什么是气动系统？

随着科学技术的发展，气动系统已日益成为当今自动化领域中不可或缺的一部分。本文将简要介绍气动系统的定义、构成、应用和维护。点击"气动元件简介"，了解气动基础元件的简要介绍。点击"气动系统与液压系统的区别"，了解气动和液压系统的区别。

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§1. 气动系统的介绍

1.1 气动系统的简介

气动系统是使用气体作为动力源和工作介质的工业系统。气动系统通过空气压缩机从大气中吸取空气，并将其储存在一个储气罐中。通过压缩空气的体积，压缩空气的压力得到提高。在控制阀的控制下，压缩空气通过气动软管被输送到相应的执行器。气动执行器利用这些压缩空气产生机械运动来完成指定任务。气动系统已逐渐成为工业自动化的一个不可分割组成部分，特别是当气动系统与电子控制系统相结合的时候。

1.2 气动系统的特点

气动系统以清洁和干燥的空气作为动力源，是非常环保和安全的。与那些使用电动机或内燃机作为动力源的工业系统相比，气动系统很适合在恶劣的制造环境中工作。气动系统与电子控制系统相结合，能够进行非常有效的运动，并能进行重复的机械操作。然而，与电子系统相比，气动系统不能进行高频率的重复性操作。压缩空气的压力和体积会影响气动系统的效率，如果改变环境温度使空气膨胀和收缩，那么气动系统的工作精度就会受到影响。在移动设备领域中，由于液压系统或机电系统通常比较笨重，需要足够的电力来提供动力源，因此不适合移动设备，而轻巧简单的气动系统则经常用于移动设备。在便携式机器人中，它可以用简单的电控系统和紧凑的气动系统来提供自动化控制。对于工人来说，可以用气枪进行安装和固定工作，只要保证压缩空气的压力足够，即使在停电的情况下也能进行正常作业。一般来说，气动系统具有高适应性，高可靠性，便携性高，价格低廉等优点。

§2. 气动系统的构成

2.1 气动工作介质

气动系统的工作介质通常是压缩空气，因为它直接取自大气中的自由空气，所以可以连续供应。除压缩空气外，其他气体介质如无氧氮气（OFN）、二氧化碳（CO2）和其他惰性气体也可用于独立的气动系统（如便携式气动工具、小型车辆、机器人等）。这些惰性气体在大气中的比例很高，如氮气（N2）约为78.1%，二氧化碳（CO2）约为0.04%。惰性气体相对容易获得，但它们的获取和储存成本比自由空气高得多。惰性气体的特性与自由空气不同，如二氧化碳在加压后会液化，因此，通过液化二氧化碳，可以在有限的容器中填充更多的二氧化碳。因此，压缩的二氧化碳通常用于便携式气动系统。惰性气体不会引起火灾，因为它们不会产生氧化反应，但惰性气体的泄漏会导致窒息和冻结的危险。需要注意的是，虽然氧气（O2）在大气中的比例很高，约为20.9%，而且氧气的泄漏不会造成窒息，但氧气会引起火灾，所以压缩氧气不应作为气动系统的气体介质。因此，在大多数情况下，压缩空气被作为气动系统的首选，因为它是现成的，免费的，即使泄漏也不会引起窒息或火灾。为了保持气动系统的有效运行和各种气动元件的正常运作，气源本身必须不断过滤和监测，这也有助于确保气动系统的长期寿命。压缩空气中的水、油、固体颗粒等需要被过滤掉，以防止气动管道的腐蚀和气动元件的故障。而在压缩空气中加入适量的雾化润滑剂，机械部件可以更好地工作。

2.2 气动传动系统

气动传输系统由气源单元、执行器单元、控制单元和辅助单元组成。气源单元能够将空气压缩机提供的机械能转换为压缩空气的压力能，并将压缩空气储存在储气罐中。气源单元还包含辅助设备，如气源净化装置。执行单元将压缩空气的压力能转换为气动执行器的机械能。气动执行器包括气缸（线性往复运动）、摆动气缸（摆动运动）、气动马达（旋转运动）、真空吸盘（以真空压力为动力源）等。在气动系统中，压缩空气的气压大约在100psi以下，所以气动系统的输出功率很低，气动执行器的尺寸也相对较小。如果你想增加气动系统的输出能力，你需要增加气动执行器的尺寸，或在气动执行器上配备一个小型液压缸，形成一个气液增压器。控制单元用于控制和调节压缩空气的压力、流量和流向，按其功能可分为压力装置、流量装置、方向装置和逻辑装置。控制单元使气动执行器能够按照要求的功能和性能进行工作。辅助装置包括油雾器、消声器、管子和接头、转换器、显示器、传感器等，它们用于润滑气动系统的内部，降低气动系统的排气噪声，连接各气动元件，处理气动信号（如转换、显示、放大、检测）等。

