氣動回路中氣控換向閥的排氣設(shè)計

■劉宏學 ■西安標準工業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710612

現(xiàn)代社會生產(chǎn)生活中自動化程度越來越高，而在實現(xiàn)自動化的過程中往往離不開氣動機構(gòu)的使用。在氣動機構(gòu)設(shè)計中，常見的換向閥有手動、電磁控制、氣控三種形式。而氣控換向閥因其具有不需要電力而在安全、便捷、成本方面具有特殊的優(yōu)勢。但是在實際設(shè)計過程中，如果設(shè)計不合理而導致氣控換向閥的控制氣路的排氣不暢，會導致整個機構(gòu)的非預(yù)期動作，而這一點往往在設(shè)計開始被忽略，造成安裝調(diào)試過程出現(xiàn)問題，延誤了工期，甚至需要大量修改設(shè)計和零部件。本文以一些設(shè)計實例來說明在氣控換向閥設(shè)計時考慮排氣設(shè)計的重要意義。

圖1 雙氣控二位五通換向閥

圖2 單氣控二位五通換向閥

1 氣控換向閥

氣控換向閥有單氣控和雙氣控之分。以二位五通換向閥為例，圖1是雙氣控二位五通換向閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖以及此元件的符號。圖2是單氣控二位五通換向閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及次元件的符號。

由氣控換向閥的結(jié)構(gòu)就可以看出，由控制氣來推動閥芯滑動，如果控制氣沒有按照設(shè)計者預(yù)想的思路來加壓或者泄壓的話，會導致閥芯非預(yù)期的動作。

2 一個典型的使用氣控換向閥的氣動回路

圖3是一個使用了氣控換向閥的氣動回路。圖中較粗的實線表示主氣路，虛線表示控制氣路。在手閥1未壓下時，a口接通，控制氣進入換向閥2的a端，推動閥芯向下滑動，主氣路的氣進入氣缸3下腔，推動活塞向上運動;壓下手閥1時，手閥的b口接通，控制氣進入換向閥2的b端，推動閥芯向上運動，主氣路的氣進入氣缸3的上腔，推動活塞向下運動。

注意，在控制氣進入換向閥的一端時，必須保證另一端的排氣通暢，否則會導致?lián)Q向閥的閥芯不能滑動或者滑動不到位，造成執(zhí)行元件誤動作的后果。

一般來說，在如圖3所示的這種簡單氣路中不容易出現(xiàn)這種錯誤，所以會造成在我們的日常設(shè)計中完全忽視控制氣路的排氣問題。但是在氣動回路稍微復(fù)雜一點的時候，因為設(shè)計者的忽視或者考慮不完善，氣控回路的排氣問題往往會向設(shè)計者提醒它的存在。

3 實例一氣動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

我所在的單位受委托為外單位制作一套專用設(shè)備，其中有一套翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，使用旋轉(zhuǎn)氣缸，操作者按下按鈕，機構(gòu)翻轉(zhuǎn)180度，再按一次同一個按鈕，機構(gòu)又反向翻轉(zhuǎn)180度回位。圖4是委托單位提供的氣動回路圖。

圖3 使用氣控換向閥的氣動回路

圖4 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)氣動回路(原設(shè)計)

3．1 氣動回路的動作

在初始狀態(tài)，主氣路(粗實線所示)直通氣源，此時翻轉(zhuǎn)氣缸處于一個位置，會使兩個二位三通機械閥(3和5)中的一個處于壓下位置，假設(shè)5被壓下處于接通狀態(tài)。

若操作者同時按下按鈕1和2，使III路接通，此時氣控換向閥7進氣口就有了壓力氣，同時兩個二位三通氣控閥6和4也被接通，這樣I路與氣源連通，壓力氣進入換向閥7的a口，推動閥芯使其壓力氣進入換向閥8的A口，主氣路中的壓力氣就經(jīng)過調(diào)速閥9進入了旋轉(zhuǎn)氣缸11，使機構(gòu)翻轉(zhuǎn)180度。這樣機械閥5松開、關(guān)閉，閥3被壓下、接通。

若操作者再次按下按鈕1和2，同理會使II路接通，閥7、閥8就會做另一個方向的滑動，使主氣路的壓力氣進入氣缸另側(cè)，機構(gòu)就反向翻轉(zhuǎn)，又回到初始位置。機械閥5處于壓下接通狀態(tài)。

3．2 故障現(xiàn)象及分析

整個設(shè)計看上去好像是說得通的，但是機構(gòu)在安裝調(diào)試的時候出現(xiàn)了問題:操作者按一次按鈕，機構(gòu)會反復(fù)不停地翻轉(zhuǎn)，這顯然是不復(fù)合使用要求的。

經(jīng)過檢查、分析，認為問題出在氣動回路設(shè)計上。

如圖，當操作者按下按鈕1和2后，系統(tǒng)如前面所分析進行了動作。但是，在一次動作以后，操作者松開了按鈕1和2，圖4中紅線所示管路中的壓力無處排泄，造成氣控閥6和4一直處于接通狀態(tài)，這樣管路I或者管路II就被與氣源接通，氣控閥7就不斷換向，而此閥的進氣口也是有壓力氣的，這個壓力會推動換向閥8換向，并控制氣缸進行翻轉(zhuǎn)。

雖然紅色所示管路中的氣體經(jīng)過閥7的進氣口進入閥7和閥8的控制氣口之間的管路后，在下一次動作的瞬間會從閥7的排氣口排出一點點，但是在這部分氣體壓力排完以前，機構(gòu)會不停地自動翻轉(zhuǎn)。

