广东工业大学：《液压与气压传动》课程教学资源（教案讲义）气压传动基础知识（气源装置及气动元件）

气压传动基础知识 气源装置及气动元件

气压传动基础知识 气源装置及气动元件

气压传动是以压缩空气作为工作介质进行能量的传递 和控制的一种传动形式。 除了具有与液压传动一样，操作控制方便，易于实现 自动控制、过载保护等优点外，还具有工作介质处理方便， 无泄漏污染环境等优势。 但空气的压缩性极大的限制了气压传动传递的功率， 一般工作压力较低(0.3~1MPa),总输出力不宜大于 10~40kN,且工作速度稳定性较差。 应用非常广泛，尤其是轻工、食品工业、化工。 ■气压传动基础知识 口空气的物理性质 口理想气体的状态方程 口气体的流动规律 口气体在管道中的流动特性 口气动元件的通流能力 口充、放气温度与时间的计算

气压传动是以压缩空气作为工作介质进行能量的传递 和控制的一种传动形式。 除了具有与液压传动一样，操作控制方便，易于实现 自动控制、过载保护等优点外，还具有工作介质处理方便， 无泄漏污染环境等优势。 但空气的压缩性极大的限制了气压传动传递的功率， 一般工作压力较低（0.3～1MPa），总输出力不宜大于 10～40kN，且工作速度稳定性较差。 应用非常广泛，尤其是轻工、食品工业、化工。 n 气压传动基础知识 ¨ 空气的物理性质 ¨ 理想气体的状态方程 ¨ 气体的流动规律 ¨ 气体在管道中的流动特性 ¨ 气动元件的通流能力 ¨ 充、放气温度与时间的计算

"第章气压传动基础知识 9.1空气的物理性质 ■空气的组成 口主要成分有氮气、氧气和一定量的水蒸气。 口含水蒸气的空气称为湿空气，不含水蒸气的空气称为干空气。 ■ 空气的密度 口对于干空气p-p。×273/(273+t)×p/0.1013 式中，基准状态下（即温度=0℃、压力p=0.1013MPa)干空气密度 p。-1.293kgm3 ■空气的粘度 口较液体粘度小，且随温度升高而升高。 ■ 空气的压缩性和膨胀性 口气体体积随压力升高而减小的性质称为压缩性，而气体体积随温度升高而 增大的性质称为膨胀性。 口空气的压缩性和膨胀性远大于固体和液体的压缩性和膨胀性。 ■ 湿空气 口所含水份的程度用湿度和含湿量来表示。湿度的表示方法有绝对湿度和 相对湿度之分。 ■压缩空气的析水量 口压缩空气一旦冷却下来，相对湿度将大大增加，当温度降至露点后便有水 滴析出

n 空气的组成 ¨ 主要成分有氮气、氧气和一定量的水蒸气。 ¨ 含水蒸气的空气称为湿空气，不含水蒸气的空气称为干空气。 n 空气的密度 ¨ 对于干空气ρ=ρo×273 /（273+t）×p / 0.1013 式中，基准状态下（即温度t=0℃、压力p=0.1013MPa）干空气密度 ρo=1.293kg/m3 n 空气的粘度 ¨ 较液体粘度小，且随温度升高而升高。 n 空气的压缩性和膨胀性 ¨ 气体体积随压力升高而减小的性质称为压缩性，而气体体积随温度升高而 增大的性质称为膨胀性。 ¨ 空气的压缩性和膨胀性远大于固体和液体的压缩性和膨胀性。 n 湿空气 ¨ 所含水份的程度用湿度和含湿量来表示。湿度的表示方法有 绝对湿度和 相对湿度之分。 n 压缩空气的析水量 ¨ 压缩空气一旦冷却下来，相对湿度将大大增加，当温度降至露点后便有水 滴析出。 第9章 气压传动基础知识 9.1 空气的物理性质

