《液压与气动技术》课程教学资源（教案讲义）第九章 气压传动

第九章气压传动 第一讲 1、授课日期、班级 2、课题 气压传动概述和基础知识 3、教学目的要求 了解气动技术的应用及发展现状,掌握气压传动的组成和工作原理,掌握气体状 态方程和流动规律 4、教学内容要点 气压传动的工作原理及组成:气压传动的优缺点;气压传动的应用和发展概况 气体的物理特性;气体的状态方程;气体的流动规律。 5、重点 气压传动的工作原理及组成;气体状态方程和流动规律。 6、教学方法和手段 课堂教学为主,充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念 7、主要参考书目和资料 8、课堂教学 8.1复习提问 1、液压传动的工作原理及组成 2、液压传动的特点及应用。 8.2讲授新课 10-1气压传动及优缺点 、气压传动( pneumatics transmission)及其应用 气压传动简称气动,是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号,控制和驱动各种机 械和设备,以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。它是流体传动及控制学科的一个重要分支

第九章 气压传动 第一讲 1、授课日期、班级 2、课题 气压传动概述和基础知识 3、教学目的要求 了解气动技术的应用及发展现状，掌握气压传动的组成和工作原理，掌握气体状 态方程和流动规律。 4、教学内容要点 气压传动的工作原理及组成；气压传动的优缺点；气压传动的应用和发展概况； 气体的物理特性；气体的状态方程；气体的流动规律。 5、重点 气压传动的工作原理及组成；气体状态方程和流动规律。 6、教学方法和手段 课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。 7、主要参考书目和资料 8、课堂教学 8.1 复习提问 1、液压传动的工作原理及组成。 2、液压传动的特点及应用。 8.2 讲授新课 10-1 气压传动及优缺点 一、气压传动(pneumatics transmission)及其应用 气压传动简称气动，是指以压缩空气为工作介质来传递动力和控制信号，控制和驱动各种机 械和设备，以实现生产过程机械化、自动化的一门技术。它是流体传动及控制学科的一个重要分支

应用: 因为以压缩空气为工作介质,具有防火、防爆、防电磁干扰,抗振动、冲击、辐射,无污染,结构 简单,工作可靠等特点,所以气动技 压、机械、电气和电子技术一起,互相补充,已发展成为实 现生产过程自动化的一个重要手段 气动技术被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通 运输等各个工业部门。气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量 涌现,它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的 优越性 二、气压传动的特点 1.气压传动的优点(与液压系统相比) (1)工作介质是空气,与液压油相比可节约能源,而且取之不尽、用之不竭。气体不易堵塞流动通 道,用之后可将其随时排人大气中,不污染环境 (2)因空气粘度小(约为液压油的万分之一),在管内流动阻力小,压力损失小,便于集中供气和远 距离输送。即使有泄漏,也不会像液压油一样污染环境。 (3)与液压相比,气动反应快,动作迅速,维护简单,管路不易堵塞。 (4)气动元件结构简单,制造容易,适于标准化、系列化、通用化 5)气动系统对工作环境适应性好,特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环 境中工作时,安全可靠性优于液压、电子和电气系统。 (6)空气具有可压缩性,使气动系统能够实现过载自动保护,也便于贮气罐贮存能量,以备急需 (⑦)排气时气体因膨胀而温度降低,因而气动设备可以自动降温,长期运行也不会发生过热现象。 2、气压传动的缺点 (1)由于空气的可压缩性较大,气动装置的动作稳定性较差,外载变化时,对工作速度的影响较大; (2)由于工作压力低,气动装置的输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同的情况下,气压传动装 置比液压传动装置输出的力要小得多。气压传动装置的输出力不宜大于10—40kN (3)气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢,所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复 杂线路中。同时实现生产过程的遥控也比较困难,但对一般的机械设备,气动信号的传递速度是能满足 工作要求的 (4)噪声较大,尤其是在超音速排气时要加消声器。 气动与其它几种传动控制方式的性能比较见表10.1 表10.1压传动与其它传动的性能比较 操作动作快 负载变化 环境要求构 力 慢 影响|操作距离无级调速 寿命|维护价格 气压传动中等较快|适应性好简单较大中距离较好长般便宜 液压传动最大较慢不怕振动复杂有一些短距离良好般 要求\稍贵 中等快要求高稍复杂几乎没有远距离良好较短 要求\稍贵 较高

