气压传动系统原理与组成,气压传动的原理气压传动简称气动，是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机械和设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。气压传动与液压传动的工作原理完全相同，都是以密封容积中的受压工作介质来传递运动和动力的。它先将机械能转换成压力能，然后通过各种元件组成的控制回路来实现能量的调控，最终再将压力能转换成机械能，使执行机构实现预定的运动。

　　

　　气压传动系统的组成典型的气压传动系统由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。

　　

　　气压发生装置简称气源装置，是将机械能转换成气体压力能的装置，为系统提供压缩空气。

　　

　　执行元件是将压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置。包括作直线往复运动的气缸，作连续回转运动的气马达和作不连续回转运动的摆动马达等。

　　

　　控制元件又称操纵、运算、检测元件，是用来控制压缩空气流的压力、流量和流动方向等，以便使执行机构完成预定运动规律的元件。包括各种压力阀、方向阀、流量阀、逻辑元件、射流元件、行程阀、转换器和传感器等。

　　

　　辅助元件是使压缩空气净化、润滑、消声以及元件间连接所需要的一些装置。包括分水滤气器、油雾器、消声器以及各种管路附件等。

　　

　　气压传动及其优缺点气压传动的主要优点1、空气可以从大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，对环境无污染，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。

　　

　　2、空气的粘度很小（约为液压油的万分之一），在管道中的压力损失较小，因此便于集中供气和远距离输送。

　　

　　3、与液压相比，气动反应快，动作迅速。气动元件结构简单、制造容易，适于标准化、系列化、通用化。气压元件可靠性高，使用寿命长（有效动作最大可达1亿次）。

　　

　　4、压缩空气的工作压力较低（一般为0.3~0.8MPa），因此，对气动元件的材质要求较低。

　　

　　5、气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问题。

　　

　　6、使用安全，没有防爆的问题，并且便于实现过载自动保护。

　　

　　7、气动元件采用相应的材料后，能够在恶劣的环境（强振动、强冲击、强腐蚀和强辐射等）下进行正常工作，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。

　　

　　8、排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。

　　

　　10.2.2 气压传动的主要缺点1、空气具有可压缩性，当载荷变化时，气动系统的工作稳定性差，但可以采用气液联动和比例控制技术可以克服这一缺陷。

　　

　　2、工作压力较低，又因结构尺寸不宜过大，因而气压传动装置的总推力一般不可能很大，且传动效率低。

　　

　　3、气信号传递的速度比光、电子速度慢，故不宜用于要求高传递速度的复杂回路中，但对一般机械设备，气动信号的传递速度是能够满足要求的。

　　

　　4、气压传动工作介质本身没有润滑性，如不采用无给油气压传动元件，需另加油雾器装置润滑。

　　

　　5、排气噪声大，需加消声器。

　　

　　空气的物理性质空气的组成自然界的空气由若干种气体混合组成，主要由氮气（N2）、氧气（O2）及少量的氩气（Ar）和二氧化碳（CO2）等组成。空气可分为干空气和湿空气两种形态。含有水蒸汽的空气称为湿空气，大气中的空气基本上都是湿空气。不含有水蒸汽的空气称为干空气。

　　

　　基本状态参数气体常用的状态参数有六个：温度T、体积V、压力P、内能、焓、熵。其中前三个参数可以测量，称为基本状态参数。有了三个基本状态参数可以算出其他三个状态参数。根据三个基本状态参数，规定了空气的两个状态：基准状态和标准状态。

　　

　　基准状态：温度为0oC，压力为101.3kPa的干空气的状态。基准状态下空气的密度ρ=1.293kg/m3。

　　

　　标准状态：温度为20oC，相对湿度为65%，压力为0.1MPa的干空气的状态。基准状态下空气的密度ρ=1.185kg/m3。

　　

　　10.3.3 空气的其他物理性质（1）密度单位体积V内的空气的质量ｍ，称为空气的密度，以ρ表示。即空气的密度与温度、压力有关。因此，干空气密度计算式为式中，P为绝对压力(MPa)；为基准状态下干空气的密度，；为绝对温度（K）。

　　

　　对湿空气式中，p为湿空气的全压力(MPa)；为温度时饱和空气中水蒸汽的分压力(MPa)；φ为空气的相对湿度(％)。

　　

　　（2）空气的粘性空气粘性受温度影响变化较大，受压力变化的影响极小，通常可忽略。空气粘性随温度变化而变，温度升高，粘性增加；反之，温度降低，粘性减少。

　　

　　（3）气体的压缩性气体因分子间的距离大，内聚力小，故分子运动的平均自由路径大。因此，分子的体积容易随压力和温度发生变化。　气体的体积受压力和温度变化的影响极大，与液体和固体相比较，气体的体积是易变的，气体体积随温度和压力的变化规律遵循气体状态方程。

　　

