第九章 气动技术概述

第九章气动技术概述
本章主要介绍气动技术的应用、气动系统的组成及气动技术的特点。

§9-1 气动技术的应用与特点
一、气动技术的应用
1．气动技术：是以压缩空气工作介质来传递动力和控制信号，从而实现各种生产控制自动化的一门技术。

气动技术包括：气压传动和气动控制。

2．应用场合
气动技术的应用包括：物料包装；加工过程中的进给、计量；汽车的车门控制和刹车；材料输送所采用的夹紧、位移、定向；机械加工过程中的车、铣、刨、磨、钻及质量控制；石油机械中的动力机和工作机的控制、动力传递、气动平衡和设备的自动控制等。

二、气动系统的组成
气动系统与液压系统相似由四部分组成：气源装置、执行元件、控制元件和辅助元件。

1．气源装置（空气压缩机和储气罐）：将机械能转化为气体的压能。

2．执行元件（气缸和气马达）：将气体的压力能转化为机械能。

3．控制元件（各种阀件）：控制和调节压缩气的压力、流量和流动方向。

4．辅助元件（净化、冷却、润滑装置和管道）：净化、冷却、和润滑压缩空气并输送到所需的装置。

三、气动技术的特点
1．优点
（1）工作介质来源方便，废气排放方便且不污染环境；
（2）工作花镜适应性好，工作安全可靠；
（3）流动过程中能量损失小，便于长距离输送；
（4）动作迅速、反应快、使用和维护方便；
（5）成本低，具有过载自动保护；
（6）易实现标准化和系列化。

2．缺点
（1）工作速度的稳定性较差，也整个系统效率不高；
（2）不一获得较大的力和力矩；
（3）雨点子和光速相比信号传递慢；
（4）噪音较大。

§9-2 气动的基本计算
一、湿度与含湿量
空气中含有水分的多少对气动系统的稳定性和元件寿命有直接影响，因此各种元件对空气的含湿量都有明确的规定，并辞去一定的措施防止水分进入。

所以对湿度的概念应有一定的了解。

1．绝对湿度(x)：每1立方米的湿空气中所含的蒸气的质量为湿空气的绝对湿度。

用x表示。

即：
或由气态方程：导出：
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
=
3
m
kg
V
m
x s
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
=
=
3
m
kg
T
R
p
x
s
s
s
ρ
R
T
pV
=
RT
p
=
ρ
或
式中：
2.饱和绝对湿度(x b )
空气中水蒸气的含量达到饱和时，湿空气中水蒸气的分压力达到该温度下蒸气的饱和压力，则此时的绝对湿度为饱和绝对湿度。

用x b 比表示。

式中：p b 为饱和空气中水蒸气的分压力，N/m 2。

3．相对湿度Ф
相对湿度的概念反应了湿空气可继续吸收水分的能力和离开饱和状态的远近。

Ф值在0-100%之间变化，通常情况下，Ф=60-70%时，人感觉舒适。

气动技术规定Ф值不得大于90%。

当空气干燥时：p s =0 则 ]Ф=0 当空气达到饱和时：p s =p b 则 Ф=100% 4．含湿量（d ）
一千克质量的干空气中所混合的水蒸气的质量称为含湿量，用d 表示。

⎪⎭
⎫
⎝⎛=
3m kg T R p x s b b %100%100⨯=⨯=
b
s b p p x x
φ⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯-⨯⨯==⎪⎭
⎫ ⎝⎛=
kg g p p p p p d kg g m m d b b g s g s φφ622622
()。

绝对温度，—；水蒸气的气体常数，—；
水蒸气的密度，
—K T K kg m N R m kg s s ∙∙/3
ρ；
水蒸气得分压力，
—；湿空气的体积，—；水蒸气的质量，—2
3m N p m V kg m s s p
p p +=
式中：
二、 流通能力
一般说管路的流通能力是指单位时间内通过阀、管路等的流体体积或重量。

