10第九章 气压传动基础知识

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。
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气体在管道中的流动特性
在亚声速流动时
(Ma<1)
v1
v2>v1 v1 v2<v1
v2
v1
v2<v1
v2
在超来自百度文库速流动时
(Ma>1)
v2
v1 v2>v1
v2
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
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·湿空气
根据达尔顿（Dalton）法则，混合在一起的各种气体相互之间不发生化学反应时， 各气体将互不干涉地单独运动。混合气体的压力（全压）等于各种气体的分压之和。 因此，湿空气的压力p应为干空气的分压力pg与水蒸气的分压力ps之和，即
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。 1）绝对湿度 每一立方米的湿空气中，含有水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿 度。用χ表示;
1）气源装置 气源装置将原动机提供的机械能转变为气体的压力能，为系统提供压缩空气。它主 要由空气压缩机构成，还配有贮气罐、气源净化处理装置等附属设备。 2）执行元件 执行元件起能量转换作用，把压缩空气的压力能转换成工作装置的机械能。主要 形式有，气缸输出直线往复式机械能、摆动气缸和气马达分别输出回转摆动式和旋转式的机械能。 对于以真空压力为动力源的系统，采用真空吸盘以完成各种吸吊作业。 3）控制元件 控制元件用来对压缩空气的压力、流量和流动方向调节和控制，使系统执行机 构按功能要求的程序和性能工作。根据完成功能不同，控制元件种类有很多种，气压传动系统中 一般包括压力、流量、方向和逻辑等四大类控制元件。 4）辅助元件 辅助元件是用于元件内部润滑、排气噪声、元件间的连接以及信号转换、显示、 放大、检测等所需的各种气动元件。如油雾器、消声器、管件及管接头、转换器、显示器、传感 器等。
图11－1 气动剪切机的气压传动系统 1－空气压缩机 2－后冷却器 3－分水排水器 4－贮气罐 5－分水滤气器 6－减压阀7－油雾器8－行程阀 9－气 控换向阀 10－气缸 11－工料。
• 下图所示为用图形符号绘制的气动剪切机系统原理图。
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在气压传动系统中，根据气动元件和装置的不同功能，可将气压传动系统分成以下四个 组成部分：
式中 pe 为放气临界压力（1.92×105 Pa)
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• 思考题
1．不含水蒸气的空气为（ ），含水蒸气的空气称为（ ），所含水分的程度用 （ ）和（ ）来表示。 （干空气；湿空气；湿度、含湿量） 2．理想气体是指（ ）。一定质量的理想气体在状态变化的某一稳定瞬时，其压 力、温度、体积应服从（ ）。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（ ）。 （没有粘性的气体；气体状态方程pV/T＝常数；绝热过程） 3．在气动系统中，气缸工作、管道输送空气等均视为（ ）；气动系统的快速充 气、排气过程可视为（ ）。 （等温过程；绝热过程） 4．（ ）是表示气流流动的一个重要参数，集中反应了气流的压缩性。（ ）， 气流密度变化越大。当（ ）时称为亚声速流动；当（ ）时称为超声速流动； 当（ ）时称为声速流动。 （马赫数Ma；Ma越大；Ma>1；Ma<1；Ma＝1） 5．在亚声速流动时，要想使气体流动加速，应把管道做成（ ）；在超声速流动 时，要想使气体流动减速，应把管道做成（ ）。 （收缩管；扩散管）
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第九章
气压传动基础知识
• 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。 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。 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。 应用非常广泛，尤其是轻工、食品工业、化工 • 气压传动基础知识 – 空气的物理性质 – 理想气体的状态方程 – 气体的流动规律 – 气体在管道中的流动特性 – 气动元件的通流能力 – 充、放气温度与时间的计算
3）空气的含湿量 除了用绝对湿度、相对湿度表示湿空气中所含水蒸气的多少外，还可以用空气的含 湿量d来表示。 空气的含湿量是指在质量为1 kg的湿空气中，混合的水蒸气质量与绝对干空气质量 的比，即: ·压缩空气的析水量 压缩空气一旦冷却下来，相对湿度将大大增加，到温度降到露点以后，水蒸气 就要凝析出来。
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放气时间
与充气过程一样，放气过程也分为 声速和亚声速两个阶段。容器由压力p1 将到大气压力pa 所需绝热放气时间为 T=t1+t2 =｛（2k /k-1 ）［(p1/pe)(k-1)/2k-1) ］ +0.945( p1/1.013×105 )(k-1)/2k｝τ τ= 5.217×10-3 V (273/T1)1/2/kS
在低速流动时，气体可认为是不可压缩的（ ρ ＝常数），则
有： v2/2+ gz + p /ρ= 常数
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二、 声速与马赫数
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。 – 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；
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充气时间
充气时，容器中的压力逐渐上升，充气过程基本上分为声速和亚声速两个充气阶
段。当容器中气体压力小于临界压力，在最小截面处气流的速度都是声速，流向容 器的气体流量将保持为常数。 在容器中压力达到临界压力以后，管中气流的速度小于声速，流动进入亚声速范 围，随着容器中压力的上升，充气流量将逐渐降低。
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§9-2 气体的状态变化
• 理想气体的状态方程