　　（4）湿度和含湿量1）湿度湿度的表示方法有两种：绝对湿度和相对湿度。湿空气所含水分的程度和含湿度量来表示。湿空气不仅会腐蚀元件，还会对系统工作的稳定性带来不良影响，因此各种气动元件对压缩空气的含水量有明确的规定，而且常采用相应的措施去除压缩空气中的水分。

　　

　　①绝对湿度每平方米的空气中所含水蒸汽的质量，称为湿空气的绝对湿度，用示，即或由气体状态方程导出式中，为湿空气中水蒸汽的质量，单位为kg；为湿空气的体积，单位为；为水蒸汽的分压力，单位为Pa；为绝对温度，单位为K；为水蒸汽的密度，单位为；为水蒸汽的气体常数，。

　　

　　②饱和绝对湿度在某一温度下，一立方米饱和湿空气所含水蒸气的质量，称为该温度下的饱和绝对湿度，用表示。即式中，为饱和湿空气中水蒸汽的密度，单位为；为饱和湿空气中水蒸汽的分压力，单位为Pa。

　　

　　③相对湿度在相同温度和压力的条件下，绝对湿度和饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度，用表示。即值在0~100%之间，干空气的相对温度为0，饱和稳空气的相对湿度为100%。值越小，表示温空气吸收水蒸气的能力越强。因此，绝对温度说明湿空气中含有水蒸气的多少。相对湿度说明湿空气所具有的吸收水蒸气的能力。

　　

　　2）含湿量含湿量分为质量含湿量和容积含湿量两种。

　　

　　①质量含湿量每千克质量的干空气中所混合的水蒸汽的质量，称为质量合湿量，用表示。即式中，为水蒸汽质量，单位为kg；为干空气质量，单位为kg。

　　

　　②容积含湿量每立方体积的干空气中所混合的水蒸汽的质量，称为容积含湿量，用表示。即式中，为干空气的密度，单位为。

　　

　　空气中水蒸汽的含量是随温度而变的。当温度下降时，水蒸汽的含量下降；温度升高时含量增加。若要减少进入气动设备中空气的水份，必须降低空气的温度。所以降低进入气动装置空气的温度，对于减少空气中的含水量是有利的。

　　

　　气体状态方程理想气体的状态方程没有粘性的气体称为理想气体，一定质量的理想气体，在状态变化的某-稳定瞬时，其压力﹑温度和密度之间的关系称为理想气体状态方程。V为气体的体积，单位为；为气体的质量，单位为。

　　

　　或 　　　或式中，为气体的绝对压力，单位为Pa；V为气体的体积，单位为；为气体的质量，单位为；为气体密度，单位为；为绝对温度(K)；为气体常数，单位为；干空气的，水蒸汽的。为气体密度，单位为kg/m3 。

　　

　　理想气体状态方程适用于绝对压力在20MPa以下，绝对温度在253K以上的空气、氧、氮气、二氧化碳等气体。不适用于低温状态和高温状态下的气体。

　　

　　气体的状态变化过程及规律（1）等压过程一定质量的气体，在压力保持不变（＝常数）时，从某一状态变化到另一状态的过程，称等压过程。等压过程状态方程为式说明：压力不变时，比容与绝对温度成正比关系，气体吸收或释放热量而发生状态变化。

　　

　　单位质量的气体获得或释放的热量为式中，质量定压热容，为单位，对于空气，。

　　

　　此过程中，单位质量气体膨胀所作功为（2）等容过程一定质量的气体，在容积保持不变（V=常数）时，从某一状态变化到另一状态的过程，称为等容过程。等容过程状态方程为式说明：容积不变时，压力与绝对温度成正比关系在等容变化过程时，气体对外作功为即气体对外不作功。但绝对温度随压力增加而增加，提高了气体的内能。单位质量的气体所增加的内能为式中，为质量定容热容，单位为，对于空气。

　　

　　（3）等温过程一定质量的气体在温度保持不变（＝常数）时，从某一状态变化到另一状态的过程，称为等温过程。等温过程状态方程为即温度不变时，气体压力与比容成反比关系。压力增加，气体被压缩，单位质量的气体所需压缩功为此变化过程温度不变，系统内能无变化，加入系统的热量全部用来作功。

　　

　　（4）绝热过程气体在状态变化过程中，系统与外界无热量交换的状态变化过程，称为绝热过程。该过程的 曲线如图所示。在此过程中，输入系统的热量等于零，即系统靠消耗内能作功。绝热过程状态方程为或式中，为绝热指数，对不同的气体有不同的值。

　　

　　单位质量绝热过程气体所作的功为（5）多变过程不加任何限制条件的气体状态变化过程，称为多变过程。实际上大多数变化过程为多变过程。等容﹑等压﹑等温﹑绝热这四种变化过程不过是多变过程的特例而已。

　　

