纯气动回路的串级法设计

合肥市经贸旅游学校现代制造部电工组 洪建政

在纯气动回路设计中，对于气缸数少的回路，用经验法、状态图法设计，简单直观。但消除障碍信号过程较为繁琐、易错，特别在气缸数比较多的时候更为明显。对于多气缸回路，文章基于串级级法设计理念，结合具体案例设计，介绍纯气动回路设计法，可完成较复杂的纯气动回路设计。

纯气动系统不存在任何电气元件，这样纯气动系统在易燃易爆场所、复杂电磁环境等特殊领域有着不可替代的优越性，得到非常广泛的应用。但因为没有电气元件，要实现复杂的纯气动控制系统设计，其难度很大。纯气动系统设计一直是全国职业技能大赛液压与气动系统安装与维护项目的重点考核内容。笔者多年辅导学生参加比赛。经验证明，纯气动顺序动作控制回路设计关键之一是障碍信号的排除，同时也是难点之一，串级法容易消除障碍信号，在短时间内，可以速迅速对较复杂的纯气动控制回路进行设计。

1 用串级法转换气路

纯气动回路控制中，某个气缸的伸、缩动作由双气控换向阀控制，而双气控换向阀两个控制端不能同时供气，否则会出现故障。串级法主要是利用换向阀作为信号的转接作用，以阶梯方式按顺序连接，从而确保任一时间只有一个组信号输出，其余的组为排气状态，使主控阀两侧的控制信号不同时出现，如图1所示。

图1 串级法转换气路图

(a)、(b)、(c)分别为二、三、四级串级转换气路，I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示管路线号。每个图中只有一线（即一组）为进气状态，其他线为排气状态，是一种有规则可依的气动回路设计法。

2 串级法设计纯气动控制回路步骤

（1）回路设计时，用a、b、c、d表示气缸，用＋表气缸伸出、－表示气缸缩回。a＋表示a气缸伸出，a－表示a气缸缩回等。用a1、a0、b1、b0、c1、c0、d1、d0等分别表示与动作a＋、a－、b＋、b－、c＋、c－、d＋、d－等相对应的行程阀信号。

（2）设计回路时，按气缸动作顺序的分级，动作顺序分为n级，则要n条输出管路，记忆元件的数量则为n－1个。

（3）对气缸动作顺序进行分组时，原则是相同的英文字母不能出现在同一组内。例如a+，b+，c+，‖(c-，b-)，a-，即分为二组；‖a+，b+，‖a-，c+，b-，d+，‖d-，c-‖，即分为三组；‖a+，b+，‖b-，c+‖b+‖b-，(c-，a-)‖，即分为四组。分组的组数即是输出管路数。

（4）画出几组线即输出管路数、记忆元件、各个气缸符号及主控阀，气缸应在起始位置。

（5）输出信号靠气缸活塞杆驱动a1、a0、b1、b0、c1、c0、d1、d0等行程阀，行程阀按照动作顺序依次标示英文字母。

3 串级法设计纯气动控制回路

3.1 案例1

（1）根据图2位移-步骤图，首先对气缸A、B、C、D动作顺序进行分组，得出A+，B+，C+，D+‖(D-，C-，B-)，A-，二组即二级。

图2 位移-步骤图

（2）A缸前进，阀A1被压下，输出信号使B缸伸出，所以A1应接在B+控制线上；B缸伸出，阀B1被压下，输出信号使C缸伸出，所以B1接在C+控制线上；C缸伸出,阀C1被压下，输出信号使D缸伸出，所以C1接在D+控制线上；而A+、B+、C+、D+在第一组，A1、B1、C1的供气口应接在第I条线上。

（3）D缸伸出,阀D1被压下，输出信号要换组，使第I条线即输出管路改变为第II条线即输出管路供气，所以D1应接在二位五通换向阀左边的控制线上，D1的供气口要接在气源上。这时第I条线为排气管路，第II条线和气源接通，使D、C、B缸都缩回。

（4）第II组的B缸后退，阀B0被压下，输出信号让A缸缩回，所以B0应连到A-控制线上，B0的供气口连到第II条线上。

（5）A缸缩回，阀A0被压下，输出信号使第II条线为排气管路，第I条线为供气管路，所以A0要连到二位五通换向阀右边的控制线上。

（6）根据以上步骤，加上手动换向阀，画出纯气动控制回路图如图3所示。

图3 串级法单一循环纯气动控制回路设计

3.2 案例2

（1）根据图4位移-步骤图，首先对气缸A、B、C、D动作顺序进行分组，得出‖A+，B+，‖A-，C+，B-，D+，‖D-，C-‖，三组即三级。

图4 位移-步骤图

（2）A缸伸出，阀A1被压下，输出信号使B缸伸出，所以A1应连到B+控制线上，而A+、B+是第一组的，A1的供气口应接在第I条线上。

（3）B缸伸出，阀B1被压下，输出信号要换相，即使第I条线改变为第II条路供气，故B1应接在第一个二位五通换向阀左边的控制线上，B1的供气口要接在第I条输出管路上。

（4）此时第I条线变成排气管路，第II条线和气源相通。第II组的A缸后退，压下行程阀A0，输出的信号使C缸伸出，故A0接在C+控制线上；C缸伸出，压下行程阀C1，输出的信号使B缸缩回，故C1接在B-控制线上；B缸缩回，阀B0被压下，输出信号使D缸前进，所以B0接在D+控制线上，A0、C1、B0的供气口要连到第II条线上。

（5）D缸伸出，阀D1被压下，输出信号要换相，即使第II条线改变为第Ⅲ条线供气，故D1要接在第二个二位五通换向阀左边的控制线上，D1的供气口要接在第II条线上。

（6）此时第I、II条线为排气管路，第Ⅲ条线和气源相通，第Ⅲ组的D缸缩回，阀D0被压下，输出的信号使C缸缩回，所以D0接在C-控制线上，D0的供气口接在第Ⅲ条线上。

（7）C缸缩回，阀C0被压下，输出信号换相，使第Ⅲ条线为排气管路，第I条线为供气管路，所以C0应接在第二个位五通换向阀右边的控制线上。

（8）根据以上步骤，加上手动换向阀，画出纯气动控制回路图如图5所示。

图5 串级法单一循环纯气动控制回路设计

采用串级法设计纯气动控制回路，其优点在于设计思路清晰、回路一目了然，准确率很高，速度快。其缺点是元件比较多、搭建较困难。适用于稳定性较高的运行气动回路中。在具体设计中，应根据气缸数量多少，灵活采用设计方法。