第九章+气压基础知识A.ppt

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1、 液压与气压传动 第九章气压传动基础知识编写：石延平编写：石延平Hydraulic and Pneumatic Transmission Chapter 9 Pneumatic Transmission Basic Knowledge 主要内容主要内容l空气的物理性质l理想气体的状态方程l气体的流动规律l气动元件的通流能力l充气、放气温度与时间计算 本章学习要点l重重点点内内容容：空空气气的的物物理理性性质质；气气体体的的流流动动规规律以及气动元件的通流能力。律以及气动元件的通流能力。l难点内容：难点内容：湿空气的计算；气动元件的通流湿空气的计算；气动元件的通流能力。能力。气压传动是以压缩空气

2、作为工作介质进行能量的传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。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、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。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（率，一般工作压力较低（0.31MPa），），总输出力不总输出力

3、不宜大于宜大于1040kN，且工作速度稳定性较差。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、化工等应用非常广泛，尤其是轻工、食品工业、化工等行业。行业。空气的物理性质空气的物理性质n空气的组成空气的组成 n主要成分有氮气、氧气和一定量的水蒸气。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。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空气的密度空气的密度 n对于干空气对于干空气=o273/（273+t）p/0.1013n空气的粘度空气的粘度n较液体的粘度小很多，且随温度的升高而升高。较液体的粘度小很多，且随温度的升高而升

4、高。n空气的压缩性和膨胀性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。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。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 绝对湿度绝对湿度和相对湿度之分。和相对湿度之分。n压缩空气的析水量压缩空气的析水量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，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

5、蒸气就要凝析出来。水蒸气就要凝析出来。理想气体的状态方程理想气体的状态方程n理想气体的状态方程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。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，一定质量的理想气体在状态变化的瞬间，有如下气体状态有如下气体状态方程成立方程成立 pV/T=常量常量 或或 p=RTn气体状态变化过程气体状态变化过程 n等温过程等温过程 p1V1=p2V2=常量常量 n 在等温过程中，无内能变化，加入系统的热量全部变在等温过程中，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、管道输送空成

6、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。气等均可视为等温过程。n绝热过程绝热过程 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。化过程叫做绝热过程。n p1V1k=p2V2k=常量常量 式中式中k为绝热指数，对空气来说为绝热指数，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。气动系统中快速充、排气过程可视为绝热过程。气体的流动规律气体的流动规律n气体流动基本方程气体流动基本方程n连续性方程连续性方程 1v1A1=2v2A2 （注意注意12）n伯努利方程伯努利方程 n因气体可以压缩（因气体可

7、以压缩（常数）常数），又因气体流动很快，来不，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=常数常数n因气体粘度小，不考虑摩擦阻力，则有因气体粘度小，不考虑摩擦阻力，则有 v2/2+gz+kp/（k-1）=常数常数在低速流动时，气体可认为是不可压缩的（在低速流动时，气体可认为是不可压缩的（常数），常数），则有则有 v2/2+gz+p/=常数常数 声速与马赫数声速与马赫数n声音引起的波称为声音引起的波称为“声波声波”。声波在介质中的传播速度称。声波在介质中的传播速度称为声速。声音传播过程属绝

8、热过程。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。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（气流速度与当地声速（c=341m/s）之比称为马赫数之比称为马赫数，Ma v/c Ma 是气是气体流动的一个重要参数，集中反映了气流的压缩性，体流动的一个重要参数，集中反映了气流的压缩性，Ma愈愈大，气流密度变化越大。大，气流密度变化越大。当当v c，Ma 1时，时，称为亚声速流动；称为亚声速流动；当当vc，Ma 1时，时，称为

9、声速流动，也叫临界状态流动；称为声速流动，也叫临界状态流动；当当v c，Ma 1时，时，称为超声速流动。称为超声速流动。当当v 50m/s 时，时，不必考虑压缩性。不必考虑压缩性。当当v 140m/s 时，时，应考虑压缩性。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。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气体在管道中的流动特性v1v2v1v2v2v1v2v1 v1v2v1v2v2v1 在超声速流动时在超声速流动时 (Ma1)在亚声速流动时