2.3 气动逻辑系统

近年来，由于数字控制元件的尺寸和成本不断降低，以及其性能的准确性和功能性不断增强，气动逻辑系统已经开始逐渐取代气动控制装置。气动逻辑系统包括 "和 "单元、"或 "单元、继电器、增压装置、锁止器、定时器、流体放大器等。尽管气动逻辑系统对于自动化控制来说是可靠和强大的，但由于升级成本或安全问题，气动控制装置仍然是当今的主流方法。

2.4 气动伺服系统

气动伺服系统的组成与液压伺服系统无异，但由于气体的可压缩性，气动伺服系统的伺服刚度通常比液压伺服系统低很多。传统的气动系统只能可靠地进行两点定位，其运动速度只能通过单向节流阀进行单独调节，不能满足目前自动控制的需要。但是，气动伺服定位系统可以非常方便地实现多点连续定位和任意位置的灵活定位。而且由于活塞式伺服气缸的运动速度是连续可调的，它取代了传统的节流阀和气缸末端缓冲器，因此可以达到最佳的速度和缓冲效果，并大大减少气缸的动作时间，缩短工艺节拍，提高生产率。由于结构简单，性能稳定可靠，防火防爆性能好等优点，气动伺服系统被广泛应用于冶金、燃气、石化、飞行控制等领域。

§3. 气动系统的应用

气动系统广泛应用于自动化制造，食品医药，牙科，建筑，采矿，机器人等现代工业领域。气动系统的功能主要分为控制，加工，包装，搬运等。

3.1 控制

由于气动系统不产生电气火灾，所以它们非常适用于易燃易爆的工作环境。在石油、采矿和化工行业，任何火花都会造成不可挽回的灾难， 因此气动系统被广泛用于控制其自动化管道系统。气动系统也被广泛用于驱动化工厂和炼油厂的大型阀门。气动系统还用于控制车辆的空气制动器、开门和关门装置、暖通空调控制系统、飞机上的引导装置等。

3.2 加工

由于压缩空气可以起到缓冲作用，气动系统通常可以提供比液压或机电系统更温和的机械能，因此气动系统被广泛用于自动化生产，如电子元件的插装与锡焊，以及家用电器的组装。电子控制系统弥补了气动系统定位精度的不足，使其与液压技术或机电技术相媲美。电子控制系统也使气动执行器具有可控的按压或挤压能力，并能进行快速和重复的机械运动。在数控机床中，气动系统能够控制刀具的自动夹紧和松开，加工零件的自动上料和下料工序，刀库的倒刀动作，加工件的风冷和夹具的清洁，附件铣头刀具的自动夹紧和松开等。在机器安装和维护中，气动执行器（如气动机械手、气动射钉枪、气动扳手）可以为操作员提供可靠的帮助。

3.3 包装

由于气动系统非常安全和环保，在工作过程中不消耗空气中的任何成分，也不排放任何有害物质，因此被广泛用于医疗和食品加工设备，如葡萄酒、石油和天然气的罐装，以及各种食品和医药产品的包装。

3.4 搬运

由于气动系统可以将压缩空气的能量转化为线性或旋转运动，因此可以用来执行 "抓取和放置 "任务。带有气动系统的工业机器人可以取代人类的手腕、手和手指，并能正确、快速地完成抓取和释放等细微动作，如固定、定位、夹持和运输零件。在自动化生产线中，真空机械臂既能举起沉重的汽车车体，也能移动精密的硅片。在文件传送系统中，气动设备可以抬升、压制、分类或堆叠邮件。

