气动控制阀与气动回路及使用与维修 点击:4209 | 回复:0



GK2011_843080

    
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发表于:2013-03-05 02:18:14
楼主

当稳气动控制阀主要有方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类。方向控制阀可分为单向型控制阀和换向型控制阀,压力控制阀可分为减压阀、溢流阀和顺序阀,流量控制阀可为节流阀、单向节流阀和排气节流阀等。气动控制阀组合成各类气动回路,气动回路能实现较复杂多变的控制功能。

3.1  方向控制阀与方向控制回路及使用与维修

3.1.1 方向控制阀

按气流在阀内的流动方向,方向控制阀可分为单向型控制阀和换向型控制阀;按控制方式,方向阀分为手动控制、气动控制、电磁控制、机动控制等。

1   单向型方向控制阀

单向型方向控制阀包括单向阀、或门型梭阀、与门型梭阀和快速排气阀等。

1)单向阀 

3-1 所示为单向阀的典型结构,图a为符号,图b为实物。

        

3-1  单向阀

2)或门型梭阀 

3-2所示为或门型梭阀结构,它有两个输入口P1P2,一个输出口A,阀芯在两个方向上起单向阀的作用。当P1进气时,阀芯将P2切断,P1A相通,A有输出。当P2进气时,阀芯将P1切断,P2A相通,A也有输出。如P1P2都有进气时,阀芯移向低压侧,使高压侧进气口与A相通。如两侧压力相等,先加入压力一侧与A相通,后加入一侧关闭。图3-3所示是或门型梭阀应用回路,该回路应用或门型梭阀实现手动和自动换向。

           

32  或门型梭阀结构图

33  或门型梭阀应用回路

3)与门型梭阀 

与门型梭阀又称双压阀。图3-4所示为与门型梭阀结构。它有P1P2两个输入口和一个输出口A。只有当P1P2同时有输入时,A才有输出,否则A无输出;当P1P2压力不等时,则关闭高压侧,低压侧与A相通。图3-5所示是与门型梭阀应用回路。或门型梭阀和与门型梭阀的区别要从输入和输出关系来判断。

 

34  与门型梭阀结构图

                   

35  与门型梭阀应用回路

4)快速排气阀 

快速排气阀简称快排阀,是为了使气缸快速排气。图3-6a所示为快速排气阀的结构。快速排气阀常安装在气缸排气口。

  

36  快速排气阀

2.换向型方向控制阀

1)气压控制换向阀 

用气压力来使阀芯移动换向的操作方式称为气压控制。常用的多为加压控制和差压控制。加压控制是指施加在阀芯控制端的压力逐渐升高到一定值时,使阀芯迅速移动换向的控制。差压控制是指阀芯采用气压复位或弹簧复位的情况下,利用阀芯两端受气压作用的面积不等而产生的轴向力之差值,是阀芯迅速移动换向的控制。按阀芯结构特性可分截止式换向阀和滑阀式换向阀,滑阀式换向阀与液压换向阀的结构和工作原理基本相同。图3-7为二位三通截止式气控换向阀工作原理图。

                    

               37  气压控制换向阀工作原理图

2)电磁控制换向阀  

由电磁力推动阀芯进行换向。图3-8a 所示为二位三通电磁控制换向阀处于常态,图3-8b为通电状态,图3-8c为图形符号。

       

38  电磁控制换向阀工作原理图

3.1.2 方向控制回路

     1.单作用气缸换向回路

3-9所示为单作用换向回路。在图3-9a所示回路中,当电磁铁通电时,气压使活塞杆伸出,当电磁铁断电时,活塞杆在弹簧作用下缩回。在图3-9b所示回路中,电磁铁断电后能使活塞停留在行程中任意位置。

        

39  单作用气缸换向回路

2.双作用气缸换向回路

在图3-10 a所示回路中,对换向阀左右两侧分别输入控制信号,使活塞伸出和收缩。在图3-10 b所示回路中,除控制双作用气缸换向外,还可在行程中的任意位置停止运动。

  

310双作用气缸换向回路

3.1.3  方向控制阀常见故障及排除

1 方向阀的维护与检查

    方向阀在使用过程中应注意日常的保养和检修。这不仅是防止发生故障的有力措施,而且是延长元件使用寿命的必要条件。

    日常的保养和检修一般分日检、周检、季检和年检等几种层次的管理制度。

    各种检查主要任务见表3-1

        3-1  各种检查主要任务

检查种类

        检查主要任务内容

日检            

对冷凝水、污物的处理,及时排放空气压缩机、冷却装置、储气罐、管道中的冷凝水及污物,以免它们进入方向阀中造成故障

周检 

对油雾器的管理,使方向阀得到适中的油雾润滑,避免方向阀因润滑不良而造成故障

季检 

  检查方向阀是否漏气、动作是否正常,发现问题及时采取措施处理

年检 

  更换即将损坏的元件,使平常工作中经常出现的故障,通过大修彻底解决

检修方向阀时,首先要了解故障的原因,这对节省修理时间,提高修理质量,都有很大帮助。因此,需要详细了解阀的结构,才能从故障现象迅速找到故障的根源。

气动单向阀主要技术性能指标如表3-2所示。    

3-2  气动单向阀主要技术性能指标

公称通径/mm 

有效截面积 A>/mm2

  泄漏量/ (mLmin)

耐久性/万次

      

开启压力/MPa

关闭压差/MPa 

 换向时间/s

    3

    3    

                   

