第九章 气压传动基础知识 第一节 空气的物理性质 第二节 气体的状态变化 第三节 气体的流动规律 1 着重学习空气的有关知识 2 理解气体与液体的差异 学习建议 气压传动是以压缩空气作为工作介质进行 能量的传递和控制的一种传动形式 优点 除了具有与液压传动一样 操作控制 方便 易于实现自动控制 中远程控制 过载保 护等优点外 还具有工作介质处理方便 无介质 费用 泄漏污染环境 介质变质及补充等优势 缺点 但空气的压缩性极大的限制了气压传 动传递的功率 一般工作压力较低 0 3 1MPa 总输出力不宜大于10 40kN 且工作速度稳定 性较差 气压传动特点 应用非常广泛 尤其是轻工 食品工业 化工 n空气的组成 n气体的基本状态参数 n空气的密度 n空气的粘性 n气体的易变特性 n湿空气 第一节 空气的物理性质 一 空气的组成 q主要成分有氮气 氧气和一定量的水蒸气 q含水蒸气的空气称为湿空气 不含水蒸气的称为干空气 二 气体的基本状态参数 q温度T 体积V 压力p 热力学能 焓 熵 空 气 的 两 种 状 态 基准状态 温度为0 压力为1 013 105Pa的 干空气的状态 标准状态 温度为20 相对湿度为65 压 力为0 1MPa的空气状态 三 空气的密度 q空气的密度 q对于干空气 四 空气的粘性 q空气的粘性是空气质点相对运动时产生阻力的性质 q粘性的大小用动力粘度和运动粘度来描述 q空气的粘性随温度的升高而增大 受压力变化影响极小 五 气体的易变特性 气体的体积受压力和温度变化的影响极大 与液体和固体 相比 气体的体积是易变的 六 湿空气 所含水份的程度用湿度和含湿量来表示 湿度的表示方法有绝对湿度和相对湿度之分 含湿量分为质量含湿量和容积含湿量两种 单位质量的干空气中所混合的水蒸气的质量 单位体积的干空气中所混合的水蒸气的质量 n理想气体的状态方程 n气体状态变化过程及其规律 n气压传动系统中的快速充放气过程 第二节 气体的状态变化 一 理想气体的状态方程 q不计粘性的气体称为理想气体 空气可视为理想气体 q一定质量的理想气体在状态变化的瞬间 有如下气体状态 方程成立 pV T 常量 或 p RT 二 气体状态变化过程 等容过程等容过程 p p 1 1 T T 1 1 p p 2 2 T T 2 2 常量常量 在等容过程中 气体对外不做功 气体与外界的热在等容过程中 气体对外不做功 气体与外界的热 交换用于增加 减少 气体的热力学能 交换用于增加 减少 气体的热力学能 等压过程等压过程 V V 1 1 T T 1 1 V V 2 2 T T 2 2 常量常量 二 气体状态变化过程 等温过程等温过程 p p 1 1V V 1 1 p p2 2V V 2 2 常量常量 在等温过程中 无内能变化 加入系统的热量全部在等温过程中 无内能变化 加入系统的热量全部 变成气体所做的功 在气动系统中气缸工作 管道输变成气体所做的功 在气动系统中气缸工作 管道输 送空气等均可视为等温过程 送空气等均可视为等温过程 绝热过程绝热过程 一定质量的气体和外界没有热量交换时的状态变一定质量的气体和外界没有热量交换时的状态变 化过程叫做绝热过程 化过程叫做绝热过程 p p1 1V V1 1k k p p 2 2V V2 2k k 常量常量 式中式中 k k 为绝热指数 对空气来说为绝热指数 对空气来说 k k 1 4 1 4 气动系统中快速充 排气过程可视为绝热过程 气动系统中快速充 排气过程可视为绝热过程 三 气压传动系统中的快速充放气过程 在气动系统中向气罐 气缸 管路及其它执行机构充气在气动系统中向气罐 气缸 管路及其它执行机构充气 或由它们向外排气所需的时间及温度变化是正确利用气动 或由它们向外排气所需的时间及温度变化是正确利用气动 技术的重要问题 由于快速充 放气过程中的气体来不及与技术的重要问题 由于快速充 放气过程中的气体来不及与 外界进行能量交换 可视为绝热过程 同时 为简化分析 外界进行能量交换 