以下是一个使用实例：用10台3，600kW 的空气压缩机供给铸造、锻造、机械加工、装配和检查的各生产线。原来已经实施低压化的压力为0.63MPa，现使用增压阀后降低到0.57MPa。从而使空气压缩机的耗电量下降6%。 在广泛使用伺服传动机构的今日，气动系统仍然不失为是一种使用方便的传动装置。当然气动系统的性能也需不断改善，才能满足新的使用要求。本文介绍是有关的节能方面的技术。
气动系统
压缩空气时的课题
向气动装置供给压缩空气的工作几乎都由空气压缩机承担。大多数压缩机排出的空气压力在0.7-1.0MPa范围之内。压缩机由电系统、机械系统和热系统构成，各部份都可能发生能量损失。通常，大型压缩机的效率较高，可达到80%。小型压缩机的效率只有60%。今后对压缩机的要求不但是流量大、噪声低、振动小和压缩空气质量好，更重要的是效率高。为此必须探索一种效率*高的运转条件。
供给压缩空气时的课题
通常，压缩机被设置在离开工场一定距离的地方，所以必须设置管道将压缩空气送到工场中。如果管道很长，则管道的摩擦损失就大，还有发生管道泄漏的危险，必须留意。
类似用高电压送电可减少线路损耗一样，用高压输送压缩空气，也可以减少管道中的损耗。因为即使将空气的压力从0.1MPa提高到4MPa,在同样温度条件下的粘度只增加5%，所以在相同管道中压缩空气的摩擦损失降低到原来的1/40。不过这时管道的漏气量则上升到原来的6倍。为此，在用高压输送压缩空气时，需注意减少管道的漏气损失。
除了上述各种问题之外，还有正确设置阀门与传动装置以及将排出的气体再次利用等节省能量的种种课题。
可节省能量的小型往复式空气压缩机
据统计，空气压缩机的耗电量占工场总耗电量的20-40%。为了节省电力的消耗，现在开发了一种容量为0.75-11Kw的节能式通用小型往复式空气压缩机。下面对它的节能特点作一介绍，以供参考。
两级式压缩机
压缩空气所耗费的能量全部转化为热，使空气的温度上升。从压缩机中排出气体的温度Td(℃)可由下式求得：
式中：Td --吸入空气的**温度，即20℃+273;
Ps --吸入空气的**压力，即测量压力+0.1033(MPa);
Pd --排出空气的**压力，即测量压力+0.1033(MPa);
m --压缩级数，可以是1、2或3；
k --比热比，空气的比热比=1.4。
由式中可以看出，压缩级数多，则可以降低排出空气的温度Td(℃)，所以新闻发的小型空气压缩机采用两级式压缩。
在考虑节省能量时，通常是以动力原单位作为指标，即生成1m³压缩空气所消耗的电能（kWh）。它从下式可以算出：
动力原单位(kWh/m³）= 压缩机动力（kW）
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空气量（m³/h ）
从理论上说，压缩级数对动力原单位也有很大影响。通常*大输出压力为1.0MPa 的小型往复压缩机的压缩级数，1级和2级均可使用。但从总体来看，采用2级压缩对节省能量较为有利。表1所示是旧型号1级压缩与新型号2级压缩的对比。
表1 功率为7.5kW压缩机新旧型号对比
项 目 旧 型 号 新 型 号
功 率 7.5kW 7.5kW
压缩级数 1 1级,ø90mm×2
活塞直径及数量 1级，ø90mm×3 2级,ø70mm×1
中间压力 -
0.22MPa
*高压力 0.98MPa
1.0MPa
排出气体温度 170℃
1级出口115℃
2级入口 65℃
3级出口145℃
排出空气量 0.817m³/min
0.853m³/min
注：压缩机规格为1.0MPa,吸入空气温度为20℃。
