Chinese_72_Principles of Pneumatics.doc

Tetra Pak Denton Principles of Pneumatics Version 1.1气压原理 I流体动力系统1.1 所有的工业设备都采用一种类型或另外一种类型的流体动力系统。做功的过程是流体在系统内压力作用下完成的。流体动力系统可以在流程中某一部分起作用，例如：加热或冷却，或者也可以作为二次服务系统使用，如压缩空气。流体可以为液体，如水或油，也可以为气体。压缩空气是在工业应用中最常见的一种气体。采用气体来传递力的系统称为气动系统。“气动”这个词主要源于希腊词，表示一种未曾见过的气体。最初，气动只表示气体的流动。现在它表示在压力作用下系统中任何气体的流动。气动系统1.2 气动系统做功的方式包括操作气动工具、线性运动装置、开门装置、旋转运动装置和气动运输机（用于原材料的加工）。工业设备中的气压系统通常利用压缩空气。压缩空气被使用于操作轻便的气动工具，如钻机、扳手和破碎工具，还用于虎钳、卡盘等其它夹紧装置，可移动的定位装置和用于制作过程的气体供给。尽管气动设备的类型彼此是不同的，但它们都将压缩空气转化成功。力、重力和质量1.3 压缩机在大气压下集合空气，压缩它并将它储存在罐中。罐中的空气流入到从罐到设备相连管线中，。力指的是作用在物体上的用以使物体产生运动的推力或拉力。它包括使物体由静止变为运动、由运动变为静止和改变物体的速度或运动方向。在气动系统中，压缩空气施加的力一直存在于工作系统中。图 1-1压缩机力罐空气功重力是指某物体受到地球引力作用所产生的力。在气动系统中，无论空气是被保留在罐中还是通过系统正在运行，所有的部件都有重力。质量是指物体所含物质的多少，也是指物体惯性或运动阻力的大小。一个物体的质量决定着它在地球上或其它引力区域内的重力，物体的惯性决定着提升或移动一个物体，改变物体的速度或运动方向需要多大的力。大家都知道，和水或液压流体相比，空气是非常轻的。它的相对低的密度适合长距离和高速控制应用。而且，由于空气的低重量和惯性的原因，所以当快速关闭阀门时，不会产生象液压流体一样的气压振动。 压强1.4 压强是指物体单位面积（平方英寸）上所作用的力（磅）的数量。尽管压强可以按多种方式计量，但磅/平方英寸（psi）的使用还是最普遍的。一般来说， 气压系统涉及到三种压强： 1. 大气压强2. 大气压强以下3. 气动系统压强没有空气（无论是全部的或部分的）通常被称为是真空或半真空。在一些应用中，它还被称为负压或吸压。在大部分的应用中，真空是以英寸水银柱取代磅/平方英寸（psi）来计量的。然而，作用在气压系统上的气压是以磅/平方英寸（psi）来计量的。在气压系统中，大多数压强计仅仅测定压强高于外界大气压强的值。当压强计不工作时，它的读数为零（0psig）磅/平方英寸。当压强计上指示到250时说明气体压强比大气压强高出250psi 。压强计的读数加上大气压强，总压强为264.7 磅/平方英寸, 或者绝对压强 (psia)。 在大多数液压系统中，psig和psia的区别是不很重要的，因此，压强计的读数通常只以psi表示。功和能量1.5 在气压系统中，能量的类型包括：q 电能 带动泵的电机q 气压能 由压缩机产生q 热能 由压缩机电机、压缩机、流动空气和运动活塞间的摩擦产生q 动能 由压缩空气提起或移动一个物体产生q 势能 被提起的或移动的物体所具有的能量气体和液体的分离1.6 因为液体比气体要重，它们不容易混合。因此，当空气和悬浮的水或油被放到同一罐中或在同一管线中流动时，水或油将沉淀和流到最低处。