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1、机械工程系机械工程系气压传动技术气压传动技术第第1 1章章 气动基础知识气动基础知识 本章教学目的本章教学目的 本本章章主主要要介介绍绍气气压压传传动动的的定定义义及及其其工工作作原原理理；气气压压传传动动的的介介质质空空气气的的物物理理性性质质、气气体体状状态态方方程程、气气体体流流动动规规律的基本知识。律的基本知识。 1. 熟悉传动的定义、分类及作用；熟悉传动的定义、分类及作用； 2. 掌握气压传动的组成、特点及其工作原理掌握气压传动的组成、特点及其工作原理;（重点）（重点） 3. 掌握空气的主要物理性质掌握空气的主要物理性质;（重点）（重点） 4. 了解气体状态方程与流动规律。（难点）了
2、解气体状态方程与流动规律。（难点） 第第1章章 气动基础知识气动基础知识 一一部部完完整整的的机机器器是是由由原原动动机机、传传动动机机构构及及控控制制部部分分、工作机工作机（含辅助装置）组成。（含辅助装置）组成。 传动机构通常分为机械传动、电气传动和流体传动机构。传动机构通常分为机械传动、电气传动和流体传动机构。 流流体体传传动动是是以以流流体体为为工工作作介介质质进进行行能能量量转转换换、传传递递和和控控制制的传动。它包括的传动。它包括液压传动液压传动、液力传动液力传动和和气压传动气压传动。气气压压传传动动是是以以压压缩缩空空气气作作为为工工作作介介质质来来进进行行能能量量传传递递的的传动
3、方式。传动方式。 为什么要用气压传动呢？为什么要用气压传动呢？为什么要用气压传动呢？为什么要用气压传动呢？ 将能量从机械能转换为气压能，而后又将气压能转换为机械能，何必多此一举呢？ 几乎所有的机械或机器都需要传动机构。这因为原动机一般很难直接满足执行机构在速度、力、转矩或运动方式等方面的要求，必须通过中间环节必须通过中间环节传动装置传动装置进行调节控制。气压传动就是这种调节控制方式中的一种。其它的传动方式有：其它的传动方式有：其它的传动方式有：其它的传动方式有：机械传动机械传动：常用零件为齿轮，曲轴，轴，皮带等。液压传动液压传动：常用液体为传输介质。电气传动电气传动：常用零件是直流电机，可控硅
4、,交流电机变频器等。利用气体利用气体压力能压力能 来传递能量来传递能量为何需要传动机构?气气动动技技术术广广泛泛应应用用于于各各行行业业一、气压传动的组成及工作原理一、气压传动的组成及工作原理气压发生装置气压发生装置分水滤气器压力控制阀油雾器方向控制阀消声器流量控制阀汽 缸 气压传动与控制技术简称气动，是气压传动与控制技术简称气动，是以压缩空气为工作介质来进行以压缩空气为工作介质来进行能量与信能量与信号的传递号的传递，是实现各种生产过程、自动，是实现各种生产过程、自动控制的一门技术。控制的一门技术。 (1) 气气源源装装置置 获得压缩空气的装置。其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转
5、变为气体的压力能。 (2) 控控制制元元件件 用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工作循环。它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等。 (3) 执执行行元元件件 是将气体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置，包括气缸、气马达、摆动马达。 (4) 辅辅助助元元件件 是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的，它包括过滤器、油雾气、管接头及消声器等。1. 1. 1. 1.气动系统的组成气动系统的组成气动系统的组成气动系统的组成2.2.2.2.气压传动的优缺点气压传动的优缺点气压传动的优缺点气压传动的优缺点压缩空气的优点如下：压缩空气的优点如
