第章 气动工作原理及回路设计PPT课件.ppt

华中科技大学第9章 气动工作原理及回路设计9.1气压传动基础知识华中科技大学 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、中远程控制、过载保护等优点外，还具有工作介质处理方便，无介质费用、泄漏污染环境、介质变质及补充等优势 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（0.31MPa），总输出力不宜大于1040kN，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n空气的物理性质n理想气体的状态方程n气体的流动规律n气体在管道中的流动特性n气动元件的通流能力n充、放气温度与时间的计算华中科技大学空气的物理性质n空气的组成 n主要成分有氮气、氧气和一定量的水蒸气n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 n对于干空气=o273 /（273+t）p / 0.1013n空气的粘度n较液体的粘度小很多，且随温度的升高而升高n空气的压缩性和膨胀性 n体积随压力和温度而变化的性质分别表征为压缩性和膨胀性n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n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n压缩空气一旦冷却下来，相对湿度将大大增加，到温度降到露点以后，水蒸气就要凝析出来华中科技大学理想气体的状态方程n理想气体的状态方程 n 不计粘性的气体称为理想气体空气可视为理想气体n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=RTn气体状态变化过程 n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n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 p1V1k = p2V2k =常量 式中k为绝热指数，对空气来说k=1.4n气动系统中快速充、排气过程可视为绝热过程华中科技大学气体的流动规律n气体流动基本方程n连续性方程 1v1A1 =2v2A2 （注意12）n伯努利方程 n因气体可以压缩（ 常数） ，又因气体流动很快，来不及与周围环境进行热交换，按绝热状态计算，则有 v2/2+ gz + kp /（k-1）ghw= 常数n因气体粘度小，不考虑摩擦阻力，则有 v2/2+ gz + kp /（k-1）= 常数在低速流动时，气体可认为是不可压缩的（ 常数），则有 v2/2+ gz + p /= 常数华中科技大学 声速与马赫数n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c 是随气体状态参数的变化而变化的n气流速度与当地声速（c=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 c，Ma 1时，称为亚声速流动； 当vc，Ma 1时，称为声速流动，也叫临界状态流动； 当v c，Ma 1时，称为超声速流动华中科技大学当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v1v2v1v2v2v1v2v1 v1v2v1v2v2v1 在超声速流动时 (Ma1) 在亚声速流动时 (Ma1)华中科技大学气动元件的通流能力 气动元件的通流能力，是指单位时间内通过阀、管路等的气体质量目前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n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。

n有效截面积的简化计算 n对于阀口或管路 S =A式中 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 SRSi串联元件 1/SR2 1/Si2华中科技大学 不可压缩气体通过节流小孔的流量n当气体以较低的速度通过节流小孔时，可以不计其压缩性，将其密度视为常数，由伯努利方程和连续性方程联立推导的流量公式与液压传动的小孔流量公式有相同的表达形式n工程中常采用近似公式： qm=cA 2(p1-p2)1/2式中 为空气膨胀修正系数；c 为流量系数；A 为节流孔面积可压缩气体通过节流小孔（气流达到声速）的流量 气流在不同流速时应采用有效截面积的流量计算公式华中科技大学充气、放气温度与时间的计算 在气动系统中向气罐、气缸、管路及其它执行机构充气，或由它们向外排气所需的时间及温度变化是正确利用气动技术的重要问题n向定积容器充气问题n充气时引起的温度变化n向容器充气的过程视为绝热过程，容器内压力由p1升高到p2，容器内温度也由室温T1升高到T2，充气后的温度为 T2=kTs/1+p1(k-1)/p2 式中 Ts为热力学温度，设定Ts=Ti ； k为绝热指数n但容器内温度下降至室温，其内的气体压力也要下降，下降后的稳定值为 p=p2T1/T2华中科技大学 充气时间 容器内压力由p1充气到p2所需总时间 t t1+t2 (1.285p1p2) 5.217103（V /kS）(273/Ts)1/2 充气时，容器中的压力逐渐上升，充气过程基本上分为声速和亚声速两个充气阶段。

当容器中气体压力小于临界压力，在最小截面处气流的速度都是声速，流向容器的气体流量将保持为常数 在容器中压力达到临界压力以后，管中气流的速度小于声速，流动进入亚声速范围，随着容器中压力的上升，充气流量将逐渐降低华中科技大学 容器的放气 绝热放气时容器中的温度变化 容器内空气的初始温度为T1，压力为p1，经绝热放气后温度降低到T2 ，压力降低到p2 ，则放气后温度为 T2=T1(p2/p1)（k-1）/k 但容器停止放气，容器内温度上升到室温，其内的压力也上升至 p p=p2T1/T2华中科技大学放气时间 与充气过程一样，放气过程也分为声速和亚声速两个阶段容器由压力p1 将到大气压力pa 所需绝热放气时间为T=t1+t2 =（2k /k-1 ）(p1/pe)(k-1)/2k-1) +0.945( p1/1.013105 )(k-1)/2k= 5.21710-3 V (273/T1)1/2/kS式中 pe 为放气临界压力（1.92105 Pa)华中科技大学9.2气源装置及气动元件华中科技大学n气动系统由下面几种元件及装置组成n气源装置 压缩空气的发生装置以及压缩空气的存贮、净化的辅助装置它为系统提供合乎质量要求的压缩空气。