旧型号是采用完全保温发热而散热极少的隔热压缩，新型号是用中间冷却器对1级压缩送出的空气进行冷却之后（即表1中从温度115℃下降到65℃）再送入2级压缩机构中。从理论上讲，这两种方式所需动力有很大差异。不过增加中间冷却器之后，使压缩机成本上升。
由表中的排出空气量可以计算出旧型号每小时排出空气量为49.02m³/h，新型号为51.18m³/h 。再从功率和排出空气量计算出各自的动力原单位。旧型号为0.153kWh/m³。新型号为0.146kWh/m³。由此可知，新型号每小时可节省电力0.007kWh/m³×49m³/h=0.343kW,有很好的经济效益。
空气压缩机的控制技术
改进小型往复式空气压缩机的控制技术也可以节省能量。
压力开关式
这是一种由压力开关在一定的压力范围内反复控制压缩机停止运转和再起动，它适合继续使用压缩空气的场合。在不使用压缩空气时，由压力开关的动作使压缩机自动停止运转，所以有节省能源的效果。不过在再起动时就要耗费较多的电力。如果再起动的次数很多，就会缩短空气压缩机的使用寿命。
自动卸载式
在一定动作的压力范围内，由自动卸载装置控制压缩机作有负荷运转或无负荷运转。这种方式适合在长时间连续使用压缩空气或大量使用压缩空气的条件下应用。这种方式是当压力超过设定值时，运转着的压缩机就不会像原来那样使压力上升，而是要受限制。这样的电力消耗量就比较低。由于它并不停机，所以不存在再起动时消耗电力多的问题。但在非压缩时的节省能量效果比停止时的效果差，这是无可避免的。
自动卸载的种类很多，其中由螺旋弹簧直接挤压吸气阀形成无负载状态的节省量效果*佳。
人工双重控制式
这是可对压缩机实施压力开关或自动卸载控制，由人工按照节省能源的*适宜状态进行选用，在操作箱中专门设置了上述两种方式的切换开关。
自动双重控制式
这种方式是由设置在压缩机中的微机按照检测所得的使用压缩空气量，自动选择*经济的运转状态来节省能量。
节省能量的摆动传动装置
所谓摆动传动装置是一种可作回转往复运动的气动系统。用它可对物体进行移动、翻转、分类和夹紧，也可以放在机械手的端部使用，用途广泛。
摆动传动装置可分为叶轮式、齿条齿轮式、杠杆式和螺旋式等四种类型。其中叶轮式是由气压直接驱动叶轮回转实施摆动运动。其他三种类型都是在内部安装气缸和活塞，并由各自的特殊机构将活塞的直线运动转换成摆动运动。与其他方式相比，叶轮式具有体积小和效率高的特点。它的缺点是内部安装缓冲器较为困难。其他三种方式适用于大型机构。如果机械设计得恰当，则摆动角度可达360° 。同样，在内部也可以安装缓冲器。
下面以叶轮式为例作一介绍。
叶轮式摆动传动装置
这种装置可以按输出扭矩和结构形式进行分类。按结构可分为单叶轮和双叶轮两类。
基本结构
这种装置由壳、叶轮轴、闸瓦、闸瓦密封垫、轴承、O形圈和紧固螺钉等各种零件构成。外壳分为前后两部份，由紧固螺钉将它们固定在一起。作为接受气压部件的叶轮和将回转动力向外输送的轴形成一个整体，称叶轮轴。它由轴承支承，两端用O形圈密封。外壳内的闸瓦则由闸瓦密封垫进行密封。
动作原理剖释
单叶轮式
这种型式是从闸瓦一侧的进气口向内室供给压缩空气。在压缩空气挤压叶轮的作用下带动叶轮轴回转，向外输出扭矩。空气则从闸瓦另一侧的排气口排出。
双叶轮式
这种型式是从闸瓦一侧进气口进入的压缩空气在对叶轮一边挤压的同时，再通过设置在轴上的通路对叶轮的另一侧进行挤压。即可以输出由两只叶轮回转轴所形成的扭矩。空气通过叶轮之后即从内室排出，并通过另一通道进入排气管道。
由于双叶轮式是用两只叶轮回转轴，所以输出的扭矩是单叶轮式的2倍。
装置的特性
输出
这种传动装置的输出用扭矩来衡量。理论上扭矩是作用于叶轮的力和回转半径的积分值。但这是一个忽略了密封摩擦阻抗等因素的值，在摩擦阻抗影响下实际输出的扭矩称为实效扭矩。它与理论扭矩方比是扭矩效率。通常在产品说明中标注的是实效扭矩。
