氣動(dòng)課件第一章氣動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

Room：環(huán)化館323Tel：8061729主講：Dr.吳曉明Email：xmwu@氣壓傳動(dòng)與控制氣壓傳動(dòng)與控制

（PneumaticTransmissionandControl）

吳根茂編著

哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社總學(xué)時(shí)：32學(xué)分：2.0講課學(xué)時(shí)：26實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：6.0平時(shí)出勤（缺勤5次以上成績(jī)0分）：5分作業(yè)：10分實(shí)驗(yàn)：10分項(xiàng)目(包括討論課)：10分隨堂測(cè)試（2次）：5分結(jié)課考試：60分第一章氣動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

氣動(dòng)技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞的工程技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。

隨著加工技術(shù)的提高，材料和密封技術(shù)的發(fā)展、新工藝的出現(xiàn)以及電子技術(shù)的結(jié)合。以及工業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的需求（市場(chǎng)的需求），使得氣動(dòng)技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域里?！?－1氣動(dòng)技術(shù)的概括一、氣動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用

1776年發(fā)明能產(chǎn)生1個(gè)大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。1829年出現(xiàn)了多級(jí)空氣壓縮機(jī)。1871年風(fēng)鎬開(kāi)始用于采礦。

1880年，人們第一次利用氣缸做成氣動(dòng)剎車裝置，將它成功的應(yīng)用到火車的制動(dòng)上。1868年美國(guó)人G.威斯汀豪斯發(fā)明氣動(dòng)制動(dòng)裝置，并在1872年用于鐵路車輛的制動(dòng)。

本世紀(jì)30年代初，氣動(dòng)技術(shù)成功地應(yīng)用于自動(dòng)門的開(kāi)閉及各種機(jī)械的輔助動(dòng)作上。1930年出現(xiàn)了低壓氣動(dòng)調(diào)節(jié)器。50年代研制成功用于導(dǎo)彈尾翼控制的高壓氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)。60年代發(fā)明射流和氣動(dòng)邏輯元件，遂使氣壓傳動(dòng)得到很大的發(fā)展。

進(jìn)入70年代，隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)才廣泛地應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域，形成現(xiàn)代氣動(dòng)技術(shù)。氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

1

汽車制造業(yè)：車身外殼的吸起和放下、點(diǎn)焊。2

電子、半導(dǎo)體制造業(yè)：顯象管的吸起，芯片的搬運(yùn)、壽命實(shí)驗(yàn)。3加工制造業(yè)：生產(chǎn)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)：搬運(yùn)、轉(zhuǎn)位、定位、加緊、進(jìn)給、裝卸、裝配。4介質(zhì)管道輸送業(yè)：石油加工，氣體加工，化工

包裝自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)：化肥的計(jì)量、粘稠、有毒氣體包裝。機(jī)器人：裝配，噴漆，搬運(yùn)，爬墻，焊接機(jī)器人7其它：車輛剎車裝置，車門開(kāi)閉裝置，氣動(dòng)工具

高頻、準(zhǔn)確、平穩(wěn)、省人半導(dǎo)體精密系統(tǒng)自動(dòng)化機(jī)械鋰電池制造系統(tǒng)照明制造系統(tǒng)藥品包裝系統(tǒng)二、氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向無(wú)給油化：低成本、壽命長(zhǎng)節(jié)能化：低功耗:1~0.5w小型化：直徑2.5mm的氣缸輕量化:

鋁合金、塑料高精度：0.5~0.1mm0.01μm0.1mg機(jī)電一體化：可編程控制器+傳感器+氣動(dòng)元件復(fù)合集成化：帶導(dǎo)軌的氣缸，帶換向閥的氣缸系統(tǒng)省配線化高質(zhì)量：閥3000萬(wàn)次；缸（2000~5000）km高速度:10Hz；3m/s三、氣動(dòng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)機(jī)械方式：凸輪、杠桿、連桿、齒輪和轉(zhuǎn)動(dòng)軸

電氣方式：限位開(kāi)關(guān)、繼電器、延時(shí)器、電磁離合器

電子方式：半導(dǎo)體元件

液壓方式：液壓閥、缸

氣動(dòng)方式：氣動(dòng)閥、缸從驅(qū)動(dòng)、環(huán)境、操作、價(jià)格等方面考慮，揚(yáng)長(zhǎng)避短結(jié)合使用自動(dòng)化方式:三、氣動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)：1氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單。壓力等級(jí)低，故使用安全。工作介質(zhì)是取之不盡、用之不完的空氣，空氣本身不花錢。輸出力及工作速度的調(diào)節(jié)非常容易。可靠性高，使用壽命長(zhǎng)。利用空氣的可壓縮性，可貯存能量，實(shí)現(xiàn)集中供氣。全氣動(dòng)控制具有防火、防爆、耐潮的能力。7由于空氣流動(dòng)損失小，壓縮空氣可集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送。氣動(dòng)方式缺點(diǎn)：由于空氣有壓縮性，氣缸的動(dòng)作速度易受負(fù)載的變化而變化。工作壓力低噪聲大4氣缸在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦力占推力的比例較大，氣缸穩(wěn)定性不如液壓缸。5氣缸的輸出力比液壓缸小。

表1氣壓傳動(dòng)與其他傳動(dòng)的性能比較

操作力動(dòng)作快慢環(huán)境要求構(gòu)造負(fù)載變化影響操作距離無(wú)級(jí)調(diào)速工作壽命維護(hù)價(jià)格氣壓傳動(dòng)中等較快適應(yīng)性好簡(jiǎn)單較大中距離較好長(zhǎng)一般便宜液壓傳動(dòng)最大較慢不怕振動(dòng)復(fù)雜有一些短距離良好一般要求高稍貴電傳動(dòng)電氣中等快要求高稍復(fù)雜幾乎沒(méi)有遠(yuǎn)距離良好較短要求較高稍貴電子最小最快要求特高最復(fù)雜沒(méi)有遠(yuǎn)距離良好短要求更高最貴機(jī)械傳動(dòng)較大一般一般一般沒(méi)有短距離較困難一般簡(jiǎn)單一般§1－2氣動(dòng)系統(tǒng)的組成氣源設(shè)備：空氣壓縮機(jī)、后冷卻器、氣罐氣源處理元件：過(guò)濾器、干燥器氣動(dòng)控制元件：壓力、方向、速度控制閥氣動(dòng)執(zhí)行元件：氣缸、氣馬達(dá)、氣爪氣動(dòng)輔助元件：油霧器、消音器、管接頭氣動(dòng)回路的基本組成氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)類似，也是由四部分組成的，它們是：

(1)氣源裝置

獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能；

(2)控制元件用來(lái)控制壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向的，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的工作循環(huán)。它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等；

(3)執(zhí)行元件

是將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。包括氣缸、氣馬達(dá)、擺動(dòng)馬達(dá)；

(4)輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤(rùn)滑、元件間的連接及消聲等所必須的，它包括過(guò)濾器、油霧氣、管接頭及消聲器等。氣缸氣動(dòng)閥氣動(dòng)輔件流體控制閥真空元件一、氣壓發(fā)生裝置容積型：通過(guò)縮小氣體體積來(lái)提高氣體的壓力的方法稱為容積型。

速度型：提高氣體的速度、讓動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，來(lái)提高氣體壓力的方法稱為速度型，也叫透平型或渦輪型?？諌簷C(jī)按壓力高低可分為低壓型（0.2～1.0MPa）、中壓型（1.0～10MPa）和高壓型（>10MPa）；按工作原理可分成：空氣壓縮機(jī)空壓機(jī)：將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成氣體壓力能的裝置類型：

常見(jiàn)的空壓機(jī)有活塞式空壓機(jī)、葉片式空壓機(jī)和螺桿式空壓機(jī)三種

，下圖為單級(jí)活塞式空壓機(jī)工作原理。

空氣壓縮機(jī)二級(jí)活塞式空壓機(jī)工作原理。

空氣壓縮機(jī)膜片式壓縮機(jī)

