氣動課件第一章氣動技術(shù)的基礎(chǔ)知識

Room：環(huán)化館323Tel：8061729主講：Dr.吳曉明Email：xmwu@氣壓傳動與控制氣壓傳動與控制

（PneumaticTransmissionandControl）

吳根茂編著

哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社總學(xué)時：32學(xué)分：2.0講課學(xué)時：26實(shí)驗(yàn)學(xué)時：6.0平時出勤（缺勤5次以上成績0分）：5分作業(yè)：10分實(shí)驗(yàn)：10分項(xiàng)目(包括討論課)：10分隨堂測試（2次）：5分結(jié)課考試：60分第一章氣動技術(shù)的基礎(chǔ)知識

氣動技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞的工程技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動控制的重要手段之一。

隨著加工技術(shù)的提高，材料和密封技術(shù)的發(fā)展、新工藝的出現(xiàn)以及電子技術(shù)的結(jié)合。以及工業(yè)機(jī)械化、自動化發(fā)展，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的需求（市場的需求），使得氣動技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域里?！?－1氣動技術(shù)的概括一、氣動技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用

1776年發(fā)明能產(chǎn)生1個大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。1829年出現(xiàn)了多級空氣壓縮機(jī)。1871年風(fēng)鎬開始用于采礦。

1880年，人們第一次利用氣缸做成氣動剎車裝置，將它成功的應(yīng)用到火車的制動上。1868年美國人G.威斯汀豪斯發(fā)明氣動制動裝置，并在1872年用于鐵路車輛的制動。

本世紀(jì)30年代初，氣動技術(shù)成功地應(yīng)用于自動門的開閉及各種機(jī)械的輔助動作上。1930年出現(xiàn)了低壓氣動調(diào)節(jié)器。50年代研制成功用于導(dǎo)彈尾翼控制的高壓氣動伺服機(jī)構(gòu)。60年代發(fā)明射流和氣動邏輯元件，遂使氣壓傳動得到很大的發(fā)展。

進(jìn)入70年代，隨著工業(yè)機(jī)械化和自動化的發(fā)展，氣動技術(shù)才廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個領(lǐng)域，形成現(xiàn)代氣動技術(shù)。氣動技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1

汽車制造業(yè)：車身外殼的吸起和放下、點(diǎn)焊。2

電子、半導(dǎo)體制造業(yè)：顯象管的吸起，芯片的搬運(yùn)、壽命實(shí)驗(yàn)。3加工制造業(yè)：生產(chǎn)自動化的實(shí)現(xiàn)：搬運(yùn)、轉(zhuǎn)位、定位、加緊、進(jìn)給、裝卸、裝配。4介質(zhì)管道輸送業(yè)：石油加工，氣體加工，化工

包裝自動化的實(shí)現(xiàn)：化肥的計(jì)量、粘稠、有毒氣體包裝。機(jī)器人：裝配，噴漆，搬運(yùn)，爬墻，焊接機(jī)器人7其它：車輛剎車裝置，車門開閉裝置，氣動工具

高頻、準(zhǔn)確、平穩(wěn)、省人半導(dǎo)體精密系統(tǒng)自動化機(jī)械鋰電池制造系統(tǒng)照明制造系統(tǒng)藥品包裝系統(tǒng)二、氣動技術(shù)發(fā)展動向無給油化：低成本、壽命長節(jié)能化：低功耗:1~0.5w小型化：直徑2.5mm的氣缸輕量化:

鋁合金、塑料高精度：0.5~0.1mm0.01μm0.1mg機(jī)電一體化：可編程控制器+傳感器+氣動元件復(fù)合集成化：帶導(dǎo)軌的氣缸，帶換向閥的氣缸系統(tǒng)省配線化高質(zhì)量：閥3000萬次；缸（2000~5000）km高速度:10Hz；3m/s三、氣動技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)機(jī)械方式：凸輪、杠桿、連桿、齒輪和轉(zhuǎn)動軸

電氣方式：限位開關(guān)、繼電器、延時器、電磁離合器

電子方式：半導(dǎo)體元件

液壓方式：液壓閥、缸

氣動方式：氣動閥、缸從驅(qū)動、環(huán)境、操作、價格等方面考慮，揚(yáng)長避短結(jié)合使用自動化方式:三、氣動方式優(yōu)缺點(diǎn)：1氣動裝置結(jié)構(gòu)簡單、輕便、安裝維護(hù)簡單。壓力等級低，故使用安全。工作介質(zhì)是取之不盡、用之不完的空氣，空氣本身不花錢。輸出力及工作速度的調(diào)節(jié)非常容易?？煽啃愿?，使用壽命長。利用空氣的可壓縮性，可貯存能量，實(shí)現(xiàn)集中供氣。全氣動控制具有防火、防爆、耐潮的能力。7由于空氣流動損失小，壓縮空氣可集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送。氣動方式缺點(diǎn)：由于空氣有壓縮性，氣缸的動作速度易受負(fù)載的變化而變化。工作壓力低噪聲大4氣缸在低速運(yùn)動時，由于摩擦力占推力的比例較大，氣缸穩(wěn)定性不如液壓缸。5氣缸的輸出力比液壓缸小。

