气液压传动与控制技术02

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1、流体传动与控制技术气动基础知识第 6 页 共 179 页第 2 章 气动基础知识2.1 气动技术常用单位换算在气动技术中，基本计量单位有长度 l/ (米 m)、质量 m/（公斤 kg） 、时间 t/（秒 s） 、力 F/（牛顿 N） 、容积 V/（立方米 m3） 。常见的其它计量单位有流量、压力、温度、力矩功及功率。各换算关系如表 2.1 所示：表 2.1 单位换算表米（m） 英寸（in） 英尺（ft） 码（yd）1 39.371 3.2809 1.09360.0254 1 0.0833 0.02770.3048 12 1 0.3333一、长度（Length）0.9144 36 3 1公斤（k

2、g） 磅（lb） (英)吨 ton (美)吨 ton (公)吨 tonne1 2.2046 0.00098 0.0011 00010.4536 1 0.000445 0.0005 0.00051016 2240 1 1.1199 1.016907.2 2000 0.8929 1 0.9072二、质量(Mass)1000 2204.6 0.9842 1.1023 1立方米（m 3） 升（dm 3或l） 立方英尺（ft 3）（英）加仑（gal） （美）加仑（gal）1 1000 35.317 220 264.20001 1 35.3147 0.22 0.26420.02832 28.315 l 6

3、.2293 7.48080.00455 4.5455 0.1605 1 1.2009三、容积(Volume)0.003785 3.7851 0.1336 0.8327 1平方米（m 2） 平方英寸（in 2） 平方英尺（ft 2） 平方码（yd 2）四、面积（Area） 1 1550 10.7639 1.1960牛顿(N) 千克力（Kgf） 磅力（lbf） 吨力(tf)五、重量或力(Force) 9.80665 1 2.20462 0.001六、压力(Pressure)每平方厘米千克力（kgfcm 2）标准大气压（atm）每平方英寸磅力lb/in2(psi)巴bar兆帕斯卡MPa(MN/m2)

4、内容提要本章介绍了气动技术的常用计量单位及换算关系、气缸出力的相关计算及空气消耗量的相关计算，列出了理想气体的状 态方程。 详细论述了 压力的表示方法与使用方法、气阻及有效断面积的计 算与换算。最后介 绍了干空气与湿空气的基本概念、相对湿度与含湿量的概念、常压 露点与压力露点的概念及空气的 质量等级。本章的 这些基本知识，将在本书第 1 篇后述的各章中逐步得到 应用。流体传动与控制技术气动基础知识第 7 页 共 179 页l 0.9675 14.2233 0.9807 0.098071.0336 1 14.7011 1.0133 0.101330.0703 0.0680 1 0.06895 0

5、.0068951.0197 0.9869 14.5038 1 0.110.197 9.8687 145.038 10 1每小时立方米（m 3hr）每分钟立方米（m 3min）每分钟升（lmin）每小时立方英尺（ft 3/hr）每分钟立方英尺(ft3/min)1 0.0167 16.6667 35.3333 0.588960 1 1000 2120 35.33330.06 0.001 1 2.12 0.035330.0283 0.0004717 0.4717 1 0.0167七、流量(Flow)1.6980 0.0283 28.3 60 1摄氏度（） 华氏度（） 绝对温度（K）X = X9/5+

6、32 K= X273.15八温度（temperature）= (X-32)5/9 X K= (X-32)5/9+273.15在 ISO 标准中压力的单位为帕斯卡（Pa） ，由于 1Pa=1N/m2， 这个单位非常小，为了避免很大的数字，常用 0.1MPa(lbar)为压力单位。在工程上有时也使用老的公制单位 kgfcm 2以满足实际需要。在物理学中压力用绝对压力表示，即相对于绝对真空的压力。而在工程上为方便，采用相对压力，也称为表压（GA） ，即高于大气压的那部分压力。而在真空技术中，也使用相对压力，即真空度（Torr）来表示低于大气压的压力。在图2.1 中以标准大气压（1013mbar）作为

7、基准，列出了压力的各种表示方法。标准大气压不是lbar，而是 1.013bar。如在图 2.1 中，真空度为-532torr，换算为毫巴应为-709(-5321013/760)毫巴，但在常规的气动计算时，可取标准大气压为 lbar，即-532torr700mbar。这个差别也可以忽略。2.2 气动技术基本公式及计算2.2.1 基本公式与计量单位(1) 力(Force): （ ） ； （21）amF2smkgN(1) 重量(weight)： （ ） ； （22）gG(2) 压力(Pressure)： ( )； （23）Ap2P(3) 密度： （ ） （24）V3/mk图 2.1 气动技术中所示用

8、的压力单位流体传动与控制技术气动基础知识第 8 页 共 179 页(4) 流量公式： （ ） （25）vAQVsm23单位时间内通过某截面的流体量称为流量。如流体量以体积度量，称为体积流量，用 QV表示。如果流体量以质量度量，则称为质量流量，用 Qm表示。本书中的流量，如无特殊说明，均为体积流量，体积流量为管路截面积与流速之乘积，如图 2.2 所示。(5) 自由空气的体积流量： （26）Tpaa为自由空气下的体积流量。该公式为我们把在一定温度、一定压力作用下的气体流a量转换为在统一标准的自由空气下的体积流量提供了计算方法。在选择空压机、气动三联件及各种样本说明书中所提到的流量、额定流量,都是指