这就是通常水会汇集在垂直进气管的底部的原因，水在这里通过排水阀排出。可压缩性1.7 空气可以很容易地被压缩，并且可以在一个相对小的容器中大量储存。压缩的空气越多，压强也就越大。容器中的压强越大，容器也就必须更坚固。气压定律1.8 帕斯卡定律作为最著名的物理定律之一，制约着气压系统的工作。帕斯卡定律指出当气体在压力作用下，密闭容器内的气体压强在气体各个方向的传递是相等的。(见下图 1-2)。 如果容器是可变形的，那么就呈现为球形。大多数压缩气体罐是带有球形端的长圆筒，它们可以更有效地承受压强。鉴于这种设计，压力容器可以由薄钢板制成，但不能忽视安全性。图1-2压强气体压强和体积之间的基本关系在波义尔定律中已经指出，它规定： 在温度保持不变的情况下，一定数量气体的绝对压强与它的体积变化成反比。这就意味着：只要温度保持不变，14.7 psia的10 ft3空气体积压缩到1 ft3时，空气压强升高到147.0 psia。另外一个有关热量的物理定律是查理定律， 上面规定：如果一定数量的气体体积保持不变，气体压力的变化直接随着气体绝对温度（T）的变化而变化。及,如果一定数量的气体压强保持不变，气体体积（V）的变化将随着气体温度的变化而变化。因为只有在温度变化时才能完成气体压缩，所以在现实的气压系统中，波义尔定律和查理定律不能分开执行，它们必须要合在一起执行，这就被称为理想气体定律。气压动力系统部件1.9 工业设备中有很多种类的气压系统。简单地说，气压系统是一个管道回路，回路内部的空气在控制压力下传递力来做功。它通常被称为开放式系统，因为它在大气压下吸入空气，并当完成所做的功将空气排放到大气中。基本的气压系统通常通过增加其它部件进行改良，这样能够让系统做更多的功，并且能够保证更可靠地运行。（见图 1-3).图 1-3压缩机罐活塞杆动力传动装置方向控制阀下面的部件（见图1-4)组成了改良后的基本气压动力系统：图1-4659837411021. 用于净化空气的进口过滤器和消音器。2. 压缩室内空气并在压力作用下传递压力的压缩机3. 压缩空气所需的冷却器4. 用于清除空气中冷凝水和油的分离器5. 根据要求启动和终止压缩机的压力开关6. 压力开关出现故障时使用的安全阀7. 压缩空气储存罐8. 用于准备空气使用的过滤器、压力调整器和润滑器9. 带有安全装置的方向控制阀10. 必要的时候，每个工作点所需的动力传动装置。它们可以为汽缸、电机或气泵11. 系统中传递压缩空气的管道。管道还包括清除污染物和水的排污阀。总结1.10气动系统是在压力作用下采用一种气体（如压缩空气）来传递力。力指的是作用在物体上的用以使物体产生运动的推力或拉力。系统要做更多的功，也就需要更多的力。 空气处理1.10 所有的空气中都含有污染物，另外，空气都具有湿度。湿度在不同时期和不同地点是变化着的。 1.11 当外界空气进入压缩机前，它必须要通过过滤器清除大部分的灰尘和其它固体污染物。干式过滤器被制作成不同的形状和结构。用于过滤的材料范围从棉花到毡制品，并捆扎装在金属丝网筛或其它隔栅中。所有的这些过滤器必须要采用推荐的溶剂来清洗，但是绝对不能使用汽油。湿式过滤器在构造和操作上稍微有点不同。曲径过滤器是比较常用的一种过滤器，它通过引导空气向下到达一个较浅的储油罐，然后在进入进气管前，向上通过过滤介质。油中的任何污染物将随着空气进入到过滤器中。 1.11 另外一个影响空气中水蒸气数量的因素是空气的压强。当空气压强增大时，空气保持水份的能力就降低了。当压缩机在重荷载下工作时，压缩空气将不会冷却到储气装置或进气管中的露点温度。那么，它会留在空气中并且经过气压设备。当空气离开这些设备时，它突然发生膨胀并且被冷却到低于露点的温度。