概论及气动技术基础知识

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1、气压传动及控制 教学用书： 气压传动及控制主编：郑洪生 机械工业出版社教学参考书：1.气压传动及控制主编：郑洪生 机械工业出版社 2.液压与气压传动主编：章宏甲 机械工业出版社 3.机械设计手册 机械工业出版社 本课程的考核方法包括： 平时成绩、期终考查成绩。 平时成绩包括平时作业、实验报告 、期中考查。其成绩占总成绩的30% 。 期终考查占总成绩的70%。课程的性质、目的和任务 ：1.学习气压传动的基本原理及气压传 动系统的组成；2.气压流体力学的基本知识；3.常用气压元件的结构、工作原理、 性能特点及其应用；课程的性质、目的和任务 ：4.各种气压基本回路的结构、工作原 理、性能特点及其参数

2、匹配计算。5.典型气压系统及组成、工作原理及 其分析方法；典型气压系统的设计 方法及其步骤。课程的性质、目的和任务 ：掌握从原理、元件至回路系统的 气压传动技术所必需的基础知识和 分析问题的方法，为学生进一步应 用气压传动技术，设计气压传动系 统打下坚实基础。 第一章 概述及气动技术基础知识1-1 气动技术的发展、应用及特点一、气动技术的发展和应用 1.气动技术的含义：是指以压缩空气为工作介质传递 动力和控制信号的系统。1-1气动技术的发展、应用及特点2.气动技术的发展和应用 a.动力：如制动、门窗开闭的动力。 b.控制：如生产线节拍的控制。 c.检测：如发动机缸径的检测分组。 d.输送：如化

3、工原料、有害液体等。 e.冶金：气缸的使用。 f.轻工：生产线上零件输送、夹紧等 。1-1气动技术的发展、应用及特点二、气压传动及控制的优点 1.易取易放，无污染。 2.可远距离输送，损失小。 3.动作迅速，维护简单，介质清洁。 4.工作环境适应性好。 5.成本低。 6.过载能自动保护。1-1气动技术的发展、应用及特点二、气压传动及控制的缺点 1.因压缩性，工作速度稳定性稍差。 2.工作压力低，输送力不够大。 3.噪声大。 4.气信号传递速度比电子及光速慢。1-2 气压传动及控制系统组成和分类一、气压传动及控制系统组成 见教材P2，图1-1，典型气动系统 由四部分组成。 1.气压发生装置：是获

4、得压缩空气的能源装置。由 电动机、空气压缩机、贮气罐等组 成。1-2 气压传动及控制系统组成和分类2.执行元件：作直线运动的气缸，作回转运动 的摆动缸、气马达等。 3.控制元件：阀类元件，逻辑元件，射流元件 及传感器等。 4.辅助元件：分水滤气器、油雾器、 消声器及管件等。二、气压传动及控制系统的分类1-3 空气的性质和气体状态方程一、空气的性质 （一）空气的组成： 干空气：不含水蒸气的空气。 湿空气：含有水蒸气的空气。干空气组成见表1-2：成分 氮N2氧N2氩Ar CO2其它 体积% 78.0320.930.9320.030.078 重量% 75.5023.101.280.0450.075（

5、二）气体的密度1.含义：=m/V 或：干空气：式中：m、V-气体的质量和体积；t与压力P状态下干空气的密度 ；0=1.293 kg/m3P-绝对压力，MPa；（273+t）-绝对温度，K。（二）气体的密度湿空气密度：式中：P-湿空气的全压力，MPa ；Pbt时饱和空气中水蒸气的分压力， MPa ，见表1-3；-空气的相对湿度，%。（三）空气的粘性1.含义：空气质点相对运动时产生阻力的性质。 2.影响因素：温度。压力可以忽略。 （四）空气的压缩性与膨胀性 1.压缩性含义：当气体压力变化时体积随之改变的性质。 2.膨胀性含义：当气体温度变化时体积随之改变的性质。空气的压缩性约为油的10000倍！空