§4. 气动系统的维护

气动系统的使用寿命通常很长，而且几乎可以做到免维护，但前提是必须进行必要的气源处理和检测工作。

4.1 气源处理

由于压缩空气是气动系统的工作介质和动力源，压缩空气的质量和性能将影响气动系统的使用寿命和效率。在压缩空气参与工作之前，必须对其空气源进行处理。压缩空气中的水蒸气必须经过过滤，确保压缩空气是干燥的，否则这些水蒸气会在气动系统中凝结，影响气动执行器的正常工作，并腐蚀管道、阀门、气缸等。压缩空气中的灰尘等固体颗粒也需要过滤，否则会导致阀体动作失灵。通过安装合适的过滤器，可以有效地过滤掉空气中的固体杂质，确保压缩空气的清洁度，以减少气动执行器的磨损，延长其使用寿命。压缩空气中的油性物质也需要被过滤，否则会导致橡胶、塑料和密封材料的变质。气源检测装置通过传感器实时监测过滤后的压缩空气的质量，以确保气动系统的有效运行和气动设备的正常工作。需要注意的是，从空压机中排出的压缩空气中含有压缩机的机油颗粒（粒径0.01-0.08μm），这些颗粒在排气温度（120-220ºC）下迅速氧化成深色粘稠的油泥，粘附在换向阀的阀芯上，降低其灵敏度。通过在气动系统的过滤器之后安装油雾分离器，可将这种低于μm级别的油颗粒过滤掉，以避免降低换向阀的灵敏度，而且通过定期清洗换向阀，也可以保证换向阀的灵敏度。

4.2 气压检测

供气压力会影响气动系统的效率，因此有必要确保气动装置有合适的工作压力和运动速度。在调整气动装置的工作压力时，应确保压力表的读数准确，以及工作可靠。除此之外，还需要检查气动系统是否漏气，因为漏气不仅会增加能源消耗，还会导致供气压力下降，甚至造成气动元件不能正常工作。气动系统漏气的原因有很多，但主要原因是橡胶部件（如管道和密封件）的臭氧开裂，因为臭氧会侵蚀橡胶材料导致其老化和开裂。如果漏气非常严重，那么当气动系统停止工作时，会听到刺耳的漏气声，此时应立即密封漏气处或更换相应部件。如果漏气非常轻微，可以通过涂抹肥皂水，或使用测试仪器来进行检查。

4.3 冷凝水检测

在气动系统运行前，应及时清除积存的液体，否则它们会返回到压缩空气中。通常情况下，过滤后的冷凝水可以通过自动排水器排到其他地方。当夜间温度低于0℃时，为防止冷凝水结冰，在气动系统停止运行时，应及时打开排水阀，排出冷凝水。

4.4 润滑油检测

与液压系统中的液压油相比，气动系统中的压缩空气本身不具备任何润滑能力，因此需要在压缩空气中加入适量的润滑剂，以保证气动执行器和气动控制装置的工作效率和使用寿命。 压缩空气中的润滑剂可以减少气缸的摩擦阻力，增加其推力（随着技术的发展，采用无油润滑技术的气缸越来越普及），可以保证阀门等装置不会因生锈而造成损坏或动作失灵，还可以避免因密封材料的磨损而造成空气泄露。油雾器可以向压缩空气中添加适量的雾化润滑剂，通常每10m³的自由空气中添加1mL润滑油。油雾器通常安装在过滤器和减压阀之后。在补充润滑油时，需要检查油雾器中的油的质量和滴油量是否符合要求。

4.5 气动元件检测

对气动元件的检测有助于保证气动系统的可靠工作。对于气缸，需要检测活塞杆与端面之间是否有漏气现象；活塞杆、管接头、管路等是否有划痕或变形；气缸动作时是否有异常声音；气缸的缓冲效果是否符合要求。对于电磁阀，需要检测电磁阀的壳体温度是否过高；电磁阀是否正常动作；电磁阀是否漏气（气缸行程结束后，检查电磁阀的排气口是否漏气）；电磁阀的紧固螺栓和管接头是否松动；电磁阀的电压是否正常；电磁阀的导线是否损坏。对于油雾器，需要检测油杯中的润滑油是否充足；润滑油是否变色、浑浊；油杯底部是否有灰尘和水分沉积；滴油量是否合适，排气口是否被油浸润（可在排气口附近放一张干净的白纸，如果换向阀工作三到四个周期后，白纸上留下油雾斑点，说明压缩空气的润滑性能良好）。对于过滤器，需要检查水杯中是否有冷凝水积存；滤芯是否需要清洗或更换；冷凝水排放阀是否可靠地运行。对于调压阀，需要检查压力表读数是否在规定的范围内；阀盖或螺母是否锁紧；以及是否有漏气现象。对于安全阀和压力继电器，需要检测电线是否损坏；在调定压力下其动作是否可靠；在校验合格后，是否有铅封或锁紧。