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第7章 气动系统设计 71气动系统设计的依据 1. 气缸的工作特性 气缸活塞在运动过程中，腔室里的气体压力和活塞位移随时间变化的关系， 称为气缸的力-位移特性。如图7-1所示。 图 7-1 气缸压力-位移特性 初始状态时，气缸处于伸的位置（指气缸活塞杆处于伸的位置） ，有杆腔内 的气压 P1 为大气压。当三位四通电磁换向阀左位接通后（图 7-1，点 1） ，无杆 腔和气源接通，气体以高速向无杆腔快速充气，并很快上升为气源压力；有杆腔 的气压一直是大气压 P1。当无杆腔和有杆腔的压力差为 P2-P1=P,超过活塞启动 的最小压差。活塞杆就开始运动（图7-1，点2） 。由图可见，一旦活塞杆运动启 动，无杆腔中的压力有所下降，主要原因是活塞和气缸内壁之间的摩擦阻力由静 摩擦力变为动摩擦力而有较大的减小，活塞运动的起始段开始加速。若活塞在运 动过程中，负载保持恒定，那么活塞两侧的压力差使活塞杆匀速向前运动，直至 达到最佳清洗状态（图 7-1，点 3） ，无杆腔压力再次急剧上升到气源压力（图 7-1，点4） 。 图 7-1 为气缸典型的压力-位移曲线，实际上气缸两腔室的压力差大小、位 移曲线的形状与气缸的负载（外负载、摩擦阻力的总称）性质、大小以及工作压 力、缸径和行程等多种因素有关。 从上面的说明可知，气缸活塞运动的速度在运动过程中是变化的。若在换向 阀和气缸之间的链接管路上串连速度控制阀，控制进排气口的流通能力，就可以 调节活塞运动的速度。 2. 气缸的输出力和缸径的确定 普通双作用气缸无杆腔为工作腔时理论推力 0 F 为： p 4 2 0 D F N （71） 式中： D缸径(mm) p气缸的工作压力(MPa) 普通双作用气缸的有杆腔为工作腔时理论拉力 0 F 为： p 4 2 2 0 d D F N （72） 式中: d活塞杆直径(mm)，一般估算时取d=0.3D。 p气缸的工作压力(MPa) 实际中，由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的 实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。 气缸的效率是气缸的实际推力和理论推力的比值，即: 0 F F 气缸的效率取决于密封的种类，气缸内表面和活塞杆加工的状态及润滑状态。 此外，气缸的运动速度、排气腔压力、外载荷状况及管道状态等都会对效率产生 一定的影响。在考虑到活塞杆和活塞本身的摩擦力影响的情况下，实际输出力要 以气缸效率来修正，一般效率在0.70.95之间。 从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。于 是在研究气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。 气缸的负载率定义为: % 100 0 F F 气缸的理论输出力 气缸的实际负载 气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率，则由定义 就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。气缸负载率的选取与气 缸的负载特性及气缸的运动速度有关，其取值见表7-1。 表 7-1 气缸的运动状态和负载率 阻性负载 （静负载） 惯性负载的运动速度v 100/s 100500/s 500/s 0.8 0.65 0.5 0.35 3. 耗气量 气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量。 耗气量大小与气缸 的性能无关，但它是选择空压机排量的重要依据。 气缸活塞完成一次行程所需要的耗气量Q为： t p S D Q 1 1 . 0 1 . 0 047 0 2 min / L （73） 式中: D缸径(cm) S气缸行程(cm) t气缸一次往复行程所需要的时间(s) p工作压力(MPa) 72 气压元件的选型 721 气缸的选择 首先，通过对公交车清洗设备气动系统的工况分析，可确定气缸应选用双作 用气缸。根据对气缸的工作要求，选定气缸的规格：缸径和行程，按气缸的工作 要求的行程加上适当的余量，依此法选取详尽的标准行程作为预选行程。 其次，还应考虑；环境条件（温度、粉尘、腐蚀性等） ，安装方式等。 1. 双作用气缸的结构 双作用气缸结构如图7-2所示，它由前缸盖、活塞、活塞杆、密封件等零件 组成。缸内有与活塞杆相连的活塞，活塞上装有活塞密封圈。为防止漏气和外部 灰尘的侵入，前缸盖上装有活塞杆用密封圈和防尘圈。这种双作用的气缸被活塞 分为两个腔室：有杆腔（简称头腔或前腔）和无杆腔（简称尾腔或后腔） 。