氣動(dòng)回路中氣控?fù)Q向閥的排氣設(shè)計(jì)

■劉宏學(xué) ■西安標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710612

現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)生活中自動(dòng)化程度越來(lái)越高，而在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過(guò)程中往往離不開(kāi)氣動(dòng)機(jī)構(gòu)的使用。在氣動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常見(jiàn)的換向閥有手動(dòng)、電磁控制、氣控三種形式。而氣控?fù)Q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(shì)。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致氣控?fù)Q向閥的控制氣路的排氣不暢，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)的非預(yù)期動(dòng)作，而這一點(diǎn)往往在設(shè)計(jì)開(kāi)始被忽略，造成安裝調(diào)試過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，延誤了工期，甚至需要大量修改設(shè)計(jì)和零部件。本文以一些設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)說(shuō)明在氣控?fù)Q向閥設(shè)計(jì)時(shí)考慮排氣設(shè)計(jì)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?fù)Q向閥

氣控?fù)Q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(hào)。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(hào)。

由氣控?fù)Q向閥的結(jié)構(gòu)就可以看出，由控制氣來(lái)推動(dòng)閥芯滑動(dòng)，如果控制氣沒(méi)有按照設(shè)計(jì)者預(yù)想的思路來(lái)加壓或者泄壓的話，會(huì)導(dǎo)致閥芯非預(yù)期的動(dòng)作。

2 一個(gè)典型的使用氣控?fù)Q向閥的氣動(dòng)回路

圖3是一個(gè)使用了氣控?fù)Q向閥的氣動(dòng)回路。圖中較粗的實(shí)線表示主氣路，虛線表示控制氣路。在手閥1未壓下時(shí)，a口接通，控制氣進(jìn)入換向閥2的a端，推動(dòng)閥芯向下滑動(dòng)，主氣路的氣進(jìn)入氣缸3下腔，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng);壓下手閥1時(shí)，手閥的b口接通，控制氣進(jìn)入換向閥2的b端，推動(dòng)閥芯向上運(yùn)動(dòng)，主氣路的氣進(jìn)入氣缸3的上腔，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)。

注意，在控制氣進(jìn)入換向閥的一端時(shí)，必須保證另一端的排氣通暢，否則會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向閥的閥芯不能滑動(dòng)或者滑動(dòng)不到位，造成執(zhí)行元件誤動(dòng)作的后果。

一般來(lái)說(shuō)，在如圖3所示的這種簡(jiǎn)單氣路中不容易出現(xiàn)這種錯(cuò)誤，所以會(huì)造成在我們的日常設(shè)計(jì)中完全忽視控制氣路的排氣問(wèn)題。但是在氣動(dòng)回路稍微復(fù)雜一點(diǎn)的時(shí)候，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者的忽視或者考慮不完善，氣控回路的排氣問(wèn)題往往會(huì)向設(shè)計(jì)者提醒它的存在。

3 實(shí)例一氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)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(jī)構(gòu)，使用旋轉(zhuǎn)氣缸，操作者按下按鈕，機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)180度，再按一次同一個(gè)按鈕，機(jī)構(gòu)又反向翻轉(zhuǎn)180度回位。圖4是委托單位提供的氣動(dòng)回路圖。

圖3 使用氣控?fù)Q向閥的氣動(dòng)回路

圖4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣動(dòng)回路(原設(shè)計(jì))

3．1 氣動(dòng)回路的動(dòng)作

在初始狀態(tài)，主氣路(粗實(shí)線所示)直通氣源，此時(shí)翻轉(zhuǎn)氣缸處于一個(gè)位置，會(huì)使兩個(gè)二位三通機(jī)械閥(3和5)中的一個(gè)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(shí)按下按鈕1和2，使III路接通，此時(shí)氣控?fù)Q向閥7進(jìn)氣口就有了壓力氣，同時(shí)兩個(gè)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(jìn)入換向閥7的a口，推動(dòng)閥芯使其壓力氣進(jìn)入換向閥8的A口，主氣路中的壓力氣就經(jīng)過(guò)調(diào)速閥9進(jìn)入了旋轉(zhuǎn)氣缸11，使機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)180度。這樣機(jī)械閥5松開(kāi)、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(huì)使II路接通，閥7、閥8就會(huì)做另一個(gè)方向的滑動(dòng)，使主氣路的壓力氣進(jìn)入氣缸另側(cè)，機(jī)構(gòu)就反向翻轉(zhuǎn)，又回到初始位置。機(jī)械閥5處于壓下接通狀態(tài)。

3．2 故障現(xiàn)象及分析

整個(gè)設(shè)計(jì)看上去好像是說(shuō)得通的，但是機(jī)構(gòu)在安裝調(diào)試的時(shí)候出現(xiàn)了問(wèn)題:操作者按一次按鈕，機(jī)構(gòu)會(huì)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(guò)檢查、分析，認(rèn)為問(wèn)題出在氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)上。

如圖，當(dāng)操作者按下按鈕1和2后，系統(tǒng)如前面所分析進(jìn)行了動(dòng)作。但是，在一次動(dòng)作以后，操作者松開(kāi)了按鈕1和2，圖4中紅線所示管路中的壓力無(wú)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(jìn)氣口也是有壓力氣的，這個(gè)壓力會(huì)推動(dòng)換向閥8換向，并控制氣缸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

