氣動系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容及設(shè)計程序
3.1 明確工作要求
1）運動和操作力的要求 如主機的動作順序、動作時間、運動速度及其可調(diào)范圍、運動的平穩(wěn)性、定位精度、操作力及聯(lián)鎖和自動化程序等。
2）工作環(huán)境條件如溫度、防塵、防爆、防腐蝕要求及工作場地的空間等情況必須調(diào)查清楚。
3）和機、電、液控制相配合的情況，及對氣動系統(tǒng)的要求。
3.2 設(shè)計氣控回路
1）列出氣動執(zhí)行元件的工作程序圖。
2）畫信號動作狀態(tài)線圖或卡諾圖、擴大卡諾圖，也可直接寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式。
3）畫邏輯原理圖。
4）畫回路原理圖。
5）為得到佳的氣控回路，設(shè)計時可根據(jù)邏輯原理圖，做出幾種方案進行比較，如對氣控制、電-氣控制、邏輯元件等控制方案進行合理的選定。
3.3 選擇、設(shè)計執(zhí)行元件
其中包括確定氣缸或氣馬達(dá)的類型、氣缸的安裝形式及氣缸的具體結(jié)構(gòu)尺寸（如缸徑、活塞桿直徑、缸壁厚）和行程長度、密封形式、耗氣量等。設(shè)計中要優(yōu)先考慮選用標(biāo)準(zhǔn)缸的參數(shù)。
3.4 選擇控制元件
1）確定控制元件類型，要根據(jù)表42.6-13進行比較而定。 表42.6-13 幾種氣控元件選用比較表
 | 電磁氣閥控制 | 氣控氣閥控制 | 氣控邏輯元件控制 |
| **可靠性 | 較好（交流的易燒線圈） | 較好 | 較好 |
| 惡劣環(huán)境適應(yīng)性（易燃、易爆、潮濕等） | 較差 | 較好 | 較好 |
| 氣源凈化要求 | 一般 | 一般 | 一般 |
| 遠(yuǎn)距離控制性，速度傳遞 | 好，快 | 一般，＞0幾毫秒 | 一般，幾毫秒～0幾毫秒 |
| 控制元件體積 | 一般 | 大 | 較小 |
| 元件無功耗氣量 | 很小 | 很小 | 小 |
| 元件帶負(fù)載能力 | 高 | 高 | 較高 |
| 價格 | 稍貴 | 一般 | 便宜 |
3.5 選擇氣動輔件
1）分水濾氣器其類型主要根據(jù)過濾精度要求而定。一般氣動回路、截止閥及操縱氣缸等要求過濾精度≤50～75μm，操縱氣馬達(dá)等有相對運動的情況取過濾精度≤25μm，氣控硬配滑閥、射流元件、精密檢測的氣控回路要求過濾精度≤10μm。
分水濾氣器的通徑原則上由流量確定（查表42.6-14），并要和減壓閥相同。
2）油霧器根據(jù)油霧顆徑大小和流量來選取。當(dāng)與減壓閥、分水濾氣器串聯(lián)使用時，三者通徑要相一致。表42.6-14 標(biāo)準(zhǔn)控制閥各通徑對應(yīng)的額定流量
①| 公稱通徑/mm | 3 | Ф6 | Ф8 | Ф10 | Ф15 | Ф20 | Ф25 | Ф32 | Ф40 | Ф50 |
| q10-3/m3·s-1 | 0.1944 | 0.6944 | 1.3889 | 1.9444 | 2.7778 | 5.5555 | 8.3333 | 13.889 | 19.444 | 27.778 |
| q/m3·h-1 | 0.7 | 2.5 | 5 | 7 | 10 | 20 | 30 | 50 | 70 | 100 |
| q/L·min-1 | 11.66 | 41.67 | 83.34 | 116.67 | 166.68 | 213.36 | 500 | 833.4 | 1166.7 | 1666.8 |
