Air Quality is the Guarantee of Pneumatic Actuator Trouble-free Operation

Abstract: Analysing the root cause of air quality problem and caused failure on pneumatic actuator. Investigating the air pressure and quality requirements of pneumatic actuators for industrial automation.

Keywords: air quality,pneumatic actuator;air filter regulator, Air compressor

Author: Tang Qinbin,  Dalian Maxonic Electric Apparatus Co.,Ltd,  Liaoning,China

i气动执行机构是以压缩空气作为动力源，驱动机构作直行程或角行程运动。具有结构简单、坚固耐用、速度快、行程长、过载安全、防爆等优点。气动执行机构出现故障百分之八十是由于气源问题产生的。空压机输出的压缩空气中含有大量的水分、油和粉尘等污染物，传输管道中也含有粉尘、铁锈等污染物。这些污染物对气动执行机构的正常运行造成了巨大威胁。通常气源生产系统都设有气源处理设备，用气设备终端处也设置过滤器、减压阀等设备。气源质量的好坏很大程度上影响了气动执行机构的故障率。

i一、气源质量问题所产生的影响

气动执行机构***常见的故障是加信号后不动作，没有响应。然而引起这种现象的可能性很多，可能是因为无工作气源或气源压力太低，可能是电气转换器（I/P）、电磁阀或定位器等换向定位原件故障、也可能是气缸活塞内漏等原因。维护人员需要根据控制回路的配置耐心排查，***终确定问题点。

压缩空气推动活塞在缸筒内移动，活塞和缸筒之间、活塞杆和前端盖之间、缸筒和端盖之间分别设有密封圈。气源中含有过多的水分和油分，会洗掉气缸内壁及活塞上的润滑脂，使气缸动作不畅，加速密封圈的磨损和老化。如果气源中含有大颗粒的粉尘，会划伤气缸内壁或损伤密封圈，造成气缸活塞漏气，输出推力变小。

电气转换器（I/P）故障表现为输入信号和气源均正常，而输出信号不准或不变化。电气转换器的原理如图1所示，在电气转换器内部有一个线圈（2），当电流信号送入线圈后，在内部永磁铁（4）的作用下，带动挡板（5）接近（或远离）喷嘴（6），引起喷嘴背压增加（或减少），此背压作用在膜片(m)上，与输出压力相平衡。从而实现输入信号与输出压力成一一对应的比例关系。即输入信号从4mA改变到20mA时，转换器的输出压力从0.2～1bar变化。电气转换器故障，多数情况是因为气源质量问题，造成喷嘴堵塞。处理办法是使用压缩空气吹扫并疏通喷嘴挡板。 

电气转换器（I/P）原理图

定位器或电磁阀故障导致气动执行机构不动作，是由于滑阀芯被卡住，不能移动引起的。为了金属硬密封和降低静态耗气量，滑阀的设计和加工要求非常***，滑阀芯和滑阀套之间的间隙通常只有0.01~0.02mm。如果气源质量不好或者设备安装阶段没有充分吹扫管路，会引起滑阀芯被卡住，滑阀不能切换气路，定位器或电磁阀就不能正常工作了。通常的处理办法是，将滑阀芯取出，用布将滑阀芯搽拭干净，使用压缩空气将滑阀套吹扫干净，重新安装即可。

气源质量不好会使气缸密封圈损伤或老化，润滑脂失效，导致气缸前后腔室串气，气缸端盖和缸筒漏气。表现为气缸出力不足甚至不动作。处理办法只能是更换密封圈和润滑脂。

二、气源质量问题的根源

从空压机输出的压缩空气中含有大量的水分、油和粉尘等污染物。

压缩空气中的水分是湿空气被压缩后压力露点上升，温度下降后冷凝析出的。水分会造成气源管道及气动元器件腐蚀生锈；会使润滑油润滑脂变质或冲掉润滑油润滑脂；冬季水分会结冰，造成元器件动作不良。管道底部滞留水分会造成流量不足，压力损失增大。水分的清除方法是在空压机后安装冷凝器和分离器或干燥器，水平管道安装时设置一定的斜度，在低端安装排水阀。

压缩空气中的油分是空压机工作过程中的润滑油以油雾状混入压缩空气中，随压缩空气一起送出。油分会造成密封圈硬化，摩擦力变大，摩擦面磨损，空气泄漏量增大；会使喷嘴挡板的节流孔堵塞。含油的压缩空气排到大气中会造成环境污染。油分的清除方法是在空压机出气口安装油雾分离器，在进入气动装置前再用油雾分离器进行过滤，定期更换过滤器滤芯。

压缩空气中的粉尘固体颗粒来自空压机吸入的有粉尘空气和传输管道。粉尘流入气动装置，会造成气动元件相对运动件磨损和卡死，滑阀动作失灵和不能换向；会加速密封件损伤，导致漏气；会使喷嘴挡板的节流孔堵塞等。粉尘的排除方法是在压缩机吸气口安装空气过滤器，进入气动装置前再用空气过滤器过滤，定期对过滤器进行清洗或更换。安装接管前，需充分吹扫管道。

三、工业自动化气动执行机构对气源的要求

工业自动化气动执行机构以活塞式气缸为主，配以定位器、电磁阀等气动控制元件。综合考虑气动元件、生产过程和产品、环境等因素对气源的要求如下：

3.1、压力范围：

国家标准规定，仪表输入端的气源压力公称值为1.4、2.6、3.5、5.5、7 bar。通常气缸的***高使用压力为10 bar，多数气动元件的***高使用压力为7 bar。为了提高气动执行机构的工作效率，工业自动化气动执行机构输入端气源压力为7 bar，允许波动范围为其公称值的±10%。气动执行机构输入端通常设置过滤减压阀来进行减压和稳压。

3.2、气源质量：

气源中水蒸汽含量是以压力露点来表示。在线压力下的气源露点应为环境温度下限值至少低10℃。对于气候非常寒冷的地区，可以设置加热器来调节设备周围温度。气源中含粉尘微粒直径不应大于5 μm，***大浓度不大于5 mg／m3。气源中油分含量不应大于1 mg／m3。

气源问题会使气动执行机构的可靠性和使用寿命大大降低。国际标准组织（ISO）所属压缩机、气动机械及工具委员会（TC118）在1986年提出了关于压缩空气质量的国际标准ISO8573.1。我国等同采用了该标准，即国家标准GB/T13277－91《一般用压缩空气质量等级》。只要气源质量符合标准，气动执行机构的使用寿命可达十几年，故障率非常低，甚至免维护。