6、气的膨胀性约为水的73倍！二、理想气体状态方程1.理想气体含义：不计粘性的气体。 2.理想气体状态方程：PV/T=常数Pv=RTP/=RT式中：P-绝对压力Pa； V-气体体积m3； T-绝对温度K；v-气体比容，m3/kg,v=1 /；-气体密度，kg/m3；R-气体常数，J/(KG.K),干空气R=287.1,湿空气R=462.05。（一）等容过程1.含义：比容v不变时，气体的状态变化过程。状态1： P1v1=RT1状态2： P2v2=RT2因v1=v2，所以：P1/T1=P2/T2 2.等容过程特点：气体体积不变，对外不作功。但由于温度升 高，增加气体内能。单位质量气体增加内能：Uv=C

7、v(T2-T1)(J/kg)Cv-定容比热容， (J/kg.K)；对于空气Cv=718。（二）等压过程1.含义：压力P不变时，气体的状态变化过程。状态1： P1v1=RT1状态2： P2v2=RT2因P1=P2，所以：v1/T1=v2/T1 2.等压过程特点：气体温度变化导致体积变化，在等压过程中 ， 单位质量气体得到的热量Up。 Up=Cp(T2-T1)(J/kg)Cv-定压比热容，(J/kg.K)；对于空气Cv=1005。（二）等压过程同时，单位质量气体增加内能Uv ： Uv=Cv(T2-T1)(J/kg)Cv-定容比热容， (J/kg.K)；对于空气Cv=718。 同时，单位质量气体膨胀

8、所作的功W： W=R(T2-T1)(J/kg.K) 3.Cp、Cv、R三个常数的关系：由热力学第一定律知： Up= Uv+ W即：Cp(T2-T1)= Cv(T2-T1)+ R(T2-T1)所以：Cp-Cv=R令： Cp/Cv=k,k-绝热指数，对于空气k=1.4。（三）等温过程1.含义：温度T不变时，气体的状态变化过程。状态1： P1v1=RT1状态2： P2v2=RT2因T1=T2，所以： P1v1= P2v2=RT 2.等容过程特点：气体体积压缩。因温度不变，气体内能不变 。 单位质量气体所需压缩功W： W=P1v1Ln(P1/P2) (J/kg.K) 加入系统的热量全部变成气体所作的功

9、。（四）绝热过程1.含义：系统与外界无热量交换时，气体的状态变化 过程。如；气动系统的快速充气、排气过程可 视为绝热过程。 2.绝热过程特点：绝热过程中，P、v、T均为变量，系统靠消 耗自身的内能对外作功。输入系统的热量为零 。 Pvk=常数，P/k=常数单位质量气体绝热压缩功或膨胀功W： W=R(T2-T1)/(k-1) (J/kg.K)三、湿空气（一）湿度 1.绝对湿度： 含义：1m3湿空气中所含水蒸气的质量。用x表示 。 x= s=Ps/RsT (kg/m3) 式中： s-水蒸气的密度， (kg/m3)；Ps-水蒸气的分压力，Pa；Rs-水蒸气的气体常数：462.05 (J/kg.K)T

10、-绝对温度，K。（一）湿度2.饱和绝对湿度： 含义1：在一定温度下，单位体积湿空气中所含水蒸气的量 达到最大限度时，称此湿空气为饱和湿空气。 含义2：1m3饱和湿空气中所含水蒸气的质量。称为饱和湿空 气的绝对湿度。 xb= b=Pb/RsT (g/m3) 式中： xb-饱和绝对湿度， g/m3；s-饱和湿空气中水蒸气的密度， (kg/m3)；Ps-饱和湿空气中水蒸气的分压力，Pa。（一）湿度3.相对湿度： 含义：在温度和同压力下，绝对湿度与饱和绝对湿 度之比称为该温度下的相对湿度。用表示 。=x/xb= Ps/Pb (%)当空气为绝对干燥时： Ps=0， 则=0。当空气达到饱和时： Ps= P

11、b ， 则=100%。规定：气动系统中90%。（二）含湿量1.质量含湿量： 含义：1kg质量干空气中所混合的水蒸气质量。用d表示 。 d=622Ps/Pg=622Pb/(P-Pb) (g/kg) 2.容积含湿量： 含义：1m3干空气中所混合的水蒸气质量。用d表示。 d=d (g/m3)式中 Ps-水蒸气的分压力，Mpa；Pg-干空气的分压力，Mpa；P-湿空气的全压力，Mpa；P= Ps+ Pg；-相对湿度；-干空气的密度，kg/m3。四、自由空气流量及析水量（一）自由空气流量 概念：自由空气和压缩空气空气压缩机铭牌上标注的流量为自由空气流 量，按此流量选择空压机。自由空气流量Qz： Qz=Q