3）消聲器可根據(jù)工作場合選用不同形式的消聲器，其通徑大小根據(jù)通過的流量而定，可查有關(guān)手冊。
4）儲氣罐其理論容積可按《氣壓傳動及控制》教材中介紹的經(jīng)驗公式計算，具體結(jié)構(gòu)、尺寸可查《壓縮空氣站設(shè)計手冊》。
3.6 確定管道直徑、計算壓力損失
1）各段管道的直徑可根據(jù)滿足該段流量的要求，同時考慮和前邊確定的控制元件通徑相一致的原則初步確定。初步確定管徑后，要在驗算壓力損失后選定管徑。
2)壓力損失的驗算為使執(zhí)行元件正常工作，氣流通過各種元件、輔件到執(zhí)行元件的總壓力損失，必須滿足下式
式中
——總壓力損失，它包括所有的沿程損失
和所有的局部損失；
[
]——允許壓力損失可根據(jù)供氣情況來定，一般流水線范圍約＜0.01MPa，車間范圍＜0.05MPa，工廠范圍＜0.1MPa。驗算時，車間內(nèi)可近似取[
]≤0.01～0.1MPa實際計算總壓力損失，如系統(tǒng)管道不特別長（一般l＜100m)。管內(nèi)的粗糙度不大，在經(jīng)濟流速的條件下，沿程損失
比局部損失
小得多，則沿程損失
可以不單獨計入，只須將總壓力損失值的**系數(shù)K
△p稍予加大就行了。局部損失
中包含的流經(jīng)彎頭、斷面突然放大、收縮等的損失
，往往又比氣流通過氣動元件、輔件的壓力損失
小得多。因此對不做嚴(yán)格計算的系統(tǒng)，式（42.6-5）可簡化為
式中
——流經(jīng)元、輔件的總壓力損失可通過表42.6-15查出；K
△p——壓力損失簡化修正系數(shù)，K
△p=1.05～1.3，對于管道較長，管道截面變化較復(fù)雜的情況可取大值。如果驗算的總壓力損失
≤[
]，則上邊初步選定的管徑可定為所需要的管徑。如果總壓力損失
＞[
]，必須加大管徑或改進管道的布置，以降低總壓力損失，直到
＜[
]為止，初選的管徑即為后確定的管徑。
表42.6-15通過氣動元、輔件的壓力損失 |  | （MPa） |
| 元件名稱 | 公稱通徑/mm |
| φ3 | φ6 | φ8 | φ0 | φ5 | φ20 | φ25 | φ32 | φ40 | φ50 |
| 額定流量下壓力損失≤ |
| 方向閥 | 換向閥 | 截止閥 | 0.025 | 0.022 | 0.015 | 0.01 | 0.009 |
| 滑閥 | 0.025 | 0.022 | 0.015 | 0.01 | 0.009 | |
| 單向型控制閥 | 單向閥、梭閥、雙壓閥 | 0.025 | 0.022 | 0.02 | 0.015 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | 0.008 |
| 快排閥→A | | 0.022 | 0.02 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | 0.008 |
| 脈沖閥、延時閥 | 0.025 | |
| 流量閥 | 節(jié)流閥 | 0.025 | 0.022 | 0.02 | 0.015 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | 0.008 |
| 單向節(jié)流閥P→A | 0.025 | 0.02 |
| 消聲節(jié)流閥 | | 0.02 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | |
| 壓力閥 | 單向壓力順序閥 | 0.025 | 0.022 | 0.02 | 0.015 | 0.012 | | |
| 輔件 | 分水濾氣器過濾精度
/μm | 25 | | 0.015 | 0.025 | |
| 75 | 0.01 | 0.02 | |
| 油霧器 | | 0.015 | |
| 消聲器 | 0.022 | 0.02 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | 0.008 | 0.007 |
| | | | | | | | | | | | | | |
3.7 選擇空壓機
3.7.1 計算空壓機的供氣量Qj，以選擇空壓機的額定排氣量
Qj可由下式算得 式中 ψ——利用系數(shù)；
K1——漏損系數(shù)，K1=1.15～1.5；
K2——備用系數(shù)，K2=1.3～1.6；
QZ——一臺設(shè)備在一個周期內(nèi)的平均用氣量（自由空氣量）m3/s；
n——用氣設(shè)備臺數(shù)。
3.7.2 計算空壓機的供氣壓力pg，以選擇空壓機的排氣壓力 pg=p+ΣΔp
式中 p——用氣設(shè)備使用的額定壓力（表壓）（MPa）；
ΣΔp——氣動系統(tǒng)的總壓力損失。
例10設(shè)計某廠鼓風(fēng)爐鐘罩式加料裝置氣動系統(tǒng)。
加料機構(gòu)如圖42.6-29所示。圖42.6-29a中，ZA、ZB分別為鼓風(fēng)爐上、下部兩個料鐘（頂料鐘、底料鐘），WA、WB分別為頂、底料鐘的配重，料鐘平時均處于關(guān)閉狀態(tài)。圖中A與B分別為操縱頂、底兩個料鐘開、閉的氣缸。
圖42.6-29 鼓風(fēng)爐加料裝置氣動機構(gòu)示意圖
a）剖視圖；b）外形示意圖解：
（1）工作要求及環(huán)境條件
1）工作要求具有自動與手動加料兩種方式。自動加料：加料時，吊車把物料運來，頂鐘ZA開啟卸料于兩鐘之間；然后延時發(fā)信號，使頂鐘關(guān)閉；底鐘打開，卸料到爐內(nèi)，再延時（卸完料）關(guān)閉底鐘，循環(huán)結(jié)束。
頂、底料鐘開閉動作必須聯(lián)鎖，可全部關(guān)閉但不許同時打開。
2）運動要求料鐘開或閉一次的時間t2≤6s，缸行程s均為600mm。所以氣缸活塞桿平均速度
3）動力要求頂部料鐘的操作力（打開料鐘的氣缸推力）為FZA≥5.10kN；底部料鐘開啟作用力為FZB≥24kN。
4）工作環(huán)境環(huán)境溫度30～40℃，灰塵較多。
（2）回路設(shè)計
1）列出氣動執(zhí)行元件的工作程序
2）畫信號動作狀態(tài)線圖（圖42.6-30）
3）畫邏輯原理圖（圖42.6-31）
4）畫回路原理圖（圖42.6-32）
回路圖中YA1和YA2為延時換向閥（常斷延時通型），由該閥延時經(jīng)主控閥QFA、QFB放大去控制缸A1和缸B0狀態(tài)。料鐘的關(guān)閉靠自重。
（3）選擇執(zhí)行元件
1）確定執(zhí)行元件類型根據(jù)料鐘開閉（升降）行程較小，爐體結(jié)構(gòu)限制（料鐘中心線上下方不宜安裝氣缸）及**性要求（機械支力有故障時，兩料鐘處于封閉狀態(tài)），故采用重力封閉方案，如圖42.6-9所示。同時，在爐體外部配上使料鐘開啟（即配重抬起）的傳動裝置，由于行程小，故采用擺塊機構(gòu)，即相應(yīng)地采用尾部鉸接式氣缸做執(zhí)行元件。
考慮料鐘的開啟動作是：開啟靠氣動，關(guān)閉靠配重，所以選用單作用缸。又考慮開閉平穩(wěn)，可采用緩沖型的氣缸。因此，初步選擇執(zhí)行元件為兩臺標(biāo)準(zhǔn)緩沖型、尾部鉸接式氣缸。
