气动系统的基本知识

作者： 春华秋实，公众号：工控实践课

气缸是一种机械装置，它利用压缩空气的能量以线性方式产生力和运动。气缸必须配合电磁阀、气管、气管接头、调压阀、空压机等组成气动系统才能正常工作。本文叙述一下气动系统的基本知识和用法，希望对需要的朋友一些帮助。

1气缸

气缸可分为多种类型。有活塞杆气缸、无杆气缸、回转气缸、串联和多位置气缸、夹紧气缸等。气缸中较为常见和众所周知的是带有活塞杆的气缸。两种较为常见的带有活塞杆的气缸是单作用气缸 (SAC) 和双作用气缸 (DAC)。

单作用气缸在活塞的一侧可以进气放气,另一侧靠弹簧复位。单作用气缸一般长下面这个样子:

双作用气缸在活塞的两个各有一个进气排气口，可以实现两个方向的推动，双作用气缸一般长这样：

回转气缸可以输出一定角度范围的回转运动，原理图如下所示。当气体从2进从4出时，气缸两端的活塞呈远离运动，通过齿轮齿条带动输出件逆时针旋转。当气体从4进从2出时，气缸两端的活塞呈靠近运动，通过齿轮齿条带动输出件顺时针旋转。

选择气缸时首先根据功能要求选择气缸的类型，然后根据载荷情况选择缸径，然后选择气缸行程。同时要兼顾结构空间，既要保证气缸力量足够，又要保证结构紧凑合理。

气缸的缸径指的就是内径。一般来说气源的压力为6bar左右也就是0.6Mpa，那么气缸的出力为6Kg/cm^2^，假如需要气缸出力为100Kg，气缸内径的计算公式如下：

D=（100/（6*3.14））^1/2^= 2.3（cm）

考虑安全系数1.0-1.3 ,实际的缸径为3cm,即30mm。

行程需要根据使用的场合和机构操作空间进行选择，但一般不选用满行程，防止活塞和缸盖相碰。如用于夹紧机构等，应按计算所需的行程增加10~20mm的余量。

2 电磁阀

无论什么气缸，都需要靠电磁阀来控制。电磁阀有很多种类型，有直动式电磁阀、分步直动式电磁阀、先导式电磁阀。直动式电磁阀：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。分步直动式电磁阀是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点：在零压差或真空、高压时亦能可动作，但功率较大，要求必须水平安装。先导式电磁阀通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点：流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。

一般应用时要关注它是几通几位，几位指电磁阀有几种状态,几通指电磁阀上有几个通气孔。单作用气缸一般使用两位三通阀，电磁阀符号（常开和常闭）如下：

双作用气缸一般使用两位五通阀或者三位五通阀，两者的区别是两位五通阀无法使气缸停在中间位置，而三位五通阀却可以。

两位五通单电控 两位五通双电控

单电控是指只有一个电磁线圈，通过线圈的通和断来切换电磁阀的位；双电控有两个电磁线圈，给正动作线圈通电（正动作出气孔有气），则正动作气路接通即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给反动作线圈通电为止。给反动作线圈通电的原理相同。

三位五通电磁阀有三种形式：

三位五通中封 三位五通中泄 三位五通中压

中封：在两个线圈都不给电的情况下，气缸前腔和后腔的压力保持在最后一个线圈失电后的状态不变，进气口关闭；中卸：在两个线圈都不给电的情况下，气缸前腔和后腔都无压力，进气口关闭，气缸前后腔内的压力分布经电磁阀两个排气口排出；中压：在两个线圈都不给电的情况下，气缸前腔和后腔保持在最后一个线圈失电后的状态不变，并持续给压，使气缸前后腔内的压力与进气端压力一致，进气口打开，排气口关闭。中封用于保压回路，中压用于调压回路，中卸用于卸载回路。