摆动时间
所谓摆动时间是相对于一个摆动角（例如90°）的动作时间。在产品说明中规定了摆动时间的范围和容许摆动速度的大致标准。
与气缸相比，因这种传动装置的内部容积小，所以较难以控制速度。当以超过*长摆动时间的低速使用时，因发生爬行现象而不能平稳地动作。为此以使用适合于低速控制的气动-液压装置为宜。相反，如果是以小于*短摆动时间的高速使用时，那么叶轮的外周就会以超过规定数值（例如500mm/s)的高速滑动。因发热等原因使密封件发生异常摩损，缩短使用寿命。
容许能量
当负载的惯性能量超过轴的容许能量时，轴会出现折损。为此，当发生上述现象时，应采取以下的措施。
* 加大传动装置的尺寸，增大容许能量值。
* 降低摆动速度，减小惯性能量。
* 设置外部缓冲装置，吸收部份惯性能量，使施加于轴的冲击（能量）
小于容许能量。
液压缓冲器
这是一种当发生过大的负载惯性能量时，用于在摆动端吸收冲击（能量）的设备。摆动传动装置中通常设置专用的小型油压式冲击减震器。使用这种缓冲器之后，可以扩大摆动传动装置的使用范围。
减少装置的耗气量
摆动传动装置动作的耗气量可从挤压叶轮的容积和送气管道容积等求得。通常为了减少耗气量，可采用缩小内部容积或降低使用压力等措施，并应适当延长摆动时间。
缩小内部容积
* 利用**的特性图：这是预先利用负载质量、形状、所使用的力及摆
动时间 特性图，选择*适宜的机种、控制方式和管道的组成方式。
选用容量非常接近所需值的机种来节省能源。
* 对过大惯性能量采取的相应措施：通常对于大惯性能量要选用大型装
置，但这也可以采用变更负载质量和形状的方法来减小惯性能量，或
者是用降低摆动速度和设置外部缓冲装置的方式使其可选用小型机
种。
* 缩小管道容积：这是通过缩小从控制器到装置的管道内容积来节省能
量，即在保持管道直径不变的条件下缩短长度。
低压化
* 核对始动压力：当用较低压力的空气可以动作时，就尽量选用始动压
力较低的装置。不过一般装置在经长时间放置后，滑动部分密封件发
生粘附而需要较大的始动压力。现在开发的新型摆动传动装置因使用
了特种密封件，即使经过长时间放置也只要很低的始动压力，且泄漏
也很小。经试验证明，放置12小时之后的始动压力仍在0.2MPa以下，
效果不错。
* 设置增压器：通常设置增压器之后可将原来0.4MPa的压力提高到
0.7MPa，就可提供较高的始动压力。
低速化
采用低速可减少*大耗气量,所以应根据气动传动装置所需的*慢速度来选择机种。以达到节省能量的目的。
采用节省能源的回路
在这类气动回路中有推力变换回路,在工作时它向回转一边供给使用压力,向回转的反方向供给较低压力来减少耗气量。
另一种是降低背压的回路。这是在驱动传动装置时,预先用急速排气阀排气降低背压。这样只要供给较低压力的空气即可动作。
还有一种是利用背压的回路。当装置动作时要向大气排放压缩空气(背压),现在将这种压缩空气供给进气口就可以减少用于提高空气压力所消耗的能量。
使电磁阀节省能量的方法
气动系统节省能量是一个范围很广的课题,其中使电磁阀节省能量也是一个重要的环节。
实际上,关于电磁阀的小型化和节省能量的工作在很早以前就开始了。20世纪60年代,汽车行业中作为金属密封直动滑阀的电磁阀功率30-40W。当时作为小型电磁阀的弹性体提动结构直动阀的功率为15W,质量为300g。70年代,电磁阀中的驱动元件大都使用继电器,消耗功率降低到5W,质量降低到190g。其后,80年代又将功率降低到 1.5W,质量降低到57g。90年代则达到0.5W和15g。即使这样,还可以对电磁阀采取节省能量的措施以争取更佳经济效益。
电磁阀线圈的节省电能