可视为绝热过程 同时 为简化分析 视气罐 气缸 管道及其他执行机构为定积容器 视气罐 气缸 管道及其他执行机构为定积容器 1 1 定积容器充气过程 定积容器充气过程 在绝热充气过程中 如充入同一气体且充气前容器中的在绝热充气过程中 如充入同一气体且充气前容器中的 气体温度等于充入气体的温度且充气至气源压力 气体温度等于充入气体的温度且充气至气源压力 则充气过程伴随着温度的升高 在极限情况下 充气后则充气过程伴随着温度的升高 在极限情况下 充气后 气体的热力学温度为充气前气体热力前温度的气体的热力学温度为充气前气体热力前温度的1 41 4倍 倍 充气过程分两个阶段 充气过程分两个阶段 p 0 528p0 称为声速充气阶 段 p 0 528p0 称为亚声速充气阶段 三 气压传动系统中的快速充放气过程 2 2 定积容器放气过程 定积容器放气过程 绝热放气必然是一个降温的过程 放气终了的气体温度绝热放气必然是一个降温的过程 放气终了的气体温度 将随着压力比将随着压力比p2 p1的增大和初温的降低而降低 如果放 气容器中的气体压力足够高 起始温度又足够低 那么经 过绝热放气后 容器中的剩余气体将被冷却直至液化 放气过程也分两个阶段 放气过程也分两个阶段 p 1 893pa 称为声速放气 阶段 p 1 893pa 称为亚声速放气阶段 n气体流动的基本方程 n声速和马赫数 n气体通过收缩喷嘴的流动 n气动元件和管道的有效截面积A 第三节 气体的流动规律 一 气体流动的基本方程 n气体流动基本方程 q连续性方程 1v1A1 2v2A2 注意 1 2 q伯努利方程 n因气体可以压缩 常数 又因气体流动很快 来不及与 周围环境进行热交换 按绝热状态计算 则有 v2 2 gz kp k 1 ghw 常数 n因气体粘度小 不考虑摩擦阻力和位置高度的影响 则有 v2 2 kp k 1 常数 在低速流动时 气体可认为是不可压缩的 常数 则有 v2 2 p 常数 q动量方程 vdv dp 0 二 声速和马赫数 q声音引起的波称为 声波 声波在介质中的传播速度称 为声速 声音传播过程属绝热过程 对理想气体来说 声 音在其中传播的相对速度只与气体的温度有关 气体的声 速c 是随气体状态参数的变化而变化的 q气流速度与当地声速 c 341m s 之比称为马赫数 Ma v c Ma 是气体流动的一个重要参数 集中反映了气流 的压缩性 Ma愈大 气流密度变化越大 当v c Ma 1时 称为亚声速流动 当v c Ma 1时 称为声速流动 也叫临界状态流动 当v c Ma 1时 称为超声速流动 当v 50m s 时 不必考虑压缩性 当v 140m s 时 应考虑压缩性 在气动装置中 气体流动速度较低 且经过压缩 可以认为不可 压缩 自由气体经空压机压缩的过程中是可压缩的 三 气体通过收缩喷嘴的流动 v1 v2 v1v2 v2 v1 v2 v1 v1 v2 v1v2 v2v1 在超声速流动时 Ma 1 在亚声速流动时 Ma 1 四 气动元件和管道的有效截面积 气动元件的通流能力 是指单位时间内通过阀 管路等的气体质 量 目前通流能力可以采用有效截面积S 和质量流量q 表示 n有效截面积 q由于实际流体存在粘性 流速的收缩比节流孔实际面积小 此最小截面积称为有效截面积 它代表了节流孔的通流能力 q有效截面积的简化计算 n对于阀口或管路 S A 为收缩系数 由相关图查出 A 为孔口实际面积 多个元件组合后有效截面积的计算 并联元件 SR Si 串联元件 1 SR2 1 Si2 第十章 气源装置及气动元件 第一节 气源装置 第二节 气动执行元件 第三节 气动控制阀 第四节 气动辅件 第五节 真空元件 第六节 气动逻辑元件 第七节 气动传感器及气动仪表 n气动系统由下面几种元件及装置组成 q气源装置 压缩空气的发生装置以及压缩空气的存贮 净化的辅助装置 它为系统提供合乎质量要求的压缩空 气 q执行元件 将气体压力能转换成机械能并完成做功动作 的元件 