                   

                 

               

            

   6

   10 

       50            

      200           

  0.030             

  0.025             

<0. 03           

   8

    20 

           

           

             

             

           

    10 

   40             

    100           

      150           

 0.025              

 0.020              

 0.04           

    15

     60 

           

           

             

             

           

    20       

    110             

     200           

      100            

 0.020               

 0.015              

 0.05           

    25

    190

           

           

             

             

           

   32

    300

               

             

                

              

            

    40

    400

     300           

   50            

 0.015               

 0.010              

 0.06           

    50

    650

           

           

             

             

           

     2 电磁阀故障及排除方法

要找到电磁换向阀的故障原因,必须掌握气动阀主要技术性能指标和常见故障及排除方法。主阀故障还要参考气动三通气控换向阀主要技术性能指标,才能彻底解决电磁换向阀故障。气动三通气控投向阀主要技术性能指标包括:软质密封、间隙密封的公称通径(mm)、有效截面积(mm2)、泄漏量(m L min)、耐久性(万次)、最低控制压力(MPa)、换向时间(s)、最高换向频率(Hz)、工作频度等。以上具体数据查阅有关方向阀的技术性能指标。

电磁阀的故障可分为铁心的机械故障,异物等侵入后引起的故障和由电气原因引起的故障。

先导电磁阀的故障及排除方法见表3-3

3-3   电磁换向阀的故障原因及处理对策

 

 

3.1.4  方向阀用于系统故障排除实例

1 故障现象

某小型气动冲击试验台(俗称空气炮),气动原理如图3-11

当操作者按下起动按钮时,Y1通电,压缩空气从工作缸顶部进入。当气压达到设定压力时,电接点压力表MH使Y2通电,压缩空气同时进入锁定触发缸,但是锁定触发活塞未能后移,试验舱没有被释放。

3-11 冲击试验台气动原理图

2 直接故障原因

经详细检查 直接故障可能原因有3个:

1)电磁阀Y2内有异物,造成阀芯动作失灵;

2)MI-I电接点电阻增大,造成Y2电磁铁吸力降低;

3)锁定触发缸活塞密封圈磨损,造成外泄,减小了活塞推力。

3 寻找故障深层次的原因

当维修工将这些故障点逐一排除以后,设备仍不能恢复正常,甚至毛病越来越重。最初是在额定压力0.25 MPa时不能击发,而在0.2 MPa时尚可;后来0.2 MPa也不行了。这台设备虽说是国外进口的,但其工作原理和结构并不复杂。抽动锁定销的力F1由锁定触发缸活塞提供,阻力F2则主要来源于锁定销与试验舱之间,锁定活塞与缸体之间的摩擦。显然,正常击发须满足的条件为:F1>F2

对有关数据进行验算。当设定压力为0.25 MPa时,计算得F1的理论值为2215 NF22087 N(摩擦系数取0.3,复位弹簧的阻力未计算在内),于是有:F1-F2=128 N

128N显然太小,看来,这是故障产生的真正原因。

为排除内泄更换了密封圈,却同时大大增加了阻力由于国产密封圈硬,弹性差,阻力还非常大。为了证实这一分析,重新将原密封圈装上,为减少泄漏,多涂了些黄油,果然,锁定触发机构又突然恢复了正常。不过这个正常也不可靠。在0.20-0.25 Mpa之间它一共只触发了4次,就又不动了。

4 改进办法

很显然,原气路在设计上确实存在明显不足。Y2接通时,由于Y1并未截断,气源与工作缸仍是接通的。所以尽管锁定触发缸体积只有25 ,但在瞬时缸内并不能达到气源压力。只是由于工作缸的体积要比它大240倍,才能使它在触发的瞬时内部气压稍高于工作缸气压(当气源一定,MH调得越低,两缸压力差越大;F2也越小,便有利击发)。当工作缸MN为设定压力0.25MPa时,压力表显示锁定缸压力为0.3MPa(气源压力为0.5 MPa)。如果瞬时(零点几秒)不能触发,说明此时Fl≤F2。并且随着时间的延长。两缸的气压将同时增高,很快趋于平衡,等于气源压力。由于工作缸径远大于触发缸径,FI<F2更多,所以,延长按压起动按钮是无用的。

改造方法是在Y1AB处串接一个两位两通电磁阀(常开型),如图1中的虚线所示(电源与压力表MH并联)。实施后一次成功。压力表显示触发缸瞬时压力为0.45MPa(MH调定0.25MPa,气源压力仍为0.5MPa)。按此计算,F2不变,F1却比改进前增加862N

3.2  压力控制阀与压力控制回路及使用与维修

压力控制阀按其控制功能可分为减压阀、溢流阀和顺序阀三种。

3.2.1 减压阀

减压阀又称调压阀,可分为直动式、先导式,其中先导式又分为内部先导式和外部先导式两种。

1  直动型减压阀 

3-12a所示为QTY型直动型减压阀的结构图。其工作原理如下:

阀处于工作状态时,压缩空气从左端输入,经阀口11节流减压后再从阀出口流出。当旋转手柄1,压缩调压弹簧23推动膜片5下凹,通过阀杆6带动阀芯9下移,打开进气阀口11,压缩空气通过阀口11的节流作用,使输出压力低于输入压力,以实现减压作用。与此同时,有一部分气流经阻尼孔7进入膜片室12,在膜片下部产生一向上的推力。当推力与弹簧的作用相互平衡后,阀口开度稳定在某一值上,减压阀的出口压力便保持一定。阀口11开度越小,节流作用越强,压力下降也越多。