电磁阀线圈按照所需吸引力吸动衔铁，以及在吸附后保持吸附状态的过程中需要电力来产生磁场。在开始吸动时，由于可动衔铁与固定衔铁之间有较大的空气隙，而需由瞬间的大电力产生磁场才能产生所需的吸引力。吸附后两衔铁之间的空气隙几乎接近于零，所以只需要吸动时1/2或1/3的电力即可保持吸附状态。如果对线圈在吸动和保持时都施加相同的电力，那就造成浪费。现在用一个回路来减少保持衔铁吸附状态时对线圈所施加的电力，就可以节省电能。
该电路的基本原理是利用电容器C的充放电时间切换晶体管Tr1和Tr2，用时间来控制流入线圈的电流。在电磁阀开始工作，由线圈磁场吸动衔铁时,Tr1控制流入线圈中的电流使功率达到3.2W。吸附后则由Tr2控制流入线圈中的电流使功率下降到1.1W。这样就减少了电力的消耗。与此同时，由于减少了电力消耗而降低了向四处散发的热量，提高了电磁阀及其附近部件的可靠性。
减少电磁阀切换时的压缩空气损失
在气动系统中，电磁阀是作为控制气缸等传动装置动作的方向阀使用。本来，传动装置的驱动源只要对它提供必要量的压缩空气即可，但实际上有一定量的压缩空气被浪费。这主要是由电磁阀主阀部份的结构造成的。
电磁阀主阀部份按结构分类有提动型、膜片型、滑阀型和滑动型。按密材料分类有弹性体密封件和金属密封件。按电磁阀自身的操作方法分类有直接动作阀和间接动作阀等。上述各种类型都有各自的优缺点，现在使用量*多的是滑阀。滑阀有金属阀柱和软性阀柱两种类型。它们泄漏的性能不一样。
金属阀柱的密封件因与金属接触，所以在阀柱与套管之间有间隙。一般状态的漏气量为100cm³/min 。而软性阀柱因使用弹性体密封材料，所以电磁阀在通、断状态时的密封性能很好。但弹性体密封件也有缺点，即在电磁阀作切换动作时呈中性状态，所以在每次动作时要空耗一定量的气体。
现在主阀体的结构已有改进。在切换时，原来密封圈尚未失去密封作用前，另一只密封圈已经进入密封状态，这样在每次切换时就不再浪费气体。本来这种无中性结构只在大型阀中使用，近几年由于对实施小型化和大流量，所以中、小型阀也开始采用这种结构。
用增压阀节省能量
除了以往所使用的各种气动系统节省能量的方法之外，近来又开发了用增压阀节省能量的方法。
结构和动作原理
增压阀是由一对气缸、活塞和单向阀构成泵的一部份。由活塞的往复动作来切换阀门，所以是一种由控制输出压力来调整阀门方式构成的容积型往复式活塞泵。
气缸内侧是增压室。对交替地流入的空气增压之后再送出。气缸外侧是驱动室。它由与活塞行程联动的动作切换阀门，对交替进入的空气反复进行供气和排气。这样，在空气的出口处可以边续地获得由活塞往复运动进行增压的空气。增压后的空气压力可以达到输入时的2倍。往复动作则由力平衡自动停止。对输出空气压力的控制是由负责反馈输出压力的增压调整阀控制供给驱动室压力来实现。当输出压力低于设定值时，调整阀打开，并按照与设定差距相适应的速度进行往复动作。当达到设定值时，调整阀关闭，切断向驱动室供给压力的通路，阀门自动停止运转。
性能
一般增压阀输出的空气压力是输入的2倍，但此压力将随输出流量的加大而下降。为了在输出流量增大时仍能保持原来的压力，则需要提高往复动作的频率，目的是要通过动作频率保证使驱动室和通路的整个容积中充满空气。由于增长率压阀也要消耗一定量的空气，所以所供给的空气应是使用量的1.2倍。
以下是一个使用实例：用10台3，600kW 的空气压缩机供给铸造、锻造、机械加工、装配和检查的各生产线。原来已经实施低压化的压力为0.63MPa，现使用增压阀后降低到0.57MPa。从而使空气压缩机的耗电量下降6%。
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