如气缸 气马达 q控制元件 控制气体压力 流量及运动方向的元件 如 各种阀类 能完成一定逻辑功能的元件 即气动逻辑元 件 感测 转换 处理气动信号的元器件 如气动传感 器及信号处理装置 q气动辅件 气动系统中的辅助元件 如消声器 管道 接头等 气源装置 n气源装置为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气 是气动系统的重要组成部分 n气动系统对压缩空气的主要要求 具有一定压力和流量 并具有一定的净化程度 n气源装置由以下四部分组成 q气压发生装置 空气压缩机 q净化 贮存压缩空气的装置和设备 q管道系统 q气动三大件 气压发生装置 空气压缩机将机械能转化为气体的压力能 供气动机械使用 空气压缩机的分类 分容积型和速度型 常用往复式容积型压缩机 一般空压机为中压 额定排气 压力1MPa 低压空压机排气压力0 2MPa 高压空压机排气压力10MPa 空压机的选用原则 依据是气动系统所需要的工作压力和流 量两个参数 压缩空气的净化装置和设备 必须要设置除油 除水 除尘 并使压缩空气干燥的提高压 缩空气质量 进行气源净化处理的辅助设备 压缩空气净化设备 一般包括后冷却器 油水分离器 贮气罐 干燥器 后冷却器 将空气压缩机排出具 有140 170 的压缩空气降至 40 50 压缩空气中的油雾 和水气亦凝析出来 冷却方式有水 冷和气冷式两种 油水分离器 主要利 用回转离心 撞击 水 浴等方法使水滴 油滴 及其他杂质颗粒从压缩 空气中分离出来 n贮气罐的主要作用是贮存 一定数量的压缩空气 减 少气流脉动 减弱气流脉 动引起的管道振动 进一 步分离压缩空气的水分和 油分 干燥器的作用是进一步除去压缩 空气中含有的水分 油分 颗粒杂 质等 使压缩空气干燥 用于对气 源质量要求较高的气动装置 气动 仪表等 主要采用吸附 离心 机 械降水及冷冻等方法 管道系统和气动三大件 气动三大件 分水过滤 器 减压阀 油雾器 管道系统布置原则 气动三大件 气动三大件是压缩空气质量的最后保证 分水过滤器 作用是除去空气中的灰尘 杂质 并将空气中的水分分离出来 原理 回转离心 撞击 性能指标 过滤度 水分离率 滤灰效 率 流量特性 油雾器 特殊的注油装置 原理 当压缩空气流过时 它将润滑油 喷射成雾状 随压缩空气流入需要的润 滑部件 达到润滑的目的 性能指标 流量特性 起雾油量 减压阀 起减压和稳压作用 气动三大件的安装连接次序 分水过滤器 减压阀 油雾器 多数情况下 三件组 合使用 也可以少于三件 只用一件或两 件 气动辅件 n消声器 q气缸 气阀等工作时排气速度较高 气体体积急剧膨胀 会产生刺耳的噪声 噪声的强弱随排气的速度 排气量和 空气通道的形状而变化 排气的速度和功率越大 噪声也 越大 一般可达100 120dB 为了降低噪声在排气口要 装设消声器 q消声器是通过阻尼或增加排气面积来降低排气的速度和功 率 从而降低噪声的 q消声器的类型 吸收型 膨胀干涉型 膨胀干涉吸收性 n管道连接件 包括管子和各种管接头 q管子可分为硬管和软管 一些固定不动的 不需要经常装拆的地 方使用硬管 连接运动部件 希望装拆方便的管路用软管 常用的是 紫铜管和尼龙管 q管接头分为卡套式 扩口螺纹式 卡箍式 插入快换式等 气动执行元件 气动执行元件是将压缩空气的压力能转换为机械能的装置 包括气缸 和气马达 实现直线运动和做功的是气缸 实现旋转运动和做功的是气马 达 气缸的速度 在运动过程中气缸活塞的速度是变化的 通常说气缸速 度是指活塞平均速度 气缸的理论输出力 其计算公式与液压缸相同 气缸的效率和负载率 气缸实际所能输出的力受摩擦力的影响 其影响程度用气 缸效率 表示 与缸径D和工作压力p有关 D增大 p提高 增大 一般在0 7 0 95之间 气缸的耗气量 指气缸在往复运动时所消耗的压缩空气量 其大小与气缸 性能无关 是选择空压机排量的重要依据 气缸的工作特性 气马达 气动马达