若输入压力瞬时升高,经阀口11以后的输出压力随之升高,使膜片室内的压力也升高,破坏了原有的平衡,使膜片上移,有部分气流经溢流孔4,排气口13排出。在膜片上移的同时,阀芯9在复位弹簧10的作用下也随之上移,减小进气阀口11开度节流作用加大,输出压力下降,直至达到膜片两端作用力重新平衡为止,输出压力基本上又回到原数值上。

相反,输入压力下降时,进气节流阀口开度增大,节流作用减小,输出压力上升,使输出压力基本回到原数值上。

     

312   QTY型直动型减压阀

2  先导型减压阀 

3-13a 所示为内部先导型减压阀结构图,它由先导阀和主阀两部分组成。当气流从左端流入阀体后,一部分经进气阀口9流向输出口,另一部分经固定节流孔1进入中气室5经喷嘴2、挡板3、孔道反馈至下气室6,在经阀杆7中心孔及排气孔8排至大气。

把手柄旋到一定位置,使喷嘴挡板的距离在工作范围内,减压阀就进入工作状态。中气室5的压力随喷嘴与挡板间距离的的减小而增大,于是推动阀芯打开进气阀口9,立即有气流流到出口,同时经孔道反馈到上气室4,与调压弹簧相平衡。

若输入压力瞬时升高,输出压力也相应升高,通过孔口的气流使下气室6的压力也升高,破坏了膜片原有的平衡,使阀杆7上升,节流阀口减小,节流作用增强,输出压力下降,使膜片两端作用力重新平衡,输出压力恢复到原来的调定值。当输出压力瞬时下降时,经喷嘴挡板的放大也会引起中气室5的压力比较明显地提高,而使得阀芯下移,阀口开大,输出压力升高,并稳定到原数值上。图3-13b为图形符号。

     

313  内部先导型减压阀

3  减压阀的应用 

3-14a所示回路同时输出高低压力P1P2。图3-14b所示是利用减压阀的高低压转换回路。

 

314 减压阀应用回路

4  减压阀的故障原因及处理

减压阀的故障原因及处理对策见表3-4

3-4  减压阀的故障原因及处理对策

5  定值器及故障排除

1)定值器

定值器是一种高精度的减压阀,主要用于压力定值。图3-15为定值器的工作原理图。它由三部分组成:一是直动式减压阀的主阀部分;二是恒压降装置,相当于一定差值减压阀,主要作用是使喷嘴得到稳定的气源流量;三是喷嘴挡板装置和调压部分,起调压和压力放大作用,利用被它放大了的气压去控制主阀部分。由于定值器具有调定、比较和放大的功能,因而稳压精度高。

                3-15 定值器

定值器处于非工作状态时,由气源输入的压缩空气进人A室和E室。主阀芯2在弹簧1和气源压力作用下压在截止阀座3上,使A室与B室断开。进人E室的气流经阀口(又称为活门7)进至F室,再通过节流孔5降压后,分别进人G室和D室。由于这时尚未对膜片12加力,挡板5与喷嘴4之间的间距较大,气体从喷嘴10流出时的气流阻力较小,C室及D室的气压较低,膜片84皆保持原始位置。进人H室的微量气体主要部分经B室通过溢流口从排气口排出;另有一部分从输出口排空。此时输出口输出压力近似为零,由喷嘴流出而排空的微量气体是维持喷嘴挡板装置工作所必须的,因其为无功耗气量,所以希望其耗气量越小越好。

定值器处于工作状态时,转动手柄14压下弹簧13并推动膜片12连同挡板11一同下移,挡板11与喷嘴10的间距缩小,气流阻力增加,使G室和D室的气压升高。膜片4D室气压的作用下下移,将溢流阀口关闭,并向下推动主阀芯2,打开阀口,压缩空气即经 B室和H室由输出口输出。与此同时,H室压力上升并反馈到膜片12上,当膜片12所受的反馈作用力与弹簧力平衡时,定值器便输出一定压力的气体。

当输入的压力发生波动,如压力上升,若活门、进气阀芯2的开度不变,则BFH室气压瞬时增高,使膜片12上移,导致挡板11与喷嘴10之间的间距加大,G室和D室的气压下降。由于B室压力增高,D室压力下降,膜片4在压差的作用下向上移动,使主阀口减小,输出压力下降,直到稳定在调定压力上。此外,在输入压力上升时,E室压力和F室瞬时压力也上升,膜片8在上下压差的作用下向上移,关小活门口7。由于节流作用加强,F室气压下降,始终保持节流孔5的前后压差恒定,故通过节流孔门的气体流量不变,使喷嘴挡板的灵敏度得到提高。

当输入压力降低时,B室和H室的压力瞬时下降,膜片12连同挡板11由于受力平衡破坏而下移,喷嘴10与挡板11间的间距减小,C室和D室压力上升,膜片84下移。膜片4的下移使主阀口开度加大,B室及H室气压回升,直到与调定压力平衡为止。而膜片8下移,开大活门口,F室气压上升,始终保持节流孔5前后压差恒定。

同理,当输出压力波动时,将与输入压力波动时得到同样的调节。

由于定值器利用输出压力的反馈作用和喷嘴挡板的放大作用控制主阀,使其能对较小的压力变化作出反应,从而使输出压力得到及时调节,保持出口压力基本稳定,定值稳压精度较高。