应用： 因为以压缩空气为工作介质，具有防火、防爆、防电磁干扰，抗振动、冲击、辐射，无污染，结构 简单，工作可靠等特点，所以气动技术与液压、机械、电气和电子技术一起，互相补充，已发展成为实 现生产过程自动化的一个重要手段。 气动技术被广泛应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通 运输等各个工业部门。气动机械手、组合机床、加工中心、生产自动线、自动检测和实验装置等已大量 涌现，它们在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的 优越性。 二、气压传动的特点 1. 气压传动的优点（与液压系统相比） (1)工作介质是空气，与液压油相比可节约能源，而且取之不尽、用之不竭。气体不易堵塞流动通 道，用之后可将其随时排人大气中，不污染环境； (2)因空气粘度小(约为液压油的万分之一)，在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远 距离输送。即使有泄漏，也不会像液压油一样污染环境。 (3)与液压相比，气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞。 (4)气动元件结构简单，制造容易，适于标准化、系列化、通用化。 (5)气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环 境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。 (6)空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保护，也便于贮气罐贮存能量，以备急需。 (7)排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。 2、气压传动的缺点 (1)由于空气的可压缩性较大，气动装置的动作稳定性较差，外载变化时，对工作速度的影响较大； (2)由于工作压力低，气动装置的输出力或力矩受到限制。在结构尺寸相同的情况下，气压传动装 置比液压传动装置输出的力要小得多。气压传动装置的输出力不宜大于 10—40kN； (3)气动装置中的信号传动速度比光、电控制速度慢，所以不宜用于信号传递速度要求十分高的复 杂线路中。同时实现生产过程的遥控也比较困难，但对一般的机械设备，气动信号的传递速度是能满足 工作要求的； (4)噪声较大，尤其是在超音速排气时要加消声器。 气动与其它几种传动控制方式的性能比较见表 10.1。 表 10.1 压传动与其它传动的性能比较 类 型 操作 力 动作快 慢 环境要求 构造 负载变化 影响 操作距离 无级调速 工作 寿命 维护 价格 气压传动 中等 较快 适应性好 简单 较 大 中距离 较好 长 一般 便宜 液压传动 最大 较慢 不怕振动 复杂 有一些 短距离 良好 一般 要求 高 稍贵 电 传 电 气 中等 快 要求高 稍复杂 几乎没有 远距离 良好 较短 要求 较高 稍贵

最小最快要求特高最复杂没有 远距离良好短要求 子 高/最 机械传动较大一般一般 一般 没有短距离较困难一般简单一般 10-2气压传动系统的组成 气压传动的工作原理 气压传动,是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。 气压传动的工作原理:利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能,然后 在控制元件的作用下,通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能,从而完成各种 动作,并对外做功。由此可知,气压传动系统和液压传动系统类似。 二、气压传动的组成(如下图所示) 气压发生装置 控制元件 执行元件 1211 辅助元件 气压传动及控制系统的组成 1—电动机;2—空气压缩机;3—气罐;4-压力控制阀5-逻辑元件; 6-方向控制阀;7-流量控制阙8-行程阀;9气缸;10-消声器; 11·油雾器;12一分水滤气器 (1)气源装置是获得压缩空气的装置。其主体部分是空气压缩机,它将原动机供给的机械能转 变为气体的压力能; (2)执行元件是将气体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置。它包括实现直线往复运动 的气缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马达等 (3)控制元件是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的,以便使执行机构完成预定的工 作循环,它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等: (4)辅助元件是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的,它包括 过滤器、油雾器、管接头及消声器等。 第十一章气压传动基础知识

