气动控制阀知识

气动控制阀(Pneumatic control valves)是控制、调节压缩空气的流动方向、压力和流量的气动元件，利用它们可以组成各种气动回路，使气动执行元件按设计要求正常工作。

1常用气动控制阀(Common pneumatic control valves)
和液压控制阀类似，常用的基本气动控制阀分为：气动方向控制阀、气动压力控制阀和气动流量控制阀。此外还有通过改变气流方向和通断以实现各种逻辑功能的气动逻辑元件。

1.1 气动方向控制阀(Pneumatic direction control valves)
气动方向控制阀是用来控制压缩空气的流动方向和气流通、断的气动元件。

1.1.1 气动方向控制阀的分类
气动方向控制阀和液压系统的方向控制阀类似，也分为单向阀和换向阀，其分类方法也基本相同。但由于气压传动具有自己独有的特点，气动方向控制阀可按阀芯结构、控制方式等进行分类。

1．截止式方向控制阀

截止式方向控制阀的截止阀口和阀芯的关系如图1，图中用箭头表示了阀口开启后气流的流动方向。

分析截止式方向控制阀具有如下特点：

1）用很小的移动量就可以使阀完全开启，阀的流通能力强，便于设计成结构紧凑的大口径阀。

2）截止阀一般采用软质材料（如橡胶等）密封，当阀门关闭后始终存在背压，因此，密封性好、泄漏量小、勿须借助弹簧也能关闭。

3）因背压的存在，所以换向力较大，冲击力也较大。不适合用于高灵敏度的场合。

4）比滑柱式方向控制阀阻力损失小，抗粉尘能力强，对气体的过滤精度要求不高。

2. 滑柱式方向控制阀

滑柱式气动方向控制阀工作原理与滑阀式液压控制元件类似，这里不具体说明。

滑柱式方向控制阀的特点：

1）阀芯较截止式长，增加了阀的轴向尺寸，对动态性能有不利影响，大通径的阀一般不易采用滑柱式结构；

2）由于结构的对称性，阀芯处在静止状态时，气压对阀芯的轴向作用力保持平衡，容易设计成气动控制中比较常用的具有记忆功能的阀；

3）换向时由于不受截止式密封结构所具有的背压阻力，换向力较小；

4）通用性强。同一基型阀只要调换少数零件便可改变成不同控制方式、不同通路的阀；同一只阀，改变接管方式，可以做多种阀使用。

5）阀芯对介质的杂质比较敏感，需对气动系统进行严格的过滤和润滑，对系统的维护要求高。

1.1.2 常用的气动方向控制阀
1. 单向型方向控制阀

1）单向阀

单向阀的结构原理如图2。其工作原理和图形符号和液压单向阀一致，只不过气动单向阀的阀芯和阀座之间是靠密封垫密封的。

2）或门型梭阀

如图3为或门型梭阀的结构原理。其工作特点是不论P1和P2哪条通路单独通气，都能导通其与A的通路；当P1和P2同时通气时，哪端压力高，A就和哪端相通，另一端关闭，其逻辑关系为“或”，图形符号如图。

3）与门型梭阀

与门型梭阀又称双压阀，结构原理如图4所示。其工作特点是只有P1和P2同时供气，A口才有输出；当P1或P2单独通气时，阀芯就被推至相对端，封闭截止型阀口；当P1和P2同时通气时，哪端压力低，A口就和哪端相通，另一端关闭，其逻辑关系为“与”，图形符号如图。

4）快速排气阀

快速排气阀是为加快气体排放速度而采用的气压控制阀。

如图5为快速排气阀的结构原理。当气体从P通入时，气体的压力使唇型密封圈右移封闭快速排气口e，并压缩密封圈的唇边，导通P口和A口，当P口没有压缩空气时，密封圈的唇边张开，封闭A和P通道，A口气体的压力使唇型密封圈左移，A、T通过排气通道e连通而快速排气（一般排到大气中）。

2. 换向型方向控制阀

换向型方向控制阀（简称换向阀），是通过改变气流通道而使气体流动方向发生变化，从而达到改变气动执行元件运动方向的目的。它包括气压控制换向阀、电磁控制换向阀、机械控制换向阀、人力控制换向阀和时间控制换向阀等。

（1）气压控制换向阀

气压控制换向阀是利用气体压力使主阀芯和阀体发生相对运动而改变气体流向的元件。

1）气压控制换向阀的分类

按控制方式不同分为加压控制、卸压控制和差压控制三种。加压控制是指所加的控制信号压力是逐渐上升的，当气压增加到阀芯的动作压力时，主阀便换向；卸压控制是指所加的气控信号压力是逐渐减小的，当减小到某一压力值时，主阀换向；差压控制是使主阀芯在两端压力差的作用下换向。

