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1、第7章 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7．1氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù) 1. 氣缸的工作特性 氣缸活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，腔室里的氣體壓力和活塞位移隨時(shí)間變化的關(guān)系， 稱(chēng)為氣缸的力-位移特性。如圖7-1所示。 圖 7-1 氣缸壓力-位移特性 初始狀態(tài)時(shí)，氣缸處于伸的位置（指氣缸活塞桿處于伸的位置） ，有桿腔內(nèi) 的氣壓 P1 為大氣壓。當(dāng)三位四通電磁換向閥左位接通后（圖 7-1，點(diǎn) 1） ，無(wú)桿 腔和氣源接通，氣體以高速向無(wú)桿腔快速充氣，并很快上升為氣源壓力；有桿腔 的氣壓一直是大氣壓 P1。當(dāng)無(wú)桿腔和有桿腔的壓力差為 P2-P1=P,超過(guò)活塞啟動(dòng) 的最小壓差。活塞桿就開(kāi)始運(yùn)動(dòng)（圖7-1，點(diǎn)2） 。由圖可見(jiàn)，一旦活塞桿運(yùn)動(dòng)啟
2、 動(dòng)，無(wú)桿腔中的壓力有所下降，主要原因是活塞和氣缸內(nèi)壁之間的摩擦阻力由靜 摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力而有較大的減小，活塞運(yùn)動(dòng)的起始段開(kāi)始加速。若活塞在運(yùn) 動(dòng)過(guò)程中，負(fù)載保持恒定，那么活塞兩側(cè)的壓力差使活塞桿勻速向前運(yùn)動(dòng)，直至 達(dá)到最佳清洗狀態(tài)（圖 7-1，點(diǎn) 3） ，無(wú)桿腔壓力再次急劇上升到氣源壓力（圖 7-1，點(diǎn)4） 。 圖 7-1 為氣缸典型的壓力-位移曲線(xiàn)，實(shí)際上氣缸兩腔室的壓力差大小、位 移曲線(xiàn)的形狀與氣缸的負(fù)載（外負(fù)載、摩擦阻力的總稱(chēng)）性質(zhì)、大小以及工作壓 力、缸徑和行程等多種因素有關(guān)。 從上面的說(shuō)明可知，氣缸活塞運(yùn)動(dòng)的速度在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是變化的。若在換向 閥和氣缸之間的鏈接管路上串連速度控制
3、閥，控制進(jìn)排氣口的流通能力，就可以 調(diào)節(jié)活塞運(yùn)動(dòng)的速度。 2. 氣缸的輸出力和缸徑的確定 普通雙作用氣缸無(wú)桿腔為工作腔時(shí)理論推力 0 F 為： p 4 2 0 D F ? ? ? ? N （7—1） 式中： D—缸徑(mm) p—?dú)飧椎墓ぷ鲏毫?MPa) 普通雙作用氣缸的有桿腔為工作腔時(shí)理論拉力 0 F 為： ? ?p 4 2 2 0 d D F ? ? ? ? ? N （7—2） 式中: d—活塞桿直徑(mm)，一般估算時(shí)取d=0.3D。 p—?dú)飧椎墓ぷ鲏毫?MPa) 實(shí)際中，由于活塞等運(yùn)動(dòng)部件的慣性力以及密封等部分的摩擦力，活塞桿的 實(shí)際輸出力小于理論推力
4、，稱(chēng)這個(gè)推力為氣缸的實(shí)際輸出力。 氣缸的效率η是氣缸的實(shí)際推力和理論推力的比值，即: 0 F F ? ? 氣缸的效率取決于密封的種類(lèi)，氣缸內(nèi)表面和活塞桿加工的狀態(tài)及潤(rùn)滑狀態(tài)。 此外，氣缸的運(yùn)動(dòng)速度、排氣腔壓力、外載荷狀況及管道狀態(tài)等都會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生 一定的影響。在考慮到活塞桿和活塞本身的摩擦力影響的情況下，實(shí)際輸出力要 以氣缸效率來(lái)修正，一般效率在0.7～0.95之間。 從對(duì)氣缸運(yùn)行特性的研究可知，要精確確定氣缸的實(shí)際輸出力是困難的。于 是在研究氣缸性能和確定氣缸的出力時(shí)，常用到負(fù)載率的概念。 氣缸的負(fù)載率β定義為: % 100 0 ? ? F F 氣缸的理論輸出力 氣缸的實(shí)際負(fù)載 ? 氣缸的
