1、,第二篇 气压传动,第九章 气压传动基础知识,本章目录 第一节 空气的物理性质 第二节 气体的状态变化 第三节 气体的流动规律,第一节 空气的物理性质,气动技术（气压传动）：以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号的系统。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。,国内气动技术的状况：,早期气压传动与控
2、制系统除应用在复杂程度较低和中等的机器上外，还在一些较为复杂的机器上应用气压传动与控制系统，这决定于环境条件的因素，诸如易爆、腐蚀、水冲洗、粉尘、污物等一些环境，应用气动系统更为合理和安全。在60年代末，气动元件得到发展，控制方式有创新，从而使气动系统在很多工业领域得到了广泛应用。因为气动元件兼有通用性和灵活性的特点，所以使它在现代系统的集成化和完整性方面发挥了决定性的作用，气动元件本身也得到了飞跃的发展。,所以，一般认为，现代气动技术从开始发展到现在还不足50年时间。因而，近年来气动技术的应用领域已从机械机床、汽车、轴承、农机等)、冶金(铸造、锻造、轧钢等)、采矿、交通运输等工业扩展到轻工(
3、纺织、自行车、手表、缝纫机等)、食品、化工、物料搬运以及军事等工业部门，它对于实现生产过程的自动控制、改善劳动条件、减轻劳动强度、降低成本、提高产品质量发挥了很大的作用。,气动技术的应用实例：,六足机器虫1 六足机器虫2,机器手 手,康复机,第一节 空气的物理性质,一、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。 在基准状态下 (温度t = 0 、压力为0.1013MPa) ：,二、空气的密度,单位体积内空气的质量，用表示：,对干空气有：,式中：m、V 分别为气体的质量和体积； 某温度t 与压力p状态下干空气的密度； 0 标准状态下的
4、气体密度， 0 =1.293 kg/m3 p 绝对压力 MPa273+ t 绝对温度 K,三、空气的粘度：,空气的粘度：是空气质点相对运动时产生阻力的性质，主要受温度变化的影响，且随温度的升高而升高;压力变化的影响可忽略不计。,四、空气的易变特性：,空气的体积随压力变化而变化的性质称为压缩性，空气的压缩性约为液压油的1万倍； 空气的体积随温度变化而变化的性质称为膨胀性，空气的膨胀性约为水的73倍。,五、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。,1、绝对湿度,每立方米湿空气中所含水蒸汽的质量称为湿空气的绝对湿度，常用表示,Rs=462.05 J /（k
5、gk）,2、饱和绝对湿度：,每立方米饱和湿空气中所含水蒸汽的质量称为饱和湿空气的绝对湿度,此时湿空气中水蒸汽个含量达到了最大限度。,3、相对湿度：,在同温度和同压力下，绝对湿度和饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度,当空气绝对干燥时，ps =0 ,则 =0， 当空气达到饱和时， ps = pb ,则 =100%， 湿空气的相对湿度在 0100% 间变化。 通常在 = （6070）% 范围内，人体感到舒适。 气动技术中规定各种阀的相对湿度不得大于 90%,4、密度,湿空气的密度用表示：,式中：p 湿空气的全压力 MPap b 某温度t 时饱和空气中水蒸汽的分压力MPa 空气的相对湿度（%）,5
6、、含湿量,质量含湿量：每公斤质量的干空气中所混合的水蒸汽的质量，用d 表示：,容积含湿量：每立方米干空气中所混合的水蒸汽的质量，用d 表示,由p206表9 2可知:降低空气温度，可以减少进入气动设备空气中所含水分。,例：压力为6个基准大气压（表压），温度为40 ， 求其密度。,解：由干空气密度计算式,得：,返回目录,第二节 气体的状态变化,理想气体不计粘性的的气体 气体的状态常用一些物理量来描述，这种用于描述气体状态的物理量称为状态参数：体积V（ 比容）、压力p、温度T,一、理想气体状态方程,状态参数的数值仅决定于气体的状态，而与达到这种状态所经历的变化过程无关。对于给定的状态，所有的状态参数