2)定值器常见故障及排除

定值器常见故障及排除方法见表3-5

3-5  定值器的常见故障及排除方法

        常见故障           

        原因及排除方法                                       

                            

  出口压力达不到调定值     

                                   

  1.阀杆与阀座配合不好,大量空气流人大气。校正阀杆与阀座的相对位置(重新安装或更换零件)                                   

  2.喷嘴与挡板的密封性不好。重新安装或更换有关零件          

  3.背压室OG漏气                                          

转动旅钮时没有出口压力   

  恒节流孔被阻塞。用通针通后吹净                             

  旋钮全部放松时,出口压力超过规定值                    

                           

  1.阀座与阀杆接触时,密封性不好。检查有关零件或更换        

  2.阀座与环室间密封不好                                    

  3.阀杆与阀座离开                                          

  4.恒节流孔前端锥面密封性不好。更换有关零件                

   压力特性不好              

  阀门密封不好                                               

3.2.3  溢流阀

1  溢流阀的原理 

溢流阀的作用是当气动系统的压力上升到调定值时,与大气相通以保持系统的压力的调定值。

3-18a所示为直动式溢流阀的结构原理,气压作用在膜片的力小于调压弹簧的预压力时,阀处于关闭状态。当气压力升高,作用于膜片上的气压力超过了弹簧的预压力,溢流阀开启排气,系统的压力降到调定压力以下时,阀门重新关闭。阀的开启压力大小靠调压弹簧的预压缩量来实现。图3-18b为图形符号。

3-19为气动控制先导式溢流阀的结构原理图。它是靠作用在膜片上的控制口气体的压力和进气口作用在截止阀口的压力进行比较来进行工作的。

2  溢流阀的应用 

如图3-20所示为一次压力控制回路,这种回路主要使贮气罐输出的压力稳定在一定的范围内。常用电触点压力表1控制,一旦罐内压力超过规定上限时,电触点压力表内的指针碰到上触点,即控制中间继电器断电,电动机停转,空气压缩机停止运转,压力不再上升。当贮气罐中压力下降到预定下限时,指针碰到下触点,使中间继电器通电,电机启动,向贮气罐供气。当电触点压力表或电路发生故障而失灵时,压缩机不能停止运转使贮气罐压力不断上升,在超过预定上限时,溢流阀就开启溢流,从而起安全保护作用。

 

 

                318  直动式溢流阀的结构原理

1  阀座  2阀芯 3膜片  4先导压力控制口

3-19  气动控制先导式溢流阀

320  一次压力控制回路

3  溢流阀故障及排除方法

    溢流阀的故障一般是阀内进入异物或密封件损伤,严重的故障主要是因回路和溢流阀不匹配以及元件本身的故障引起的。一般溢流阀的常见故障及排除方法见表3-6

3-6  溢流阀的故障及排除方法

        故障               

        原因                 

        排除方法

     压力虽超过调定溢流压力但不溢流                   

  1.阀内部的孔堵塞          

   2.阀的导向部分进入异物    

 

  清洗

   虽压力没有超过调定值,但在出口却溢流空气             

                           

  1.阀内进入异物            

  2.阀座损伤                

  3.调压弹簧失灵            

  1.清洗

  2.更换阀座

  3.更换调压弹簧

                            

  溢流时发生振动(主要发生在膜片式阀,其启闭压力差(PP)较小                                 

  1.压力上升速度很慢,溢流阀放出流量多,引起阀振动   

  2.因从气源到溢流阀之间被节流,溢流阀进口压力上升慢而引起振动                     

1出口侧安装针阀微调溢流量,使其与压力上升量匹配       

2.增大气源到溢流阀的管道口径,以消除节流                 

                               

   从阀体或阀盖向外漏气     

                           

  1.膜片破裂(膜片式)        

  2.密封件损伤              

  1.更换膜片

  2.更换密封件

3.2.4  顺序阀

1  单向顺序阀 

3-21所示为单向顺序阀的工作原理。当压缩空气由P口进入阀左腔4后,作用在活塞3上的力小于调压弹簧2上的力时,阀处于关闭状态。而当作用于活塞上的力大于弹簧力时,活塞被顶起,压缩空气经阀左腔4流入阀右腔5A口流出( 3-21 a), 顺序阀开启,此时单向阀关闭。当切换气源时(图3-21b),阀左腔4压力迅速下降,顺序阀关闭,此时阀右腔5压力高于阀左腔4压力,在气体压力差作用下,打开单向阀,压缩空气由阀右腔5经单向阀6流入阀左腔4向外排出。图3-21c为图形符号。

 

3-21 单向顺序阀的工作原理图

2  顺序阀的应用 

3-22所示为用顺序阀控制两个气缸顺序动作的回路。

    

322  顺序阀的应用回路

3.3  流量控制阀与速度控制回路及使用与维修

3.3.1 流量控制阀

流量控制阀是通过改变阀的通流截面积来实现流量控制的元件,它包括节流阀、单向节流阀和排气节流阀等。

排气节流阀只能安装在气动装置的排气口处,图3-23为排气节流阀的工作原理图,气流进入阀内,由节流口1节流后经消声套2排出,因而它不仅能调节执行元件的运动速度,还能起到降低排气噪声的作用。图3-24所示回路,把两个排气节流阀安装在二位五通电磁换向阀的排气口上,可控制活塞的往复运动速度。

  

323  排气节流阀的工作原理图

 