气控换向阀按主阀结构不同，又可分为截止式和滑阀式两种主要型式。滑阀式气控换向阀的结构和工作原理与液动换向阀基本相同。在此只介绍截止式换向阀。

2）截止式方向控制阀

 图6所示为二位三通单气控截止式换向阀的结构原理。图示为 K口没有控制信号时的状态，阀芯4在弹簧2与P腔气压作用下右移，使P与A断开，A与T导通；当 K口有控制信号时，推动活塞5通过阀芯压缩弹簧打开P与A通道，封闭A与T通道。图示为常断型阀，如果P、T换接则成为常通型。这里，换向阀芯换位采用的是加压的方法，所以称为加压控制换向阀。相反情况则为减压控制换向阀。

(2)电磁控制方向控制阀

1) 单电控换向阀

由一个电磁铁的衔铁推动换向阀芯移位的阀称为单电控换向阀。单电控换向阀有单电控直动换向阀和单电控先导换向阀两种。

如图7为单电控直动式电磁换向阀的工作原理。靠电磁铁和弹簧的相互作用使阀芯换位实现换向。图示为电磁铁断电状态，弹簧的作用导通A、T通道，封闭P口通道；电磁铁通电时，压缩弹簧导通P、A通道，封闭T口通道。

图8为单电控先导换向阀的工作原理。它是用单电控直动换向阀作为气控主换向阀的先导阀来工作的。图示为断电状态，气控主换向阀在弹簧力的作用下，封闭P口，导通A、T通道；当先导阀带电时，电磁力推动先导阀芯下移，控制压力P1推动主阀芯右移，导通P、A通道，封闭T通道。类似于电液换向阀，电控先导换向阀适用于较大通径的场合。

2) 双电控电磁换向阀

由两个电磁铁的衔铁推动换向阀芯移位的阀称为双电控换向阀。双电控换向阀有双电控直动换向阀和双电控先导换向阀两种。

如图9为双电控直动二位五通换向阀的工作原理。图示为左侧电磁铁通电的工作状态。其工作原理显而易见，不再说明。注意，这里的两个电磁铁不能同时通电。这种换向阀具有记忆功能，即当左侧的电磁铁通电后，换向阀芯处在右端位置，当左侧电磁铁断电而右侧电磁铁没有通电前阀芯仍然保持在右端位置。图10为双电控先导换向阀的工作原理，图示为左侧先导阀电磁铁通电状态。工作原理与单电控先导换向阀类似，不再叙述。

(3)机械控制或人力控制方向换向阀

通过机械或人力控制使换向阀芯换位的换向阀有机动换向阀和手动（脚踏）换向阀等。

它们的换向原理很简单。如图11为通过推杆工作的行程换向阀。图12为通过杠杆和滚轮作用推动推杆的行程换向阀；图13为可通过式杠杆滚轮控制的行程换向阀，当机械撞块向右运动时，压下滚轮，实现换向动作；当撞块通过滚轮后，阀芯在弹簧力的作用下回复；撞块回程时，由于滚轮的头部可弯折，阀芯不换向。此阀由A口输出脉冲信号，常被用来排除回路中的障碍信号，简化设计回路。

（4）时间控制换向阀

时间换向阀是通过气容或气阻的作用对阀的换向时间进行控制的换向阀。包括延时阀和脉冲阀。

1）延时阀

如图14为二位三通气动延时阀的结构原理。由延时控制部分和主阀组成。常态时，弹簧的作用使阀芯2处在左端位置。当从K口通入气控信号时，气体通过可调节流阀4（气阻）使气容腔1充气，当气容内的压力达到一定值时，通过阀芯压缩弹簧使阀芯向右动作，换向阀换向；气控信号消失后，气容中的气体通过单向阀快速卸压，当压力降到某值时，阀芯左移，换向阀换向。

2）脉冲阀

脉冲阀是靠气流经过气阻、气容的延时作用，使输入的长信号变成脉冲信号输出的阀。图15为一滑阀式脉冲阀的结构原理。P口有输入信号时，由于阀芯上腔气容中压力较低，并且阀芯中心阻尼小孔很小，所以阀芯向上移动，使P、A相通，A口有信号输出，同时从阀芯中心阻尼小孔不断给上部气容充气，因为阀芯的上、下端作用面积不等，气容中的压力上升达到某值时，阀芯下降封闭 P、A通道，A、T相通，A口没有信号输出。这样，P口的连续信号就变成A口输出的脉冲信号。

1.2 气动压力控制阀(Pneumatic pressure control valves)
气动压力控制阀在气动系统中主要起调节、降低或稳定气源压力、控制执行元件的动作顺序、保证系统的工作安全等作用。

1.2.1 气动压力控制阀的分类
气动压力控制阀分为减压阀（调压阀）、顺序阀、安全阀等。

1.2.2 常用的气动压力控制阀
1．减压阀

减压阀是气动系统中的压力调节元件。气动系统的压缩空气一般是由压缩机将空气压缩，储存在储气罐内，然后经管路输送给气动装置使用，储气罐的压力一般比设备实际需要的压力高，并且压力波动也较大，在一般情况下，需采用减压阀来得到压力较低并且稳定的供气。