6、下：适用性贮存设计和控制简单 运动的选择 经济 环境干净 安全性 压缩空气也有如下不足之处：压缩空气也有如下不足之处： 由于空气具有可压缩性，载荷变化时运动平稳性稍差。 因工作压力低，不易获得较大的输出力或转矩。 有较大的排气噪声。 因空气无润滑性能，故在气路中有时应设置给油润滑装置。 二、空气的物理性质二、空气的物理性质干空气干空气实际空气实际空气还含有油粒、灰尘和水蒸汽等杂质，会对气动系统设备和还含有油粒、灰尘和水蒸汽等杂质，会对气动系统设备和元件造成损害。元件造成损害。1. 空气的组成空气的组成FA压力压力2. 空气的性质空气的性质密度密度空气是具有质量的，单位体积的空气中所含有的空气的
7、空气是具有质量的，单位体积的空气中所含有的空气的质量称为空气的密度。质量称为空气的密度。mV压力表示法压力表示法表压力绝对压力真空度大气压P=Pa绝对真空P=0绝对压力表压力：表压力：以大气压为基准，高于大气压的压力值，即以大气压为基准，高于大气压的压力值，即相对压力，相对压力， 也即由压力表读出的压力也即由压力表读出的压力真空度：真空度：以大气压为基准，以大气压为基准，低于大气压力的压力值，正值低于大气压力的压力值，正值真空压力：绝对压力与大气压力之差，与真空度大小相同，符号相反真空压力：绝对压力与大气压力之差，与真空度大小相同，符号相反PPaPPa ！压力是由负载建立的！压力是由负载建立的
8、！压力和力压力和力压缩空气在容器的内表面产生了一个力容器内的流体将被压缩并产生这个压力表压力1bar表示每平方厘米上受到10牛顿的力 如图所示的气缸。在压力的作用下，气缸活塞向前伸出，此推力等于压力与有效作用面积的乘积。式中：D = 气缸缸径 mm P = 压力 bar 作用在气缸缸桶内部的力相当于气缸的投影面积与压力的乘积。1MPa = 1000000Pa = 10bar1bar = 1atm = 1kgf/cm2 = 14.5psi = 100kPa1atm = 76mmHg1psi = 6.89kPa压力单位压力单位温度温度 热力学温度热力学温度 T 单位为单位为K 摄氏温度摄氏温度 t
9、 单位为单位为t = T - T0 T0 = 273.15K可压缩性可压缩性气体的分子间距大，故气体的体积容易气体的分子间距大，故气体的体积容易随压力发生变化。随压力发生变化。P1P2标准状态和基准状态标准状态和基准状态标准状态标准状态(ANR)：温度：温度20，相对湿度，相对湿度65%，压力，压力0.1MPa基准状态：温度基准状态：温度0，压力，压力101.3KPa的干空气的状态的干空气的状态3. 空气中的水分空气中的水分几个概念几个概念水蒸汽分压力水蒸汽分压力：湿空气中水蒸汽独占空气总容积时所具有的压力。当空气中的水蒸汽达到饱和时，这时水蒸汽所具有的压力叫做饱和水蒸汽分压力。绝对湿度绝对湿
10、度（kg/m3）：）：每一立方米的湿空气中所含有的水蒸汽的质量。s=水蒸汽的密度，kg/m3Ps =水蒸汽分压力，PaRs =水蒸汽的气体常数，462.05 J/(kgK)相对湿度相对湿度（kg/m3）：）：一定温度和压力下，湿空气的绝对湿度与饱和湿空气的湿度之比，也就是实际水分含量和露点（饱和湿空气）时水分含量之比。表明湿空气吸收水分的能力。露点露点：空气在这个温度下呈现饱和状态。即空气饱和（相对湿度100%），温度再降低则开始析出水分。饱和绝对湿度饱和绝对湿度（kg/m3）：）：每立方米湿空气中所能够含有的水蒸汽的最大质量。 ！空气中水蒸汽的实际含量完全取决于温度，空气中水蒸汽的实际含量完
11、全取决于温度，1m3的压缩空气中的压缩空气中只能包含只能包含1m3的饱和湿空气所能含有的水蒸汽质量的饱和湿空气所能含有的水蒸汽质量压缩空气中的水分压缩空气中的水分 随着空气的压缩，空气的体积减小，压力和温度升高。压缩空气的最大含水量与当达到最终温度下同样体积的饱和空气的含水量相等。看下面这个例子： 下面4个立方体分别代表温度为20、体积为1m3的空气，相对湿度为50%。这就意味着每立方米的空气中都含有8.7g的水蒸汽，饱和时含有17.4g的水蒸汽。 在温度不变的情况下将空气压缩，将4m3的空气压缩成1m3的压缩空气，这1m3的压缩空气中应该含有48.7=34.8g的水蒸汽，但是20时1m3的空
