《液壓與氣動(dòng)技術(shù)（AR版）》 課件 第9章 氣動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

第9章氣動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)8．1氣動(dòng)系統(tǒng)8．2氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用8．3氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用準(zhǔn)則8．4氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)9.1氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)(氣壓傳動(dòng))系統(tǒng)是一種能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其工作原理是將原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能，利用管路、各種控制閥及輔助元件將壓力能傳送到執(zhí)行元件，再轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而完成直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)外做功氣動(dòng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

如圖9－1所示。圖9-1氣動(dòng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成9.2氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用

氣動(dòng)技術(shù)用于簡(jiǎn)單的機(jī)械操作中已有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間了，最近幾年，在氣動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展中，氣動(dòng)技術(shù)起到了重要的作用。氣動(dòng)自動(dòng)化控制技術(shù)是利用壓縮空氣作為傳遞動(dòng)力或信號(hào)的工作介質(zhì)，配合氣動(dòng)控制系統(tǒng)的主要?dú)鈩?dòng)元件，與機(jī)械、液壓、電氣、電子(包括PLC控制器和微機(jī))等部分或全部綜合構(gòu)成的控制回路，使氣動(dòng)執(zhí)行元件按工藝要求的工作狀況，自動(dòng)按設(shè)定的順序或條件動(dòng)作的一種自動(dòng)化技術(shù)。用氣動(dòng)自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，是工業(yè)自動(dòng)化的一種重要技術(shù)手段，也是一種低成本自動(dòng)化技術(shù)。9.2氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用

(1)物料輸送裝置：夾緊、傳送、定位、定向和物料流分配；(2)一般應(yīng)用：包裝、填充、測(cè)量、鎖緊、軸的驅(qū)動(dòng)、物料輸送、零件轉(zhuǎn)向及翻轉(zhuǎn)、零件分揀、元件堆垛、元件沖壓或模壓標(biāo)記和門控制；(3)物料加工：鉆削、車削、銑削、鋸削、磨削和光整。

氣動(dòng)系統(tǒng)用于自動(dòng)裝卸生產(chǎn)及氣動(dòng)機(jī)械手的例子如圖9－2和圖9－3所示。9.2氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用

(1)物料輸送裝置：夾緊、傳送、定位、定向和物料流分配；(2)一般應(yīng)用：包裝、填充、測(cè)量、鎖緊、軸的驅(qū)動(dòng)、物料輸送、零件轉(zhuǎn)向及翻轉(zhuǎn)、零件分揀、元件堆垛、元件沖壓或模壓標(biāo)記和門控制；(3)物料加工：鉆削、車削、銑削、鋸削、磨削和光整。

氣動(dòng)系統(tǒng)用于氣動(dòng)機(jī)械手的例子如圖9－3所示。圖9－3氣動(dòng)機(jī)械手9.1.2氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用準(zhǔn)則

1.氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)-優(yōu)點(diǎn)

9.1.2氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用準(zhǔn)則

1.氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)-缺點(diǎn)

9.1.2氣動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用準(zhǔn)則

2．應(yīng)用準(zhǔn)則

空氣的可壓縮性既是一種優(yōu)點(diǎn)也是一種不足?？諝饪蓧嚎s性這種物理上的局限性大大限制了氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，當(dāng)需要很大力或連續(xù)大量消耗壓縮空氣時(shí)，成本也是一個(gè)制約氣動(dòng)技術(shù)應(yīng)用的主要因素。因此，在研究氣動(dòng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)首先將其與其他形式的傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行比較，表8－3給出了這種比較。表8－3氣動(dòng)技術(shù)與其他傳動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用中的比較

表8－3氣動(dòng)技術(shù)與其他傳動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用中的比較

表8－3氣動(dòng)技術(shù)與其他傳動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用中的比較