9、自由空气的体积流量。只有在共同的压力标准下评价气体流量的大小才有意义。自由空气状态下单位时间内的体积流量,可用表示。也可写成 Nl/min。min/32.2.2 气缸的相关计算 1 气缸活塞受力面积计算：无杆腔： （m 2） 有杆腔： （27）4DA42)dD(A式中 D 为气缸内径(m)；d 为活塞杆直径。2 气缸的理论出力计算：（N） （28） pAFt式中 p 为压力（Pa）3 气缸的实际负载力计算：负载力是选择气缸的重要因素，常见的几种负载力的计算如表 2.2 所示。表 2.2 负载状态与负载力提升 夹紧 水平滚动 水平滑动负载状态图 2.2 流体的流量计算的连续性原理流体传动与控制技

10、术气动基础知识第 9 页 共 179 页负载力FL=W FL=K(夹紧力)FLW,取摩擦系数=0.1O.4FLW,取摩擦系数=0.2O.84. 缸的负载率 计算：由于气缸的实际输出力难以精确计算，通常在分析气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。气缸的负载率 定义为（29）%Ft10、气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率 ，则由定义就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。气缸负载率 的选取与气缸的负载性能、安装工况及气缸的运动速度有关。对于阻性负载，如气缸用作气动夹具，负载不产生惯性力，一般选取负载率 为 0.8；对于惯性负载，如气缸用来推送工件，负载将产生

11、惯性力，负载率目的取值如下：0.65 当气缸低速运动， v 500 mms 时。 （212）5. 机械效率 计算：气缸的效率一般在 0.70.95 之间，具体数值与气缸缸径 D 和工作压力 p 有关。当缸径增大，工作压力 p 提高时，摩擦力在理论输出力中所占的比例明显减小，机械效率提高。6. 气缸的输出力计算 ：(1) 单作用式气缸输出推力： (2-13)、SKLmafApF01式中 p1为作用于活塞上的压力；A 1为活塞的工作面积； f 为摩擦阻力；m 为运动构件质量；a 为运动构件加速度；L 0为活塞位移 L 和弹簧预压缩量的总和；K S为弹簧刚度。在一般的计算过程中，单作用气缸的输出推力

12、可按简化式计算：(2-14)p(S01式中 为气缸的机械效率。(2)双作用式气缸输出推力： (2-15)、mafApF21式中 p1、p2 为输入侧与输出侧的气压，A 1、A 2为输入侧与输出侧的活塞有效面积；其余符号意义同式（213） 。在一般的计算过程中，双作用气缸的输出推力可按简化式计算：(2-16)p(21式中 为气缸的机械效率，其余符号意义同式（215） 。7. 气缸缸径的选择计算 ：气缸缸径的设计计算需根据其负载力大小、运行速度和系统工作压力来决定。其计算流体传动与控制技术气动基础知识第 10 页 共 179 页步骤如下：（1） 根据气缸安装及驱动负载的实际工况，分析计算出气缸轴向

13、实际负载 F；（2） 再由气缸平均运行速度来选定气缸的负载率 ，一般而言，气缸速度越高，越小；（3） 初步选定气缸工作压力(一般为 0.4MPa0.6 MPa)，再由 F，计算出气缸理论出力 Ft；（4） 最后计算出缸径及杆径，并按标准圆整得到实际所需的缸径和杆径。【例 2-1】气缸推动工件在水平导轨上运动。已知工件等运动件质量为 m260 kg，工件与导轨间的摩擦系数 0.25，气缸行程 L 为 400mm，经 2s 时间工件运动到位，系统工作压力 p=0.5MPa，试选定气缸缸径。解： （1） 气缸实际轴向负载: 637.5N9.8120.5mgFL（2） 气缸平均速度: s/t40（3）

14、 选定负载率: =0.5（4） 计算气缸的理论出力： .Ft 31275063（5） 计算气缸直径：由 得 pAt m.pFD5704t 按标准选定气缸得缸径为 63mm。2.2.3 空气消耗量计算某气动回路的最大耗气量是指该气动回路在单位时间内所消耗气体（排到大气中）的多少。显然,最大耗气量与气缸行程（单作用、双作用）,气缸直径、行程动作频度、方向阀到气缸间的管路容积及气缸的数量有关。可根据最大耗气量选择空气压缩机的容量。执行元件（气缸）的空气消耗量可由下列公式计算：1. 空气消耗量： （217）LAQ式中 为压缩比 ； A 为气缸活塞面积； L 为气缸行程。310atm1. 、2. 单作用

15、气缸空气消耗量： （218）S3. 双作用气缸空气消耗量： （219）Q2D4. 气缸每分钟空气消耗量： （220）nSnD式中 n 为每分钟气缸往复次数2.3 理想气体状态方程流体传动与控制技术气动基础知识第 11 页 共 179 页气体在流动过程中产生内摩擦力的性质称为黏性，表示黏性大小的量称为黏度。空气黏度随温度的变化而变化，温度越高黏度越大。理想气体是指没有黏性的气体，理想气体的状态如表 2.2 所示。表 2.2 理想气体状态名 称 适用条件 数学表达式 说 明理想气体状态方程一定质量的理想气体在状态变化的某一稳定瞬时，压力和体积的乘积与其绝对温度之比不变、TpVRvpP 为绝对压力(N/m 2)V 为气体体积(m 3)v 为质量体积(m 3kg) 为气体密度(kgm 3)T 为热力学温度(K)R 为气体常数干空气R=287.1 J/(kgK)等容过程 容积不