12、气中的最大含水量只有17.4g，因此多余的2 8.7=17.4g的水蒸汽将变成水析出。这样我们就不难理解压缩空气的相对湿度和压力露点的含义了。这样我们就不难理解压缩空气的相对湿度和压力露点的含义了。压缩空气的相对湿度压缩空气的相对湿度：空气压缩后温度和压力都上升，在最终温度、压力、体积的条件下，压缩空气的含水量与该温度、体积的饱和空气的含水量之比。压力露点压力露点：空气压缩后，最终状态下析出水分的温度。气体的状态气体的状态气体的压力、体积、温度表明了气体所处的状态。对于一定质量的气体，状态方程可以表示成对于一定质量的气体，状态方程可以表示成等温变化（波义尔定律等温变化（波义尔定律BOYLES）
13、对于一定质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比V=1,P=1V=0.5,P=2FV=0.2,P=5FT=常数常数三、三、气体的控制规律（气体状态方程）气体的控制规律（气体状态方程）对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正比一定压力下，温度每升高1，对于一定质量的气体，其体积增加1/273等压变化（查理定律等压变化（查理定律CHARLES）对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正比。等容变化等容变化P V n = c 多变过程多变过程一定质量的气体，状态参数都发生变化，并且不是绝热变化的情况。比如减震器吸收冲击的过程。n可取1.22468
14、024681012bar a10 12 14141616PV 1. 4 = c绝热变化绝热变化PV 1. 2 = c多变过程多变过程PV = c等温过程等温过程体积体积0压力压力绝热变化绝热变化一定体积的空气被迅速压缩，没有与外界进行热交换空气 n=1.40246816024681012Volume VPressure Pbar absoluteP1.V1 = P2.V2 = constant10 12 141416024681602468101210 12 141416Volume VPressure Pbar absoluteP1.V1 = P2.V2 = constant等温变化（波义尔
15、定律等温变化（波义尔定律BOYLES） 对于一定质量的对于一定质量的气体，在温度不气体，在温度不变的条件下，压变的条件下，压力和它的体积成力和它的体积成反比反比 在等温变化的在等温变化的情况下，空气压情况下，空气压缩与膨胀的过程缩与膨胀的过程中，热量变化是中，热量变化是极其缓慢的。极其缓慢的。等压变化（查理定律等压变化（查理定律CHARLES）00.25 0.5 0.7512-60-40-200204060VolumeTemperatureCelsius1.25 1.51.7580100293KV1 V2T1(K) T2(K) = c= 00.25 0.5 0.7512-60-40-20020
16、4060VolumeTemperatureCelsius1.25 1.51.7580100366.25KV1 V2T1(K) T2(K) = c= 不可压缩流动不可压缩流动气流速度小于70100m/s的流动，流动过程中气体的密度未发生变化或变化量很小流量流量Q=uAAu流量连续性方程流量连续性方程u1A1 =u2A2A1A2u2u1总流量不变p1p2四、四、压缩空气的流动压缩空气的流动伯努利方程伯努利方程能量守恒，单位体积的气体压力能和动能之和保持不变可压缩流动可压缩流动气流达到声速时，p12p2p1u=0p2u2从气罐中向外排气，在p1下降到2p2之前，流量保持不变P1 bar绝对压力绝对压力timeP1 = 9 bar 2P2051020012345615789大气压大气压气动元件的流量特性气动元件的流量特性表述流量特性的方法表述流量特性的方法流通能力流通能力 Cv值值又称水流量，在温度为15.5，流经压差为1psi(6.89kPa)的阀门测得的流量系数，用来表示气动元件通流能力的大小，即允许通过流量的大小有效截面积有效截面积 S值值流过电磁阀的流量与流过某一个截面积为S的小孔的流