表示流通能力的方法：有效面积S 值，；流量系数C 、C v 值以及流量Q 等。

1．有效面积S
气体流过节流孔时，其流束断面由于收缩而比节流孔实际截面积还小，此最小截面积称为有效截面积，它代表了节流孔的流通能力，常用S 表示。

有效面积/实际面积=收缩系数α
对于管路：
2．流量系数C 、C v。

空气的相对湿度，—；湿空气的总压力，—；干空气的分压力，—；水蒸气的分压力，—；
干空气的质量，—；水蒸气的质量，—%φMPa p MPa p MPa p kg m g m g s g s ()
对于节流阀、气阀等或44
d S d S παπα⋅
==；
水蒸气得分压力，
—；湿空气的体积，—；
水蒸气的质量，—2
3m N p m V kg m s s 管子实际截面积。

—；
定时，它取决于系数，当管路、材料一
—S l/d 'ααmm
S S =
C 是当阀全开始，阀两端压力差p 1-p 2=105Pa ，用重度为9810N/m 3的水作为介质，则得通过阀的流量值（m 3/h ）。

流量系数Cv,Cv 是阀全开时，阀两端压差为1磅/吋2
，以加仑/分为单位所能流过水的流量值（1美加仑/分=3.785l/min ）.
S 、C 、Cv 的换算：
Cv = 1.167 C S= 16.98 Cv = 17 Cv 3．流量Q Z
入口压力不变，出口压力减小，
当p 2/p 1=0.528，或 p 1=1.893p 2时，气流达声速； 当p 2/p 1=0.528—1时，气流为亚声速； 流量计算式如下： 当p 1>1.893p 2在声速区时：
p 1=（1—1.893）p 2在亚声速区时：
p 1——入口压力，105帕； p 2——出口压力，105帕； Δp=(p 1-p 2),帕； T ——入口气体温度，K ； Q 2——换算成自由状态后的空气流量，l/min 。

三、充气、放气温度与时间的计算。

阀前后的压差，—，通过阀的水流量，—Pa p h m Q p
Q
C 10/∆∆=
γ
()
()m
in /273
1.0311.112l T
p S Q +=()
()m in 2/273
1.03.221
2l T p p S
Q +∆=
1．充气温度与时间的计算
当气罐充气时，压力从原来的p 1上升到p 2，由于充气时间很短，可看成是绝热压缩过程，则温度从T 1上升到T 2，则T 2可由下式求得：
式中：T s —气源绝对温度，K ； R —绝热指数。

当充气压力达到p 2时，立即关闭气阀，通过气罐壁散热，气罐温度在次降到室温时，罐内压力也降到p ，p 可由下式求得：
气罐充气达到气源压力时所需的时间t(秒)为：
式中：
2．放气温度与时间的计算
气罐内初始温度为T 1，压力p 1经绝热快速放气后的温度降至T 2，压力降到p 2，则放气后温度T 2为：
放气至压力为p 2时关闭气阀，停止放气一段时间后，气罐内温度上
s
s
T T T R p p R
T ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+=
111212()MPa T T p p 2
1
2
=s
s T RS V p p t 273
217
.5285.11=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛-=ττ。

，气体流道的有效截面积—；
气罐的容积，—；充气与放气的时间常数—；
，气罐内的初始绝对压力—；气源的绝对压力，—21mm S L V MPa p MPa p s τk
k p p T T 11212-⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛=
升至室温，此时气罐内的压力也上升至p 。

则：
式中：p —稳定状态时的绝对压力，Mpa ；
p 2—关闭气阀时气罐内的绝对压力，Mpa ； T 1—稳定后气罐内气体温度（室温），K ； T 2—刚关闭阀时气罐内气体的温度，K 。

气罐由压力为p 1放气至结束时所需的时间t 为：
式中：p 1—初始绝对压力，MPa ；
p e —临界压力，Mpa ； τ—时间常数。

2
12
T T p p =⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=--k k k k e p p p k k t 211211013.1945.0112。