“第章气压传动基础知识 9.2气体状态方程 ■理想气体的状态方程 口不计粘性的气体称为理想气体。空气可视为理想气体。 口一定质量的理想气体在状态变化的瞬间，有如下气体状态方程成立 pV/T=常量或p=pRT ■气体状态变化过程 口等温过程 p1V=p2'2=常量 ■在等温过程中，无内能变化，加入系统的热量全部变成气体所做 的功。在气动系统中气缸工作、管道输送空气等均可视为等温过 口绝热过程 一定质量的气体和外界没有热量交换时的状态变化过 程叫做绝热过程。 ■p1Vk=p2V2k=常量 式中k为绝热指数，对空气来说=1.4。 ■气动系统中快速充、排气过程可视为绝热过程

n 理想气体的状态方程 ¨ 不计粘性的气体称为理想气体。空气可视为理想气体。 ¨ 一定质量的理想气体在状态变化的瞬间， 有如下气体状态方程成立 pV / T = 常量 或 p=ρRT n 气体状态变化过程 ¨ 等温过程 p1V1= p2V2= 常量 n 在等温过程中，无内能变化，加入系统的热量全部变成气体所做 的功。在气动系统中气缸工作、管道输送空气等均可视为等温过 程。 ¨ 绝热过程 一定质量的气体和外界没有热量交换时的状态变化过 程叫做绝热过程。 n p1V1 k = p2V2 k =常量 式中k为绝热指数，对空气来说 k=1.4。 n 气动系统中快速充、排气过程可视为绝热过程。 第9章 气压传动基础知识 9.2 气体状态方程

"第章气压传动基础知识 9.3气体的流动规律 ■气体流动基本方程 口连续性方程 PIVA1P2V242 (注意pp2) 口伯努利方程 ■气体在管道中作恒定流动时，根据能量守恒定律，推导出管道任意截面 上气体流动的伯努利方程为 +「迎+gh=常数 式中h一管道任一截面的位置高度。 一摩擦阻力损失。 ■如果忽略气体流动时的能量损失和位能变化，则可压缩气体绝热过程下流 动时的伯努利方程为 k卫+.k凸+“ k-1p2k-1P22

n 气体在管道中作恒定流动时，根据能量守恒定律，推导出管道任意截面 上气体流动的伯努利方程为 n 气体流动基本方程 ¨ 连续性方程 ρ1v1A1 =ρ2v2A2 （注意ρ1≠ρ2） ¨ 伯努利方程 第9章 气压传动基础知识 9.3 气体的流动规律     f  常数 2 2 gh d dp gh   1 2 1 2 2 2 2 2 2 1 1 1          p k p k k k 式中 h——管道任一截面的位置高度。 Hf——摩擦阻力损失。 n 如果忽略气体流动时的能量损失和位能变化,则可压缩气体绝热过程下流 动时的伯努利方程为

声速与马赫数 口声音引起的波称为“声波”。声波在介质中的传播速度称为声速。声 音传播过程属绝热过程。对理想气体来说，声音在其中传播的相对速 度只与气体的温度有关。气体的声速是随气体状态参数的变化而变 化的。 口气流速度与当地声速（a=341m/s)之比称为马赫数。 Ma=v/c Ma是气体流动的一个重要参数，集中反映了气流的压缩性，Ma愈大， 气流密度变化越大。 当va,Ma>I时，称为超声速流动

§ 声速与马赫数 ¨ 声音引起的波称为“声波”。声波在介质中的传播速度称为声速。声 音传播过程属绝热过程。对理想气体来说，声音在其中传播的相对速 度只与气体的温度有关。气体的声速a 是随气体状态参数的变化而变 化的。 ¨ 气流速度与当地声速（a=341m/s）之比称为马赫数。 Ma＝ v/c Ma 是气体流动的一个重要参数，集中反映了气流的压缩性，Ma愈大， 气流密度变化越大。 当v＜a，Ma ＜1时，称为亚声速流动； 当v＝a，Ma ＝1时，称为声速流动，也叫临界状态流动； 当v＞a，Ma ＞1时，称为超声速流动

气体在管道中的流动特性 ·在亚声速流动时 (MaV1 V2V1 ■当v≤50mls时，不必考虑压缩性。 ■当≈140mls时，应考虑压缩性。 ■在气动装置中，气体流动速度较低，且经过压缩，可以认为 不可压缩；自由气体经空压机压缩的过程中是可压缩的