圖42.6-30 信號－動作狀態(tài)線圖
圖42.6-31 氣控邏輯原理圖
底鐘氣缸，由于爐體總體布置限制，氣缸的操作力為拉力，由下式計算，即 考慮缸徑較大，取上式前邊的系數(shù)為1.03，且當(dāng)υ≤0.2m/s時η=0.8，F(xiàn)2=2.4×104N，p=4×105Pa則 查手冊，也選擇冶金用氣缸，取標(biāo)準(zhǔn)缸徑DB=320mm，行程s=600mm。
綜上，取頂鐘氣缸A為：氣缸JB160×600；取底鐘氣缸B為：氣缸JB320×600，活塞桿直徑d=90mm。
3）耗氣量計算
缸A：已知缸徑DA=160mm，行程s=600mm，全行程需時間t1=6s壓縮空氣量 缸B：已知DB=320mm、s=600mm、t2=6s，由于缸B的供氣端是有桿腔，所以缸B一個行程的耗氣量為 （4）選擇控制元件
1）選擇類型 根據(jù)系統(tǒng)對控制元件工作壓力及流量的要求，按照氣動回路原理圖初選各控制閥如下：
主控?fù)Q向閥：QFA、QFB均為JQ23-L型，通徑待定；
行程閥：x0初選為可通過式，其型號為Q23JC4A-L3；
行程閥：a0、a1、b0初選為杠桿滾輪式，其型號為Q23JC3A-L3；
邏輯閥：QF1，初選為JQ230631型兩位三通雙氣控閥；
梭閥：QF2初選為QS-L3型；
手動閥：S初選為推拉式，其型號為Q23R5-L3；
手動閥：g初選為按鈕式，其型號為Q23R1A-L3。
2）選擇主控閥 對A缸主控?fù)Q向閥QFA的選擇：
因A缸要求壓力pB=0.4MPa，流量QA=2.09×10-3m3/s，查表42.6-14初選QFA的通徑為φ15mm，其額定流量QA=2.778×10-3m3/s。故初選其型號為Q25Q2C-L15（堵死兩個不用的氣口）。
對B缸主控?fù)Q向閥QFB的選擇：
因B缸要求壓力pB≤0.4MPa流量QB=8.3333×10-3m3/s，故初選其型號為Q25Q2C-L25（堵死兩個不用的氣口）。
3）選擇減壓閥根據(jù)系統(tǒng)所要求的壓力、流量，同時考慮A、B缸因聯(lián)鎖關(guān)系不會同時工作的特點，即按其中流量、壓力消耗大的一個缸（B缸）選擇減壓閥。由供氣壓力為0～0.7MPa，額定流量為8.3333×10-3m3/s，選擇減壓閥訂貨號為395、291～294。
（5）選擇氣動輔件
輔件的選擇要與減壓閥相適應(yīng)。
分水濾氣器：394、49
油霧器：396、49
消聲器：配于兩主控閥排氣口、氣缸排氣口處，起消聲、濾塵作用。對于A缸及主控閥選FXS2-L15，對于B缸及主控閥選FXS2-L25
（6）確定管道直徑、驗算壓力損失
1）確定管徑本例按各管徑與氣動元件通徑相一致的原則，初定各段管徑（圖42.6-33）。同時考慮A、B缸不同時工作的特點，按其中用氣量大的B缸主控閥的通徑初步確定oe段的管徑也是25mm。而總氣源管yo段的管徑，考慮為兩臺爐子同時供氣、由流量為供給兩臺爐子流量之和的關(guān)系
可導(dǎo)出：
取標(biāo)準(zhǔn)管徑為40mm。
2）驗算壓力損失 如圖42.6-33所示，本例中驗算供氣管y處到A缸進氣口x處的損失（因A缸的管路較細(xì)，損失要比B缸管路的大）是否在允許范圍內(nèi) ΣΔp≤[△p]
圖42.6-33 管道的布置示意圖
① y—o段的沿程壓力損失
由式（1-40） 式中 △pl——沿程壓力損失；
d——管內(nèi)徑，d=0.04m；
l——管長，l=0.6m；
υ——管中流速，
λ——沿程阻力系數(shù)，由雷諾數(shù)Re和管壁相對粗糙度 確定。 |