324  排气节流阀的应用

325为单向节流阀结构原理。其节流阀口为针型结构。气流从P口流入时,顶开单向密封阀芯1,气流从阀座6的周边槽口流向A,实现单向阀功能;当气流从A流入时,单向阀芯1受力向左运动紧抵截止阀口2,气流经过节流口流向P,实现反向节流功能。

325  单向节流阀

单向节流阀的故障原因及处理对策如表3-7所示。

3-7  单向节流阀的故障原因及处理对策

3.3.2速度控制回路

速度控制回路用来调节气缸的运动速度或实现气缸的缓冲等。气缸活塞的速度控制可以采用进气节流调速和排气节流调速。

1.单作用气缸的速度控制回路

3-26a为用两个单向节流阀来分别控制活塞往复运动的速度。图3-23b为用节流阀调节活塞的速度,活塞向左运动时,气缸左腔通过快速排气阀排气。

             

3-26  单作用气缸的速度控制回路

2.双作用气缸的速度控制回路

双作用气缸的调速回路如图3-27所示。

缓冲回路如图3-28所示。当活塞向右运动时,缸右腔的气体经行程阀及三位五通阀排出,当活塞运动到末端碰到行程阀时,气体经节流阀通过三位五通阀排出,活塞运动速度得到缓冲,此回路适合于活塞惯性力大的场合。

     

327  双作用气缸的调速回路     3-28  缓冲回路    

3-29所示为采用气液转换器的调速回路。此调速回路可实现快进、工进、快退等工况。

该回路利用气液转换器将气压变成液压,充分发挥了气动供气方便和液压速度容易控制的优点。

   

329  气液调速回路

3.4  其他常用气动回路

3.4.1  安全保护回路

1.互锁回路 

如图3-40所示,主控阀的换向将受三个串联机控三通阀的控制,只有三个机控三通阀都接通时,主控阀才能换向,活塞才能动作。

  

330 互锁回路

2   过载保护回路 

如图3-31所示,当活塞向右运行过程中遇到障碍或其他原因使气缸过载时,左腔内的压力将逐渐升高,当其超过预定值时,打开顺序阀3使换向阀4换向,阀12同时复位,气缸返回,保护设备安全。       

 

331 过载保护回路

3.双手同时操作回路

3-32所示双手操作回路,为使主控阀3换向,必须同时按下两个二位三通手动阀12。这两个阀必须安装在单手不能同时操作的位置上,在操作时,如任何一只手离开时则信号消失,主控阀复位,则活塞杆后退。

         

332 双手操作回路

3.4.2  往复动作回路

如图3-33所示为三种往复动作回路,图3-30a为行程阀控制的单往复回路,按下手动换向阀1后,压缩空气使阀3换向,活塞杆向右伸出,当活塞杆上的挡铁碰到行程阀2时,阀3复位,活塞杆返回。图3-33b是压力控制的往复动作回路,当按下阀1的手动按钮后,阀3右移,气缸无杆腔进气使活塞杆伸出,同时气压还作用在顺序阀4上。当活塞到达终点后,无杆腔压力升高并打开顺序阀,使阀3又切换至右位,活塞杆就缩回。图3-33c是利用延时回路形成的时间控制往复动作回路。当按下行程阀2后,延时一段时间后,阀3才能换向,活塞杆再缩回。

3-33  往复动作回路

3.4.3  延时回路

如图3-34所示为延时回路。图3-34a为延时输出回路,当控制信号切换阀4后,压缩空气经单向节流阀3向气罐2充气。当充气压力经过延时升高致使阀1换位时,阀1就有输出。图3-34b为延时接通回路,按下阀8,则活塞向外伸出,当活塞在伸出行程中压下阀5后,压缩空气经节流阀到气罐6,延时后才将阀7切换,活塞退回。

 

3-34  延时回路

3.5  气动逻辑控制阀

3.5.1 逻辑控制概述

任何一个实际的控制问题都可以用逻辑关系来进行描述。从逻辑角度看,事物都可以表示为两个对立的状态,这两个对立的状态又可以用两个数字符号“l”“0”来表示。它们之间的逻辑关系遵循布尔代数的二进制逻辑运算法则。

同样任何一个气动控制系统及执行机构的动作和状态,亦可设定为“1”“0”。例如将气缸前进设定为“l”,后退设定为“0”;管道有压设定为“1”,无压设定为“0”;元件有输出信号设定为“1”,无输出信号设定为“0”等。这样,一个具体的气动系统可以用若干个逻辑函数式来表达。由于逻辑函数式的运算是有规律的,对这些逻辑函数式进行运算和求解,可使问题变得明了、易解,从而可获得最简单的或最佳的系统。

总之,逻辑控制即是将具有不同逻辑功能的元件,按不同的逻辑关系组配,实现输入、输出口状态的变换。气动逻辑控制系统,遵循布尔代数的运算规则,其设计方法已趋于成熟和规范化,然而元件的结构原理发展变化较大,自20世纪60年代以来已经历了三代更新。第一代为滑阀式元件,可动部件是滑柱,在阀孔内移动,利用了空气轴承的原理,反应速度快,但要求很高的制造精度;第二代为注塑型元件,可动件为橡胶塑料膜片,结构简单,成本低,适于大批量生产;第三代为集成化组合式元件,综合利用了电、磁的功能,便于组成通用程序回路或者与可编程序控制器(PLC)匹配组成气——电混合控制系统。