– 不计粘性的气体称为理想气体。空气可视为理想气体。 – 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=ρRT
• 气体状态变化过程
– 等温过程 p1V1= p2V2= 常量 • 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、管道输送空气等均可视 为等温过程。 – 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化过 程叫做绝热过程。
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• 气压传动的工作原理和组成
图示位置为剪切前的 情况。空气压缩机1产 生的压缩空气经后冷却 器2、分水排水器3、贮 气罐4、分水滤气器5、 减压阀6、油雾器7、到 达换向阀9，部分气体 经节流通路进入换向阀 9的下腔，使上腔弹簧 压缩，换向阀9阀芯位 于上端；大部分压缩空 气经换向阀9后进入气 缸10的上腔，而气缸的 下腔经换向阀与大气相 通，故气缸活塞处于最 下端位置。
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§9-1 空气的物理性质
• 空气的组成 – 主要成分有氮气、氧气和一定量的水蒸气。 – 含水蒸气的空气称为湿空气，不含水蒸气的空气称为干空气。 • 空气的密度 – 对于干空气ρ=ρo×273 /（273+t）×p / 0.1013 • 空气的粘度 – 较液体的粘度小很多，且随温度的升高而升高。 • 空气的压缩性和膨胀性 – 体积随压力和温度而变化的性质分别表征为压缩性和膨胀性。 – 空气的压缩性和膨胀性远大于固体和液体的压缩性和膨胀性。
可压缩气体通过节流小孔（气流达到声速）的流量
流在不同流速时应采用有效截面积的流量计算公式。
气
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五、充气、放气温度与时间的计算
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技术的重要问 题。 • 向定积容器充气问题 – 充气时引起的温度变化 • 向容器充气的过程视为绝热过程，容器内压力由p1升高到p2，， 容器内温度也由室温T1升高到T2，充气后的温度为 ： T2=kTs/［1+p1(k-1)/p2］ 式中 Ts为热力学温度，设定Ts=Ti ； k为绝热指数。 • 但容器内温度下降至室温，其内的气体压力也要下降，下降 后的稳定值为： p=p2T1/T2
• p1V1k = p2V2k =常量
式中k为绝热指数，对空气来说k=1.4。 • 气动系统中快速充、排气过程可视为绝热过程。
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§9-3 气体的流动规律
• 一、气体流动基本方程
– 连续性方程 ρ1v1A1 =ρ2v2A2 （注意ρ1≠ρ2）
– 伯努利方程 • 因气体可以压缩（ ρ ≠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）ρ＋ghw= 常数 • 因气体粘度小，不考虑摩擦阻力，则有： v2/2+ gz + kp /（k-1）ρ= 常数
– 有效截面积的简化计算
• 对于阀口或管路 S =αA
式中 α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
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四、不可压缩气体通过节流小孔的流量
– 当气体以较低的速度通过节流小孔时，可以不计其压缩性，将其 密度视为常数，由伯努利方程和连续性方程联立推导的流量公式 与液压传动的小孔流量公式有相同的表达形式 – 工程中常采用近似公式： qm=εcA [2ρ(p1-p2)]1/2 式中 ε为空气膨胀修正系数；c 为流量系数；A 为节流孔面积。
气体经空压机压缩的过程中是可压缩的。
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三、气动元件的通流能力
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。
• 有效截面积
– 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。
在一定的压力和温度下，含有最大限度水蒸气量的空气叫做饱和湿空气。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。
2）相对湿度 在同一温度下，湿空气中水蒸气分压ps和饱和水蒸气分压pb的比值称
为相对湿度，用表示
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通常，湿空气大多是处于未饱和状态所以应了解它继续吸收水分的能力和离饱和状 态的远近。引入相对湿度概念清楚地说明了这个问题。 当空气绝对干燥时，ps＝0，则＝0。 当湿空气饱和时，ps＝pb，则 ＝100％，称此时的空气为绝对湿空气。 一般 在0～1之间变化，当空气的相对湿度 ＝60%～70%时，人感觉舒适，而气 动系统中元件使用的工作介质的相对湿度不得大于90%，当然希望越小越好。 相对湿度既反映了湿空气的饱和程度，也反映了湿空气离饱和程度的远近。 有时 也用同一温度下，湿空气的绝对湿度与饱和绝对湿度之比来确定，即:
图9－1 气动剪切机的气压传动系统 1－空气压缩机 2－后冷却器 3－分水排水器 4－贮气罐 5－分水滤气器 6－减压阀7－油雾器8－行程阀 9－气 控换向阀 10－气缸 11－工料。
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当上料装置把工料11 送入剪切机并到达规定 位置时，工料压下行程 阀8，此时换向阀9阀芯 下腔压缩空气经行程阀 8排入大气，在弹簧的 推动下，换向阀9阀芯 向下运动至下端；压缩 空气则经换向阀9后进 入气缸的下腔，上腔经 换向阀9与大气相通,气 缸活塞向上运动,带动 剪刀上行剪断工料。工 料剪下后，即与行程阀 8脱开。行程阀8阀芯在 弹簧作用下复位、出路 堵死。换向阀9阀芯上 移．气缸活塞向下运动， 又恢复到剪断前的状态。
容器内压力由p1充气到p2所需总时间
t ＝t1+t2 ＝(1.285－p1／p2)τ
τ ＝ 5.217×10－3×（V /kS）(273/Ts)1/2
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容器的放气
绝热放气时容器中的温度变化 容器内空气的初始温度为T1，压力为p1，经绝热放气后温度降 低到T2 ，压力降低到p2 ，则放气后温度为 T2=T1(p2/p1)（k-1）/k 但容器停止放气，容器内温度上升到室温，其内的压力也上升 至p p=p2T1/T2