵心的吸合端面上嵌入短路的整流銅環(huán)，利用短路銅環(huán)感應(yīng)的電流產(chǎn)生與主磁力線相位錯開的磁力線來阻止交流蜂鳴聲。(三)二通電磁閥 圖4.16 所示為二通電磁閥。圖4.16a為直動式電磁閥，閥的動鐵心端面帶有密封橡膠，可直接封住閥座氣孔。電磁鐵通電時，動鐵心被吸合向上，主閥打開;電磁鐵斷電時，動鐵心被彈簧力復(fù)位，主閥關(guān)閉。圖4.16b為膜片截止式先導(dǎo)電磁閥，膜片上有一節(jié)流小孔，輸入氣壓能通過節(jié)流小孔作用在膜片上部，使主閥關(guān)閉。當(dāng)電磁鐵通電時動磁心被吸合向上，膜片上部的空氣經(jīng)閥座氣孔流出，壓力下降，膜片在上下壓差作用

20、下被頂起，主閥被打開。當(dāng)電磁鐵斷電時動鐵心關(guān)閉閥座氣孔，上部壓力增加，壓下膜片關(guān)閉主閥。這種閥的特點是體積小、流通能力大，可通過大流量。這類閥適用于石油、化工、制冷等工業(yè)部門，用來輸送空氣、隋性氣體、水及礦物油。 (四) 三通電磁閥圖4.17所示為截止式二位三通直動式電磁閥。這種閥有常閉式(NC)和常開式(NO)兩種。圖示為常閉式，電磁鐵的動鐵心兩端面裝有密封橡膠，上下有兩個閥座。當(dāng)電磁鐵斷電時，下面閥座被封住，PA通路關(guān)閉，A0通路打開;當(dāng)電磁鐵通電時，上面的閥座被封住。PA通路打開，AO通路關(guān)閉。閥體上裝有手動桿，用來手動操作閥的切換。這種閥結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。常用于控制小型單作用氣缸，或

21、用作先導(dǎo)電磁閥的先導(dǎo)部分。(五)四通和五通電磁閥根據(jù)電磁鐵的個數(shù)分為單電控和雙電控兩種。根據(jù)切換位置分為二位閥和三位閥，而主閥部分的密封方式有多種多樣。 (1) 二位單電控電磁閥 圖4.18所示為一種二位五通單電控電磁閥，其主閥采用截止式彈簧復(fù)位結(jié)構(gòu)。先導(dǎo)閥的氣源可以用內(nèi)部P口氣源(內(nèi)先導(dǎo))，也可以用外接控制氣源(外先導(dǎo))。該閥用作外先導(dǎo)時，其最低工作壓力可從零開始。圖4.19所示也是一種二位五通單電控電磁閥，其主閥采用滑柱式氣壓復(fù)位結(jié)構(gòu)。通路間密封采用D形密封，安裝在滑柱的密封溝槽中，由于密封圈圓弧直徑很小，壓縮量只有0.05mm左右，所以通過圓角為0.2mm左右溝槽時不會損壞。該閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦阻力小、無給油潤滑等特點。(2) 二位雙電控電磁閥這種閥如圖4.20 a所示，具有記憶功能，電磁鐵斷電后主閥仍繼續(xù)保持所處的切換位置。 圖4.20 所示為一種二位五通雙電控先導(dǎo)式電磁閥，先導(dǎo)原理如圖4.20b所示。主閥部分由TS密封(Triple Sqeeze)的無閥套的滑柱式閥構(gòu)成。其特點是滑動阻力小，在密封方向上截面對稱，無密封方向性，具有壓縮密封和唇形密封的各自優(yōu)點。裝配時,在閥桿的 TS密封件上已封入了特種潤滑油脂，可在無給油潤滑系統(tǒng)中應(yīng)用。閥的結(jié)構(gòu)簡單，維修方便