气动课件第一章气动技术的基础知识

Room：环化馆323Tel：8061729主讲：Dr.吴晓明Email：xmwu@气压传动与控制气压传动与控制

（PneumaticTransmissionandControl）

吴根茂编著

哈尔滨工业大学出版社总学时：32学分：2.0讲课学时：26实验学时：6.0平时出勤（缺勤5次以上成绩0分）：5分作业：10分实验：10分项目(包括讨论课)：10分随堂测试（2次）：5分结课考试：60分第一章气动技术的基础知识

气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能量传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。

随着加工技术的提高，材料和密封技术的发展、新工艺的出现以及电子技术的结合。以及工业机械化、自动化发展，生产效率和产品质量的需求（市场的需求），使得气动技术越来越广泛地应用于各个领域里。§1－1气动技术的概括一、气动技术的现状和应用

1776年发明能产生1个大气压左右压力的空气压缩机。1829年出现了多级空气压缩机。1871年风镐开始用于采矿。

1880年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功的应用到火车的制动上。1868年美国人G.威斯汀豪斯发明气动制动装置，并在1872年用于铁路车辆的制动。

本世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及各种机械的辅助动作上。1930年出现了低压气动调节器。50年代研制成功用于导弹尾翼控制的高压气动伺服机构。60年代发明射流和气动逻辑元件，遂使气压传动得到很大的发展。

进入70年代，随着工业机械化和自动化的发展，气动技术才广泛地应用在生产自动化的各个领域，形成现代气动技术。气动技术的应用现状

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汽车制造业：车身外壳的吸起和放下、点焊。2

电子、半导体制造业：显象管的吸起，芯片的搬运、寿命实验。3加工制造业：生产自动化的实现：搬运、转位、定位、加紧、进给、装卸、装配。4介质管道输送业：石油加工，气体加工，化工

包装自动化的实现：化肥的计量、粘稠、有毒气体包装。机器人：装配，喷漆，搬运，爬墙，焊接机器人7其它：车辆刹车装置，车门开闭装置，气动工具

高频、准确、平稳、省人半导体精密系统自动化机械锂电池制造系统照明制造系统药品包装系统二、气动技术发展动向无给油化：低成本、寿命长节能化：低功耗:1~0.5w小型化：直径2.5mm的气缸轻量化:

铝合金、塑料高精度：0.5~0.1mm0.01μm0.1mg机电一体化：可编程控制器+传感器+气动元件复合集成化：带导轨的气缸，带换向阀的气缸系统省配线化高质量：阀3000万次；缸（2000~5000）km高速度:10Hz；3m/s三、气动技术的优缺点机械方式：凸轮、杠杆、连杆、齿轮和转动轴

电气方式：限位开关、继电器、延时器、电磁离合器

电子方式：半导体元件

液压方式：液压阀、缸

气动方式：气动阀、缸从驱动、环境、操作、价格等方面考虑，扬长避短结合使用自动化方式:三、气动方式优缺点：1气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低，故使用安全。工作介质是取之不尽、用之不完的空气，空气本身不花钱。输出力及工作速度的调节非常容易。可靠性高，使用寿命长。利用空气的可压缩性，可贮存能量，实现集中供气。全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。7由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。气动方式缺点：由于空气有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化而变化。工作压力低噪声大4气缸在低速运动时，由于摩擦力占推力的比例较大，气缸稳定性不如液压缸。5气缸的输出力比液压缸小。

表1气压传动与其他传动的性能比较

操作力动作快慢环境要求构造负载变化影响操作距离无级调速工作寿命维护价格气压传动中等较快适应性好简单较大中距离较好长一般便宜液压传动最大较慢不怕振动复杂有一些短距离良好一般要求高稍贵电传动电气中等快要求高稍复杂几乎没有远距离良好较短要求较高稍贵电子最小最快要求特高最复杂没有远距离良好短要求更高最贵机械传动较大一般一般一般没有短距离较困难一般简单一般§1－2气动系统的组成气源设备：空气压缩机、后冷却器、气罐气源处理元件：过滤器、干燥器气动控制元件：压力、方向、速度控制阀气动执行元件：气缸、气马达、气爪气动辅助元件：油雾器、消音器、管接头气动回路的基本组成气压传动系统和液压传动系统类似，也是由四部分组成的，它们是：

(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。气缸气动阀气动辅件流体控制阀真空元件一、气压发生装置容积型：通过缩小气体体积来提高气体的压力的方法称为容积型。