10、在亚声速流动时 (Ma1)气动元件的通流能力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 和质量流量和质量流量q 表示。表示。n有效截面积有效截面积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。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有效截面积的简化计算 n对于阀口或管路对于阀口或管路 S=

11、A式中式中 为收缩系数，由相关图查出；为收缩系数，由相关图查出；A 为孔口实际面积。为孔口实际面积。多个元件组合后有效截面积的计算多个元件组合后有效截面积的计算并联元件并联元件 SRSi串联元件串联元件 1/SR2 1/Si2 不可压缩气体通过节流小孔的流量不可压缩气体通过节流小孔的流量n当当气气体体以以较较低低的的速速度度通通过过节节流流小小孔孔时时，可可以以不不计计其其压压缩缩性性，将将其其密密度度视视为为常常数数，由由伯伯努努利利方方程程和和连连续续性性方方程程联联立立推推导导的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

12、用近似公式：工程中常采用近似公式：qm=cA 2(p1-p2)1/2式中式中 为空气膨胀修正系数；为空气膨胀修正系数；c 为流量系数；为流量系数；A 为节流孔面积。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。气流在不同流速时应采用有效截面积的流量计算公式。充气、放气温度与时间的计算充气、放气温度与时间的计算 在在气气动动系系统统中中向向气气罐罐、气气缸缸、管管路路及及其其它它执执行行机机构构充充气气，或或由由它它们们向向外外排排气气所所需需的的时时间间及及温温度度变变化化是正确利用气动技

13、术的重要问题。是正确利用气动技术的重要问题。n向定积容器充气问题向定积容器充气问题n充气时引起的温度变化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，容器内压力由向容器充气的过程视为绝热过程，容器内压力由p1升高升高到到p2，容器内温度也由室温，容器内温度也由室温T1升高到升高到T2，充气后的温度为充气后的温度为 T2=kTs/1+p1(k-1)/p2 式中式中 Ts为热力学温度，设定为热力学温度，设定Ts=Ti；k为绝热指数。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，但容器内温度下降至室温，其内的气体压力也要下降，下降后的稳定值为下降后的稳定值为 p=p2T1/T2

14、 充气时间充气时间 容器内压力由容器内压力由p1充气到充气到p2所需总时间所需总时间 t t1+t2(1.285p1ps)5.217103（V/kS）(273/Ts)1/2式中式中 ps气源的绝对压力。气源的绝对压力。充充气气时时，容容器器中中的的压压力力逐逐渐渐上上升升，充充气气过过程程基基本本上上分分为为声声速速和和亚亚声声速速两两个个充充气气阶阶段段。当当容容器器中中气气体体压压力力小小于于临临界界压压力力，在在最最小小截截面面处处气气流的速度都是声速，流向容器的气体流量将保持为常数。流的速度都是声速，流向容器的气体流量将保持为常数。在在容容器器中中压压力力达达到到临临界界压压力力以以后

15、后，管管中中气气流流的的速速度度小小于于声声速速，流流动动进进入入亚亚声声速速范范围围，随随着着容容器器中中压压力力的的上上升升，充充气气流流量量将将逐逐渐渐降降低低。容器的放气容器的放气 绝热放气时容器中的温度变化绝热放气时容器中的温度变化 容器内空气的初始温度为容器内空气的初始温度为T1，压力为压力为p1，经绝热放气后经绝热放气后温度降低到温度降低到T2 ，压力降低到压力降低到p2 ，则放气后温度为则放气后温度为 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也上升至 p p=p2T1/T2放气时间放气时间 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。容器由压力由压力p1 将到大气压力将到大气压力pa 所需绝热放气时间为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式中式中 pe 放气临界压力（放气临界压力（1.92105 Pa)