5、實(shí)際負(fù)載是由實(shí)際工況所決定的，若確定了氣缸負(fù)載率β，則由定義 就能確定氣缸的理論輸出力，從而可以計(jì)算氣缸的缸徑。氣缸負(fù)載率的選取與氣 缸的負(fù)載特性及氣缸的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，其取值見(jiàn)表7-1。 表 7-1 氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和負(fù)載率 阻性負(fù)載 （靜負(fù)載） 慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度v ＜100㎜/s 100～500㎜/s ＞500㎜/s β≤0.8 ≤0.65 ≤0.5 ≤0.35 3. 耗氣量 氣缸的耗氣量是指氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所消耗的壓縮空氣量。 耗氣量大小與氣缸 的性能無(wú)關(guān)，但它是選擇空壓機(jī)排量的重要依據(jù)。 氣缸活塞完成一次行程所需要的耗氣量Q為： t p S D Q 1 1 . 0 1 . 0 0
6、47 0 2 ? ? ? ? ? ? min / L （7—3） 式中: D—缸徑(cm) S—?dú)飧仔谐?cm) t—?dú)飧滓淮瓮鶑?fù)行程所需要的時(shí)間(s) p—工作壓力(MPa) 7．2 氣壓元件的選型 7．2．1 氣缸的選擇 首先，通過(guò)對(duì)公交車(chē)清洗設(shè)備氣動(dòng)系統(tǒng)的工況分析，可確定氣缸應(yīng)選用雙作 用氣缸。根據(jù)對(duì)氣缸的工作要求，選定氣缸的規(guī)格：缸徑和行程，按氣缸的工作 要求的行程加上適當(dāng)?shù)挠嗔浚来朔ㄟx取詳盡的標(biāo)準(zhǔn)行程作為預(yù)選行程。 其次，還應(yīng)考慮；環(huán)境條件（溫度、粉塵、腐蝕性等） ，安裝方式等。 1. 雙作用氣缸的結(jié)構(gòu) 雙作用氣缸結(jié)構(gòu)如圖7-2所示，它由前缸蓋、活塞、活塞桿、密封件等零件 組成。
7、缸內(nèi)有與活塞桿相連的活塞，活塞上裝有活塞密封圈。為防止漏氣和外部 灰塵的侵入，前缸蓋上裝有活塞桿用密封圈和防塵圈。這種雙作用的氣缸被活塞 分為兩個(gè)腔室：有桿腔（簡(jiǎn)稱(chēng)頭腔或前腔）和無(wú)桿腔（簡(jiǎn)稱(chēng)尾腔或后腔） 。有活 塞桿的腔室稱(chēng)為有桿腔，無(wú)活塞桿的腔室稱(chēng)為無(wú)桿腔 [2] 。 圖 7-2 普通型單活塞桿雙作用氣缸 1—后缸蓋；2—密封圈；3—緩沖密封圈；4—活塞密封圈；5—活塞；6—緩沖柱塞；7—活 塞桿；8—缸筒；9—緩沖節(jié)流閥；10—導(dǎo)向閥；11—前缸蓋：12—防塵密封圈；13—磁鐵；14—導(dǎo)向環(huán) 當(dāng)從無(wú)桿腔端的氣口輸入壓縮空氣時(shí)， 若氣壓作用在活塞右端面上的力克服 了運(yùn)動(dòng)摩擦力、負(fù)載等各種反作
8、用力，推動(dòng)活塞前進(jìn)，有桿腔內(nèi)的空氣經(jīng)該端氣 口排入大氣，使活塞桿伸出。同樣，當(dāng)有桿腔端氣口輸入壓縮空氣時(shí)，活塞桿退 回初始位置。通過(guò)無(wú)桿腔和有桿腔的交替進(jìn)氣和排氣，活塞桿伸出或者退回，氣 缸實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 由于在運(yùn)行過(guò)程中，活塞均不必到達(dá)與缸蓋接觸的位置，選擇無(wú)緩沖雙作用 普通氣缸。 2. 缸徑的確定 在汽車(chē)清洗機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，裙刷、側(cè)刷支撐架的轉(zhuǎn)動(dòng)及定位全是依靠 氣缸活塞桿拉動(dòng)完成的。按照洗車(chē)機(jī)最佳洗車(chē)效果的要求來(lái)看，裙刷、側(cè)刷刷洗 時(shí)，其作用于車(chē)身的垂直壓力為40N左右時(shí)，清洗效果為最佳，根據(jù)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 的結(jié)構(gòu)計(jì)算，側(cè)刷支撐架作用于活塞桿上的軸向負(fù)載力約為 200N；裙刷支撐架 作