12、PTz/PzT(m3/min)式中 Q、Qz-压缩空气和自由空气流量， m3/min；P、Pz-压缩空气和自由空气绝对压力， MPa；T、Tz-压缩空气和自由空气绝对温度， K。（二）析水量概念：湿空气被压缩后，单位容积中所含水蒸气的量增加 ，同时温度也上升。当压缩空气冷却时，其相对湿度增加，当温度降到 露点后便有水滴析出。式中 Qm-每小时的析水量，kg/h；d1b、d2b-温度为T1、T2时饱和容积含湿量，kg/m3；T1、T2 压缩前、后空气的绝对温度，K；-压缩前的相对湿度；Pb1、Pb2-温度为T1、T2时饱和空气中水蒸气的分压力，Mpa 。1-4 气体流动的基本方程一、流量连续性方

13、程根据质量守恒原理，流体在管道中作稳定流 动时，同一时间内流过管道每一截面的质量 流量相等。即：1A1v1=2A2v2=Qm=常数式中 、2-分别为1、2截面上流体的密度，kg/m3；A1、A2-分别为1、2处截面积，m2；v1、v2-分别为1、2截面上流体运动速度，m/s；Qm-质量流量，kg/s。二、能量方程流体作稳定流动时，由能量守恒原理可得 下述几种形式的能量方程。 （一）流管柏努里方程 gh+dP/+v2/2=常数式中 h、 dP、 、 v 分别为流管任一截面的位 置高度、微压力、密度、速度。理想气体作稳定流动时具有位能、压力能和 动能三种能量形式，在任一截面上这三种能 量形式之间可

14、以相互转换，但三者之和为一 定值，即能量守恒。（二）可压缩流体柏努里方程不计能量损失和位能变化，则绝热过 程下可压缩气体的能量方程为：式中 1、2-为流管1、2截面处的密度，kg/m3；v1、v2-为流管1、2截面处的速度，m/s；P1、P2-为流管1、2截面处的压力，Pa；k-绝热指数。（三）对气体作功时可压缩气体能量方程式中 1、2-为流管1、2截面处的密度，kg/m3；v1、v2-为流管1、2截面处的速度，m/s；P1、P2-为流管1、2截面处的压力，Pa；k-绝热指数；Ln-绝热过程流体机械对单位质量气体所作的全 功，J/kg。1-6 气动元件的流通能力一、有效截面积S 1.定义及简化

15、计算 定义：气体流经节流孔时，由于存在粘性，使 流束的收缩比节流孔名义截面积S0还小，此最 小截面积S称为有效截面积，见图1-9。收缩系数：=S/S0计算过程：首先，由表1-10通过=(d/D)2查出 ，然后进行计算，得到S。管路有效截面积S的计算：S=S0可由表1-11查出。 2.有效截面积的测试方法见图1-12，当气体为声速流动时，电磁换向 阀有效截面积S的测试方法，由容器放气特性 测定放气时间，算出S值。式中 S-有效截面积，mm2；V-容器的容积，L；t-放气时间，s；P1-容器内初始相对压力， P1=0.5 MPa；P2-放气后容器内剩余相对压力， P1=0.2 MPa ；T-绝对温

16、度，K。3.系统中多个元件合成的S值并联状态： Sn = S1 + S1 + Sn 式中 SR 合成有效截面积，mm2；S1、 S2 S1 各元件的有效截面积，mm2。串联状态：见图1-13，当气体以较低的速度通过节流小孔时，可 以不考虑其压缩性，将其密度看作常数，得到气体流 量的计算公式：二、不可压缩气体通过节流小孔的流量式中 Q 通过节流小孔的流量，m3/s；Cd 流量系数，Cd=aCv； 收缩系数，0.620.64；Cv 流速系数，0.97；A节流小孔的面积，m2；气体密度，kg/m3；P节流孔前后的压差，Pa。见图1-14，当气体以声速通过节流小孔时， 应考虑其压缩性，其密度不能看作常数，而应 按绝热流动进行分析。 (一)当理想气体P11.893P2时，流速在声速区， 则排气的质量流