减压阀按调节压力的方式分为直动式和先导式两种。

（1）直动式减压阀

图16为直动式减压阀的结构原理。输入气流经P1 进入阀体，经阀口2节流减压后从P2口输出，输出口的压力经过阻尼孔4进入膜片室，在膜片上产生向上的推力，当出口的压力P2瞬时增高时，作用在膜片上向上的作用力增大，有部分气流经溢流口和排气口排出，同时减压阀芯在复位弹簧1的作用下向上运动，关小节流减压口，使出口压力降低；相反情况不难理解。调解手轮8就可以调节减压阀的输出压力。

采用两个弹簧调压的作用是调节的压力更稳定。

（2）先导式减压阀

如图17为某先导式减压阀的结构原理图。与直动式减压阀相比，该阀增加了由喷嘴10、挡板11、固定节流孔5及气室所组成的喷嘴挡板放大环节。当喷嘴与挡板之间的距离发生微小变化时，就会使气室中的压力发生很明显的变化，从而引起膜片6有较大的位移，去控制阀芯4的上下移动，使进气阀口3开大或关小，提高了对阀芯控制的灵敏度，也就提高了阀的稳压精度。

（3）定值器

定值器是一种高精度的减压阀，主要用于压力定值。图18为定值器的工作原理图。它由三部分组成：一是直动式减压阀的主阀部分；二是恒压降装置，相当于一定差值减压阀，主要作用是使喷嘴得到稳定的气源流量；三是喷嘴挡板装置和调压部分，起调压和压力放大作用，利用被它放大了的气压去控制主阀部分。由于定值器具有调定、比较和放大的功能，因而稳压精度高。

定值器处于非工作状态时，由气源输入的压缩空气进人A室和E室。主阀芯2在弹簧1和气源压力作用下压在截止阀座3上，使A室与B室断开。进人E室的气流经阀口（又称为活门7）进至F室，再通过节流孔5降压后，分别进人G室和D室。由于这时尚未对膜片12加力，挡板5与喷嘴4之间的间距较大，气体从喷嘴10流出时的气流阻力较小，C室及D室的气压较低，膜片8及4皆保持原始位置。进人H室的微量气体主要部分经B室通过溢流口从排气口排出；另有一部分从输出口排空。此时输出口输出压力近似为零，由喷嘴流出而排空的微量气体是维持喷嘴挡板装置工作所必须的，因其为无功耗气量，所以希望其耗气量越小越好。

定值器处于工作状态时，转动手柄14压下弹簧13并推动膜片12连同挡板11一同下移，挡板11与喷嘴10的间距缩小，气流阻力增加，使C室和D室的气压升高。膜片4在D室气压的作用下下移，将溢流阀口关闭，并向下推动主阀芯2，打开阀口，压缩空气即经 B室和H室由输出口输出。与此同时，H室压力上升并反馈到膜片12上，当膜片12所受的反馈作用力与弹簧力平衡时，定值器便输出一定压力的气体。

当输入的压力发生波动，如压力上升，若活门、进气阀芯2的开度不变，则B、F、H室气压瞬时增高，使膜片12上移，导致挡板11与喷嘴10之间的间距加大，C室和D室的气压下降。由于B室压力增高，D室压力下降，膜片4在压差的作用下向上移动，使主阀口减小，输出压力下降，直到稳定在调定压力上。此外，在输入压力上升时，E室压力和F室瞬时压力也上升，膜片8在上下压差的作用下上移，关小活门口7。由于节流作用加强，F室气压下降，始终保持节流孔5的前后压差恒定，故通过节流孔门的气体流量不变，使喷嘴挡板的灵敏度得到提高。当输入压力降低时，B室和H室的压力瞬时下降，膜片12连同挡板11由于受力平衡破坏而下移，喷嘴10与挡板11间的间距减小，C室和D室压力上升，膜片8和4下移。膜片4的下移使主阀口开度加大，B室及H室气压回升，直到与调定压力平衡为止。而膜片8下移，开大活门口，F室气压上升，始终保持节流孔5前后压差恒定。

同理，当输出压力波动时，将与输入压力波动时得到同样的调节。

由于定值器利用输出压力的反馈作用和喷嘴挡板的放大作用控制主阀，使其能对较小的压力变化作出反应，从而使输出压力得到及时调节，保持出口压力基本稳定，定值稳压精度较高。

2．顺序阀

顺序阀是根据入口处压力的大小控制阀口启闭的阀。目前应用较多的是单向顺序阀。如图19为单向顺序阀的结构原理。当气流从P1口进入时，单向阀反向关闭，压力达到顺序阀弹簧6调定值时，阀芯上移，打开P、A通道，实现顺序打开；当气流从P2口流入时，气流顶开弹簧刚度很小的单向阀，打开P2、P1通道，实现单向阀的功能。

3．安全阀

气动安全阀在系统中起安全保护作用。当系统压力超过规定值时，打开安全阀保证系统的安全。安全阀在气动系统中又称溢流阀。

其结构型式很多，这里仅

介绍几例。如图 20a为直动截止式安全阀结构原理，当压力超过弹簧的调定值时顶开截止阀口；图20b 为直动膜片式安全阀结构原理；图21为气动控制先导式安全阀的结构原理图。它是靠作用在膜片上的控制口气体的压力和进气口作用在截止阀口的压力进行比较来进行工作的。