9、用于活塞桿上的軸向負(fù)載力約為90N。 在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的工作壓力為0.6MPa,而氣缸工作壓力計(jì)算時(shí)一般 選用0.4MPa。 根據(jù)以上要求，考慮氣缸運(yùn)動(dòng)平均速度在100～500㎜/s之間，因此取負(fù)載 率β=0.5，效率η=0.8，可計(jì)算出氣缸的理論缸徑。 由式7—1可得側(cè)刷氣缸的缸徑為： mm 9 . 39 4 . 0 200 2 5 5 0 ? ? ? ? ? ? ? ?p F D 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣缸的尺寸故選擇氣缸缸徑為40mm。 同理可得到裙刷氣缸的缸徑為： mm 8 . 26 4 . 0 90 2 5 5 0 ? ? ? ? ? ? ? ?p F D 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣缸的尺寸故選擇氣缸缸徑為
10、32mm。 3. 氣缸的行程確定 按照規(guī)定的氣缸行程允差， 選擇生產(chǎn)廠(chǎng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)行程， 故確定結(jié)果如下： 側(cè)刷氣缸行程為250mm； 裙刷氣缸行程為200mm； 根據(jù)以上要求最終選用的側(cè)刷氣缸型號(hào)為 SC-40250-S-LB,其含義為：缸 徑為 40mm，行程為 250mm，附磁，采用 TC 固定型式的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)動(dòng)型氣缸。裙刷氣 缸型號(hào)為SC-32200-S-LB，其含義為：缸徑為32mm，行程為200mm，附磁，采 用TC固定型式的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)動(dòng)型氣缸。 7．2．2 減壓閥的選擇 為保證氣動(dòng)系統(tǒng)正常工作，選擇減壓閥時(shí)根據(jù)要求的工作壓力，調(diào)壓范圍、 使用流量的最大值和穩(wěn)壓精度來(lái)選擇。 耗氣量的計(jì)算可
11、采用式7—3,設(shè)氣缸的工作壓力為0.4MPa， 每秒完成一次行 程，則: 側(cè)刷氣缸耗氣量為Q1=0.0474255=94L/min； 裙刷氣缸耗氣量為Q2=0.0473.2205=48.2L/min； 整個(gè)系統(tǒng)的耗氣量為Q=4Q12Q2=472.4 L/min； 所以選定的減壓閥型號(hào)為AR2000-02型標(biāo)準(zhǔn)額定流量為550L/min的減壓閥， 其調(diào)壓范圍為0.05～0.85MPa,最高使用壓力為1.0MPa,保證耐壓力1.5MPa。 總氣體選定的減壓閥型號(hào)為AR2500-02型標(biāo)準(zhǔn)額定流量為2000L/min的減壓 閥， 其調(diào)壓范圍為0.05～0.85MPa,最高使用壓力為1.0MPa,保證
12、耐壓力1.5MPa。 7．2．3 電磁換向閥的選擇 電磁換向閥控制力是電磁力， 它利用電磁鐵的通電吸合與斷電釋放直接推動(dòng) 閥芯來(lái)切換氣流的方向或氣路通、斷，以控制氣壓系統(tǒng)相應(yīng)的工作狀態(tài)。它是電 氣系統(tǒng)與氣壓系統(tǒng)之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換元件，它的電氣信號(hào)由按鈕開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、 行程開(kāi)關(guān)等元件控制，使氣壓系統(tǒng)方便地實(shí)現(xiàn)各種操作及自動(dòng)順序動(dòng)作。 電磁換向閥按使用電源的不同，可分為交流（D 型）和直流（E 型）兩種， 交流電磁換向閥的電壓為 220V，其特點(diǎn)是啟動(dòng)力較大，換向時(shí)間短，價(jià)廉。但 當(dāng)閥芯卡住或吸力不夠而使鐵芯吸不上時(shí)，電磁鐵容易因電流過(guò)大而燒壞，故工 作可靠性較差，動(dòng)作時(shí)有沖擊，壽 命較低。直流電磁
13、鐵電壓一般為24伏。其優(yōu) 點(diǎn)是工作可靠，不會(huì)因閥芯卡住而燒壞，壽命長(zhǎng)，體積小，但啟動(dòng)力較交流電磁 鐵小，而且在無(wú)直流電源時(shí)，需整流設(shè)備。 電磁換向閥只是采用電磁鐵來(lái)操縱滑閥閥芯運(yùn)動(dòng)， 而閥芯的結(jié)構(gòu)及型式可以 是各種各樣的，所以電磁滑閥可以是二位二通、二位三通、二位四通、三位四通 和三位五通等多種型式。一般二位閥用一個(gè)電磁鐵，三位閥需用兩個(gè)電磁鐵。 按照氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制要求，選用電磁換向閥的型號(hào)為34E1-125B。其中 “3”表示換向閥位置數(shù)， “4”表示氣口通路數(shù)， “E”表示直流電源， “125”表 示公稱(chēng)流量為125L/min， “B”表示板式。其職能符號(hào)圖如圖7-3所示。 圖 7-3