气动逻辑元件是用压缩空气为介质,通过元件的可动部件(如膜片、阀心)在气控信号作用下动作,改变气流方向以实现一定逻辑功能的气体控制元件。实际上气动方向控制阀也具有逻辑元件的各种功能,所不同的是它的输出功率较大,尺寸大。而气动逻辑元件的尺寸较小,因此在气动控制系统中广泛采用各种形式的气动逻辑元件(逻辑阀)。

3.5.2 气动逻辑元件的分类

气动逻辑元件的种类很多,可根据不同特性进行分类。

1  按工作压力

高压型,工作压力:0.20.8MPa

低压型,工作压力:0.050.2MPa

微压型,工作压力:0.0050.05MPa

2  按结构型式

元件的结构总是由开关部分和控制部分组成。开关部分是在控制气压信号作用下来回动作,改变气流通路,完成逻辑功能。根据组成原理,气动逻辑元件的结构型式可分为三类:

截止式:气路的通断依靠可动件的端面(平面或锥面)与气嘴构成的气口的开启或关闭来实现。

滑柱式(滑块型):依靠滑柱(或滑块)的移动,实现气口的开启或关闭。

膜片式:气路的通断依靠弹性膜片的变形开启或关闭气口。

3  按逻辑功能

对二进制逻辑功能的元件,可按逻辑功能的性质分为两大类。

单功能元件:每个元件只具备一种逻辑功能,如或、非、与、双稳等。

多功能元件:每个元件具有多种逻辑功能,各种逻辑功能由不同的连接方式获得。如三膜片多功能气动逻辑元件等。

3.5.3 主要逻辑元件

1 高压截止式逻辑元件

高压截止式逻辑元件是依靠控制气压信号推动阀心或通过膜片的变形推动阀芯动作,改变气流的流动方向以实现一定逻辑功能的逻辑元件。气压逻辑系统中广泛采用高压截止式逻辑元件。它具有行程小、流量大、工作压力高、对气源压力净化要求低,便于实现集成安装和实现集中控制控制等,其拆卸也方便。

1)或门元件

3-35所示为或门元件的结构原理。AB为元件的信号输入口,S为信号的输出口。气流的流通关系是:AB口任意一个有信号或同时有信号,则S口有信号输出;逻辑关系式:

3-35  气动或门元件

1下阀座  2阀芯  3上阀座

2)是门和与门元件

3-36为是门和与门元件的结构原理。在A口接信号,S为输出口,中间孔接气源P情况下,元件为是门。在A口没有信号的情况下,由于弹簧力的作用,阀口处在关闭状态;当A口接入控制信号后,气流的压力作用在膜片上,压下阀芯导通PS通道,S有输出。指示活塞8可以显示S有无输出;手动按钮7用于手动发讯。元件的逻辑关系为:  

若中间孔不接气源P而接信号B,则元件为与门。也就是说,只有AB同时有信号时S口才有输出。逻辑关系式:  

3-36  气动是门和与门元件

1弹簧  2下密封阀芯  3下截止阀座  4上截止阀座  5上密封阀芯  6膜片  7手动按钮  8指示活塞

3)非门和禁门元件

非门和禁门元件的结构原理如图3-37

P口接气源,A口接信号,S为输出口情况下元件为非门。在A口没有信号的情况下,气源压力P将阀心推离截止阀座1S有信号输出;当A口有信号时,信号压力通过膜片把阀芯压在截止阀座1上,关断PS通路,这时S 没有信号。其逻辑关系式:  

若中间孔不接气源P而接信号B,则元件为禁门。也就是说,在AB同时有信号时,由于作用面积的关系,阀芯紧抵下截止阀口1S口没有输出。在A口无信号而B口有信号时,S有输出。A信号对B信号起禁止作用,逻辑关系式:  

3-37  气动非门和禁门元件

 1下截止阀座  2 密封阀芯  3上截止阀座  4阀芯  5膜片  6手动按钮  7指示活塞

4)或非元件

如图3-38,或非元件是在非门元件的基础上增加了两个输入端,即具有ABC三个信号输入端。在三个输入端都没有信号时,PS导通,S有输出信号。当存在任何一个输入信号时,元件都没有输出。元件的逻辑关系式:  

338  气动或非元件

1下截止阀座2 密封阀芯  3上截止阀座  4膜片  5阀柱

或非元件是一种多功能逻辑元件,可以实现是门、或门、与门、非门或记忆等逻辑功能,如表3-8所示。

3-8 或非元件组合可实现的逻辑功能。

 

 

 

 

 

5)双稳元件

双稳元件属于记忆型元件,在逻辑线路中具有重要的作用。图3—39所示为双稳元件的工作原理。

A有信号输入时,阀芯移动到右端极限位置,由于滑块的分隔作用,P口的压缩空气通过S1输出,S2与排气口T相通;在A信号消失后B信号到来前,阀芯保持在右端位置,S1总有输出;当B有信号输入时,阀芯移动到左端极限位置,P口的压缩空气通过S2输出,S1与排气口T相通;在B信号消失后A信号到来前,阀芯保持在右端位置,S2总有输出;这里,两个输入信号不能同时存在。元件的逻辑关系式为:

