第1章-气动基础知识.ppt

机械工程系 气压传动技术 第1章气动基础知识 气压传动技术 本章教学目的 本章主要介绍气压传动的定义及其工作原理 气压传动的介质 空气的物理性质 气体状态方程 气体流动规律的基本知识 1 熟悉传动的定义 分类及作用 2 掌握气压传动的组成 特点及其工作原理 重点 3 掌握空气的主要物理性质 重点 4 了解气体状态方程与流动规律 难点 第1章气动基础知识 气压传动技术 一部完整的机器是由原动机 传动机构及控制部分 工作机 含辅助装置 组成 传动机构通常分为机械传动 电气传动和流体传动机构 流体传动是以流体为工作介质进行能量转换 传递和控制的传动 它包括液压传动 液力传动和气压传动 气压传动是以压缩空气作为工作介质来进行能量传递的传动方式 气压传动技术 为什么要用气压传动呢 将能量从机械能转换为气压能 而后又将气压能转换为机械能 何必多此一举呢 几乎所有的机械或机器都需要传动机构 这因为原动机一般很难直接满足执行机构在速度 力 转矩或运动方式等方面的要求 必须通过中间环节 传动装置进行调节控制 气压传动就是这种调节控制方式中的一种 其它的传动方式有 机械传动 常用零件为齿轮 曲轴 轴 皮带等 液压传动 常用液体为传输介质 电气传动 常用零件是直流电机 可控硅 交流电机变频器等 气压传动技术 利用气体压力能来传递能量 为何需要传动机构 气压传动技术 气动技术广泛应用于各行业 气压传动技术 气压发生装置 分水滤气器 压力控制阀 油雾器 方向控制阀 消声器 流量控制阀 汽缸 气压传动与控制技术简称气动 是以压缩空气为工作介质来进行能量与信号的传递 是实现各种生产过程 自动控制的一门技术 气压传动技术 1 气源装置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的压力能 2 控制元件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 包括气缸 气马达 摆动马达 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 它包括过滤器 油雾气 管接头及消声器等 1 气动系统的组成 气压传动技术 2 气压传动的优缺点 压缩空气的优点如下 适用性贮存设计和控制简单运动的选择经济环境干净安全性 压缩空气也有如下不足之处 由于空气具有可压缩性 载荷变化时运动平稳性稍差 因工作压力低 不易获得较大的输出力或转矩 有较大的排气噪声 因空气无润滑性能 故在气路中有时应设置给油润滑装置 气压传动技术 干空气 实际空气 还含有油粒 灰尘和水蒸汽等杂质 会对气动系统设备和元件造成损害 1 空气的组成 气压传动技术 F A 压力 2 空气的性质 密度 空气是具有质量的 单位体积的空气中所含有的空气的质量称为空气的密度 m V 气压传动技术 压力表示法 表压力 绝对压力 真空度 大气压P Pa 绝对真空P 0 绝对压力 表压力 以大气压为基准 高于大气压的压力值 即相对压力 也即由压力表读出的压力真空度 以大气压为基准 低于大气压力的压力值 正值真空压力 绝对压力与大气压力之差 与真空度大小相同 符号相反 P Pa P Pa 压力是由负载建立的 气压传动技术 压力和力 压缩空气在容器的内表面产生了一个力容器内的流体将被压缩并产生这个压力表压力1bar表示每平方厘米上受到10牛顿的力 气压传动技术 如图所示的气缸 在压力的作用下 气缸活塞向前伸出 此推力等于压力与有效作用面积的乘积 式中 D 气缸缸径mmP 压力bar 作用在气缸缸桶内部的力相当于气缸的投影面积与压力的乘积 气压传动技术 1MPa 1000000Pa 10bar1bar 1atm 1kgf cm2 14 5psi 100kPa1atm 76mmHg1psi 6 89kPa 压力单位 温度 热力学温度T单位为K摄氏温度t单位为 t T T0T0 273 15K 气压传动技术 可压缩性 气体的分子间距大 故气体的体积容易随压力发生变化 标准状态和基准状态 标准状态 ANR 温度20 相对湿度65 压力0 1MPa基准状态 温度0 压力101 3KPa的干空气的状态 气压传动技术 3 空气中的水分 几个概念 水蒸汽分压力 湿空气中水蒸汽独占空气总容积时所具有的压力 当空气中的水蒸汽达到饱和时 这时水蒸汽所具有的压力叫做饱和水蒸汽分压力 绝对湿度 kg m3 每一立方米的湿空气中所含有的水蒸汽的质量 s 水蒸汽的密度 kg m3Ps 水蒸汽分压力 PaRs 水蒸汽的气体常数 462 05J kg K 气压传动技术 相对湿度 kg m3 一定温度和压力下 湿空气的绝对湿度与饱和湿空气的湿度之比 也就是实际水分含量和露点 饱和湿空气 时水分含量之比 表明湿空气吸收水分的能力 露点 