14、 三位四通電磁換向閥的職能符號(hào)圖 三位電磁換向閥的閥芯在閥體孔內(nèi)有 3 個(gè)位置，因此它需要 2 個(gè)電磁鐵，2 個(gè)中彈簧。當(dāng)左、右電磁鐵均斷電時(shí)，閥芯在對(duì)中彈簧的作用下處于中間位置。 氣口 P、T、A、B 互不相通；當(dāng)右邊電磁鐵通電（左邊電磁鐵斷電）時(shí)，閥芯在 推桿推動(dòng)下移至左端位置，氣口 P 和 B，A 和 T 相通；當(dāng)左邊電磁鐵通電（右邊 電磁鐵斷電）時(shí)，閥芯在推桿推動(dòng)下移至右端位置，氣口P和A，B和T相通。 7．2．4 單向調(diào)速閥的選擇 單向調(diào)速閥一般根據(jù)流量調(diào)節(jié)范圍和使用條件， 根據(jù)市場(chǎng)上的單向調(diào)速閥性 能， 通過(guò)參考其他汽車(chē)清洗機(jī)的情況， 采用類(lèi)比方法， 確定選用FCG-03-125-
15、N-30 型單向調(diào)速閥。其中“FC”表示單向調(diào)速閥， “G”表示底板安裝型， “03”表示 最大調(diào)節(jié)流量 125L/min，最小調(diào)節(jié)流量 0.2L/min， “N”表示帶壓力補(bǔ)償活塞開(kāi) 度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。 7．3氣動(dòng)系統(tǒng)的工況分析 在本控制系統(tǒng)中有 2 個(gè)裙刷，4 個(gè)側(cè)刷，每個(gè)毛刷都安裝在毛刷支撐架上， 毛刷支撐架一端安裝軸承固定在設(shè)備的框架上，另一端與活塞桿相連，毛刷支撐 架在氣缸的驅(qū)動(dòng)下就可旋轉(zhuǎn)。圖7-4為毛刷支撐架的實(shí)物圖。 圖 7-4 毛刷支撐架 在原位時(shí)，毛刷支撐架處于水平狀態(tài)，當(dāng)氣缸進(jìn)氣時(shí)，活塞桿伸長(zhǎng)，毛刷支 撐架通過(guò)軸承就可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使毛刷接近車(chē)輛達(dá)到最佳清洗距離。當(dāng)清 洗完后
16、，氣缸排氣，活塞桿退回，毛刷支撐架回到初始位置。 7．4 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖 由于裙刷和側(cè)刷的驅(qū)動(dòng)控制要求相同，故其氣壓系統(tǒng)原理相同。在控制系統(tǒng) 中速度的調(diào)節(jié)是采用單向調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)的， 在實(shí)現(xiàn)裙刷和側(cè)刷清洗距離的調(diào)節(jié)以及 回位要求時(shí)，可采用三位四通電磁換向閥進(jìn)行換向，同時(shí)為使氣源壓力與氣缸工 作壓力匹配，選擇調(diào)壓閥來(lái)滿(mǎn)足控制要求，其氣動(dòng)系統(tǒng)原理如圖7-5所示。 圖 7-5 毛刷氣動(dòng)原理圖 1—減壓閥；2—三位四通電磁換向閥；3—單向調(diào)速閥；4—?dú)飧?其中元件 1 為減壓閥，它的作用是將較高的輸入壓力調(diào)到規(guī)定的輸出壓力， 并能保持輸出壓力穩(wěn)定，不受空氣流量變化及氣源壓力波動(dòng)的影響。減壓閥的調(diào) 壓方式有
17、直動(dòng)式和先導(dǎo)式兩種。直動(dòng)式是借助彈簧力直接操縱的調(diào)壓方式；先導(dǎo) 式是用預(yù)先調(diào)整好的氣壓來(lái)代替直動(dòng)式調(diào)壓彈簧進(jìn)行調(diào)壓。 一般先導(dǎo)式減壓閥的 流量特性比直動(dòng)式好。 直動(dòng)式減壓閥通徑小于 20～25mm，輸出壓力在 0～1MPa 范圍內(nèi)最為適當(dāng)， 超過(guò)這個(gè)范圍應(yīng)選用先導(dǎo)式。根據(jù)汽車(chē)清洗機(jī)的工作特點(diǎn)，直動(dòng)式減壓閥可以滿(mǎn) 足氣動(dòng)系統(tǒng)的要求，故選擇直動(dòng)式減壓閥。 在圖7-5中，元件2為三位四通電磁換向閥，其初始位置氣路關(guān)閉，裙刷和 側(cè)刷停在原位；洗車(chē)機(jī)開(kāi)始工作后，電磁閥左位接通，氣缸進(jìn)氣，活塞桿伸出， 毛刷支撐架開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)毛刷達(dá)到最佳清洗距離后，電磁閥斷電，工作在中位。當(dāng)毛刷清洗完后，電磁閥右位接通，氣
