第九章+气压传动基础知识

第九章 气压传动基础知识

§9－1 空气的物理性质

一、空气的组成

空气的的主要成分：氮气（N 2）、氧气（O 2）。

空气分为干空气和湿空气。混合气体的压力称为全压，它是各组成气体压力（分压）的总和。

二、空气的密度

密度：单位体积内空气的质量，用ρ表示。与液体不同，空气的质量m （体积V 与密度ρ）与压力和温度有关。

ρ＝m /V

三、空气的粘度

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粘性。粘性的大小用动力粘度和运动粘度表示。空气的粘度主要受温度变化的影响，而压力变化对其影响很小。

四、空气的压缩性与膨胀性

空气的体积随压力和温度的变化而变化的性质，分别表征为压缩性与膨胀性。空气的压缩性与膨胀性远大于液体和固体。

气体体积随压力和温度的变化规律服从气体状态方程。

五、湿空气

空气中含水分的多少对气动系统的稳定性有直接的影响，因此需采取措施除去压缩空气中的水分。

湿空气中含水分的程度用湿度（绝对湿度x 、饱和湿度x b 、相对湿度φ）和含湿量d 来评价。 湿空气被压缩后绝对湿度增加，同时温度也上升，当压缩空气冷却时，相对湿度增加，温度降到露点后有水滴凝析出来。

§9－2 理想气体的状态方程

一、理想气体状态方程

理想气体是指没有粘性的气体。一定质量的理想气体在状态变化的某一稳定瞬时，有如下气体状态方程成立。

常量 T

pV 或 p ＝ρRT 式中 p ——绝对压力（Pa ）；

V ——气体体积（m 3）；

T ——热力学温度（K ）；

ρ——气体密度（kg/m 3）

R ——气体常数（N ·m /kg ·K ），R g ＝287.1（N ·m /kg ·K ）

二、气体状态变化过程

气体从状态1（指压力、温度、体积）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（压力、温度、体积）都应服从状态方程。几个简单的状态变化过程。

1．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，叫做等容

过程。

常量==2

211T p T p 2．等压变化过程：一定质量的气体，在压力不变的条件下，所进行的状态变化过程，叫做等容过程。

常量2

211T V T V = 3．等温变化过程：一定质量的气体，在温度不变的条件下，所进行的状态变化过程，叫做等容过程。

常量==2211V p V p

4．绝热过程：一定质量的气体和外界没有热量交换时所进行的状态变化过程，叫做绝热过程。 k

p p ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=2121ρρ 或 k k V p V p 2211=

式中 k ——绝热指数，对空气来说k ＝1.4

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。

n n V p V p 2211=

式中 n ——多变指数。当n ＝1时为等温过程；n ＝∞时就是等容过程；n ＝k ＝1.4为绝热过程；一般过程k >n >1。当研究气缸的起动和活塞运动速度时，可取n ＝1.2～1.25。

气动过程中不少工作过程，如气缸工作、管道输送空气等可视为等温过程；气动系统的快速充气、排气过程可视为绝热过程。

§9－3 气体的流动规律

一、气体流动的基本方程

1．连续性方程

m q A v A v ==222111ρρ（q m 为气体的质量流量）

式中 ρ——气体密度

v ——气体运动速度

A ——流管的截面积。

2．伯努力方程

按绝热过程计算

m gh p k k gz v +-++ρ

122＝常量 若不考虑摩擦阻力和位置高度的影响，则有

常量=-+ρ

p k k v 122 若空气低速流动时，认为其不可压缩，则有

常量=+ρ

p v 22 二、声速与马赫数

1．声速

对理想气体来说，声音在其中传播的相对速度只与气体温度有关，即

t T k g R T c +=≈=2732020（m/s ）

气体的声速c 是随气体状态参数的变化而变化的。

2．马赫数

气流速度v 与当地声速c 之比称为马赫数，用Ma 表示，即

c

v Ma = 当Ma ＜1时为亚声速流动；

当Ma ＞1时为超声速流动；

当Ma ＝1时为声速流动，也叫临界状态流动。

Ma 越大，气流密度变化越大。

三、气体在管道中的流动特性

气体在管道中的流动特性，随流动状态的不同而不同。

1．在亚声速流动时（Ma ＜1）：此时气体的流动特性和不可压缩的流体的流动特性相同。

2．在超声速流动时（Ma ＞1）：此时气体的流动特性和不可压缩的流体的流动特性相反。 当气流速度远小于声速时，可以认为气体不可压缩，当Ma ＞0.4时，就应该考虑压缩性了。

§9－4 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、管路等的流体体积或质量。可以采用有效截面积S 值或流量表示。

一、有效截面积

气体流过节流孔时，因粘性缘故流束收缩的最小截面积称为有效截面积。

1．有效截面积的测试法：采用容器放气特性测定放气时间，算出S 值。

2．有效截面积的简化计算

对于气动元件或管道

0S S α=

S 0为实际截面积。

对于多个元件并联

∑==

n i i R S S 1

对于多个元件串联

∑==n i i R S S 12211 二、流量

1．不可压缩气体通过节流孔的流量

当气体流速较低（v <5m/s ）时，可不计压缩性的影响，则流量为

p A C q d ∆ρ2

=

式中 C d ——流量系数，一般C d ＝0.97

A ——节流孔面积（m 2）;

ρ——气体密度（kg/m 3）;

Δp ——节流孔前后的压差（Pa ）

2．可压缩气体通过节流孔的流量

（1）当p 1＞1.893p 2，在超声区时

()1

5

1427310013110851T .p S .q z ⨯+⨯=- （2）当p 1=（1～1.893）p 2，在亚声区时 ()

15

232731001311073T .p p S .q z ⨯+⨯=-∆ 式中 p 1、p 2——分别为元件进出口压力（Pa ）；

Δp ——元件进出口前后的压差（Pa ）

S ——有效截面积（m 3）；

T 1——进口气体温度（k ）；

q Z ——换算成自由状态后的空气流量（m 3/s ）

§9－5 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。

一、向定积容器充气问题

1．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p 1升高到p 2，容器内温度也由室温T 1升高 到T 2，充气后的温度为