这时候， 水蒸气在气动设备中凝结并形成水。如果空气冷却到32华氏度以下时，水就可能结冰。在正常工作条件下，冷却和水蒸气的冷凝通常发生在储气装置和管道中。如果水蒸气的冷凝是不充分的，那么就有必要采取某一种类型的外部冷却。否则， 不正常的水量将会通过气压系统传递。在正常使用的过程中，仍然有少量的水分可能在气动工具或动力传动装置中冷凝。水分的影响1.12 只要水分存在的时候就会生锈和腐蚀。 这主要是由于铁和水分间的化学反应的结果。空气的水分即使不凝结成水，也会引起储气罐、空气管线和设备的锈蚀和腐蚀。另外，在油中混有带杂质的水时，就会形成腐蚀酸。这些腐蚀酸会腐蚀气动设备的内表面。除了腐蚀以外，压缩空气系统中的水会稀释和冲走气压设备工作表面的润滑剂，引起设备磨损。水还会占用了仪器和控制器的小通道，使它们无法正常工作。鉴于这些原因，水（液态的或蒸汽）应该从压缩空气中清除。1.13 由于空气压缩使油发生的积聚会阻塞精密设备的小通道。同时，油中还包夹着存在的小颗粒污染物。当这些污油和水结合在一起时， 它会发生乳化并失去了润滑质量。空气被压缩时产生的高温会使水和油变成污泥和酸性物质。这些酸性物质会腐蚀气压设备，污泥与空气中的污染物结合会在管线和设备中形成沉淀物。这些沉淀物会减少气压设备的效率和寿命。当油被蒸发时，它会以小滴或油雾的形式被驱散开。压缩空气中的油滴是很容易被清除的，但是对于薄油雾和水蒸气是一个比较困难的问题。管道和软管中的油会影响管芯。因此，清除系统中的油和其他污染物也是很重要的。脱水1.14 清除压缩空气中的水和油有很多方法。最常用的方法之一就是冷凝水蒸气。液体可以很容易地被清除。油汽也可以冷凝，然后清除。另外一种清除水分的方式是象干燥器一样通入循环空气，不经过冷凝来清除空气中的水蒸气。除非真正需要干燥空气，大多数设备仅仅是通过二次冷却器来冷却空气，并且清除冷凝蒸汽。1.15 二次冷却器与第二课中讨论的冷热气自动调节机相似，它们都可以通过空气和水来冷却。总结1.16 气压系统的一次空气处理通常是从通过过滤器清除空气中的污物和其他固体颗粒开始的。干式或湿式过滤器的使用，依靠于压缩机和所应用的系统。 空气的二次处理1.17 虽然空气的一次处理对于保证气动系统的正常运行是很重要的，但是它通常不能彻底地清除一些气动部件中的空气。对于阀门和动力传动部件，要保证它们有一个较长的使用寿命，就需要彻底地清理空气。因此，就有必须进行二次空气处理去保护设备和提高使用寿命。二次空气处理设备通常安装在空气系统运转的部件或零件附近。一些二次设备，如粗过滤器和细过滤器与一次处理设备相似。其他设备，如润滑器是不同的。本节讨论的是二次空气处理使用的设备，将会帮助你们更彻底地了解它的操作和使用原因。处理方法1.18 在空气压缩机安装的地方并不总能够提供清洁空气。在这种情况下，吸入压缩机内的气体可能包含烟、尘土、棉绒、水份，甚至还有烟雾化学燃料和化学蒸汽。另外，大多数压缩机的润滑系统允许空气从气缸壁收集润滑油。在这种油中通常有大量的添加剂，用来提高油的润滑质量和使用时间。当这些添加剂与灰尘和水份结合在一起时，它们就会阻塞过滤器和小通道，降低功效或甚至使它们无法工作。水份还会导致锈蚀和腐蚀。当在高温下水与油结合时，油就会迅速地变质并形成腐蚀酸。水份、油和固体污染物在空气压缩机管道和设备中聚集，并形成腐蚀性污泥。没有进入到系统的污垢、灰尘及水份和油可以采用很多方法来清除。最常用的方法是分离和过滤。吸附和吸收，作为过滤的两种方法被用于一些应用中。 吸附指的是水分的表面收集，如水蒸气聚集在玻璃上。吸收指的是水分的吸入，如海绵吸水。