第九章 气压传动基础知识
第9章气压传动基础知识
气压传动是指以压缩空气为工作介质来进行能量传递的一种传动形式。由于它具有防火、防爆、节能、无污染等优点，因此，气动技术已广泛应用于国民经济的各个部门，特别是在工业机械手、高速机械手等自动化控制系统中的应用越来越多。
【本章学习目标】
1．掌握气压传动的组成、工作原理及特点
2．了解空气的基本性质和流动规律
9.1 气压传动系统的组成及工作原理
气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递和控制的一门技术。气压传动的工作原理是利用空气压缩机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种动作，并对外做功。由此可知，气压传动系统和液压传动系统类似，也是由五部分组成的，如图9-1-1所示：
1．气源装置是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（工作介质）的压力能。
2．控制元件是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。它包括实现直线往复运动的气缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马达等。 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元件，包括过滤器、油雾器、管接头及消声器等。
5．工作介质经除水、除油、过虑后的压缩空气。
图9-1-1 气压传动系统的组成
1－电动机 2－空气压缩机 3－气罐 4－压力控制阀 5逻辑元件 6－方向控制阀 7－流量控制阀8－行程阀 9－气缸 10－消音器 11－油雾器 12－分水滤气器
9．2 气压传动的特点及应用
9.2.1 气压传动的特点
气动技术在国外发展很快，在国内也被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门。气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量涌现，它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性。气压传动与机械、电气、液压传动相比有以下特点，见表9-2-1。
一、气压传动的优点
1.工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。气体不易堵塞流动通道，使用之后可将其随时排入大气中，不污染环境。
2.空气的特性受温度影响小。在高温下能可靠地工作，不会发生燃烧或爆炸，且温度变化对空气的粘度影响极小，故不会影响传动性能。
3.空气的粘度很小(约为液压油的万分之一)，所以流动阻力小，在管道中流动的压力损失较小，便于集中供应和远距离输送。
4.相对液压传动而言，气压传动动作迅速、反应快，一般只需0．02～0．3s 就可达到工作压力和速度。液压油在管路中流动速度一般为1～5m/s，而气体的
流速最小也大于10m/s，有时甚至达到音速，排气时还可达到超音速。
5.气体压力具有较强的自保持能力，即使压缩机停机，关闭气阀，但装置中仍然可以维持一个稳定的压力。液压系统要保持压力，一般需要能源泵持续工作或另加蓄能器，而气体通过自身的膨胀性可维持承载缸的压力基本不变。
6.气动元件可靠性高、寿命长。电气元件可运行百万次，而气动元件可运行2000～4000万次。
7.工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘、强磁、辐射、振动等恶劣环境中，比液压、电子、电气传动和控制优越。
8.气动装置结构简单，成本低，维护方便，具有过载自动保护功能。
二、气压传动的缺点
1.由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，外载荷变化时，对工作速度的影响较大；
2.由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同的情况下，气压传动装置比液压传动装置输出的力要小得多，一般而言，不宜大于10～40kN；
3.气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中。同时实现生产过程的遥控也比较困难，但对一般
的机械设备，气动信号的传递速度是能满足工作要求的；
4．噪声较大，尤其是在超音速排气时要加消声器。
9.2.2 气动技术的应用和发展
目前气动技术已广泛应用于国民经济的各个部门，而且应用范围越来越广。