膜片式壓縮能提供5巴的壓縮空氣。由于它完全沒(méi)有油，因此廣泛用于食品、醫(yī)藥和相類似的工業(yè)中。膜片使氣室容積發(fā)生變化，在下行程時(shí)吸進(jìn)空氣，上行程時(shí)壓縮空氣。空氣壓縮機(jī)葉片式空壓機(jī)在回轉(zhuǎn)過(guò)程中不需要活塞式空壓機(jī)中具有的吸氣閥和排氣閥。在轉(zhuǎn)子的每—次回轉(zhuǎn)中，將根據(jù)葉片的數(shù)目多次進(jìn)行吸氣、壓縮和排氣，所以輸出壓力的脈動(dòng)較小。通常情況下，葉片式空壓機(jī)需采用潤(rùn)滑油對(duì)葉片、轉(zhuǎn)子和機(jī)體內(nèi)部進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻和密封，所以排出的壓縮空氣中含有大量的油份。因此在排氣口需要安裝油氣分離器和冷卻器，以便把油份從壓縮空氣中分離出來(lái)進(jìn)行冷卻并循環(huán)使用。

空氣壓縮機(jī)螺桿式空壓機(jī)螺桿式壓縮機(jī)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)嚙合的螺旋轉(zhuǎn)子以相反方向運(yùn)動(dòng)，它們當(dāng)中自由空間的容積沿軸向減少，從而壓縮兩轉(zhuǎn)子間的空氣。利用噴油來(lái)潤(rùn)滑密封的兩旋轉(zhuǎn)螺桿，油分離器將油與輸出空氣分開(kāi)。

此類壓縮機(jī)可連續(xù)輸出流量可超過(guò)400m3／min，壓力高達(dá)10巴。

和葉片式壓縮機(jī)相比，此類壓縮機(jī)能輸送出連續(xù)的無(wú)脈動(dòng)的壓縮空氣。

雖然螺桿式和葉片式壓縮機(jī)愈來(lái)愈受青睞，但過(guò)去工業(yè)上最普遍使用的仍然是往復(fù)式壓縮機(jī)。二、控制元件壓力控制閥流量控制閥方向控制閥比例控制閥三、執(zhí)行元件四、輔助元件§1－3氣體的基本性質(zhì)一、空氣的組成成分及可壓縮性2、氣體體積的可壓縮性3、空氣的密度4、空氣的粘度二、氣體的狀態(tài)方程1、理想氣體的狀態(tài)方程2、實(shí)際氣體的狀態(tài)方程由于實(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。3、氣體的狀態(tài)變化5）多變過(guò)程不加任何附加條件的氣體狀態(tài)變化過(guò)程稱為多變過(guò)程不同指數(shù)的p－V曲線1、濕空氣定義

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。濕空氣是干空氣與水蒸氣的混合物。三、濕空氣2、達(dá)爾頓法則

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。

3、絕對(duì)濕度

空氣中水蒸氣的壓強(qiáng)ps叫做空氣的絕對(duì)濕度?？諝獾臐穸瓤梢杂每諝庵兴羝拿芏?，即單位體積的空氣中所含水蒸汽的質(zhì)量來(lái)表示．由于直接測(cè)量空氣中水蒸氣的密度比較困難，而水蒸氣的壓強(qiáng)隨水蒸氣密度的增大而增大，所以通常用空氣中水蒸氣的壓強(qiáng)來(lái)表示空氣的濕度，這就是空氣的絕對(duì)濕度．

在一定的壓力和溫度下，含有最大限度水蒸氣量的空氣叫飽和濕空氣。水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)，濕空氣具有該溫度下最大絕對(duì)濕度，這時(shí)的空氣稱為飽和空氣。飽和空氣所處的狀態(tài)叫飽和狀態(tài)。4、飽和濕空氣5、飽和水蒸氣分壓飽和濕空氣中水蒸氣的分壓稱為飽和水蒸氣分壓，用pb表示6、相對(duì)濕度某溫度時(shí)空氣的絕對(duì)濕度ps跟同一溫度下水的飽和汽壓pb的百分比叫做這時(shí)空氣的相對(duì)濕度。

=

0~100%，飽和空氣的相對(duì)濕度為100%；相對(duì)濕度愈小，表示空氣中水蒸氣距離飽和狀態(tài)愈遠(yuǎn)，空氣吸收水分的能力愈大，即愈干燥；反之空氣愈潮濕。①不同溫度下水的飽和汽壓可以查表得到．②在絕對(duì)濕度χ不變而降低溫度時(shí)，由于水的飽和汽壓減小而使空氣的相對(duì)濕度增大．③居室的相對(duì)濕度以60％～70％較適宜．7、濕度計(jì)1）濕度計(jì)的構(gòu)成：濕度計(jì)由兩只完全相同的溫度計(jì)構(gòu)成．其中一只溫度計(jì)為干泡溫度計(jì)，另一只為濕泡溫度計(jì)．2）濕度計(jì)測(cè)量完全相對(duì)濕度的原理：由于濕泡溫度計(jì)的感溫泡包著棉紗，棉紗的下端浸在水中，水的蒸發(fā)而使?jié)衽轀囟扔?jì)的溫度示數(shù)總是低于干泡溫度計(jì)的溫度示數(shù)（氣溫）這一溫度差值跟水蒸發(fā)快慢（即當(dāng)時(shí)的相對(duì)濕度）有關(guān)．根據(jù)兩溫度計(jì)的讀數(shù)，從表或曲線上可查出空氣的相對(duì)濕度．

8、相對(duì)濕度測(cè)定濕空氣的含濕量dg（水蒸氣）/kg（干空氣）9、空氣中的含濕量在總壓力p不變的情況下，一定的蒸汽分壓力對(duì)應(yīng)著一定的含濕量。在總壓力p不變的情況下，相對(duì)濕度愈高，含濕量也愈高。

含濕量也常用單位體積濕空氣中混合的水蒸氣質(zhì)量d‘來(lái)表示，稱容積含濕量。10、露點(diǎn)1．露點(diǎn)：使空氣里的水蒸氣剛好達(dá)到飽和時(shí)的溫度叫做露點(diǎn)．（1）露點(diǎn)溫度時(shí)水的飽和汽壓就是空氣的絕對(duì)濕度．（2）根據(jù)露點(diǎn)和氣溫的差值，可大致判斷出相對(duì)濕度大小，差值越大，相對(duì)濕度越小．2．露點(diǎn)可以測(cè)定．3．根據(jù)測(cè)定的露點(diǎn)可確定空氣的相對(duì)濕度．從水的飽和汽壓表中查出露點(diǎn)時(shí)的飽和汽壓（等于空氣在原來(lái)溫度時(shí)的絕對(duì)濕度）再查出原來(lái)溫度下飽和汽壓，就可求出．大氣壓露點(diǎn)是指在大氣壓的水分凝結(jié)溫度，壓力下露點(diǎn)是指在壓力下的水分凝結(jié)溫度?！?－4氣體在管道中的流動(dòng)特性

在氣壓傳動(dòng)與控制中，氣體基本上是在管內(nèi)流動(dòng)，而且屬于一維定常流動(dòng)。因?yàn)闅怏w是可壓縮性流體，在流動(dòng)特性上與不可壓縮流體有較大的不同。氣體流動(dòng)基本規(guī)律

一、連續(xù)性方程根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通過(guò)管道任一截面的氣體質(zhì)量流量相等。二、伯努利方程根據(jù)能量守恒定律，對(duì)理想氣體有：不考慮位能1、氣體沿管道作低速流動(dòng)時(shí)，認(rèn)為不可壓縮。密度為常數(shù)。2、氣體作絕熱流動(dòng)時(shí)，考慮壓縮性，密度變化。代入上式積分得若沿氣體流動(dòng)方向任意取兩個(gè)截面1－1、2－2，則有：一、音速聲音是由于物體的振動(dòng)引起周圍介質(zhì)密度和壓力的微小變化而產(chǎn)生的。音速就是這種微弱壓力波的傳遞速度。實(shí)驗(yàn)證明，一切微小擾動(dòng)的傳播速度都與音速一致。