电磁阀规格要根据气缸所需要的最大耗气量来确定，气缸最大耗气量是气缸以最大速度运动时所需要的空气流量，可以表示成：

Q=0.046D²v（p+0.1）

例如：缸径D为10cm，最大速度为300mm/s，使用压力为0.6Mpa，则气缸的最大耗气量为：

Q=0.046D²v（p+0.1）=0.046×10^2^×300×（0.6+0.1）=966（L/min）,因此选用CV值为1.0或有效截面积为18mm左右的电磁阀即可满足流量要求。Cv值：阀门的流通能力单位为 m^3^/h。有效面积S值与C值之关系：S=18.0×10^-6^Cv（m^2^）=18×Cv（mm^2^）。

非官方经验：最大耗气量=缸径（cm计）平方乘以系数10（此时使用压力为0.6MPa，最大速度为300mm/s

3 空压机

气动系统需要压缩空气才能运行，空压机即空气压缩机是产生压缩空气的机器。空压机的种类很多，常用的有往复式、回转式、螺杆式等。往复式和螺杆式都需要配合储气罐使用。当用气量不大时，使用空压机自带的储气管，如果用气量比较大时需要另配专门的储气管。按照排气压力、容积和功率可以将压缩机分成如下几类：

一般的工业设备使用的都是低压压缩机。空压机的压力也可以根据系统的负载情况进行计算，气缸的输出力、缸径和系统压力之间的关系如下：

气缸内径底面积×系统压力＝输出力-----N。

例如：缸径40，系统压力0.5MPA。

20×20×π×0.5＝628N。

气缸活塞杆上的推力F1=π/4×D^2^×P×ß（N）。

气缸活塞杆上的拉力F2=π/4×（D^2^-d^2^）×P×ß（N）。

F1：活塞杆推出时的推力。

F2：活塞杆拉回时的拉力。

D：气缸管内径（活塞直径）。

d：活塞杆直径。

P：气源压力。

ß：负载率（慢速时ß=65%左右 快速时ß=30%左右）。

根据负载情况计算出系统中气缸需要的最大的系统压力，加上1-2bar的余量，再选择空压机的压力。（空气压力单位为：Mpa或bar，1Mpa=10bar；通常也把压力单位称为：Kg（公斤）1bar=1Kg）。

容积流量通常称为排气量，单位为：m^3^/min (立方/分钟)或L/min（升/分钟），1m^3^(立方)=1000L（升）。应先了解所有的用气设备的用气量，如果是气缸，要计算气缸的平均耗气量，然后将所有用气设备耗气量相加得到设备的总用气量，一般建议是空压机的排气量需要比用气设备的总用气量大1/4，这样有利于过载和日常工作中额外的吹尘使用。

单个气缸的平均耗气量是气缸在气动系统的一个工作循环周期内所消耗的空气流量。可以表示为：

Qca=0.0157(D^2^×L+d^2^×ld)×N×(p+0.102)

式中：Qca:气缸的平均耗气量，L/min（ANR）;

N：气缸的平均频率，即每分钟内气缸的往复周数，一个往复为一周，周/min；

L：气缸的行程,cm；

d:换向阀与气缸之间的配管的内径,cm；

ld:配管的长度,cm。

例如，缸径为100mm(10cm)、行程L为100mm（10cm）的气缸，动作频率N为60周/min，d=10mm（1cm）,ld=60mm(6cm)，

Qca=0.0157(D^2^×L+d^2^×ld)×N×(p+0.102)=0.0157×(10^2^×10+1^2^×6) ×60×(0.6+0.102)=666.5L/min（ANR）

4 其他部件

除了气缸、电磁阀、空压机之外，气动系统还包括气管、气管接头、节流阀接头、调压阀、消音器、消音器、过滤器、冷干机、储气管、气缸磁性传感器等。

根据用气量选择气源的形式，如果是一个较大的设备或者是车间的气源一般要建设专用的压缩空气站，压缩空气站一般如下图所示。

如果是较小的设备，用气量不大的情况下可以直接使用一台储气式空压机。借用从网上down的一个简单的气动系统图: