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1、气压基础知识本讲稿第一页，共十三页 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。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、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。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
2、力较低（力较低（0.31MPa），总输出力不宜大于），总输出力不宜大于1040kN，且工作速度稳定，且工作速度稳定性较差。性较差。应用非常广泛，尤其是轻工、食品工业、化工应用非常广泛，尤其是轻工、食品工业、化工n气压传动基础知识气压传动基础知识n空气的物理性质空气的物理性质n理想气体的状态方程理想气体的状态方程n气体的流动规律气体的流动规律n气体在管道中的流动特性气体在管道中的流动特性n气动元件的通流能力气动元件的通流能力n充、放气温度与时间的计算充、放气温度与时间的计算本讲稿第二页，共十三页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
3、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
4、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 绝对湿度和相对湿绝对湿度和相对湿度之分。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，水蒸气就要凝析出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。来。本讲稿第三页，共十三页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
5、间，一定质量的理想气体在状态变化的瞬间，有如下气体状态方程成立有如下气体状态方程成立 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化过程叫做绝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。热过程。n p1V1k
6、=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。本讲稿第四页，共十三页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
7、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n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/=常数常数本讲稿第五页，共十三页 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为声。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。速。声音传播过程属绝热过程。对理对理想气体来说，声音在其中传播的相对速度只与气体的温度有关。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。气体的声速气体的声速c 是随气体状态参数
8、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 是气体流是气体流动的一个重要参数，集中反映了气流的压缩性，动的一个重要参数，集中反映了气流的压缩性，Ma愈大，气流密愈大，气流密度变化越大。度变化越大。当当v c，Ma 1时，称为亚声速流动；时，称为亚声速流动；当当vc，Ma 1时，称为声速流动，也叫临界状态流动；时，称为声速流动，也叫临界状态流动；当当v c，Ma 1时，称为超声速流动。时，称为超声速流动。本讲稿第六页，共十三页当当v 50m/s 时，不必考虑压缩性。时，不必考虑压缩
9、性。当当v 140m/s 时，应考虑压缩性。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。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)在亚声速流动时在亚声速流动时 (Ma1)本讲稿第七页，共十三页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、管路等的气动元件的通流能力，是指单位时间内通过阀
10、、管路等的气体质量。目前通流能力可以采用有效截面积气体质量。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，此最小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。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=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
11、的计算并联元件并联元件 SRSi串联元件串联元件 1/SR2 1/Si2本讲稿第八页，共十三页 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当气体以较低的速度通过节流小孔时，可以不计其压缩性，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：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
12、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。本讲稿第九页，共十三页充气、放气温度与时间的计算充气、放气温度与时间的计算 在气动系统中向气罐、气缸、管路及其它执行机构充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。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
13、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，充气后的温度为度为 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本讲稿第十页，共十三页 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
14、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。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，
15、充气流量将逐渐降低。范围，随着容器中压力的上升，充气流量将逐渐降低。本讲稿第十一页，共十三页 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，经绝热放气后温度降低，经绝热放气后温度降低到到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，其内的压力也上升但容器停止放气，容器内温度上升到室温，其内的压力也上升至至 p p=p2T1/T2本讲稿第十二页，共十三页放气时间放气时间 与充气过程一样，放气过程也分为声速和亚声速两个阶段。容器由压力与充气过程一样，放气过程也分为声速和亚声速两个阶段。容器由压力p1 将到大气将到大气压力压力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 为放气临界压力（为放气临界压力（1.92105 Pa)本讲稿第十三页，共十三页