有活 塞杆的腔室称为有杆腔，无活塞杆的腔室称为无杆腔 2 。 图 7-2 普通型单活塞杆双作用气缸 1后缸盖；2密封圈；3缓冲密封圈；4活塞密封圈；5活塞；6缓冲柱塞；7活 塞杆；8缸筒；9缓冲节流阀；10导向阀；11前缸盖：12防尘密封圈；13磁铁；14导向环 当从无杆腔端的气口输入压缩空气时， 若气压作用在活塞右端面上的力克服 了运动摩擦力、负载等各种反作用力，推动活塞前进，有杆腔内的空气经该端气 口排入大气，使活塞杆伸出。同样，当有杆腔端气口输入压缩空气时，活塞杆退 回初始位置。通过无杆腔和有杆腔的交替进气和排气，活塞杆伸出或者退回，气 缸实现往复直线运动。 由于在运行过程中，活塞均不必到达与缸盖接触的位置，选择无缓冲双作用 普通气缸。 2. 缸径的确定 在汽车清洗机的机械传动系统中，裙刷、侧刷支撑架的转动及定位全是依靠 气缸活塞杆拉动完成的。按照洗车机最佳洗车效果的要求来看，裙刷、侧刷刷洗 时，其作用于车身的垂直压力为40N左右时，清洗效果为最佳，根据各传动机构 的结构计算，侧刷支撑架作用于活塞杆上的轴向负载力约为 200N；裙刷支撑架 作用于活塞杆上的轴向负载力约为90N。 在气压传动系统中，系统的工作压力为0.6MPa,而气缸工作压力计算时一般 选用0.4MPa。 根据以上要求，考虑气缸运动平均速度在100500/s之间，因此取负载 率=0.5，效率=0.8，可计算出气缸的理论缸径。 由式71可得侧刷气缸的缸径为： mm 9 . 39 4 . 0 200 2 5 5 0 p F D 根据标准气缸的尺寸故选择气缸缸径为40mm。 同理可得到裙刷气缸的缸径为： mm 8 . 26 4 . 0 90 2 5 5 0 p F D 根据标准气缸的尺寸故选择气缸缸径为32mm。 3. 气缸的行程确定 按照规定的气缸行程允差， 选择生产厂商提供的标准行程， 故确定结果如下： 侧刷气缸行程为250mm； 裙刷气缸行程为200mm； 根据以上要求最终选用的侧刷气缸型号为 SC-40250-S-LB,其含义为：缸 径为 40mm，行程为 250mm，附磁，采用 TC 固定型式的标准复动型气缸。裙刷气 缸型号为SC-32200-S-LB，其含义为：缸径为32mm，行程为200mm，附磁，采 用TC固定型式的标准复动型气缸。 722 减压阀的选择 为保证气动系统正常工作，选择减压阀时根据要求的工作压力，调压范围、 使用流量的最大值和稳压精度来选择。 耗气量的计算可采用式73,设气缸的工作压力为0.4MPa， 每秒完成一次行 程，则: 侧刷气缸耗气量为Q1=0.0474255=94L/min； 裙刷气缸耗气量为Q2=0.0473.2205=48.2L/min； 整个系统的耗气量为Q=4Q12Q2=472.4 L/min； 所以选定的减压阀型号为AR2000-02型标准额定流量为550L/min的减压阀， 其调压范围为0.050.85MPa,最高使用压力为1.0MPa,保证耐压力1.5MPa。 总气体选定的减压阀型号为AR2500-02型标准额定流量为2000L/min的减压 阀， 其调压范围为0.050.85MPa,最高使用压力为1.0MPa,保证耐压力1.5MPa。 723 电磁换向阀的选择 电磁换向阀控制力是电磁力， 它利用电磁铁的通电吸合与断电释放直接推动 阀芯来切换气流的方向或气路通、断，以控制气压系统相应的工作状态。它是电 气系统与气压系统之间的信号转换元件，它的电气信号由按钮开关、限位开关、 行程开关等元件控制，使气压系统方便地实现各种操作及自动顺序动作。 电磁换向阀按使用电源的不同，可分为交流（D 型）和直流（E 型）两种， 交流电磁换向阀的电压为 220V，其特点是启动力较大，换向时间短，价廉。但 当阀芯卡住或吸力不够而使铁芯吸不上时，电磁铁容易因电流过大而烧坏，故工 作可靠性较差，动作时有冲击，寿 命较低。直流电磁铁电压一般为24伏。其优 点是工作可靠，不会因阀芯卡住而烧坏，寿命长，体积小，但启动力较交流电磁 铁小，而且在无直流电源时，需整流设备。 电磁换向阀只是采用电磁铁来操纵滑阀阀芯运动， 而阀芯的结构及型式可以 是各种各样的，所以电磁滑阀可以是二位二通、二位三通、二位四通、三位四通 和三位五通等多种型式。一般二位阀用一个电磁铁，三位阀需用两个电磁铁。 按照气压驱动系统的控制要求，选用电磁换向阀的型号为34E1-125B。其中 “3”表示换向阀位置数， “4”表示气口通路数， “E”表示直流电源， “125”表 示公称流量为125L/min， “B”表示板式。其职能符号图如图7-3所示。 图 7-3 三位四通电磁换向阀的职能符号图 三位电磁换向阀的阀芯在阀体孔内有 3 个位置，因此它需要 2 个电磁铁，2 个中弹簧。