7、都各有确定的值，当有一个状态参数发生变化时，气体的状态也就发生了变化。,状态参数： 体积V （比容）、压力p、温度T,理想气体的状态应符合：,说明：一定质量的气体状态方程式，压力和体积的乘积与其绝对温度之比，稳定后在某一瞬时为常数。,或：,压力、比容与温度三者之间的关系成为状态方程,式中：p绝对压力 Pa V气体体积 m3 T绝对温度 K 气体比容 m3/kg R气体常数 J /（kgk） J=Nm干空气：Rg=287.1 J /（kgk） 湿空气：Rs=462.05 J /（kgk）,在状态变化过程中加上变化条件，理想气体状态方程将有以下几种形式：,（一）等容过程：,条件容积不变，体积 V=
8、const 时气体状态变化过程称为等容变化过程，即V1=V2 ，此时有: p/T=const， p 1 /T 1 = p 2 /T2,在容积不变的条件下，气体状态变化时，其压力与绝对温度成正比。此时气体对外不做功，气体随温度升高，压力增加，内能增加。,（二） 等压过程：,条件压力不变，压力 p=const 时气体状态变化过程称为等压变化过程，即p1=p2 ，此时有: V1 /T1 = V2 /T2,在压力不变的条件下，气体状态变化时，其体积与绝对温度成正比。 此式表明：温度上升体积膨胀，温度下降体积缩小。,（三）等温过程,说明：在温度不变的条件下，气体状态变化时，其压力 p 与体积成反比。在等
9、温过程中，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。,(四) 绝热过程,当系统与外界无热量交换时，气体的状态变化过程称为绝热变化过程，其状态方程为：,说明：气体状态变化与外界无热量交换。,对空气： 绝热指数 k=1.4,气动系统中快速充、排气过程可视为绝热过程。,下面，我们列出绝热过程的其它几个常用方程：,(五) 多变过程,不加任何限制条件的气体的状态变化过程称为多变过程，（条件：气体按其中间过程变化）其状态方程为：,同理，我们列出多变过程的其它几个常用方程：,n多变指数； 严格地讲，气体变化过程大多是多变过程，前面介绍的四种变化过程是多变过程的
10、特例，即：,n=1,等温过程,n=0,等压过程,n=,等容过程,绝热过程,n=k,三、气动系统中快速充、放气过程,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。,一、充气温度与时间的计算：,向定积容器充气问题 充气时引起的温度变化；气源恒定压力为p0 ，温度为T0 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T1升高到T2，充气后的温度为:,当T1=T0时有：,由上式可知，不论充气压力p2多高，T2不会高过气源压力的1.4倍,充气结束，通过气罐壁散热，容器内温度下降至室温，其内的气体压力也要下降，
11、下降后的稳定值为：,充气时间：,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。,容器内压力由p1充气到p2所需总时间：,临界压力p/ p1 =0.528,p0.528p1时，声速区流动，充气流量是常数，为线性曲线,p0.528p1时，因充气速度降低，为亚声速区流动，充气压力p升高，流量逐渐降低，从达到临界压力开始，直到充气结束，曲线为非线性变化。,容器的放气,
12、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：,若降至0.2MPa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 ，则：,二、放气温度与时间的计算：,放气所需时间：,式中 p* 为放气临界压力 （ p* =1.893 0.1013 = 0. 192MPa）p1 为初始压力,如果 p1 = p* ，则A= 0，t = B,填空题：,1、不含水蒸气的空气为（ ），含水蒸气的空气称为（ ），所含水分的程度用（ ）和（ ）来表示。 2、理想气体是指（ ）。一定质量的理想气体在状态变化的某一稳定瞬时，其压
13、力、温度、体积应服从（ ）。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（ ）。 3、在气动系统中，气缸工作、管道输送空气等均视为（ ）；气动系统的快速充气、排气过程可视为（ ）。,（干空气；湿空气；湿度、含湿量） （没有粘性的气体；气体状态方程pV/T常数；绝热过程） （等温过程；绝热过程）,返回目录,第三节 气体的流动规律,一、气体流动的基本方程 1、质量守恒定律连续性方程流体在管道中作稳定流动时，同一时间内流过管道任一截面的质量流量应相等，即：,1v1A1 =2v2A2 （注意12）,在低速流动时，气体可认为是不可压缩的（ 常数），则有:,v1A1 =v2A2 =const,2、