空气在这个温度下呈现饱和状态 即空气饱和 相对湿度100 温度再降低则开始析出水分 饱和绝对湿度 kg m3 每立方米湿空气中所能够含有的水蒸汽的最大质量 空气中水蒸汽的实际含量完全取决于温度 1m3的压缩空气中只能包含1m3的饱和湿空气所能含有的水蒸汽质量 气压传动技术 压缩空气中的水分 随着空气的压缩 空气的体积减小 压力和温度升高 压缩空气的最大含水量与当达到最终温度下同样体积的饱和空气的含水量相等 看下面这个例子 下面4个立方体分别代表温度为20 体积为1m3的空气 相对湿度为50 这就意味着每立方米的空气中都含有8 7g的水蒸汽 饱和时含有17 4g的水蒸汽 气压传动技术 在温度不变的情况下将空气压缩 将4m3的空气压缩成1m3的压缩空气 这1m3的压缩空气中应该含有4 8 7 34 8g的水蒸汽 但是20 时1m3的空气中的最大含水量只有17 4g 因此多余的2 8 7 17 4g的水蒸汽将变成水析出 这样我们就不难理解压缩空气的相对湿度和压力露点的含义了 压缩空气的相对湿度 空气压缩后温度和压力都上升 在最终温度 压力 体积的条件下 压缩空气的含水量与该温度 体积的饱和空气的含水量之比 压力露点 空气压缩后 最终状态下析出水分的温度 气压传动技术 气体的状态 气体的压力 体积 温度表明了气体所处的状态 对于一定质量的气体 状态方程可以表示成 等温变化 波义尔定律BOYLES 对于一定质量的气体 在温度不变的条件下 压力和它的体积成反比 V 1 P 1 V 0 5 P 2 F V 0 2 P 5 F T 常数 气压传动技术 对于一定质量的气体 在压力不变的条件下 气体体积的增加和温度成正比 一定压力下 温度每升高1 对于一定质量的气体 其体积增加1 273 等压变化 查理定律CHARLES 对于一定质量的气体 在体积不变的条件下 气体的压力和温度成正比 等容变化 气压传动技术 PVn c 多变过程 一定质量的气体 状态参数都发生变化 并且不是绝热变化的情况 比如减震器吸收冲击的过程 n可取1 2 2 4 6 8 0 2 4 6 8 10 12 bara 10 12 14 14 16 16 PV1 4 c绝热变化 PV1 2 c多变过程 PV c等温过程 体积 0 压力 绝热变化 一定体积的空气被迅速压缩 没有与外界进行热交换 空气n 1 4 气压传动技术 气压传动技术 0 2 4 6 8 16 0 2 4 6 8 10 12 VolumeV PressurePbarabsolute P1 V1 P2 V2 constant 10 12 14 14 16 0 2 4 6 8 16 0 2 4 6 8 10 12 10 12 14 14 16 VolumeV PressurePbarabsolute P1 V1 P2 V2 constant 等温变化 波义尔定律BOYLES 对于一定质量的气体 在温度不变的条件下 压力和它的体积成反比 在等温变化的情况下 空气压缩与膨胀的过程中 热量变化是极其缓慢的 气压传动技术 等压变化 查理定律CHARLES 0 0 25 0 5 0 75 1 2 60 40 20 0 20 40 60 Volume TemperatureCelsius 1 25 1 5 1 75 80 100 293K V1V2 T1 K T2 K c 0 0 25 0 5 0 75 1 2 60 40 20 0 20 40 60 Volume TemperatureCelsius 1 25 1 5 1 75 80 100 366 25K 气压传动技术 不可压缩流动 气流速度小于70 100m s的流动 流动过程中气体的密度未发生变化或变化量很小 流量 Q u A A u 流量连续性方程 u1 A1 u2 A2 A1 A2 u2 u1 总流量不变 p1 p2 气压传动技术 伯努利方程 能量守恒 单位体积的气体压力能和动能之和保持不变 可压缩流动 气流达到声速时 p1 2p2 p1u 0 p2u2 从气罐中向外排气 在p1下降到2p2之前 流量保持不变 P1bar绝对压力 time P1 9bar 2P2 大气压 气压传动技术 气动元件的流量特性 表述流量特性的方法 流通能力Cv值 又称水流量 在温度为15 5 流经压差为1psi 6 89kPa 的阀门测得的流量系数 用来表示气动元件通流能力的大小 即允许通过流量的大小 有效截面积S值 流过电磁阀的流量与流过某一个截面积为S的小孔的流量相当 则可以用S来表示电磁阀的有效截面积 S 18Cv 气压传动技术 流量的计算方法 亚声速流动即1 P1 0 1 P2 0 1 2时q 248S P P2 0 1 0 5结论 可见亚声速流动下 通过阀的流量与阀的进出口压差 P和有效截面积S都有关 流量q与进出口压差 P 0 5成正比 与有效截面积