气动基础知识

第1章 气动基础知识
一部完整的机器是由原动机、传动机构及控制部分、 工作机（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。
◆流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控 制的传动。它包括液压传动、液力传动和气压传动。
◆气压传动是以压缩空气作为工作介质来进行能量传递的 传动方式。
(2) 控制元件 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) 执行元件 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) 辅助元件 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。
气压传动技术
第1章 气动基础知识
机械工程系
本章教学目的
本章主要介绍气压传动的定义及其工作原理；气压传 动的介质—空气的物理性质、气体状态方程、气体流动规 律的基本知识。
1. 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;（重点） 3. 掌握空气的主要物理性质;（重点） 4. 了解气体状态方程与流动规律。（难点）
二、空气的物理性质
1. 空气的组成
干空气
成分 体积 % 重量 %
氮 N2 78.03 75.5
氧 O2 20.93 23.1
氩 Ar 0.932 1.28
二氧化碳 CO2 0.03 0.045
其他气体 0.078 0.075
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 元件造成损害。
空气中水蒸汽的实际含量完全取决于温度，1m3的压缩空气
！ 中只能包含1m3的饱和湿空气所能含有的水蒸汽质量
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。
2.气压传动的优缺点
压缩空气的优点如下： 压缩空气也有如下不足之处：
➢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
➢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。
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。
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：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。
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——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：
3. 空气中的水分
几个概念 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（kg/m3）：每一立方米的湿空气中所含有的水蒸 汽的质量。
ms V
S
PS RST
ρs=水蒸汽的密度，kg/m3 Ps =水蒸汽分压力，Pa Rs =水蒸汽的气体常数，462.05 J/(kg·K)
真空度：以大气压为基准，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
！ 压力是由负载建立的！
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。
热力学温度 T 单位为K
摄氏温度 t 单位为℃
t = T - T0 T0 = 273.15K
可压缩性
气体的分子间距大，故气体的体积容易 随压力发生变化。
P1
P2
标准状态和基准状态
标准状态(ANR)：温度20℃，相对湿度65%，压力0.1MPa 基准状态：温度0℃，压力101.3KPa的干空气的状态
πD 2 P
F=
N
40
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。
DLeabharlann BaiduP F= N
10
压力单位
温度
1MPa = 1000000Pa = 10bar 1bar = 1atm = 1kgf/cm2 = 14.5psi = 100kPa 1atm = 76mmHg 1psi = 6.89kPa
一、气压传动的组成及工作原理
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能量与信 号的传递，是实现各种生产过程、自动 控制的一门技术。
气压发生装置
分压
方
水力
向
滤 控 油 控 汽缸
气 制 雾制
器 阀 器阀
消声器
流量控制阀
1.气动系统的组成
(1) 气源装置 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变为气体的压力能。
机械传动：常用零件为齿轮，曲轴，轴，皮带等。 液压传动：常用液体为传输介质。 电气传动：常用零件是直流电机，可控硅,交流电机变频器等。
机器组成
工作机
控制部分 传动机构
原动机
流体传动
电气传动
机械传动
液力传动
为何需要
传动机构?
液压传动
气压传动
利用气体压力能 来传递能量
应气 用动 于技 各术 行广 业泛
2. 空气的性质
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
质量称为空气的密度。
m V
V (kg / m3)
m
压力
F
P F A
(N / m2)
A
压力表示法
P>Pa
表压力
绝对压力
真空度
P<Pa
绝对压力
大气压P=Pa 绝对真空P=0
表压力：以大气压为基准，高于大气压的压力值，即相对压力， 也即由压力表读出的压力