雖然紅色所示管路中的氣體經(jīng)過(guò)閥7的進(jìn)氣口進(jìn)入閥7和閥8的控制氣口之間的管路后，在下一次動(dòng)作的瞬間會(huì)從閥7的排氣口排出一點(diǎn)點(diǎn)，但是在這部分氣體壓力排完以前，機(jī)構(gòu)會(huì)不停地自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。

3．3 問(wèn)題的解決

解決辦法是把按鈕2由原來(lái)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(dāng)操作者松開(kāi)按鈕，紅色部分的壓力氣體會(huì)通過(guò)閥2的排氣口排出，閥6和閥4隨即由彈簧復(fù)位而斷開(kāi)，后面的氣控?fù)Q向閥不再有換向動(dòng)作，問(wèn)題解決。

圖5 修改的后的氣動(dòng)回路

4 實(shí)例二壓軸套機(jī)的氣動(dòng)回路

兄弟單位委托設(shè)計(jì)制作一臺(tái)專用壓軸套機(jī)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，使用氣缸來(lái)壓套就可以滿足要求。與液壓相比，氣動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作迅速、設(shè)備簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、環(huán)境污染小。而且如果在氣動(dòng)回路中使用氣控?fù)Q向閥的話，連電源都省略了，整個(gè)設(shè)備插上壓縮空氣就可以工作，將來(lái)維護(hù)、移動(dòng)都很方便。

4．1 壓套機(jī)的動(dòng)作構(gòu)思

壓套機(jī)的動(dòng)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(dòng)返回——4．有異常情況，按下緊急按鈕氣缸返回。

4．2 氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)

如果僅僅考慮前三步，這個(gè)氣動(dòng)回路是很簡(jiǎn)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(dòng)回路方案一

圖6是當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的第一個(gè)氣動(dòng)回路方案。

圖6 壓套機(jī)的氣動(dòng)回路方案一

工作時(shí)按下按鈕1，I路接通，控制氣進(jìn)入換向閥4的a口，推動(dòng)閥芯，使主氣路(粗實(shí)線)的壓力氣體進(jìn)入氣缸上腔推動(dòng)氣缸向下運(yùn)動(dòng)。

氣缸向下運(yùn)動(dòng)到設(shè)定行程會(huì)壓下機(jī)械閥3，使III路接通，控制氣進(jìn)入換向閥4的b口，推動(dòng)閥芯換向，主氣路的氣進(jìn)入氣缸下腔，推動(dòng)氣缸返回。

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

(2)方案一的問(wèn)題

這是最容易想到的方案，但是存在一個(gè)問(wèn)題:閥2和閥3任何一個(gè)接通的時(shí)候，壓力氣體會(huì)從它們中的另外一個(gè)泄出，導(dǎo)致閥4不出現(xiàn)換向動(dòng)作。

所以這里出現(xiàn)了一個(gè)控制氣體不該排出時(shí)卻排出了的問(wèn)題。

(3)氣動(dòng)回路方案二

與方案一相比，方案二加入了一個(gè)單作用氣控閥7和一個(gè)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(kāi)關(guān)3后自動(dòng)返回。因?yàn)橛袉蜗蜷y8，壓力氣體不會(huì)從閥2泄出。

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

圖7 壓套機(jī)的氣動(dòng)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?yàn)檫@樣會(huì)使閥4的b口的控制氣體無(wú)法排出，導(dǎo)致閥4故障。

(4)方案二的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)該方案還是不完善:氣缸向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，按下緊急按鈕2，閥7應(yīng)該關(guān)閉，壓力氣體進(jìn)入閥4的b口;但是如果出現(xiàn)壓力先一步經(jīng)過(guò)閥7從閥3排氣口泄出的話，可能會(huì)導(dǎo)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(wú)動(dòng)作，氣缸會(huì)繼續(xù)下壓。

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

(5)氣動(dòng)回路方案三

修改后的氣動(dòng)回路如圖8所示，請(qǐng)注意閥7和閥9不同，接法也不同。

圖8 壓套機(jī)的氣動(dòng)回路方案三

工作時(shí)按下按鈕1，I路接通，壓力氣體進(jìn)入換向閥4的a口，使其換向，主氣路的壓力氣體進(jìn)入氣缸上腔，推動(dòng)氣缸向下運(yùn)動(dòng)工作。

氣缸運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置，會(huì)壓下機(jī)械閥3，使III路接通，壓力氣體進(jìn)入換向閥4的b口，使其換向，氣缸返回。

氣缸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)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(kāi)，IV路接通，壓力氣體進(jìn)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(jī)械閥3壓下時(shí)，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(duì)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(shí)際使用結(jié)果也證明這種方案是正確的。

5 結(jié)束語(yǔ)

在氣動(dòng)設(shè)計(jì)中，如果設(shè)計(jì)人員能多思考，會(huì)發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)控制可以做很多事情，有些時(shí)候甚至可以代替電氣控制、PLC等，這樣可以大大節(jié)省成本?？萍家恢痹诎l(fā)展，很多新型的氣動(dòng)元件也在不斷地被發(fā)明、制造出來(lái)，設(shè)計(jì)人員如果能積極地學(xué)習(xí)、接受并使用這些新的技術(shù)成果，就可以實(shí)現(xiàn)我們以前不能實(shí)現(xiàn)的想法，或者簡(jiǎn)化、優(yōu)化過(guò)去的設(shè)計(jì)。