当左、右电磁铁均断电时，阀芯在对中弹簧的作用下处于中间位置。 气口 P、T、A、B 互不相通；当右边电磁铁通电（左边电磁铁断电）时，阀芯在 推杆推动下移至左端位置，气口 P 和 B，A 和 T 相通；当左边电磁铁通电（右边 电磁铁断电）时，阀芯在推杆推动下移至右端位置，气口P和A，B和T相通。 724 单向调速阀的选择 单向调速阀一般根据流量调节范围和使用条件， 根据市场上的单向调速阀性 能， 通过参考其他汽车清洗机的情况， 采用类比方法， 确定选用FCG-03-125-N-30 型单向调速阀。其中“FC”表示单向调速阀， “G”表示底板安装型， “03”表示 最大调节流量 125L/min，最小调节流量 0.2L/min， “N”表示带压力补偿活塞开 度调节机构。 73气动系统的工况分析 在本控制系统中有 2 个裙刷，4 个侧刷，每个毛刷都安装在毛刷支撑架上， 毛刷支撑架一端安装轴承固定在设备的框架上，另一端与活塞杆相连，毛刷支撑 架在气缸的驱动下就可旋转。图7-4为毛刷支撑架的实物图。 图 7-4 毛刷支撑架 在原位时，毛刷支撑架处于水平状态，当气缸进气时，活塞杆伸长，毛刷支 撑架通过轴承就可实现旋转运动，从而使毛刷接近车辆达到最佳清洗距离。当清 洗完后，气缸排气，活塞杆退回，毛刷支撑架回到初始位置。 74 气动系统原理图 由于裙刷和侧刷的驱动控制要求相同，故其气压系统原理相同。在控制系统 中速度的调节是采用单向调速阀实现的， 在实现裙刷和侧刷清洗距离的调节以及 回位要求时，可采用三位四通电磁换向阀进行换向，同时为使气源压力与气缸工 作压力匹配，选择调压阀来满足控制要求，其气动系统原理如图7-5所示。 图 7-5 毛刷气动原理图 1减压阀；2三位四通电磁换向阀；3单向调速阀；4气缸 其中元件 1 为减压阀，它的作用是将较高的输入压力调到规定的输出压力， 并能保持输出压力稳定，不受空气流量变化及气源压力波动的影响。减压阀的调 压方式有直动式和先导式两种。直动式是借助弹簧力直接操纵的调压方式；先导 式是用预先调整好的气压来代替直动式调压弹簧进行调压。 一般先导式减压阀的 流量特性比直动式好。 直动式减压阀通径小于 2025mm，输出压力在 01MPa 范围内最为适当， 超过这个范围应选用先导式。根据汽车清洗机的工作特点，直动式减压阀可以满 足气动系统的要求，故选择直动式减压阀。 在图7-5中，元件2为三位四通电磁换向阀，其初始位置气路关闭，裙刷和 侧刷停在原位；洗车机开始工作后，电磁阀左位接通，气缸进气，活塞杆伸出， 毛刷支撑架开始转动。当毛刷达到最佳清洗距离后，电磁阀断电，工作在中位。当毛刷清洗完后，电磁阀右位接通，气缸排气，活塞杆退回，毛刷支撑架回转至 初始位置。 综上所述，将各个系统组合在一起，再配以气动三联件（空气过滤器、减压 阀、油雾器）就形成了整个系统的气压驱动系统原理图，如图7-6所示。 图 7-6 气压驱动系统原理图 1空气压缩机；2后冷却器；3分水排水器；4储气罐；5压力计；6空气过滤器； 7、9、13、17、21、25、29减压阀；8油雾器；10、14、18、22、26、30三位四通电 磁换向阀；11、15、19、23、27、31单向调速阀；12、16、20、24、28、32气缸 结 论 通过这次对公交车高压清洗设备课题的设计，使我从中学习到了很多知识， 增长了自己的经验，加强了自己的设计能力，并且更了解了机械、电气、PLC自 动控制以及气动系统之间的相互配合使用。 本系统设计主要是解决城市公交车能自动清洗的问题， 基于节水和环境保护 以及成本控制的要求，设计的一种既满足公交站清洗速度快、效率高的要求，又 能节水环保且设备投资成本较低的洗车机，系统具有一体的经济性和实用性。在 具体的设计过程中， 特别体会到理论必须和实际相结合。 虽然收集了大量的资料， 但是实际运用中却有很多的差异，出现了许多意想不到问题。从一开始的确定课 题，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都 使我的理论知识和动手能力进一步得到提高。 也因此锻炼了自己在社会上的适应 能力，为自己以后在社会上的工作打下了结实的基础。 本课题主要完成的工作主要包括以下几个方面： 1通过对汽车清洗机功能的要求，清洗机清洗过程中各主要清洗机构运动 轨迹分析，完成了清洗机总体方案的设计，实现了系统的技术性、经济性和可靠 性的要求。 2完成了汽车清洗机驱动系统的设计，采用了本质安全设计方案，使洗车 机在断电、过载时各机件都能处于安全位置。同时采用模拟电路电流互感控制器 来控制毛刷与车身之间的距离，从而达到最佳的清洗效果。 3完成了汽车清洗机控制系统的设计，硬件设计采用了 PLC控制器，提高 了控制系统运行的可靠性。软件设计采用自动模式和手动模式之间的互锁，保证 了洗车机的安全运行。