1

聲速公式

如圖所示，在充滿靜止空氣的剛性光滑的長(zhǎng)直管道內(nèi)，有一面積為A的活塞以微小的勻速向右運(yùn)動(dòng)，即給管道中的氣體一個(gè)微弱擾動(dòng)，使得緊靠活塞的一層氣體受壓，壓強(qiáng)和密度增大，并以聲速a向右傳播因?yàn)閍＞＞du，所以經(jīng)過(guò)dt時(shí)間雖然活塞只移動(dòng)了dudt距離，而擾動(dòng)波卻早已傳播至adt處了。由于波前氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)，u=0，其狀態(tài)參數(shù)為p、、T，而波后氣體處于受擾動(dòng)狀態(tài)，并在活塞推動(dòng)下產(chǎn)生了一個(gè)隨活塞一起緩慢運(yùn)動(dòng)的速度變化du,其狀態(tài)參數(shù)亦有微小變化，分別變?yōu)閜+dp，T+dT，+d。首先分析受到擾動(dòng)的這部分氣體在時(shí)間前和時(shí)間后的質(zhì)量守恒表達(dá)式。

dt時(shí)間前氣體的質(zhì)量為adtA，dt時(shí)間后氣體的質(zhì)量為(+d)(a-du)dtA，根據(jù)質(zhì)量守恒可得略去高階微量，得其次分析受到擾動(dòng)這部分氣體在時(shí)間前后的動(dòng)量變化和所受到的合外力沖量。

dt時(shí)間前氣體動(dòng)量為0，dt時(shí)間后氣體的動(dòng)量為adtAdu這部分氣體左端壓強(qiáng)為p+dp，右端壓強(qiáng)為p，合外力為(p+dp)A-pA=dpA沿活塞運(yùn)動(dòng)方向列動(dòng)量方程得消去dtA得結(jié)合能量方程和動(dòng)量方程得整理得忽略d/項(xiàng)，則弱擾動(dòng)波的傳播速度為絕熱過(guò)程的微弱擾動(dòng)波的傳播速度

絕熱過(guò)程條件求導(dǎo)：氣體狀態(tài)方程：得：聲速公式為：對(duì)于空氣，k=1.4，氣體常數(shù)R=287J/(kg·K)則空氣中的聲速為：二、馬赫數(shù)（Ma）1、馬赫數(shù)：氣體運(yùn)動(dòng)速度u與介質(zhì)中聲速a之比，稱為馬赫數(shù)，用Ma表示。2、亞聲速流動(dòng)：若Ma<1，即氣流速度小于聲速的流動(dòng)。臨界流動(dòng)：若Ma=1，即氣流速度等于聲速的流動(dòng)。超聲速流動(dòng)：若Ma>1，即氣流速度大于音速的流動(dòng)。一元流動(dòng)：氣體流動(dòng)時(shí)，若過(guò)流斷面上各參數(shù)均布，其狀態(tài)參數(shù)只是流程的函數(shù)，這種流動(dòng)稱為一元流動(dòng)。

一、可壓縮氣體總流的連續(xù)性方程式

如圖所示，可壓縮性氣體在流管內(nèi)作定常流動(dòng)，在流管上任取兩個(gè)斷面A1和A2，并設(shè)過(guò)流斷面上流動(dòng)參數(shù)是均勻分布的(否則取平均值)，流速分別為u1和u2，密度分別為1和2

。由于是定常流動(dòng)，所以在通過(guò)過(guò)流斷面和的質(zhì)量流量相等，即有

可壓縮氣體的一元流動(dòng)方程式可壓縮氣體的一元