3．3 問題的解決

解決辦法是把按鈕2由原來的二位二通按鈕改為二位三通按鈕。如圖5，閥2換成二位三通閥(紅色的閥2)后，當操作者松開按鈕，紅色部分的壓力氣體會通過閥2的排氣口排出，閥6和閥4隨即由彈簧復(fù)位而斷開，后面的氣控換向閥不再有換向動作，問題解決。

圖5 修改的后的氣動回路

4 實例二壓軸套機的氣動回路

兄弟單位委托設(shè)計制作一臺專用壓軸套機。經(jīng)過計算，使用氣缸來壓套就可以滿足要求。與液壓相比，氣動的優(yōu)點是動作迅速、設(shè)備簡單、費用低、環(huán)境污染小。而且如果在氣動回路中使用氣控換向閥的話，連電源都省略了，整個設(shè)備插上壓縮空氣就可以工作，將來維護、移動都很方便。

4．1 壓套機的動作構(gòu)思

壓套機的動作設(shè)想是:1．操作者按下按鈕——2．氣缸壓下——3．壓到預(yù)設(shè)行程氣缸自動返回——4．有異常情況，按下緊急按鈕氣缸返回。

4．2 氣動回路的設(shè)計

如果僅僅考慮前三步，這個氣動回路是很簡單的，但是要加入緊急返回按鈕，情況就要復(fù)雜一些。

(1)氣動回路方案一

圖6是當時設(shè)計的第一個氣動回路方案。

圖6 壓套機的氣動回路方案一

工作時按下按鈕1，I路接通，控制氣進入換向閥4的a口，推動閥芯，使主氣路(粗實線)的壓力氣體進入氣缸上腔推動氣缸向下運動。

氣缸向下運動到設(shè)定行程會壓下機械閥3，使III路接通，控制氣進入換向閥4的b口，推動閥芯換向，主氣路的氣進入氣缸下腔，推動氣缸返回。

如在氣缸下壓過程出現(xiàn)緊急情況，按下緊急按鈕2，II路接通，控制氣體進入閥4的b口，使其換向，氣缸返回。

(2)方案一的問題

這是最容易想到的方案，但是存在一個問題:閥2和閥3任何一個接通的時候，壓力氣體會從它們中的另外一個泄出，導致閥4不出現(xiàn)換向動作。

所以這里出現(xiàn)了一個控制氣體不該排出時卻排出了的問題。

(3)氣動回路方案二

與方案一相比，方案二加入了一個單作用氣控閥7和一個單向閥8。如圖7所示。

按下工作按鈕1，氣缸壓下并在接觸到限位開關(guān)3后自動返回。因為有單向閥8，壓力氣體不會從閥2泄出。

如在氣缸下壓過程出現(xiàn)緊急情況，按下緊急按鈕2，II路接通，推動閥7換向，關(guān)閉III路以防壓力從閥3泄出，壓力氣體進入閥4的b口，使其換向，氣缸返回。

圖7 壓套機的氣動回路方案二

之所以不在II、III路都加入單向閥或者直接把閥2、閥3換成二位二通閥，是因為這樣會使閥4的b口的控制氣體無法排出，導致閥4故障。

(4)方案二的問題

經(jīng)過仔細檢查，發(fā)現(xiàn)該方案還是不完善:氣缸向下運動過程中，按下緊急按鈕2，閥7應(yīng)該關(guān)閉，壓力氣體進入閥4的b口;但是如果出現(xiàn)壓力先一步經(jīng)過閥7從閥3排氣口泄出的話，可能會導致閥7因控制氣體壓力不足而不換向或換向不到位，從而閥4也無動作，氣缸會繼續(xù)下壓。

雖然不確定是否會出現(xiàn)這種情況，但既然是緊急按鈕，就必須消除任何一點點不確定的可能性。

(5)氣動回路方案三

修改后的氣動回路如圖8所示，請注意閥7和閥9不同，接法也不同。

圖8 壓套機的氣動回路方案三

工作時按下按鈕1，I路接通，壓力氣體進入換向閥4的a口，使其換向，主氣路的壓力氣體進入氣缸上腔，推動氣缸向下運動工作。

氣缸運動到預(yù)定位置，會壓下機械閥3，使III路接通，壓力氣體進入換向閥4的b口，使其換向，氣缸返回。

氣缸向下運動時遇緊急情況，按下緊急按鈕2，II路接通，壓力氣體使閥7關(guān)閉，閥9打開，IV路接通，壓力氣體進入閥4的b口使其換向，氣缸返回。

同樣，單向閥5的作用是防止機械閥3壓下時，壓力從閥9的排氣口泄出。

方案三雖然更復(fù)雜，但是按鈕2對III路和IV的控制卻是很明確的，這正是緊急按鈕所需要的可靠性，所以最終使用了該方案，實際使用結(jié)果也證明這種方案是正確的。

5 結(jié)束語

在氣動設(shè)計中，如果設(shè)計人員能多思考，會發(fā)現(xiàn)氣動控制可以做很多事情，有些時候甚至可以代替電氣控制、PLC等，這樣可以大大節(jié)省成本。科技一直在發(fā)展，很多新型的氣動元件也在不斷地被發(fā)明、制造出來，設(shè)計人員如果能積極地學習、接受并使用這些新的技術(shù)成果，就可以實現(xiàn)我們以前不能實現(xiàn)的想法，或者簡化、優(yōu)化過去的設(shè)計。