n执行元件 将气体压力能转换成机械能并完成做功动作的元件，如气缸、气马达n控制元件 控制气体压力、流量及运动方向的元件，如各种阀类；能完成一定逻辑功能的元件，即气动逻辑元件；感测、转换、处理气动信号的元器件，如气动传感器及信号处理装置n气动辅件 气动系统中的辅助元件，如消声器、管道、接头等华中科技大学气源装置n气源装置为气动系统提供满足一定质量要求的压缩空气，是气动系统的重要组成部分n气动系统对压缩空气的主要要求：具有一定压力和流量，并具有一定的净化程度n气源装置由以下四部分组成n气压发生装置空气压缩机；n净化、贮存压缩空气的装置和设备；n管道系统；n气动三大件华中科技大学 气压发生装置空气压缩机将机械能转化为气体的压力能，供气动机械使用空气压缩机的分类 分容积型和速度型常用往复式容积型压缩机，一般空压机为中压，额定排气压力1MPa；低压空压机排气压力0.2MPa；高压空压机排气压力10MPa空气压缩机的选用原则 依据是气动系统所需要的工作压力和流量两个参数n空压机输出流量 qVn(qVn0+qVn1)/(0.70.8)nqVn0 配管等处的泄漏量nqVn1 工作元件的总流量华中科技大学 压缩空气的净化装置和设备气动系统对压缩空气质量的要求：压缩空气要具有一定压力和足够的流量，具有一定的净化程度。

不同的气动元件对杂质颗粒的大小有具体的要求 混入压缩空气中的油分、水分、灰尘等杂质会产生不良影响：混入压缩空气的油蒸汽可能聚集在贮气罐、管道等处形成易燃物，有引起爆炸的危险，另一方面润滑油被汽化后会形成一种有机酸，对金属设备有腐蚀生锈的作用，影响设备受命混在压缩空气中的杂质沉积在元件的通道内，减小了通道面积，增加了管道阻力严重时会产生阻塞，使气体压力信号不能正常传递，使系统工作不稳定甚至失灵压缩空气中含有的饱和水分，在一定条件下会凝结成水并聚集在个别管段内在北方的冬天，凝结的水分会使管道及附件结冰而损坏，影响气动装置正常工作压缩空气中的灰尘等杂质对运动部件会产生研磨作用，使这些元件因漏气增加而效率降低，影响它们的使用寿命因此必须要设置除油、除水、除尘，并使压缩空气干燥的提高压缩空气质量、进行气源净化处理的辅助设备华中科技大学 压缩空气净化设备 一般包括后冷却器、油水分离器、贮气罐、干燥器 后冷却器 将空气压缩机排出具有140170的压缩空气降至4050，压缩空气中的油雾和水气亦凝析出来冷却方式有水冷和气冷式两种 油水分离器 主要利用回转离心、撞击、水浴等方法使水滴、油滴及其他杂质颗粒从压缩空气中分离出来。

华中科技大学贮气罐的主要作用是贮存一定数量的压缩空气，减少气流脉动，减弱气流脉动引起的管道振动，进一步分离压缩空气的水分和油分 干燥器的作用是进一步除去压缩空气中含有的水分、油分、颗粒杂质等，使压缩空气干燥，用于对气源质量要求较高的气动装置、气动仪表等主要采用吸附、离心、机械降水及冷冻等方法华中科技大学 管道系统和气动三大件气动三大件：分水过滤器，减压阀，油雾器 管道系统布置原则华中科技大学 气动三大件气动三大件是压缩空气质量的最后保证分水过滤器 作用是除去空气中的灰尘、杂质，并将空气中的水分分离出来原理：回转离心、撞击，性能指标：过滤度、水分离率、滤灰效率、流量特性油雾器 特殊的注油装置原理 当压缩空气流过时，它将润滑油喷射成雾状，随压缩空气流入需要的润滑部件，达到润滑的目的性能指标：流量特性、起雾油量减压阀 起减压和稳压作用气动三大件的安装连接次序：分水过滤器、减压阀、油雾器多数情况下，三件组合使用，也可以少于三件，只用一件或两件注意改正图中错误华中科技大学气动辅件n消声器n气缸、气阀等工作时排气速度较高，气体体积急剧膨胀，会产生刺耳的噪声噪声的强弱随排气的速度、排气量和空气通道的形状而变化。

排气的速度和功率越大，噪声也越大，一般可达100120dB，为了降低噪声在排气口要装设消声器n消声器是通过阻尼或增加排气面积来降低排气的速度和功率，从而降低噪声的n消声器的类型：吸收型；膨胀干涉型；膨胀干涉吸收性n管道连接件 包括管子和各种管接头n管子可分为硬管和软管 一些固定不动的、不需要经常装拆的地方使用硬管；连接运动部件、希望装拆方便的管路用软管常用的是紫铜管和尼龙管n管接头分为卡套式、扩口螺纹式、卡箍式、插入快换式等华中科技大学气动执行元件 普通气缸 膜片气缸是一种用压缩空气推动非金属膜片作往复运动的气缸，可以是单作用式，也可以是双作用式适用于气动夹具、自动调节阀及短行程工作场合 气动执行元件是将压缩空气的压力能转换为机械能的装置包括气缸和气马达实现直线运动和做功的是气缸；实现旋转运动和做功的是气马达 气缸的分类及典型结构华中科技大学无杆气缸原理 铝制缸筒2 沿轴向方向开槽，为防止内部压缩空气泄漏和外部杂物侵入，槽被内部抗压密封件4 和外部防尘密封件7 密封，塑料的内外密封件互相夹持固定着无杆活塞3 两端带有唇型密封圈，活塞两端分别进、排气，活塞将在缸筒内往复移动通过缸筒槽的传动舌片5，该运动被传递到承受负载的导架6 上。