气动系统设计的主要内容及设计程序
3.1 明确工作要求
1）运动和操作力的要求 如主机的动作顺序、动作时间、运动速度及其可调范围、运动的平稳性、定位精度、操作力及联锁和自动化程序等。
2）工作环境条件如温度、防尘、防爆、防腐蚀要求及工作场地的空间等情况必须调查清楚。
3）和机、电、液控制相配合的情况，及对气动系统的要求。
3.2 设计气控回路
1）列出气动执行元件的工作程序图。
2）画信号动作状态线图或卡诺图、扩大卡诺图，也可直接写出逻辑函数表达式。
3）画逻辑原理图。
4）画回路原理图。
5）为得到佳的气控回路，设计时可根据逻辑原理图，做出几种方案进行比较，如对气控制、电-气控制、逻辑元件等控制方案进行合理的选定。
3.3 选择、设计执行元件
其中包括确定气缸或气马达的类型、气缸的安装形式及气缸的具体结构尺寸（如缸径、活塞杆直径、缸壁厚）和行程长度、密封形式、耗气量等。设计中要优先考虑选用标准缸的参数。
3.4 选择控制元件
1）确定控制元件类型，要根据表42.6-13进行比较而定。 表42.6-13 几种气控元件选用比较表
 | 电磁气阀控制 | 气控气阀控制 | 气控逻辑元件控制 |
| **可靠性 | 较好（交流的易烧线圈） | 较好 | 较好 |
| 恶劣环境适应性（易燃、易爆、潮湿等） | 较差 | 较好 | 较好 |
| 气源净化要求 | 一般 | 一般 | 一般 |
| 远距离控制性，速度传递 | 好，快 | 一般，＞0几毫秒 | 一般，几毫秒～0几毫秒 |
| 控制元件体积 | 一般 | 大 | 较小 |
| 元件无功耗气量 | 很小 | 很小 | 小 |
| 元件带负载能力 | 高 | 高 | 较高 |
| 价格 | 稍贵 | 一般 | 便宜 |
3.5 选择气动辅件
1）分水滤气器其类型主要根据过滤精度要求而定。一般气动回路、截止阀及操纵气缸等要求过滤精度≤50～75μm，操纵气马达等有相对运动的情况取过滤精度≤25μm，气控硬配滑阀、射流元件、精密检测的气控回路要求过滤精度≤10μm。
分水滤气器的通径原则上由流量确定（查表42.6-14），并要和减压阀相同。
2）油雾器根据油雾颗径大小和流量来选取。当与减压阀、分水滤气器串联使用时，三者通径要相一致。表42.6-14 标准控制阀各通径对应的额定流量
①| 公称通径/mm | 3 | Ф6 | Ф8 | Ф10 | Ф15 | Ф20 | Ф25 | Ф32 | Ф40 | Ф50 |
| q10-3/m3·s-1 | 0.1944 | 0.6944 | 1.3889 | 1.9444 | 2.7778 | 5.5555 | 8.3333 | 13.889 | 19.444 | 27.778 |
| q/m3·h-1 | 0.7 | 2.5 | 5 | 7 | 10 | 20 | 30 | 50 | 70 | 100 |
| q/L·min-1 | 11.66 | 41.67 | 83.34 | 116.67 | 166.68 | 213.36 | 500 | 833.4 | 1166.7 | 1666.8 |
3）消声器可根据工作场合选用不同形式的消声器，其通径大小根据通过的流量而定，可查有关手册。
4）储气罐其理论容积可按《气压传动及控制》教材中介绍的经验公式计算，具体结构、尺寸可查《压缩空气站设计手册》。
3.6 确定管道直径、计算压力损失
1）各段管道的直径可根据满足该段流量的要求，同时考虑和前边确定的控制元件通径相一致的原则初步确定。初步确定管径后，要在验算压力损失后选定管径。
2)压力损失的验算为使执行元件正常工作，气流通过各种元件、辅件到执行元件的总压力损失，必须满足下式
式中
——总压力损失，它包括所有的沿程损失
和所有的局部损失；
[
]——允许压力损失可根据供气情况来定，一般流水线范围约＜0.01MPa，车间范围＜0.05MPa，工厂范围＜0.1MPa。验算时，车间内可近似取[