速度型：提高气体的速度、让动能转化为压力能，来提高气体压力的方法称为速度型，也叫透平型或涡轮型。空压机按压力高低可分为低压型（0.2～1.0MPa）、中压型（1.0～10MPa）和高压型（>10MPa）；按工作原理可分成：空气压缩机空压机：将原动机的机械能转换成气体压力能的装置类型：

常见的空压机有活塞式空压机、叶片式空压机和螺杆式空压机三种

，下图为单级活塞式空压机工作原理。

空气压缩机二级活塞式空压机工作原理。

空气压缩机膜片式压缩机

膜片式压缩能提供5巴的压缩空气。由于它完全没有油，因此广泛用于食品、医药和相类似的工业中。膜片使气室容积发生变化，在下行程时吸进空气，上行程时压缩空气。空气压缩机叶片式空压机在回转过程中不需要活塞式空压机中具有的吸气阀和排气阀。在转子的每—次回转中，将根据叶片的数目多次进行吸气、压缩和排气，所以输出压力的脉动较小。通常情况下，叶片式空压机需采用润滑油对叶片、转子和机体内部进行润滑、冷却和密封，所以排出的压缩空气中含有大量的油份。因此在排气口需要安装油气分离器和冷却器，以便把油份从压缩空气中分离出来进行冷却并循环使用。

空气压缩机螺杆式空压机螺杆式压缩机，由电动机带动两个啮合的螺旋转子以相反方向运动，它们当中自由空间的容积沿轴向减少，从而压缩两转子间的空气。利用喷油来润滑密封的两旋转螺杆，油分离器将油与输出空气分开。

此类压缩机可连续输出流量可超过400m3／min，压力高达10巴。

和叶片式压缩机相比，此类压缩机能输送出连续的无脉动的压缩空气。

虽然螺杆式和叶片式压缩机愈来愈受青睐，但过去工业上最普遍使用的仍然是往复式压缩机。二、控制元件压力控制阀流量控制阀方向控制阀比例控制阀三、执行元件四、辅助元件§1－3气体的基本性质一、空气的组成成分及可压缩性2、气体体积的可压缩性3、空气的密度4、空气的粘度二、气体的状态方程1、理想气体的状态方程2、实际气体的状态方程由于实际气体具有粘性，因而严格地讲它并不完全符合理想气体方程式。实验证明：理想气体状态方程适用于绝对压力不超过20MPa、温度不低于20℃的空气、氧气、氮气、二氧化碳等，不适用于高压状态和低温状态下的气体。3、气体的状态变化5）多变过程不加任何附加条件的气体状态变化过程称为多变过程不同指数的p－V曲线1、湿空气定义

自然界的空气是由很多气体混合而成的。其主要成分有氮（N2）和氧（O2），其他气体占的比例极小，此外，空气中常含有一定量的水蒸气。水蒸气的含量取决于大气的湿度和温度。把含有水蒸气的空气称为湿空气，大气中的空气基本上都是湿空气；把不含水蒸气的空气称为干空气。湿空气是干空气与水蒸气的混合物。三、湿空气2、达尔顿法则

湿空气的压力称为全压力p，是干空气的分压力pg和水蒸气的分压力ps之和，即 p=ps+pg分压力是指湿空气的各个组成气体，在相同温度下，独占湿空气总容积时所具有的压力。平常所说的大气压力就是指湿空气的全压力。

3、绝对湿度

空气中水蒸气的压强ps叫做空气的绝对湿度。空气的湿度可以用空气中所含水蒸汽的密度，即单位体积的空气中所含水蒸汽的质量来表示．由于直接测量空气中水蒸气的密度比较困难，而水蒸气的压强随水蒸气密度的增大而增大，所以通常用空气中水蒸气的压强来表示空气的湿度，这就是空气的绝对湿度．

在一定的压力和温度下，含有最大限度水蒸气量的空气叫饱和湿空气。水蒸气达到饱和时，湿空气具有该温度下最大绝对湿度，这时的空气称为饱和空气。饱和空气所处的状态叫饱和状态。4、饱和湿空气5、饱和水蒸气分压饱和湿空气中水蒸气的分压称为饱和水蒸气分压，用pb表示6、相对湿度某温度时空气的绝对湿度ps跟同一温度下水的饱和汽压pb的百分比叫做这时空气的相对湿度。