动 电 子 最小 最快 要求特高 最复杂 没有 远距离 良好 短 要求 更高 最贵 机械传动 较大 一般 一般 一般 没有 短距离 较困难 一般 简单 一般 10-2 气压传动系统的组成 一、气压传动的工作原理 气压传动，是以压缩空气为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。 气压传动的工作原理：利用空压机把电动机或其它原动机输出的机械能转换为空气的压力能，然后 在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，从而完成各种 动作，并对外做功。由此可知，气压传动系统和液压传动系统类似。 二、气压传动的组成（如下图所示） (1) 气源装置 是获得压缩空气的装置。其主体部分是空气压缩机，它将原动机供给的机械能转 变为气体的压力能； (2) 执行元件 是将气体的压力能转换成机械能的一种能量转换装置。它包括实现直线往复运动 的气缸和实现连续回转运动或摆动的气马达或摆动马达等； (3) 控制元件 是用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向的，以便使执行机构完成预定的工 作循环，它包括各种压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀等； (4) 辅助元件 是保证压缩空气的净化、元件的润滑、元件间的连接及消声等所必须的，它包括 过滤器、油雾器、管接头及消声器等。 第十一章 气压传动基础知识

对于气压传动基础知识的介绍,我们主要是对气压传动的工作介质(空气的物理特性和气体的状态 特性及流动规律)进行讲解。 11-1空气的物理性质 空气由多种气体混合而成。其主要成分是氮(N2)和氧(O2),其次是氬(Ar)和少量的二氧化碳(CO2) 及其它气体。空气可分为干空气和湿空气两种形态,以是否含水蒸汽作为区分标志:不含有水蒸汽的空 气称为干空气,含有水蒸汽的空气称为湿空气。 、空气的性质 1.空气的密度 单位体积内空气的质量,称为空气的密度,以p表示,即 p=(kg/m3,N·s2/m) l1-1 式中,m为气体质量(kg/m,N·s2/m2);V为气体体积(m) 对干空气 273 P 273+t0.1013 式中,p为绝对压力MPa);P为温度在0℃、压力在0.1013Mh时干空气的密度,po=1.293 (kg/m3,N·s2/m):273+(=)为绝对温度(K) 对湿空气 273p p=273+t010(kg/m3) (11-3) 式中,p为湿空气的全压力(MPa);P为温度在t℃C时饱和空气中水蒸汽的分压力(MPa);φ为空 气的相对湿度(%) 2.空气的重度 单位体积内空气的重量,称为空气的重度,以γ表示,即 G-mg=Pg(N/m) (11-4) 式中,G为空气的重量(N):g为重力加速度,g=9.81m/s2 3.空气的粘性 空气粘性受压力变化的影响极小,通常可忽略。空气粘性随温度变化而变化,温度升高,粘性增加 反之亦然。粘度随温度的变化如表11-1所示。 空气的运动粘度与温度的关系 (一个大气压时)

对于气压传动基础知识的介绍，我们主要是对气压传动的工作介质（空气的物理特性和气体的状态 特性及流动规律）进行讲解。 11-1 空气的物理性质 空气由多种气体混合而成。其主要成分是氮(N2)和氧(O2)，其次是氩(Ar)和少量的二氧化碳(CO2) 及其它气体。空气可分为干空气和湿空气两种形态，以是否含水蒸汽作为区分标志：不含有水蒸汽的空 气称为干空气，含有水蒸汽的空气称为湿空气。 一、空气的性质 1．空气的密度 单位体积内空气的质量，称为空气的密度，以  表示，即 ( / , / ) 3 2 4 kg m N s m V m  = • (11-1) 式中， m 为气体质量 ( / , / ) 3 2 4 kg m N • s m ； V 为气体体积( 3 m )。 对干空气 ( / ) 273 0.1013 273 3 0 kg m p t • +  =  (11-2) 式中， p 为绝对压力(MPa)； 0 为温度在 0℃、压力在 0．1013Mh 时干空气的密度， 0 =1．293 ( / , / ) 3 2 4 kg m N • s m ；273+t(=T)为绝对温度(K)。 对湿空气 ( / ) 0.1013 3.78 273 273 3 0 k g m p p t  b   − • +  = (11-3) 式中， p 为湿空气的全压力(MPa)； b p 为温度在 t℃时饱和空气中水蒸汽的分压力(MPa)；  为空 气的相对湿度(％)。 2．空气的重度 单位体积内空气的重量，称为空气的重度，以γ表示，即 ( / ) 3 g N m V mg V G  = = =  (11-4) 式中， G 为空气的重量(N)； g 为重力加速度， g =9．81 2 m / s 。 3．空气的粘性 空气粘性受压力变化的影响极小，通常可忽略。空气粘性随温度变化而变化，温度升高，粘性增加； 反之亦然。粘度随温度的变化如表 11—1 所示。 空气的运动粘度与温度的关系 （一个大气压时）