]≤0.01～0.1MPa实际计算总压力损失，如系统管道不特别长（一般l＜100m)。管内的粗糙度不大，在经济流速的条件下，沿程损失
比局部损失
小得多，则沿程损失
可以不单独计入，只须将总压力损失值的**系数K
△p稍予加大就行了。局部损失
中包含的流经弯头、断面突然放大、收缩等的损失
，往往又比气流通过气动元件、辅件的压力损失
小得多。因此对不做严格计算的系统，式（42.6-5）可简化为
式中
——流经元、辅件的总压力损失可通过表42.6-15查出；K
△p——压力损失简化修正系数，K
△p=1.05～1.3，对于管道较长，管道截面变化较复杂的情况可取大值。如果验算的总压力损失
≤[
]，则上边初步选定的管径可定为所需要的管径。如果总压力损失
＞[
]，必须加大管径或改进管道的布置，以降低总压力损失，直到
＜[
]为止，初选的管径即为后确定的管径。
表42.6-15通过气动元、辅件的压力损失 |  | （MPa） |
| 元件名称 | 公称通径/mm |
| φ3 | φ6 | φ8 | φ0 | φ5 | φ20 | φ25 | φ32 | φ40 | φ50 |
| 额定流量下压力损失≤ |
| 方向阀 | 换向阀 | 截止阀 | 0.025 | 0.022 | 0.015 | 0.01 | 0.009 |
| 滑阀 | 0.025 | 0.022 | 0.015 | 0.01 | 0.009 | |
| 单向型控制阀 | 单向阀、梭阀、双压阀 | 0.025 | 0.022 | 0.02 | 0.015 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | 0.008 |
| 快排阀→A | | 0.022 | 0.02 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | 0.008 |
| 脉冲阀、延时阀 | 0.025 | |
| 流量阀 | 节流阀 | 0.025 | 0.022 | 0.02 | 0.015 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | 0.008 |
| 单向节流阀P→A | 0.025 | 0.02 |
| 消声节流阀 | | 0.02 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | |
| 压力阀 | 单向压力顺序阀 | 0.025 | 0.022 | 0.02 | 0.015 | 0.012 | | |
| 辅件 | 分水滤气器过滤精度
/μm | 25 | | 0.015 | 0.025 | |
| 75 | 0.01 | 0.02 | |
| 油雾器 | | 0.015 | |
| 消声器 | 0.022 | 0.02 | 0.012 | 0.01 | 0.009 | 0.008 | 0.007 |
| | | | | | | | | | | | | | |
3.7 选择空压机
3.7.1 计算空压机的供气量Qj，以选择空压机的额定排气量
Qj可由下式算得 式中 ψ——利用系数；
K1——漏损系数，K1=1.15～1.5；
K2——备用系数，K2=1.3～1.6；
QZ——一台设备在一个周期内的平均用气量（自由空气量）m3/s；
n——用气设备台数。
3.7.2 计算空压机的供气压力pg，以选择空压机的排气压力 pg=p+ΣΔp
式中 p——用气设备使用的额定压力（表压）（MPa）；
ΣΔp——气动系统的总压力损失。
例10设计某厂鼓风炉钟罩式加料装置气动系统。
加料机构如图42.6-29所示。图42.6-29a中，ZA、ZB分别为鼓风炉上、下部两个料钟（顶料钟、底料钟），WA、WB分别为顶、底料钟的配重，料钟平时均处于关闭状态。图中A与B分别为操纵顶、底两个料钟开、闭的气缸。
图42.6-29 鼓风炉加料装置气动机构示意图
a）剖视图；b）外形示意图解：
（1）工作要求及环境条件