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0~100%，饱和空气的相对湿度为100%；相对湿度愈小，表示空气中水蒸气距离饱和状态愈远，空气吸收水分的能力愈大，即愈干燥；反之空气愈潮湿。①不同温度下水的饱和汽压可以查表得到．②在绝对湿度χ不变而降低温度时，由于水的饱和汽压减小而使空气的相对湿度增大．③居室的相对湿度以60％～70％较适宜．7、湿度计1）湿度计的构成：湿度计由两只完全相同的温度计构成．其中一只温度计为干泡温度计，另一只为湿泡温度计．2）湿度计测量完全相对湿度的原理：由于湿泡温度计的感温泡包着棉纱，棉纱的下端浸在水中，水的蒸发而使湿泡温度计的温度示数总是低于干泡温度计的温度示数（气温）这一温度差值跟水蒸发快慢（即当时的相对湿度）有关．根据两温度计的读数，从表或曲线上可查出空气的相对湿度．

8、相对湿度测定湿空气的含湿量dg（水蒸气）/kg（干空气）9、空气中的含湿量在总压力p不变的情况下，一定的蒸汽分压力对应着一定的含湿量。在总压力p不变的情况下，相对湿度愈高，含湿量也愈高。

含湿量也常用单位体积湿空气中混合的水蒸气质量d‘来表示，称容积含湿量。10、露点1．露点：使空气里的水蒸气刚好达到饱和时的温度叫做露点．（1）露点温度时水的饱和汽压就是空气的绝对湿度．（2）根据露点和气温的差值，可大致判断出相对湿度大小，差值越大，相对湿度越小．2．露点可以测定．3．根据测定的露点可确定空气的相对湿度．从水的饱和汽压表中查出露点时的饱和汽压（等于空气在原来温度时的绝对湿度）再查出原来温度下饱和汽压，就可求出．大气压露点是指在大气压的水分凝结温度，压力下露点是指在压力下的水分凝结温度。§1－4气体在管道中的流动特性

在气压传动与控制中，气体基本上是在管内流动，而且属于一维定常流动。因为气体是可压缩性流体，在流动特性上与不可压缩流体有较大的不同。气体流动基本规律

一、连续性方程根据质量守恒定律，通过管道任一截面的气体质量流量相等。二、伯努利方程根据能量守恒定律，对理想气体有：不考虑位能1、气体沿管道作低速流动时，认为不可压缩。密度为常数。2、气体作绝热流动时，考虑压缩性，密度变化。代入上式积分得若沿气体流动方向任意取两个截面1－1、2－2，则有：一、音速声音是由于物体的振动引起周围介质密度和压力的微小变化而产生的。音速就是这种微弱压力波的传递速度。实验证明，一切微小扰动的传播速度都与音速一致。

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声速公式

如图所示，在充满静止空气的刚性光滑的长直管道内，有一面积为A的活塞以微小的匀速向右运动，即给管道中的气体一个微弱扰动，使得紧靠活塞的一层气体受压，压强和密度增大，并以声速a向右传播因为a＞＞du，所以经过dt时间虽然活塞只移动了dudt距离，而扰动波却早已传播至adt处了。由于波前气体处于静止状态，u=0，其状态参数为p、、T，而波后气体处于受扰动状态，并在活塞推动下产生了一个随活塞一起缓慢运动的速度变化du,其状态参数亦有微小变化，分别变为p+dp，T+dT，+d。首先分析受到扰动的这部分气体在时间前和时间后的质量守恒表达式。

dt时间前气体的质量为adtA，dt时间后气体的质量为(+d)(a-du)dtA，根据质量守恒可得略去高阶微量，得其次分析受到扰动这部分气体在时间前后的动量变化和所受到的合外力冲量。

dt时间前气体动量为0，dt时间后气体的动量为adtAdu这部分气体左端压强为p+dp，右端压强为p，合外力为(p+dp)A-pA=dpA沿活塞运动方向列动量方程得消去dtA得结合能量方程和动量方程得整理得忽略d/项，则弱扰动波的传播速度为绝热过程的微弱扰动波的传播速度

绝热过程条件求导：气体状态方程：得：声速公式为：对于空气，k=1.4，气体常数R=287J/(kg·K)则空气中的声速为：二、马赫数（Ma）1、马赫数：气体运动速度u与介质中声速a之比，称为马赫数，用Ma表示。2、亚声速流动：若Ma<1，即气流速度小于声速的流动。临界流动：若Ma=1，即气流速度等于声速的流动。超声速流动：若Ma>1，即气流速度大于音速的流动。一元流动：气体流动时，若过流断面上各参数均布，其状态参数只是流程的函数，这种流动称为一元流动。

一、可压缩气体总流的连续性方程式

如图所示，可压缩性气体在流管内作定常流动，在流管上任取两个断面A1和A2，并设过流断面上流动参数是均匀分布的(否则取平均值)，流速分别为u1和u2，密度分别为1和2

。由于是定常流动，所以在通过过流断面和的质量流量相等，即有

可压缩气体的一元流动方程式可压缩气体的一元