3—39  双稳元件

1滑块  2阀芯  3手动按钮  4密封圈

2 高压膜片式逻辑元件

高压膜片式逻辑元件是利用膜片式阀芯的变形来实现其逻辑功能的。最基本的单元是三门元件和四门元件。

1)三门元件

3—40所示为三门元件的工作原理。它由上、下气室及膜片组成,下气室有输入口A和输出口S,上气室有一个输入口B,膜片将上、下两个气室隔开。因为元件共有三个口,所以称为三门元件。A口接气源(输入),S口为输出口,B口接控制信号。若B口无控制信号,则A口输入的气流顶开膜片从S口输出,如3—40b;如S口接大气,若A 口和B口输入相等的压力,由于膜片两边作用面积不同,受力不等,S口通道被封闭,AS气路不通,3—40c。若S口封闭,AB口通入相等的压力信号,膜片受力平衡,无输出,如图3—40d所示。但在S口接负载时,三门的关断是有条件的,即S口降压或B口升压才能保证可靠地关断。利用这个压力差作用的原理,关闭或开启元件的通道,可组成各种逻辑元件。其图形符号如3—40e

3—40 三门元件

1截止阀口  2膜片

2)四门元件

四门元件的工作原理如3—41所示。膜片将元件分成上、下两个气室,下气室有输入口A和输出口B,上气室有输入口C和输出口D,因为共有四个口,所以称之为四门元件。四门元件是一个压力比较元件。就是说膜片两侧都有压力且压力不相等时,压力小的一侧通道被断开,压力高的一侧通道被导通;若膜片两侧气压相等,则要看那一通道的气流先到达气室.先到者通过,迟到者不能通过。

AC口同时接气源,B口通大气,D口封闭时,则D口有气无流量,B口关闭无输出,如图13.30b;此时若封闭B口,情况与上述状态相同,如图13.30c此时放开D,则CD气体流动,放空,下气室压力很小,膜片上气室气体由A输入,为气源压力,膜片下移,关闭D口,则D无气,B有气但无流量,如图13.0d;同理,此时再将D封闭,元件仍保持这一状态。

根据上述三门和四门这两个基本元件,就可构成逻辑回路中常用的或门、与门、非门、记忆元件等。

3—40  门元件

1下截止阀口  2膜片 3上截止阀口

3 逻辑元件的选用

气动逻辑控制系统所用气源的压力变化必须保障逻辑元件正常工作需要的气压范围和输出端切换时所需的切换压力,逻辑元件的输出流量和响应时间等在设计系统时可根据系统要求参照有关资料选取。

无论采用截止式或膜片式高压逻辑元件,都要尽量将元件集中布置,以便于集中管理。

由于信号的传输有一定的延时,信号的发出点(例如行程开关)与接收点(例如元件)之间,不能相距太远。一般说来,最好不要超过几十米。

当逻辑元件要相互串联时定要有足够的流量,否则可能无力推动下一级元件。

另外,尽管高压逻辑元件对气源过滤要求不高.但最好使用过滤后的气源,一定不要使加入油雾的气源进人逻辑元件。

3.6  阀岛及应用

阀岛一词来自德语,英文名为“Valve Terminal”。德国FESTO公司发明并最先应用。阀岛是由多个电控阀构成,它集成了信号输入/输出及信号的控制,犹如一个控制岛屿。

3.6.1  阀岛

1  阀岛的特点与结构

阀岛技术和现场总线技术相结合,不仅确保了电控阀的布线容易,而且也大大地简化了复杂系统的调试、性能的检测和诊断及维护工作。借助现场总线高水平一体化的信息系统,使两者的优势得到充分发挥,具有广泛的应用前景。

3-42所示为阀岛系统的结构。

3-42  阀岛系统的结构

2  阀岛的类型

阀岛是新一代气电一体化控制元器件,已从最初带多针接口的阀岛发展为带现场总线的阀岛,继而出现可编程阀岛及模块式阀岛。

1)带多针接口的阀岛

可编程控制器的输出控制信号、输入信号均通过一根带多针插头的多股电缆与阀岛相连,而由传感器输出的信号则通过电缆连接到阀岛的电信号输入口上。因此,可编程控制器与电控阀、传感器输入信号之间的接口简化为只有一个多针插头和一根多股电缆。与传统方式实现的控制系统比较可知,采用多针接口阀岛后系统不再需要接线盒。同时,所有电信号的处理、保护功能(如极性保护、光电隔离、防水等)都已在阀岛上实现。

2)带现场总线的阀岛

使用多针接口型阀岛使设备的接口大为简化,但用户还必须根据设计要求自行将可编程控制器的输入/输出口与来自阀岛的电缆进行连接,而且该电缆随着控制回路的复杂化而加粗,随着阀岛与可编程控制器间的距离增大而加长。为克服这一缺点,出现了新一代阀岛——带现场总线的阀岛。

现场总线(Field bus)的实质是通过电信号传输方式,并以一定的数据格式实现控制系统中信号的双向传输。两个采用现场总线进行信息交换的对象之间只需一根两股或四股的电缆连接。特点是以一对电缆之间的电位差方式传输的。    

在带现场总线的阀岛系统中,每个阀岛都带有一个总线输入口和总线输出口。这样当系统中有多个带现场总线阀岛或其它带现场总线设备时可以由近至远串联连接。现提供的现场总线阀岛装备了目前市场上所有开放式数据格式约定及主要可编程控制器厂家自定的数据格式约定。这样,带现场总线阀岛就能与各种型号的可编程控制器直接相连接,或者通过总线转换器进行阀接连接。