1）工作要求具有自动与手动加料两种方式。自动加料：加料时，吊车把物料运来，顶钟ZA开启卸料于两钟之间；然后延时发信号，使顶钟关闭；底钟打开，卸料到炉内，再延时（卸完料）关闭底钟，循环结束。
顶、底料钟开闭动作必须联锁，可全部关闭但不许同时打开。
2）运动要求料钟开或闭一次的时间t2≤6s，缸行程s均为600mm。所以气缸活塞杆平均速度
3）动力要求顶部料钟的操作力（打开料钟的气缸推力）为FZA≥5.10kN；底部料钟开启作用力为FZB≥24kN。
4）工作环境环境温度30～40℃，灰尘较多。
（2）回路设计
1）列出气动执行元件的工作程序
2）画信号动作状态线图（图42.6-30）
3）画逻辑原理图（图42.6-31）
4）画回路原理图（图42.6-32）
回路图中YA1和YA2为延时换向阀（常断延时通型），由该阀延时经主控阀QFA、QFB放大去控制缸A1和缸B0状态。料钟的关闭靠自重。
（3）选择执行元件
1）确定执行元件类型根据料钟开闭（升降）行程较小，炉体结构限制（料钟中心线上下方不宜安装气缸）及**性要求（机械支力有故障时，两料钟处于封闭状态），故采用重力封闭方案，如图42.6-9所示。同时，在炉体外部配上使料钟开启（即配重抬起）的传动装置，由于行程小，故采用摆块机构，即相应地采用尾部铰接式气缸做执行元件。
考虑料钟的开启动作是：开启靠气动，关闭靠配重，所以选用单作用缸。又考虑开闭平稳，可采用缓冲型的气缸。因此，初步选择执行元件为两台标准缓冲型、尾部铰接式气缸。
图42.6-30 信号－动作状态线图
图42.6-31 气控逻辑原理图
底钟气缸，由于炉体总体布置限制，气缸的操作力为拉力，由下式计算，即 考虑缸径较大，取上式前边的系数为1.03，且当υ≤0.2m/s时η=0.8，F2=2.4×104N，p=4×105Pa则 查手册，也选择冶金用气缸，取标准缸径DB=320mm，行程s=600mm。
综上，取顶钟气缸A为：气缸JB160×600；取底钟气缸B为：气缸JB320×600，活塞杆直径d=90mm。
3）耗气量计算
缸A：已知缸径DA=160mm，行程s=600mm，全行程需时间t1=6s压缩空气量 缸B：已知DB=320mm、s=600mm、t2=6s，由于缸B的供气端是有杆腔，所以缸B一个行程的耗气量为 （4）选择控制元件
1）选择类型 根据系统对控制元件工作压力及流量的要求，按照气动回路原理图初选各控制阀如下：
主控换向阀：QFA、QFB均为JQ23-L型，通径待定；
行程阀：x0初选为可通过式，其型号为Q23JC4A-L3；
行程阀：a0、a1、b0初选为杠杆滚轮式，其型号为Q23JC3A-L3；
逻辑阀：QF1，初选为JQ230631型两位三通双气控阀；
梭阀：QF2初选为QS-L3型；
手动阀：S初选为推拉式，其型号为Q23R5-L3；
手动阀：g初选为按钮式，其型号为Q23R1A-L3。
2）选择主控阀 对A缸主控换向阀QFA的选择：
因A缸要求压力pB=0.4MPa，流量QA=2.09×10-3m3/s，查表42.6-14初选QFA的通径为φ15mm，其额定流量QA=2.778×10-3m3/s。故初选其型号为Q25Q2C-L15（堵死两个不用的气口）。
对B缸主控换向阀QFB的选择：
因B缸要求压力pB≤0.4MPa流量QB=8.3333×10-3m3/s，故初选其型号为Q25Q2C-L25（堵死两个不用的气口）。
3）选择减压阀根据系统所要求的压力、流量，同时考虑A、B缸因联锁关系不会同时工作的特点，即按其中流量、压力消耗大的一个缸（B缸）选择减压阀。由供气压力为0～0.7MPa，额定流量为8.3333×10-3m3/s，选择减压阀订货号为395、291～294。
（5）选择气动辅件
辅件的选择要与减压阀相适应。
分水滤气器：394、49
油雾器：396、49
消声器：配于两主控阀排气口、气缸排气口处，起消声、滤尘作用。对于A缸及主控阀选FXS2-L15，对于B缸及主控阀选FXS2-L25