表1氣壓傳動與其他傳動的性能比較

操作力動作快慢環(huán)境要求構(gòu)造負(fù)載變化影響操作距離無級調(diào)速工作壽命維護(hù)價格氣壓傳動中等較快適應(yīng)性好簡單較大中距離較好長一般便宜液壓傳動最大較慢不怕振動復(fù)雜有一些短距離良好一般要求高稍貴電傳動電氣中等快要求高稍復(fù)雜幾乎沒有遠(yuǎn)距離良好較短要求較高稍貴電子最小最快要求特高最復(fù)雜沒有遠(yuǎn)距離良好短要求更高最貴機(jī)械傳動較大一般一般一般沒有短距離較困難一般簡單一般§1－2氣動系統(tǒng)的組成氣源設(shè)備：空氣壓縮機(jī)、后冷卻器、氣罐氣源處理元件：過濾器、干燥器氣動控制元件：壓力、方向、速度控制閥氣動執(zhí)行元件：氣缸、氣馬達(dá)、氣爪氣動輔助元件：油霧器、消音器、管接頭氣動回路的基本組成氣壓傳動系統(tǒng)和液壓傳動系統(tǒng)類似，也是由四部分組成的，它們是：

(1)氣源裝置

獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機(jī)，它將原動機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能；

(2)控制元件用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向的，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的工作循環(huán)。它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等；

(3)執(zhí)行元件

是將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。包括氣缸、氣馬達(dá)、擺動馬達(dá)；

(4)輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過濾器、油霧氣、管接頭及消聲器等。氣缸氣動閥氣動輔件流體控制閥真空元件一、氣壓發(fā)生裝置容積型：通過縮小氣體體積來提高氣體的壓力的方法稱為容積型。

速度型：提高氣體的速度、讓動能轉(zhuǎn)化為壓力能，來提高氣體壓力的方法稱為速度型，也叫透平型或渦輪型?？諌簷C(jī)按壓力高低可分為低壓型（0.2～1.0MPa）、中壓型（1.0～10MPa）和高壓型（>10MPa）；按工作原理可分成：空氣壓縮機(jī)空壓機(jī)：將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置類型：

常見的空壓機(jī)有活塞式空壓機(jī)、葉片式空壓機(jī)和螺桿式空壓機(jī)三種

，下圖為單級活塞式空壓機(jī)工作原理。

空氣壓縮機(jī)二級活塞式空壓機(jī)工作原理。

空氣壓縮機(jī)膜片式壓縮機(jī)

膜片式壓縮能提供5巴的壓縮空氣。由于它完全沒有油，因此廣泛用于食品、醫(yī)藥和相類似的工業(yè)中。膜片使氣室容積發(fā)生變化，在下行程時吸進(jìn)空氣，上行程時壓縮空氣?？諝鈮嚎s機(jī)葉片式空壓機(jī)在回轉(zhuǎn)過程中不需要活塞式空壓機(jī)中具有的吸氣閥和排氣閥。在轉(zhuǎn)子的每—次回轉(zhuǎn)中，將根據(jù)葉片的數(shù)目多次進(jìn)行吸氣、壓縮和排氣，所以輸出壓力的脈動較小。通常情況下，葉片式空壓機(jī)需采用潤滑油對葉片、轉(zhuǎn)子和機(jī)體內(nèi)部進(jìn)行潤滑、冷卻和密封，所以排出的壓縮空氣中含有大量的油份。因此在排氣口需要安裝油氣分離器和冷卻器，以便把油份從壓縮空氣中分離出來進(jìn)行冷卻并循環(huán)使用。

空氣壓縮機(jī)螺桿式空壓機(jī)螺桿式壓縮機(jī)，由電動機(jī)帶動兩個嚙合的螺旋轉(zhuǎn)子以相反方向運(yùn)動，它們當(dāng)中自由空間的容積沿軸向減少，從而壓縮兩轉(zhuǎn)子間的空氣。利用噴油來潤滑密封的兩旋轉(zhuǎn)螺桿，油分離器將油與輸出空氣分開。