故障诊断是工业现场总线的另一大优势,所有联入总线的设备的状态都可以清楚地反应在系统内, 一旦出现故障, 工程师可以及时地发现故障的位置,缩短维修检测时间,提高系统的安全性。总线阀岛具有超强的诊断功能, 一目了然的LED状态指示灯,通过不同颜色与闪烁频率的搭配, 提供了从电源故障到通讯地址匹配等一系列的故障提示,立刻诊断出节点(Node)位置所在;根据协议的不同,有些甚至可以将故障点确认精确至单独的电磁阀或传感器上,可将平均排故时间缩短80 以上。

带现场总线阀岛的出现标志着气电一体化技术的发展进人一个新的阶段,为气动自动化系统的网络化、模块化提供了有效的技术手段,因此近年来发展迅速。

3)可编程阀岛

鉴于模块式生产成为目前发展趋势,同时注意到单个模块以及许多简单的自动装置往往只有十个以下的执行机构,于是出现了一种集电控阀、可编程控制器以及现场总线为一体的可编程阀岛,即将可编程控制器集成在阀岛上。

所谓模块式生产是将整台设备分为几个基本的功能模块,每一基本模块与前、后模块间按一定的规律有机地结合。模块化设备的优点是可以根据加工对象的特点,选用相应的基本模块组成整机。这不仅缩短了设备制造周期,而且可以实现一种模块多次使用,节省了设备投资。可编程阀岛在这类设备中广泛应用,每一个基本模块装用一套可编程阀岛。这样,使用时可以离线同时对多台模块进行可编程控制器用户程序的设计和调试。这不仅缩短了整机 调试时间,而且当设备出现故障时可以通过调试出故障的模块,使停机维修时间最短。

4)模块式阀岛

在阀岛设计中引人了模块化的设计思想,这类阀岛的基本结构是: 

l)控制模块位于阀岛中央。控制模块有三种基本方式:多针接口型、现场总线型和可编程型。

2)各种尺寸、功能的电磁阀位于阀岛右侧,每2个或1个阀装在带有统一气路、电路接口的阀座上。阀座的次序可以自由确定,其个数也可以增减。

3)各种电信号的输入/输出模块位于阀岛左侧,提供完整的电信号输入/输出模块产品。

3.6.2  阀岛在卷烟机械中应用实例

卷烟机械是机械行业中比较特殊的一种设备。它由滤嘴、卷接、包装、装盘、大流量输出等设备组合起来,涉及机、电、气、液、光、核等专业,结构复杂,系统环节多,要求协调性比较强。

卷烟机械最近几年发展很快,设备趋向高速化、自动化、一体化。一是卷接、包装速度越来越快,已经达到每分钟1万支以上。二是对卷烟的品质要求越来越高。这就要求卷烟设备要用新技术不断改进完善。

某公司在引进英国、德国先进卷接机组的同时,也采用新技术不断改进完善现有机组。其中气动系统在卷烟机械中使用较多,它控制吸附烟丝、传递烟支,剔除残烟等动作。气动系统由各种功能阀、气压表、传感器、管线等组成,工作点分散,结构杂乱,安装、维修很不方便,影响了机组性能的正常发挥。为此,利用阀岛技术对引进德国的PROTOS70卷接机组气动系统进行了改进设计。

3—43、图3—44所示是利用阀岛技术改进的PROTOS70卷接机组主要气动系统结构图。系统共使用了四组阀岛,集成安装了多个单一功能的气动阀,优化了安装结构,使检测、维修更加方便。公司各类卷接机组应用了阀岛技术,反映良好。

       3—43  卷烟机气动系统

        3—44  接装机气动系统

3.7  气动控制阀的选用

正确选择控制阀是设计、应用气动系统统的重要环节,选择合理就能够使线路简化,减少控制阀的品种和数量,降低压缩空气的消耗量,降低成本并提高系统的可靠性。

在选择气动阀时,首先要考虑阀的技术规格能否满足使用环境的要求。如气源工作压力范围,电源条件(交、直流及电压等)介质温度,环境温度、湿度、粉尘等情况。

考虑阀的机能和功能是否满足需要。尽量选择机能一致的阀。

根据流量来选择通径。分清是主阀还是控制用先导阀。主阀必须根据执行元件的流量来选择通径;先导阀(信号阀)则应该根据所控制阀的远近、数量和要求动作的时间来选择通径。

根据使用条件、使用要求来选择阀的结构型式。如果要求严格密封,一般选择软质密封阀;如果要求换向力小,有记忆性能,应选择滑阀;如气源过滤条件差,采用截止式阀为好。

安装方式的选择。从安装维护方面考虑板式连接较好,特别是对于集中控制的自动、半自动空置系统优越性更突出。

阀的种类选择。在设计控制系统时,应尽量减少阀的种类,避免采用专用阀,选择标准化系列阀,以利于专业化生产、降低成本和便于维修使用。

调压阀的选用要根据使用要求选定类型和调压精度,根据最大输出流量选择其通径。减压阀一般安装在分水滤气器之后,油雾气或定值器之前;进出口不能接反;阀不用时应该把旋钮防松,防止膜片经常受压变型而影响性能。

安全阀的选择应根据使用要求选定类型,根据最大输出流量选择其通径。

选用气动流量阀对气动执行元件进行调速,比液压流量阀调速要困难,因为气体具有压缩性。选择气动流量控制阀要注意以下几点:管道上不能有漏气现象;气缸、活塞间的润滑状态要好;流量控制阀尽量安装在气缸或气马达附近;尽可能采用出口节流调速方式;外加负载应定。



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