第9章 气动工作原理及回路设计

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9.2气源装置及气动元件
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气动系统由下面几种元件及装置组成 气源装置 压缩空气的发生装置以及压缩空 气的存贮、净化的辅助装置。它为系统提供 合乎质量要求的压缩空气。 执行元件 将气体压力能转换成机械能并完 成做功动作的元件，如气缸、气马达。 控制元件 控制气体压力、流量及运动方向 的元件，如各种阀类；能完成一定逻辑功能 的元件，即气动逻辑元件；感测、转换、处 理气动信号的元器件，如气动传感器及信号 处理装置。 气动辅件 气动系统中的辅助元件，如消声 器、管道、接头等。

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
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空气的物理性质

空气的组成

ห้องสมุดไป่ตู้
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。 对于干空气ρ=ρo×273 /（273+t）×p / 0.1013 较液体的粘度小很多，且随温度的升高而升高。 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。 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。 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， 华中科技大学 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 式中 pe 为放气临界压力（1.92×105 Pa)

空气的密度



空气的粘度

空气的压缩性和膨胀性



湿空气


压缩空气的析水量

理想气体的状态方程

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 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。
压缩空气净化设备
一般包括后冷却器、油水分离器、贮气罐、干燥器。
后冷却器 将空气压缩机排出具
有140℃～170℃的压缩空气降至 40℃～50℃，压缩空气中的油雾 和水气亦凝析出来。冷却方式有水 冷和气冷式两种。
油水分离器 主要利
用回转离心、撞击、水 浴等方法使水滴、油滴 及其他杂质颗粒从压缩 空气中分离出来。

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
在超声速流动时
(Ma>1)
v2 v2<v1
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
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。
可压缩气体通过节流小孔（气流达到声速）的流量
气流在不同流速时应采用有效截面积的流量计算公式。
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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
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气源装置

气源装置为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气，是气动 系统的重要组成部分。 气动系统对压缩空气的主要要求：具有一定压力和流量，并具有 一定的净化程度。 气源装置由以下四部分组成 气压发生装置——空气压缩机； 净化、贮存压缩空气的装置和设备； 管道系统； 气动三大件。
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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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气压发生装置 气动机械使用。
空气压缩机将机械能转化为气体的压力能，供
空气压缩机的分类 分容积型和速度型。
常用往复式容积型压缩机，一般空压机为中压，额
定排气压力1MPa；
低压空压机排气压力0.2MPa； 高压空压机排气压力10MPa。
空气压缩机的选用原则 依据是气动系统所需
要的工作压力和流量两个参数。

空压机输出流量 qVn＝(qVn0+qVn1)/(0.7～0.8)
qVn0—— 配管等处的泄漏量 qVn1—— 工作元件的总流量
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压缩空气的净化装置和设备
气动系统对压缩空气质量的要求：压缩空气要具有一定压力和足
够的流量，具有一定的净化程度。不同的气动元件对杂质颗粒的 大小有具体的要求。 混入压缩空气中的油分、水分、灰尘等杂质会产生不良影响： 混入压缩空气的油蒸汽可能聚集在贮气罐、管道等处形成易 燃物，有引起爆炸的危险，另一方面润滑油被汽化后会形成 一种有机酸，对金属设备有腐蚀生锈的作用，影响设备受命。 混在压缩空气中的杂质沉积在元件的通道内，减小了通道面 积，增加了管道阻力。严重时会产生阻塞，使气体压力信号 不能正常传递，使系统工作不稳定甚至失灵。 压缩空气中含有的饱和水分，在一定条件下会凝结成水并聚 集在个别管段内。在北方的冬天，凝结的水分会使管道及附 件结冰而损坏，影响气动装置正常工作。 压缩空气中的灰尘等杂质对运动部件会产生研磨作用，使这 些元件因漏气增加而效率降低，影响它们的使用寿命。 因此必须要设置除油、除水、除尘，并使压缩空气干燥的提高压 缩空气质量、进行气源净化处理的辅助设备。华中科技大学


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。
SR＝∑Si 1/SR2 ＝∑1/Si2
多个元件组合后有效截面积的计算
并联元件 串联元件
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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
压缩；自由气体经空压机压缩的过程中是可压缩的。
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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。 有效截面积的简化计算

因气体粘度小，不考虑摩擦阻力，则有
v2/2+ gz + kp /（k-1）ρ= 常数
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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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； 当v＝c，Ma ＝1时，称为声速流动，也叫临界状态流动；
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贮气罐的主要作用是贮存
一定数量的压缩空气，减 少气流脉动，减弱气流脉 动引起的管道振动，进一 步分离压缩空气的水分和 油分。
干燥器的作用是进一步除去压缩
空气中含有的水分、油分、颗粒杂 质等，使压缩空气干燥，用于对气 源质量要求较高的气动装置、气动 仪表等。主要采用吸附、离心、机 械降水及冷冻等方法。
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
第9章 气动工作原理 及回路设计
9.1气压传动基础知识
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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