　　式中，为多变指数等压过程：＝0， =；等容过程：＝∞，；等温过程：＝1， ；绝热过程：＝＝1.4（空气），；多变过程：一般＞＞1，。

　　

　　单位质量气体所做的功W为气体的流动规律气体流动的基本方程对于气压传动系统中的一维定常流动，忽略粘性和热传导，则只有四个参数就能确定流场，即速度﹑压力﹑密度和温度。相应的四个独立方程为连续方程﹑动量方程﹑能量方程和状态方程。

　　

　　（1）连续性方程连续性方程，实质上是质量守恒定律在流体力学中的一种表现形式。气体在管道中作定常流动时，流过管道每一过流断面的质量流量为一定值。即式中为截面气体密度，单位为；为截面气体的流动速度，单位为；为截面的管道截面积，单位为 。

　　

　　（2）动量方程动量方程：实质是动量守恒定律在流体力学中的一种表现形式。

　　

　　即式中为气体的流速，单位为；为气体的压力，单位为；为气体的密度，单位为（3）能量方程（伯努利方程）

　　

　　在流管的任意截面上，推导出的伯努利方程为式中为气体的流速，单位为；为重力加速度，单位为；为位置高度，单位为；为气体压力，单位为；为气体的密度，单位为；为摩擦阻力损失系数，单位为。

　　

　　声速和马赫数（1）声速声音所引起的波称为声波。声波在介质中的传播速度称为声速。声波就是一种微弱扰动波，因此，微弱扰动的传播速度通常称为声速。对于气体，比值取决于微弱扰动所引起的热力学过程。最早进行研究的是牛顿，他认为微弱扰动引起的温度变化很小，可以忽略不计，按等温过程处理。因而得出按该式计算的0℃情况下空气中声音传播速度为280m/s，但当时实际测量的声音传播速度为330m/s。两者相差超过17%。牛顿曾解释为空气中的灰尘和水份阻碍了声音的传播。后来拉普拉斯纠正了这一理论错误，认为声波的传播过程是绝热的，又因为是微弱扰动，可视为等熵过程。

　　

　　声速值反映了流体的可压缩性，声速值的大小与流体种类和所处状态有关。对于某种气体来说，它仅是温度的函数，因此，声速值也是气体的状态参数之一。在同一流场中，由于各点的温度随气体的速度而变化，故各点的声速值也不同，所以有当地声速之称。

　　

　　（2）马赫数在气体动力学中，常用气体流速与当地声速之比作为气体流动的一个重要参数，称为马赫(Mach)数，M<1为亚声速流动；M=1为声速流动；M>1为超声速流动。在随后各节的讨论会看到，不同的范围的气流，其性质有很大的差别，引入马赫数的概念对研究气体高速流动有着重要意义。

　　

　　气体通过收缩喷嘴（小孔）的流动气动元件和管道的流通能力可以用流量公式表示，还可以用有效截面积值来描述。

　　

　　对于下图，节流孔的有效截面积与孔口实际截面积之比，称为收缩系数，以表示，即（1）对于如图所示之圆形节流孔，设节流孔直径为，节流孔上游直径为。节流孔口面积。

　　

　　令，根据β值可从下图中查到收缩系数a值，便可计算有效截面积A。

　　

　　（2）　对于气流通过内径为、长为的管道，其有效截面积仍按式计算。此时的为管道的实际截面积，式中收缩系数由图查得。系统中有若干元件串联时，合成有效截面积用下式计算：系统中有若干元件并联时，合成有效截面积为以上两式中，、、…、分别为各元件的有效截面积。

　　

　　气动元件和管道的有效截面积气体通过收缩嘴小孔的流动。收缩喷嘴是用来将气体的压力能转换为动能的元件。

　　

　　气流通过气动元件，使元件进口压力保持不变，出口压力降低。如果当气流压力之比/＞1.893或/＜0.528时，流速在声速区。自由(基准)状态的流量为当/＞0.528或/＜1.893时，流速在亚声速区。自由(基准)状态的流量为以上两式中，为有效截面积，单位为；为进口绝对压力，单位为MPa；为出口绝对压力，单位为MPa；为压力差，=-，单位为MPa；为进口气体绝对温度，单位为K。本章小结：本章介绍气压传动的工作介质-空气及其性质。气体的状态变化感和气体流动规律三部分。

　　

　　气体的流动规律与液体基本相似，但是在气体流动速度较高时，需要考虑气体压缩性的影响，此外，描述气体的运动规律时还需要考虑温度的影响。

　　

　　习题：1.在常温下时，将空气从0.4（绝对压力）压缩到1（绝对压力），试计算温度为多少？

　　

　　2.求标准状态下空气的密度？

　　

　　3.从室温把压力为2的压缩空气通过有效截面积25的阀口，充入容积为100的气罐中，压力为0.25上升到0.4时，充气时间及气罐的温度为多少？当降压室温后罐内压力为多少？

　　

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