§ 当v≤50m/s时，不必考虑压缩性。 § 当v≈140m/s时，应考虑压缩性。 § 在气动装置中，气体流动速度较低，且经过压缩，可以认为 不可压缩；自由气体经空压机压缩的过程中是可压缩的。 § 气体在管道中的流动特性 v1 v2 v1 v2 v2>v1 v2v1 § 在超声速流动时 (Ma>1) § 在亚声速流动时 (Ma<1)

"第章气压传动基础知识 9.4 气动元件的流通能力 气动元件的通流能力，是指单位时间内通过阀、管路等的气体质量。通流能 力可以采用有效截面积S和质量流量q表示。 ■有效截面积 口由于实际流体存在粘性，流速的收缩比节流孔实际面积小，此最小截 面积称为有效截面积，它代表了节流孔的通流能力。 口有效截面积的简化计算 ■对于阀口或管路 S=aA 式中，α为收缩系数，由相关图查出；A为孔口实际面积。 ■多个元件组合后有效截面积的计算 并联元件 Sn=∑S 串联元件 1/Sm2=∑1/S2

气动元件的通流能力，是指单位时间内通过阀、管路等的气体质量。通流能 力可以采用有效截面积S 和质量流量q 表示。 n 有效截面积 ¨ 由于实际流体存在粘性，流速的收缩比节流孔实际面积小，此最小截 面积称为有效截面积，它代表了节流孔的通流能力。 ¨ 有效截面积的简化计算 n 对于阀口或管路 S =αA 式中，α为收缩系数，由相关图查出；A 为孔口实际面积。 § 多个元件组合后有效截面积的计算 并联元件 Sn ＝∑Si 串联元件 1/Sn 2＝∑1/Si2 第9章 气压传动基础知识 9.4 气动元件的流通能力

■ 流量 1.不可压缩气体通过节流孔的流量 口当气流速度较低(<5/s)时，可不计压缩性的影响，将其密度视为 常数，气体通过节流孔的流量可按不可压缩流体的流量公式计算。 q=CaA -△p 式中q—通过节流孔的流量(ms); C—流量系数，对于空气-般取C4=0.62~0.64; A一节流孔面积(m2); △p—节流孔前后的压力差(MPa)

q  C A p  2 d n 流量 1.不可压缩气体通过节流孔的流量 ¨ 当气流速度较低（<5m/s）时，可不计压缩性的影响，将其密度视为 常数，气体通过节流孔的流量可按不可压缩流体的流量公式计算。 式中 q——通过节流孔的流量（m3 /s）； Cd——流量系数，对于空气一般取Cd =0.62～0.64； A——节流孔面积（m2）； p——节流孔前后的压力差（MPa）

2.可压缩气体通过节流孔的流量 口当气流以较高的速度通过节流孔时，需考虑气体压缩性的影响，其密度 也不可再视为常数，这时应按绝热流动进行分析和计算。 口当p2/p>0.528时，气流以亚声速流动，通过节流孔的自由空气流量为 gz =3.9x10S/ApPi 273.16 口当P2p1<0.528时，气流以超声速流动，通过节流孔的自由空气流量为 92=1.88×103Sp, 273.16 式中qz一通过节流孔的自由空气流量(ms); S有效截面积(m2); pI- 一节流孔前绝对压力(MPa); △p—节流孔前后的压力差，△p=p1一P2(MPa)。 一节流孔后绝对压力(MPa); T- 一节流孔前绝对温度(K)

2.可压缩气体通过节流孔的流量 ¨ 当气流以较高的速度通过节流孔时，需考虑气体压缩性的影响，其密度 也不可再视为常数，这时应按绝热流动进行分析和计算。 ¨ 当p2 / p1>0.528时，气流以亚声速流动，通过节流孔的自由空气流量为 ¨ 当p2 / p1<0.528时，气流以超声速流动，通过节流孔的自由空气流量为 1 1 3 z 273.16 3.9 10 T q   S pp 1 1 3 z 273.16 1.88 10 T q   Sp 式中 qz——通过节流孔的自由空气流量（m3 /s）； S——有效截面积（m2）； p1——节流孔前绝对压力（MPa）； p——节流孔前后的压力差, p = p1－p2（MPa）。 p2——节流孔后绝对压力（MPa）； T1——节流孔前绝对温度（K）