此類壓縮機(jī)可連續(xù)輸出流量可超過400m3／min，壓力高達(dá)10巴。

和葉片式壓縮機(jī)相比，此類壓縮機(jī)能輸送出連續(xù)的無脈動的壓縮空氣。

雖然螺桿式和葉片式壓縮機(jī)愈來愈受青睞，但過去工業(yè)上最普遍使用的仍然是往復(fù)式壓縮機(jī)。二、控制元件壓力控制閥流量控制閥方向控制閥比例控制閥三、執(zhí)行元件四、輔助元件§1－3氣體的基本性質(zhì)一、空氣的組成成分及可壓縮性2、氣體體積的可壓縮性3、空氣的密度4、空氣的粘度二、氣體的狀態(tài)方程1、理想氣體的狀態(tài)方程2、實(shí)際氣體的狀態(tài)方程由于實(shí)際氣體具有粘性，因而嚴(yán)格地講它并不完全符合理想氣體方程式。實(shí)驗(yàn)證明：理想氣體狀態(tài)方程適用于絕對壓力不超過20MPa、溫度不低于20℃的空氣、氧氣、氮?dú)?、二氧化碳等，不適用于高壓狀態(tài)和低溫狀態(tài)下的氣體。3、氣體的狀態(tài)變化5）多變過程不加任何附加條件的氣體狀態(tài)變化過程稱為多變過程不同指數(shù)的p－V曲線1、濕空氣定義

自然界的空氣是由很多氣體混合而成的。其主要成分有氮（N2）和氧（O2），其他氣體占的比例極小，此外，空氣中常含有一定量的水蒸氣。水蒸氣的含量取決于大氣的濕度和溫度。把含有水蒸氣的空氣稱為濕空氣，大氣中的空氣基本上都是濕空氣；把不含水蒸氣的空氣稱為干空氣。濕空氣是干空氣與水蒸氣的混合物。三、濕空氣2、達(dá)爾頓法則

濕空氣的壓力稱為全壓力p，是干空氣的分壓力pg和水蒸氣的分壓力ps之和，即 p=ps+pg分壓力是指濕空氣的各個組成氣體，在相同溫度下，獨(dú)占濕空氣總?cè)莘e時所具有的壓力。平常所說的大氣壓力就是指濕空氣的全壓力。

3、絕對濕度

空氣中水蒸氣的壓強(qiáng)ps叫做空氣的絕對濕度?？諝獾臐穸瓤梢杂每諝庵兴羝拿芏?，即單位體積的空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量來表示．由于直接測量空氣中水蒸氣的密度比較困難，而水蒸氣的壓強(qiáng)隨水蒸氣密度的增大而增大，所以通常用空氣中水蒸氣的壓強(qiáng)來表示空氣的濕度，這就是空氣的絕對濕度．

在一定的壓力和溫度下，含有最大限度水蒸氣量的空氣叫飽和濕空氣。水蒸氣達(dá)到飽和時，濕空氣具有該溫度下最大絕對濕度，這時的空氣稱為飽和空氣。飽和空氣所處的狀態(tài)叫飽和狀態(tài)。4、飽和濕空氣5、飽和水蒸氣分壓飽和濕空氣中水蒸氣的分壓稱為飽和水蒸氣分壓，用pb表示6、相對濕度某溫度時空氣的絕對濕度ps跟同一溫度下水的飽和汽壓pb的百分比叫做這時空氣的相對濕度。

=

0~100%，飽和空氣的相對濕度為100%；相對濕度愈小，表示空氣中水蒸氣距離飽和狀態(tài)愈遠(yuǎn)，空氣吸收水分的能力愈大，即愈干燥；反之空氣愈潮濕。①不同溫度下水的飽和汽壓可以查表得到．②在絕對濕度χ不變而降低溫度時，由于水的飽和汽壓減小而使空氣的相對濕度增大．③居室的相對濕度以60％～70％較適宜．7、濕度計(jì)1）濕度計(jì)的構(gòu)成：濕度計(jì)由兩只完全相同的溫度計(jì)構(gòu)成．其中一只溫度計(jì)為干泡溫度計(jì)，另一只為濕泡溫度計(jì)．2）濕度計(jì)測量完全相對濕度的原理：由于濕泡溫度計(jì)的感溫泡包著棉紗，棉紗的下端浸在水中，水的蒸發(fā)而使?jié)衽轀囟扔?jì)的溫度示數(shù)總是低于干泡溫度計(jì)的溫度示數(shù)（氣溫）這一溫度差值跟水蒸發(fā)快慢（即當(dāng)時的相對濕度）有關(guān)．根據(jù)兩溫度計(jì)的讀數(shù)，從表或曲線上可查出空氣的相對濕度．

8、相對濕度測定濕空氣的含濕量dg（水蒸氣）/kg（干空氣）9、空氣中的含濕量在總壓力p不變的情況下，一定的蒸汽分壓力對應(yīng)著一定的含濕量。在總壓力p不變的情況下，相對濕度愈高，含濕量也愈高。