根據(jù)溫度30℃，由表42.1-5查得運動粘度υ=1.66×10-5m2/s | 根據(jù)Re、查有關(guān)手冊得λ=0.0265，溫度30℃、壓力0.4MPa時γ值可由式（42.1-2、42.6-4）算出 |
② o－e段的沿程壓力損失 | 由 |  | 和Re1=2.27×104可查得λ1=0.029 |
③ e-x段沿程壓力損失 
可查得λ3=0.035 ④ 由y-x的所有沿程損失 局部壓力損失
① 流經(jīng)管路中的局部壓力損失 
Σζ=ζ
y+ζ
0+ζ
a+ζ
e+ζ
?+ζ
g+ζ
h+ζ
i+ζ
j+ζ
l+ζ
k+ζ
x
ζy——入口局部阻力系數(shù)ζy=0.5；
ζ0、ζe——分別為三通管局部阻力系數(shù)ζ0=2，ζe=1.2；
ζa、ζ?——流經(jīng)截止閥處局部阻力系數(shù)，ζa=ζ?=3.1；
ζh、ζi、ζj、ζk——彎頭局部阻力系數(shù)；分別為ζh=ζi=ζj=0.29，ζk=2×2×0.29=0.58；
ζl——軟管處局部阻力系數(shù)，近似計算
ζl=2× |  | =0.16； |
ζx——出口局部阻力系數(shù)，ζx=1 ② 流經(jīng)元、輔件的壓力損失 流經(jīng)減壓閥的壓力損失較小可忽略不計，其余損失： 式中 △pb——流經(jīng)分水濾氣器的壓力損失；
△pd——流經(jīng)油霧器的壓力損失；
△pg——流經(jīng)截止式換向閥的壓力損失。
查表42.6-15得△pb=0.02MPa，△pd=0.015MPa，△pg=0.015MPa。③ 總局部壓力損失 總壓力損失 考慮排氣口消聲器等未計入的壓力損失： | 則 |  |
| 從 | | |
的計算可知，壓力損失主要在氣動元、輔件上，所以在不要求計算的場合，可不細(xì)算，只要在**系數(shù)K
△p中取較大值就可以了。
執(zhí)行元件需工作壓力p=0.4MPa，壓力損失
 | 供氣壓力為 |  |
說明供氣壓力滿足了執(zhí)行元件需要的工作壓力，故以上選擇的通徑和管徑是可以的。
（7）空壓機的選擇
在選擇空壓機之前，必須算出自由空氣量（一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下的流量）Q′ 氣缸的理論用氣量由下式計算 其中 QZ——一臺用氣設(shè)備上的氣缸總用氣量；
n——用氣設(shè)備臺數(shù)，本例中考慮左右兩臺爐子有兩組同樣的氣缸，故n=2；
m——一臺設(shè)備上的用氣執(zhí)行元件個數(shù)，本例中一臺爐子上有A和B兩個缸用氣，故m=2；
α——氣缸在一個周期內(nèi)單程作用次數(shù)，本例中，每個氣缸一個周期內(nèi)單程作用一次α=1；
Qz——一臺設(shè)備中某一氣缸在一個周期內(nèi)的平均用氣量，本例中Q′A=9.95×10-3×10-3m3/s，Q′B=3.68×10-2m3/s；
t——某個氣缸一個單行程的時間，本例中tA=tB=6s；
T——某設(shè)備的一次工作循環(huán)時間，本例中T=2tA+2tB=24s。
若考慮左右兩臺爐子的氣缸都由一臺空壓機供氣，則氣缸的理論用氣量 取設(shè)備利用系數(shù)φ=0.95；漏損系數(shù)K1=1.2；備用系數(shù)K2=1.4。則兩臺爐子氣缸的理論用氣量； 如無氣源系統(tǒng)而需單獨供氣時，可按供氣壓力≥0.5MPa，流量Qj=2.08m3/min，查有關(guān)手冊選用4S-2.4/7型空壓機，該空壓機的額定排氣壓力為0.7MPa，額定排氣量為2.4 m3/min（自由空氣量）。