18、缸排氣，活塞桿退回，毛刷支撐架回轉(zhuǎn)至 初始位置。 綜上所述，將各個(gè)系統(tǒng)組合在一起，再配以氣動(dòng)三聯(lián)件（空氣過(guò)濾器、減壓 閥、油霧器）就形成了整個(gè)系統(tǒng)的氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖，如圖7-6所示。 圖 7-6 氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖 1—空氣壓縮機(jī)；2—后冷卻器；3—分水排水器；4—儲(chǔ)氣罐；5—壓力計(jì)；6—空氣過(guò)濾器； 7、9、13、17、21、25、29—減壓閥；8—油霧器；10、14、18、22、26、30—三位四通電 磁換向閥；11、15、19、23、27、31—單向調(diào)速閥；12、16、20、24、28、32—?dú)飧?結(jié) 論 通過(guò)這次對(duì)公交車(chē)高壓清洗設(shè)備課題的設(shè)計(jì)，使我從中學(xué)習(xí)到了很多知識(shí)， 增長(zhǎng)了自己的
19、經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)了自己的設(shè)計(jì)能力，并且更了解了機(jī)械、電氣、PLC自 動(dòng)控制以及氣動(dòng)系統(tǒng)之間的相互配合使用。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是解決城市公交車(chē)能自動(dòng)清洗的問(wèn)題， 基于節(jié)水和環(huán)境保護(hù) 以及成本控制的要求，設(shè)計(jì)的一種既滿(mǎn)足公交站清洗速度快、效率高的要求，又 能節(jié)水環(huán)保且設(shè)備投資成本較低的洗車(chē)機(jī)，系統(tǒng)具有一體的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。在 具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中， 特別體會(huì)到理論必須和實(shí)際相結(jié)合。 雖然收集了大量的資料， 但是實(shí)際運(yùn)用中卻有很多的差異，出現(xiàn)了許多意想不到問(wèn)題。從一開(kāi)始的確定課 題，到后來(lái)的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再有就是近來(lái)的調(diào)試和測(cè)試過(guò)程，這一切都 使我的理論知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)一步得到提高。 也因此鍛煉了自己在社
20、會(huì)上的適應(yīng) 能力，為自己以后在社會(huì)上的工作打下了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。 本課題主要完成的工作主要包括以下幾個(gè)方面： 1．通過(guò)對(duì)汽車(chē)清洗機(jī)功能的要求，清洗機(jī)清洗過(guò)程中各主要清洗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 軌跡分析，完成了清洗機(jī)總體方案的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和可靠 性的要求。 2．完成了汽車(chē)清洗機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用了本質(zhì)安全設(shè)計(jì)方案，使洗車(chē) 機(jī)在斷電、過(guò)載時(shí)各機(jī)件都能處于安全位置。同時(shí)采用模擬電路電流互感控制器 來(lái)控制毛刷與車(chē)身之間的距離，從而達(dá)到最佳的清洗效果。 3．完成了汽車(chē)清洗機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)采用了 PLC控制器，提高 了控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。軟件設(shè)計(jì)采用自動(dòng)模式和手動(dòng)模式之間的互鎖，保證 了洗車(chē)機(jī)的安全運(yùn)行。
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