14、能量守恒定律伯努利方程,如果流体作稳定流流动，由能量守恒关系可求得下述几种形式的能量方程：,1、流管伯努利方程：,式中：h、dp、v、分别为流管任一截面的位置高度、微压力、密度、速度和摩擦阻力损失水头。,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，（忽略气体流动时的能量损失和位能变化）则有：,式中：k绝热指数,在低速流动时，认为气体不可压缩， （ = 常数）则有：,二、 声速与马赫数,1、声速,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。,声波是一种微弱的扰动波，通常将一切微弱扰动波的传播速度都叫声速。,流体中
15、任何处压力的微小变化都会产生压力波，该波在流体中将以所对应的声速进行传播。在管路中流体压力波可以压缩波，也可以膨胀波的方式传播。压力波传播的实质是压力和密度的微弱变化通过工作介质依次传播，其速度为：,则绝热过程时的声速为：,则等温过程时的声速为：,有上两式可看出，声速的传播速度主要取决于介质的绝对温度T,例：当k = 1.4，R=287.1 J/kgK，温度为15时有,绝热过程：,等温过程：,2 、马赫数： 气流的速度 v 与当地声速 c 之比称为马赫数，用Ma表示：,马赫数Ma 是气体流动的一个重要参数，可判断声速的流动状态：,当 v c，Ma1 时，称为亚声速流动；sub-sonik fl
16、ow 当 v c，Ma1 时，称为声速流动，也叫临界状态流动； sonik flow 当 v c，Ma1 时，称为超声速流动；ultra- sonik flow,声速是一个很重要的量，是判断流体压缩性影响的一个标准，在气体力学中，低于声速和高于声速的流动具有本质的区别，因此常以马赫数的比较来划分流体流动的类型：,Ma 5 超高声速流动,流体的压缩性大则扰动波传播的慢，声速就小，15度空气中声速为340m/s，水中的声速1449m/s。,超音速战斗机的飞行马赫数一般在2.5左右，一般不超过3，苏联的米格25，最高马赫数为2.8 。,三、气体通过收缩喷嘴的流动,由流体力学知识可知，对于不可压缩流体
17、（如液压油），其速度的变化规律符合流量连续性方程或能量方程，断面增加，流速减小，压力增大，但对于可压缩气体来说，流动情况并非如此。当流速较低时，符合上述规律，当流速达到一定值时，将会出现截然相反的变化规律，现分析如下：,当A增大时，速度 v 减小；反之当A减小时，速度 v 增大。,亚声速流动： 当 Ma 1 时,此时，要想使气体加速应把管道做成收缩管,超声速流动：当 Ma 1 时,当A增大时，速度 v 增大；反之当A减小时，速度 v 降低。,此时，要想使气体加速应把管道做成扩散管,声速流动：当 Ma =1 时，A不变，速度不变。,当v 50m/s 时，不必考虑压缩性。当v 140m/s 时，应
18、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。,四、气动元件和管道的有效截面积A,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A表示，也可以用流量表示。,一、有效截面积A：,1、节流阀、气阀的有效截面积A：,由于实际流体存在粘性，流束的收缩比节流孔名义截面积A0 小，此最小截面积称为有效截面积 A，它代表了节流孔的通流能力。,有效截面积 A与名义截面积A0之比称为收缩系数 ：,收缩系数可由p214图97查出。,2、管路的有效截面积A 可按下式计算：,管路收缩系数 可由p214 图9
19、8查出。,3、系统中多个元件组合后有效截面积 S 的计算：,并联元件：,串联元件：,二、流量,1、不可压缩气体通过节流小孔的流量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，即：,式中：cd 流量系数， cd =cv 断面收缩系数， =0.620.64cv 速度系数， cv =0.97A 小孔面积。,2、可压缩气体通过节流小孔的流量,气流在不同流速时应采用有效截面积的流量计算公式。 （1） p2/p1 0.528 或 p1 1.893 p2时，为亚声速区流动，其自由空气流量近似计算式为：,（2） p2/p1 0.528 或 p1 1.893 p2时，为声速区流动，此时由于速度较高，应考虑压缩性，其自由空气流量近似计算式为：,