1．在食品加工和包装工业中，气动技术因其卫生、可靠和经济得到广泛应用，如在收割芦笋之后，采用气动技术可以对其进行剥皮，并轻轻除去其中的苦纤维，而不损伤可口的笋尖。在饮料厂和酒厂里，气动系统完成对玻璃瓶的抓取功能时可以实现软抓取，即使玻璃瓶比允许误差大，它也不会被抓碎。这主要是由于气缸中的空气是可压缩的，其作用就像缓冲垫一样，气爪可以简单地调整至不同尺寸大小，以免引起玻璃瓶破裂。当然，这种优点可以适用于整个玻璃制品生产，玻璃制品生产也是气动技术的应用的另一个领域。
2．绝大多数具有管道生产流程的各生产部门都可以采用气动，如有色金属冶炼工业，在冶炼过程中，温度高、灰尘多的场合往往不宜采用电机驱动或液压传动，采用气动就比较安全可靠，如高炉炉门的启闭常由气动完成。
3．在轻工业中，电气控制和气动控制一样应用，功能大致相等。凡输出力要求不大、动作平稳性或控制精度要求不太高的场合，均可以采用气动，成本比电气装置要低得多。对粘稠液体（如牙膏、化妆品、油漆、油墨等）进行自动计量灌装时采用气动，不仅能提高工效，减轻劳动强度，而且因有些液体具有易挥发性和易燃性，采用气动控制比较安全。对于制药工业、卷烟工业等领域，气动由于其不污染性而具有更强的优势，有广泛的应用前景。
4．在军事工业中气动也得到广泛应用。因电子装置在没有冷却下很难在300℃以上的高温条件下工作，故现代飞机、火箭、导弹、鱼雷等自动装置大多是气动的，因为以压缩空气作为动力能源，其体积小、重量轻，甚至比具有相同能量的电池体积还小还轻，且不怕电子干扰。
9.3 空气的基本性质
9.3.1 空气的组成和性质
空气主要成分有氮气、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。
一般来说，我们要了解空气的以下性质和内容：
1.空气的密度 单位体积内空气的质量 V m =ρ 对于干空气 1013
.02732730P t ?+=?
ρρ 式中：m 、V ——分别为气体的质量和体积；
0ρ——基准状态下干空气的密度, 0ρ=1.293kg/m 3
P ——绝对压力(Mpa)
(273+t )——热力学温度（K ）
2.空气的粘性
气体在流动过程中，空气质点之间相对运动产生阻力的性质叫气体的粘性。气体的粘性主要受温度变化的影响，将随温度的升高而升高；而压力对其影响很小。空气较液体的粘性小很多。
3.空气具有一定的压缩性和膨胀性：其体积随压力和温度而变化，分别表征为压缩性和膨胀性。而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。
4.空气中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。
5.压缩空气一旦冷却下来，相对湿度将大大增加，当温度降到露点以后，水蒸气就要凝析出来。
9.3.2 理想气体的状态方程
1.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
T
PV = 常量 或 RT p ρ= 式中：P —绝对压力（Pa ）
V —气体体积（m 3）
T —热力学温度（Ｋ）
ρ—气体的密度（kg/m 3）
R —气体常数（N ·m/kg ·k ），干空气R=287.1（N ·m/kg ·k ）
2.气体状态变化过程
气体从状态1变化到状态2叫气体的状态变化。在变化以后或在变化过程中，当处于平衡状态时，这些参数都应服从状态方程。
（1）等温过程 2211V p V p == 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。
（2）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。
k
k V p V p 2211==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。
（3）等容过程 一定质量的气体，在体积不变的条件下，所进行的状态变化过程。 2
211T P T P ==常量 在等容过程中，气体对外不做功，气体随温度升高，压力增加，系统内能增加。
（4）等压变化过程 一定质量的气体，在状态变化过程中其压力始终保持不变的过程。
2
211T V T V ==常量 压力不变时，气体温度上升必然导致体积膨胀，温度下降导致体积缩小。
小结
本章主要讲述了气压传动组成、特点及工作原理，并介绍了空气的基本性质。限于篇幅，在此只是做了简单介绍，感兴趣的读者可参阅书后所列有关文献或专著，了解更多的关于气体的理论。
习题
9-1．简述气压传动的组成
9-2．与其它传动方式相比，气压传动有什么优点和缺点？
9-3．空气具有哪些基本性质？
9-4．空气与液压油的粘度随温度变化的规律有什么不同？为什么？