（6）确定管道直径、验算压力损失
1）确定管径本例按各管径与气动元件通径相一致的原则，初定各段管径（图42.6-33）。同时考虑A、B缸不同时工作的特点，按其中用气量大的B缸主控阀的通径初步确定oe段的管径也是25mm。而总气源管yo段的管径，考虑为两台炉子同时供气、由流量为供给两台炉子流量之和的关系
可导出：
取标准管径为40mm。
2）验算压力损失 如图42.6-33所示，本例中验算供气管y处到A缸进气口x处的损失（因A缸的管路较细，损失要比B缸管路的大）是否在允许范围内 ΣΔp≤[△p]
图42.6-33 管道的布置示意图
① y—o段的沿程压力损失
由式（1-40） 式中 △pl——沿程压力损失；
d——管内径，d=0.04m；
l——管长，l=0.6m；
υ——管中流速，
λ——沿程阻力系数，由雷诺数Re和管壁相对粗糙度 确定。 |
根据温度30℃，由表42.1-5查得运动粘度υ=1.66×10-5m2/s | 根据Re、查有关手册得λ=0.0265，温度30℃、压力0.4MPa时γ值可由式（42.1-2、42.6-4）算出 |
② o－e段的沿程压力损失 | 由 |  | 和Re1=2.27×104可查得λ1=0.029 |
③ e-x段沿程压力损失 
可查得λ3=0.035 ④ 由y-x的所有沿程损失 局部压力损失
① 流经管路中的局部压力损失 
Σζ=ζ
y+ζ
0+ζ
a+ζ
e+ζ
ƒ+ζ
g+ζ
h+ζ
i+ζ
j+ζ
l+ζ
k+ζ
x
ζy——入口局部阻力系数ζy=0.5；
ζ0、ζe——分别为三通管局部阻力系数ζ0=2，ζe=1.2；
ζa、ζƒ——流经截止阀处局部阻力系数，ζa=ζƒ=3.1；
ζh、ζi、ζj、ζk——弯头局部阻力系数；分别为ζh=ζi=ζj=0.29，ζk=2×2×0.29=0.58；
ζl——软管处局部阻力系数，近似计算
ζl=2× |  | =0.16； |
ζx——出口局部阻力系数，ζx=1 ② 流经元、辅件的压力损失 流经减压阀的压力损失较小可忽略不计，其余损失： 式中 △pb——流经分水滤气器的压力损失；
△pd——流经油雾器的压力损失；
△pg——流经截止式换向阀的压力损失。
查表42.6-15得△pb=0.02MPa，△pd=0.015MPa，△pg=0.015MPa。③ 总局部压力损失 总压力损失 考虑排气口消声器等未计入的压力损失： | 则 |  |
| 从 | | |
的计算可知，压力损失主要在气动元、辅件上，所以在不要求计算的场合，可不细算，只要在**系数K
△p中取较大值就可以了。
执行元件需工作压力p=0.4MPa，压力损失
 | 供气压力为 |  |
说明供气压力满足了执行元件需要的工作压力，故以上选择的通径和管径是可以的。
（7）空压机的选择
在选择空压机之前，必须算出自由空气量（一个标准大气压状态下的流量）Q′ 气缸的理论用气量由下式计算 其中 QZ——一台用气设备上的气缸总用气量；
n——用气设备台数，本例中考虑左右两台炉子有两组同样的气缸，故n=2；
m——一台设备上的用气执行元件个数，本例中一台炉子上有A和B两个缸用气，故m=2；
α——气缸在一个周期内单程作用次数，本例中，每个气缸一个周期内单程作用一次α=1；
Qz——一台设备中某一气缸在一个周期内的平均用气量，本例中Q′A=9.95×10-3×10-3m3/s，Q′B=3.68×10-2m3/s；
t——某个气缸一个单行程的时间，本例中tA=tB=6s；
T——某设备的一次工作循环时间，本例中T=2tA+2tB=24s。
若考虑左右两台炉子的气缸都由一台空压机供气，则气缸的理论用气量 取设备利用系数φ=0.95；漏损系数K1=1.2；备用系数K2=1.4。则两台炉子气缸的理论用气量； 如无气源系统而需单独供气时，可按供气压力≥0.5MPa，流量Qj=2.08m3/min，查有关手册选用4S-2.4/7型空压机，该空压机的额定排气压力为0.7MPa，额定排气量为2.4 m3/min（自由空气量）。