9.4氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

在應(yīng)用氣動(dòng)技術(shù)時(shí)，應(yīng)考慮從信號(hào)輸入到最后動(dòng)力輸出的整個(gè)系統(tǒng)，盡管其中某個(gè)環(huán)節(jié)采用某項(xiàng)技術(shù)更合適，但最終決定選擇哪項(xiàng)技術(shù)完全是基于所有相關(guān)因素總體考慮的。例如，雖然產(chǎn)生壓縮空氣的成本較高，但在最后分析論證技術(shù)方案時(shí)，其并不是主要的決定因素，有時(shí)對(duì)于要完成的任務(wù)來(lái)說(shuō)，力和速度的無(wú)級(jí)控制才是更重要的因素。另外，系統(tǒng)掌握容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和操作方便以及整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性有時(shí)是更重要的決定因素。除此之外，系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)也是絕不可忽視的決定因素。表8－3氣動(dòng)技術(shù)與其他傳動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用中的比較

1)模塊化和集成化

氣動(dòng)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)之一是單獨(dú)元件的組合能力，無(wú)論是各種不同大小的控制器還是不同功率的控制元件，在一定應(yīng)用條件下，都具有隨意組合性。隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，元件正從單功能性向多功能系統(tǒng)、通用化模塊方向發(fā)展，并將具有向上或向下的兼容性。表8－3氣動(dòng)技術(shù)與其他傳動(dòng)技術(shù)在應(yīng)用中的比較

2)功能增強(qiáng)及體積縮小

小型化氣動(dòng)元件(如氣缸及閥類)正應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域。微型氣動(dòng)元件不但用于精密機(jī)械加工及電子制造業(yè)，而且用于制藥業(yè)、醫(yī)療技術(shù)、包裝技術(shù)等。在這些領(lǐng)域中，已經(jīng)出現(xiàn)活塞直徑小于2.5mm的氣缸、寬度為10mm的氣閥及相關(guān)的輔助元件，并正在向微型化和系列化方向發(fā)展。

壓縮空氣

1空氣的物理性質(zhì)

1．空氣的濕度與露點(diǎn)

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。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(即溫度為0℃、壓力為p＝0.1013MPa)干空氣的組成如表9-1所示。

干空氣的組成

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(gè)組成氣體，在相同溫度下，獨(dú)占濕空氣總?cè)莘e時(shí)所具有的壓力。平常所說(shuō)的大氣壓力就是指濕空氣的全壓力。

露點(diǎn)是指在規(guī)定的空氣壓力下，當(dāng)溫度一直下降到成為飽和狀態(tài)時(shí)，水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)的那一剎那的溫度。露點(diǎn)又可分為大氣壓露點(diǎn)和壓力露點(diǎn)兩種。大氣壓露點(diǎn)是指在大氣壓下水分的凝結(jié)溫度。圖9－2為大氣壓露點(diǎn)與壓力露點(diǎn)之間的換算表。如要求大氣壓露點(diǎn)為－22℃、壓力為7bar狀況下的壓力露點(diǎn)，則可在圖9－2中查到壓力露點(diǎn)為4℃，意為在壓力為7bar，當(dāng)空氣冷卻到4℃時(shí)，若將其減壓成大氣壓，則水分在－22℃以下會(huì)凝結(jié)，濕空氣便有水滴析出。降溫法清除濕空氣中的水分利用的就是此原理。

相對(duì)濕度因空氣濕度和氣候狀況而異。常把相對(duì)濕度定義為

式中，絕對(duì)濕度是指單位立方米空氣中所含的水分的量；飽和水含量是指單位立方米空氣在所述溫度下能夠吸收水分的量。

空氣在不同溫度下的飽和水含量可由圖9－1查得。

圖9－1露點(diǎn)表

圖9－2壓力露點(diǎn)與大氣壓露點(diǎn)的換算

2.空氣的密度

空氣具有一定質(zhì)量，其密度是單位體積內(nèi)空氣的質(zhì)量，用ρ表示，即

(9－2)

式中，m表示空氣的質(zhì)量(kg)；V表示空氣的體積(m3)。

空氣的密度與溫度、壓力有關(guān)，三者滿足氣體狀態(tài)方程式。9．1．2氣體狀態(tài)方程

氣體的三個(gè)狀態(tài)參數(shù)是壓力p、溫度T和體積V。氣體狀態(tài)方程是描述氣體處于某一平衡狀態(tài)時(shí)，這三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。本節(jié)介紹幾種常見(jiàn)的狀態(tài)變化過(guò)程。