污染物分离1.19 在气动系统中，污染物的分离可以采用下面两种方法中的任何一种来完成。第一种方法是重力分离（见图1-5），当气流移动减慢时，悬浮在空气中较大的固体和液体颗粒就会沉淀下来。这种情况会出现在压缩空气系统的很多地方，包括大颗粒液体分离器、洗涤器、过滤器和接收器。 这也出现在系统管道中。然而，单纯的重力分离耗费时间而且只能清除空气中较大的颗粒。 图1-5重力离心力1.20 采用离心力分离是实现污染物分离的一个比较快的方式。当快速运动的空气在环形通道形成旋涡时，许多固体和液体颗粒就会被向外甩出，如图1-5所示。同样的运动发生在位于冷却器附近的旋风分离器中。它还会在设备排气系统中和集尘器一起使用的大颗粒分离器中发生。1.21 离心分离器有时候还被认为是惯性分离器，因为在分离过程中它依靠重的运动颗粒的惯性去协助完成分离。颗粒越重，它运动地越快，并越趋向在保持直线运动。因此，当它在离心分离器的环形通道中运动时，它就有一个自然的向外运动的趋势。1.22 惯性分离器主要被用做预滤器去收集大的灰尘颗粒。使用更有效的过滤器，就会更有效地收集到小颗粒。1.23 在你们更深入地研究过滤器之前，了解不同的粗过滤器和细过滤器所能过滤的颗粒尺寸是极其重要的。颗粒尺寸的测量以微米或千分尺为单位。一微米大约0.00004英寸，或0.001mm整。（60微米是人头发的直径）1.24 分离器、粗过滤器和细过滤器是根据他们所能阻止的颗粒的尺寸来确定的。这种方法用来代替确定他们自身孔的尺寸的大小。通常粗过滤器和细过滤器可以阻止98%以上的颗粒或大于某确定尺寸的颗粒。其余通过的2%的颗粒可能是细长的、圆形的或不容易被阻止的形状。过滤器的分类和过滤尺寸1.25 有两种基本类型的去除空气中固体颗粒的过滤器：表面型和深型（如图1-6）。如图中所示， 表面型过滤器只能在一层表面收集颗粒，深型过滤器可在几层上收集颗粒。表面型过滤器的孔几乎都是同一尺寸，而且通常是有规律地排列。深型过滤器的孔却有不同尺寸，排列也不规则，从外到内孔的尺寸由大变小。通过这样的排列，气流将首先通过大孔，然后通过小孔。在一些应用中，气流进入过滤器的中心，所以孔是大的在里面这种颠倒布置。图1-6AirflowSurfaceDepth气流表面型深型1.26 为了正确表示，给定过滤器一个额定尺寸和绝对尺寸两个指标。过滤器的额定尺寸表示该过滤器能阻止固定尺寸的颗粒的百分数(98%, 95%等)。如果过滤器阻止100%的一定大小颗粒，那么这个尺寸就被称为绝对尺寸。1.27 过滤器去除污染物的能力，称为去污能力，与所处理空气中的固体颗粒数量、大小、类型和含量有关。同时还与通过过滤器的气流流速和最大允许压降有关。去污越多，过滤器堵塞越快。1.28 过滤器的过滤能力也由通过过滤器的压降的大小决定。过滤器的最大允许压降是所收集颗粒通过过滤器允许的压力差。这被称为污染转移。1.29 颗粒污染物的另一种类型，磨损转移，是在过滤介质变松散时发生，而且使得先前被阻止的颗粒可以从过滤介质和外壳间进入系统。振动通常是产生磨损转移的主要原因。1.30 介质转移发生在过滤介质自身不起作用时，而且被其过滤的空气所带走。1.31 过滤效果很大程度上依靠介质中孔的排列、形式和大小。表面过滤器的工作性能（图1-6）通常被局限于一个很狭小的空间内，这是因为它的孔规则排列的原因。而深型过滤器由于不规则和变化的孔具有广泛的工作范围。由于深型过滤器具有较小的孔，所以它即能从空气中过滤大的颗粒也能过滤小的颗粒。表面过滤器也能从空气中除去小颗粒，但是只有当其孔周围聚集大量颗粒时才行。为了最有效地利用设备，深型过滤器被用于从压缩空气中去除小颗粒物质，而表面过滤器用于去除大颗粒物质。