含濕量也常用單位體積濕空氣中混合的水蒸氣質(zhì)量d‘來表示，稱容積含濕量。10、露點(diǎn)1．露點(diǎn)：使空氣里的水蒸氣剛好達(dá)到飽和時的溫度叫做露點(diǎn)．（1）露點(diǎn)溫度時水的飽和汽壓就是空氣的絕對濕度．（2）根據(jù)露點(diǎn)和氣溫的差值，可大致判斷出相對濕度大小，差值越大，相對濕度越?。?．露點(diǎn)可以測定．3．根據(jù)測定的露點(diǎn)可確定空氣的相對濕度．從水的飽和汽壓表中查出露點(diǎn)時的飽和汽壓（等于空氣在原來溫度時的絕對濕度）再查出原來溫度下飽和汽壓，就可求出．大氣壓露點(diǎn)是指在大氣壓的水分凝結(jié)溫度，壓力下露點(diǎn)是指在壓力下的水分凝結(jié)溫度?！?－4氣體在管道中的流動特性

在氣壓傳動與控制中，氣體基本上是在管內(nèi)流動，而且屬于一維定常流動。因?yàn)闅怏w是可壓縮性流體，在流動特性上與不可壓縮流體有較大的不同。氣體流動基本規(guī)律

一、連續(xù)性方程根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過管道任一截面的氣體質(zhì)量流量相等。二、伯努利方程根據(jù)能量守恒定律，對理想氣體有：不考慮位能1、氣體沿管道作低速流動時，認(rèn)為不可壓縮。密度為常數(shù)。2、氣體作絕熱流動時，考慮壓縮性，密度變化。代入上式積分得若沿氣體流動方向任意取兩個截面1－1、2－2，則有：一、音速聲音是由于物體的振動引起周圍介質(zhì)密度和壓力的微小變化而產(chǎn)生的。音速就是這種微弱壓力波的傳遞速度。實(shí)驗(yàn)證明，一切微小擾動的傳播速度都與音速一致。

1

聲速公式

如圖所示，在充滿靜止空氣的剛性光滑的長直管道內(nèi)，有一面積為A的活塞以微小的勻速向右運(yùn)動，即給管道中的氣體一個微弱擾動，使得緊靠活塞的一層氣體受壓，壓強(qiáng)和密度增大，并以聲速a向右傳播因?yàn)閍＞＞du，所以經(jīng)過dt時間雖然活塞只移動了dudt距離，而擾動波卻早已傳播至adt處了。由于波前氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)，u=0，其狀態(tài)參數(shù)為p、、T，而波后氣體處于受擾動狀態(tài)，并在活塞推動下產(chǎn)生了一個隨活塞一起緩慢運(yùn)動的速度變化du,其狀態(tài)參數(shù)亦有微小變化，分別變?yōu)閜+dp，T+dT，+d。首先分析受到擾動的這部分氣體在時間前和時間后的質(zhì)量守恒表達(dá)式。

dt時間前氣體的質(zhì)量為adtA，dt時間后氣體的質(zhì)量為(+d)(a-du)dtA，根據(jù)質(zhì)量守恒可得略去高階微量，得其次分析受到擾動這部分氣體在時間前后的動量變化和所受到的合外力沖量。

dt時間前氣體動量為0，dt時間后氣體的動量為adtAdu這部分氣體左端壓強(qiáng)為p+dp，右端壓強(qiáng)為p，合外力為(p+dp)A-pA=dpA沿活塞運(yùn)動方向列動量方程得消去dtA得結(jié)合能量方程和動量方程得整理得忽略d/項(xiàng)，則弱擾動波的傳播速度為絕熱過程的微弱擾動波的傳播速度

絕熱過程條件求導(dǎo)：氣體狀態(tài)方程：得：聲速公式為：對于空氣，k=1.4，氣體常數(shù)R=287J/(kg·K)則空氣中的聲速為：二、馬赫數(shù)（Ma）1、馬赫數(shù)：氣體運(yùn)動速度u與介質(zhì)中聲速a之比，稱為馬赫數(shù)，用Ma表示。2、亞聲速流動：若Ma<1，即氣流速度小于聲速的流動。臨界流動：若Ma=1，即氣流速度等于聲速的流動。超聲速流動：若Ma>1，即氣流速度大于音速的流動。一元流動：氣體流動時，若過流斷面上各參數(shù)均布，其狀態(tài)參數(shù)只是流程的函數(shù)，這種流動稱為一元流動。

一、可壓縮氣體總流的連續(xù)性方程式

如圖所示，可壓縮性氣體在流管內(nèi)作定常流動，在流管上任取兩個斷面A1和A2，并設(shè)過流斷面上流動參數(shù)是均勻分布的(否則取平均值)，流速分別為u1和u2，密度分別為1和2

。由于是定常流動，所以在通過過流斷面和的質(zhì)量流量相等，即有

可壓縮氣體的一元流動方程式可壓縮氣體的一元