氣動回路中氣控換向閥的排氣設計

■劉宏學 ■西安標準工業股份有限公司，陜西 西安 710612

現代社會生產生活中自動化程度越來越高，而在實現自動化的過程中往往離不開氣動機構的使用。在氣動機構設計中，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勢。但是在實際設計過程中，如果設計不合理而導致氣控換向閥的控制氣路的排氣不暢，會導致整個機構的非預期動作，而這一點往往在設計開始被忽略，造成安裝調試過程出現問題，延誤了工期，甚至需要大量修改設計和零部件。本文以一些設計實例來說明在氣控換向閥設計時考慮排氣設計的重要意義。

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部結構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部結構以及次元件的符號。

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

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，否則會導致換向閥的閥芯不能滑動或者滑動不到位，造成執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這種錯誤，所以會造成在我們的日常設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雜一點的時候，因為設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計者提醒它的存在。

3 實例一氣動翻轉機構

我所在的單位受委托為外單位制作一套專用設備，其中有一套翻轉機構，使用旋轉氣缸，操作者按下按鈕，機構翻轉180度，再按一次同一個按鈕，機構又反向翻轉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 翻轉機構氣動回路(原設計)

3．1 氣動回路的動作

在初始狀態，主氣路(粗實線所示)直通氣源，此時翻轉氣缸處于一個位置，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5被壓下處于接通狀態。

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過調速閥9進入了旋轉氣缸11，使機構翻轉180度。這樣機械閥5松開、關閉，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，機構就反向翻轉，又回到初始位置。機械閥5處于壓下接通狀態。

3．2 故障現象及分析

整個設計看上去好像是說得通的，但是機構在安裝調試的時候出現了問題:操作者按一次按鈕，機構會反復不停地翻轉，這顯然是不復合使用要求的。

經過檢查、分析，認為問題出在氣動回路設計上。

如圖，當操作者按下按鈕1和2后，系統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，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。

雖然紅色所示管路中的氣體經過閥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，機構會不停地自動翻轉。

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

兄弟單位委托設計制作一臺專用壓軸套機。經過計算，使用氣缸來壓套就可以滿足要求。與液壓相比，氣動的優點是動作迅速、設備簡單、費用低、環境污染小。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 壓套機的動作構思

壓套機的動作設想是:1．操作者按下按鈕——2．氣缸壓下——3．壓到預設行程氣缸自動返回——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，情況就要復雜一些。

(1)氣動回路方案一

圖6是當時設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不出現換向動作。

所以這里出現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緊急情況，按下緊急按鈕2，II路接通，推動閥7換向，關閉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

經過仔細檢查，發現該方案還是不完善:氣缸向下運動過程中，按下緊急按鈕2，閥7應該關閉，壓力氣體進入閥4的b口;但是如果出現壓力先一步經過閥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，氣缸會繼續下壓。

雖然不確定是否會出現這種情況，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，實際使用結果也證明這種方案是正確的。

5 結束語

在氣動設計中，如果設計人員能多思考，會發現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，這樣可以大大節省成本。科技一直在發展，很多新型的氣動元件也在不斷地被發明、制造出來，設計人員如果能積極地學習、接受并使用這些新的技術成果，就可以實現我們以前不能實現的想法，或者簡化、優化過去的設計。