1．理想氣體的狀態(tài)方程

所謂理想氣體，是指沒(méi)有粘性的氣體。一定質(zhì)量的理想氣體在狀態(tài)變化的某一穩(wěn)定瞬時(shí)，有以下氣體狀態(tài)方程成立：

(9－3)

p＝ρRT式中，p1、p2分別為氣體在1、2兩狀態(tài)下的絕對(duì)壓力(Pa)；V1、V2分別為氣體在1、2兩狀態(tài)下的體積(m3)；T1、T2分別為氣體在1、2兩狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度(K)；ρ為氣體的密度(kg/m3)；R為氣體常數(shù)(J/(kg·K))，其中，干空氣Rg＝287.1J/(kg·K)，濕空氣Rs＝462.05J/(kg·K)。

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(duì)壓力不超過(guò)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。ρ、V、T的變化決定了氣體的不同狀態(tài)，在狀態(tài)變化過(guò)程中加上限制條件時(shí)，理想氣體狀態(tài)方程將有以下幾種形式。

2．理想氣體的狀態(tài)變化過(guò)程

(1)等容過(guò)程(查理定律)：一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的條件下所進(jìn)行的狀態(tài)變化過(guò)程，稱為等容過(guò)程。等容過(guò)程的狀態(tài)方程為

(9－4)

式(9－4)表明：當(dāng)體積不變時(shí)，壓力上升，氣體的溫度隨之上升；壓力下降，氣體的溫度隨之下降。

(2)等壓過(guò)程(蓋－呂薩克定律)：一定質(zhì)量的氣體，在壓力不變的條件下所進(jìn)行的狀態(tài)變化過(guò)程，稱為等壓過(guò)程。等壓過(guò)程的狀態(tài)方程為

(9－5)

式(9－5)表明：當(dāng)壓力不變時(shí)，溫度上升，氣體的體積增大(氣體膨脹)；溫度下降，氣體的體積縮小。

(3)等溫過(guò)程(波意耳定律)：一定質(zhì)量的氣體，在溫度保持不變的條件下所進(jìn)行的狀態(tài)變化過(guò)程，稱為等溫過(guò)程。氣體狀態(tài)變化很慢時(shí)，可視為等溫過(guò)程，如氣動(dòng)系統(tǒng)中的氣缸運(yùn)動(dòng)、管道送氣過(guò)程等。等溫過(guò)程的狀態(tài)方程為

p1V1＝p2V2 (9－6)

式(9－6)表明：在溫度不變的條件下，氣體壓力上升時(shí)，氣體體積被壓縮；氣體壓力下降時(shí)，氣體體積膨脹。

(4)絕熱過(guò)程：一定質(zhì)量的氣體，在其狀態(tài)變化過(guò)程中，和外界沒(méi)有熱量交換的過(guò)程稱為絕熱過(guò)程。當(dāng)氣體狀態(tài)變化很快時(shí)，如氣動(dòng)系統(tǒng)的快速充、排氣過(guò)程，可視為絕熱過(guò)程。其狀態(tài)方程式為

p1V1k＝p2V2k＝常數(shù) (9－7)

由式(9－3)和式(9－7)可得

(9－8)

上式中，k為絕熱指數(shù)，對(duì)于干空氣k＝1．4，對(duì)于飽和蒸氣k＝1．3。

在絕熱過(guò)程中，系統(tǒng)靠消耗自身內(nèi)能對(duì)外做功。

【例9－1】

由空氣壓縮機(jī)往儲(chǔ)氣罐內(nèi)充入壓縮空氣，使罐內(nèi)壓力由0.1MPa(絕對(duì))升到0.25MPa(絕對(duì))，氣罐溫度從室溫20℃升到t，充氣結(jié)束后，氣罐溫度又逐漸降至室溫，此時(shí)罐內(nèi)壓力為p。求p和t各為多少。(提