1.32 金属网过滤器作为入口过滤器用于那些无须彻底清除空气的压缩机和提供清洁空气的应用中是很经济的。用于压力管道中的过滤器可以由金属丝、圆盘或塑料绝缘浸渍纸构成。深型过滤器1.33 多种深型过滤器用于气动系统中。过滤介质的使用类型取决于所应用的情况。通常过滤器应用的情况包括：q 在压缩机入口处阻止大颗粒进入空气压缩机q 在一些分离器中收集那些压缩后的空气中的水分、油和固体颗粒q 用在空气管道准备站中（在空气被气动设备使用前）深型空气过滤器可以是干式的、湿式的或油浴式的。1.34 干式过滤器：依靠过滤介质从空气中去除颗粒。1.35 湿式过滤器：依靠一层油来帮助收集和保留着那些从空气中除去的污染物颗粒。1.36 油浴式过滤器：是湿式过滤器中的另外一种形式。油浴式过滤器在指引空气通过过滤介质前，使空气偏斜通过油池的顶部。涂有油的过滤介质阻止了污染物颗粒。吸附过滤器1.37 许多气动系统配备有吸附过滤器。通常这些过滤器由一种置于容器内的吸附剂（碳、粉末状化学药剂或化学制品颗粒）组成。这些装置与干燥剂式干燥器类似，也用于去除空气中的水分。1.38 在一些吸附式和湿式过滤器中，水分积聚在介质表面，并且形成水滴，这时水蒸气就被称为凝结。然后水滴沉到过滤桶或容器的底部。吸收式过滤器1.39 除了吸附式过滤器，一些吸收式过滤器也被用于气动系统中。吸收式过滤器不是仅仅在表面收集水分，而是把水分吸入吸收介质中。许多吸收式过滤器采用当吸收水分时能改变颜色的化学介质。这样可以使维护工或设备操作工看清楚过滤的情形，同时在需要时更换化学介质。润滑空气1.40 空气在被压缩和清洁后仍不能在一些种类的压缩空气设备中使用。大多数气动工具，控制装置和汽缸需要润滑空气来减少磨损和腐蚀。气缸和气马达也需要润滑。记住，一些气动部件不能允许任一种油的存在。为了将润滑油添加到气流中，所以将润滑装置安装在空气管道中。大多数装置将最后的过滤、调节和润滑结合到了一点。1.41 先从空气中除去所有的油和水分，然后再添加回来，这看上去虽然有些奇怪，但是记住许多程序要求油游离于空气。同时，气动设备要求润滑空气必须是清洁的，水要游离在未被污染的油。润滑油分为两种类型，重型和精密型。重型润滑器1.42 重型润滑器既可以提供薄的悬浮油雾，也可以提供较重的油滴。油滴可以在空气管线中形成一个油膜。重型润滑器仅仅能用于连续的或高速的气流中。1.43 如图1-7为正在使用中的不同种类的重型气动润滑中的一部分。油芯润滑器是在油环中使用多孔青铜油芯。油芯由于毛细作用而饱和，从而把油从桶中吸出并进入空气通道中。空气获得油并把它带进主气路。1.44 油芯润滑器的许多变更都是由不同的公司来制作完成的。在任何流速下的润滑油的数量是可以通过二级旁路调节阀来调节的。当对润滑器加油，调节油量或修理要特别注意。图1-7油流控制油流控制观察孔文丘里管球阀排出口填塞多孔吸油芯安全网1.41 另外一种类型的重型润滑器如图1-8所示，这种类型无须采用单独的旁路空气。进入润滑器的空气通过一个直径缩小的部分流过，这个部分被称为文丘里管（入图1-7）。文丘里管增加了流速却降低了压力。由于文丘里管造成的压力降低使得空气进入计量槽。当油滴进入气流中后，油滴被雾化并被带入部件中。油流是通过一个针形阀门来调节。这种类型的润滑通常不需要具有增压桶。它们可以在工作中被充满。图1-8粗滤器单元重力下沉区排出口1.42 精密型润滑器精密型润滑器仅仅在气流中提供精密的悬浮油雾。使用此种润滑器，可以在远离润滑器时获得有效的润滑作用。本装置在复杂的管道系统中和设备间歇工作时尤其有效。当空气由站内供