10 100 01330.1420.1470.1570.1660.1760.1960210.238 10 10 10 10 ×10+×10+×10 4.气体的易变特性 气体的体积受压力和温度变化的影响极大,与液体和固体相比较,气体的体积是易变的,称为气体 的易变特性。例如,液压油在一定温度下,工作压力为0.2MPa,若压力增加0.IMPa时,体积将减 少1/200003而空气压力增加0.IMPa时,体积减少1/2,空气和液压油体积变化相差10000倍。又 如,水温度每升高1℃时,体积只改变1/200004而气体温度每升高1℃时,体积改变1/273,两者的 体积变化相差20000/273倍。气体与液体体积变化相差悬殊,主要原因在于气体分子间的距离大而内 聚力小,分子运动的平均自由路径大。 气体体积随温度和压力的变化规律遵循气体状态方程。 、湿度和含湿量 用湿度和含湿量两个物理量来表示湿空气中所含水蒸汽的量,以确定空气的干湿程度 1.湿度 湿度的表示方法有两种:绝对湿度和相对湿度。 (1)绝对湿度 单位体积的湿空气中所含水蒸汽的质量,称为湿空气的绝对湿度,用x表示,即 x=m, /V(kg/m') (11-5) 或由气体状态方程导出 x=p/rT)=p(kg/m) (11-6) 式中,m为湿空气中水蒸汽的质量(kg);V为湿空气的体积m3);p为水蒸汽的分压力(Pa);T为绝对 温度(K);ps为水蒸汽的密度(kg/m3);Rs为水蒸汽的气体常数,R=462.05[J/(kg (2)饱和绝对湿度 湿空气中水蒸汽的分压力达到该温度下水蒸汽的饱和压力,则此时的绝对湿度称为饱和绝对湿度 用xb表示,即 z6=p2(R,7)=p(kg/m3) 式中,Pb为饱和湿空气中水蒸汽的分压力h);P6为饱和湿空气中水蒸汽的密度(kg/m3) (3)相对湿度 在一定温度和压力下,绝对湿度和饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度,用户表示,即 如=2×100%=P×100%

t C o / 0 5 10 20 30 40 60 80 100 /( ) 2 −1  m • s 0.133 4 10−  0.142 4 10−  0.147 4 10−  0.157 4 10−  0.166 4 10−  0.176 4 10−  0.196 4 10−  0.21 4 10−  0.238 4 10−  4．气体的易变特性 气体的体积受压力和温度变化的影响极大，与液体和固体相比较，气体的体积是易变的，称为气体 的易变特性。例如，液压油在一定温度下，工作压力为 0．2MPa，若压力增加 0．1MPa 时，体积将减 少 1／20000；而空气压力增加 0．1MPa 时，体积减少 1／2，空气和液压油体积变化相差 10000 倍。又 如，水温度每升高 1℃时，体积只改变 1／20000；而气体温度每升高 1℃时，体积改变 1／273，两者的 体积变化相差 20000／273 倍。气体与液体体积变化相差悬殊，主要原因在于气体分子间的距离大而内 聚力小，分子运动的平均自由路径大。 气体体积随温度和压力的变化规律遵循气体状态方程。 二、湿度和含湿量 用湿度和含湿量两个物理量来表示湿空气中所含水蒸汽的量，以确定空气的干湿程度。 1．湿度 湿度的表示方法有两种：绝对湿度和相对湿度。 (1)绝对湿度 单位体积的湿空气中所含水蒸汽的质量，称为湿空气的绝对湿度，用  表示，即 / ( / ) 3  = ms V kg m (11-5) 或由气体状态方程导出 /( ) ( / ) 3  = ps RsT =  s kg m (11-6) 式中，ms 为湿空气中水蒸汽的质量(kg)；V 为湿空气的体积(m3 )；ps 为水蒸汽的分压力(Pa)；T 为绝对 温度(K)；s 为水蒸汽的密度(kg／m3 )；Rs 为水蒸汽的气体常数，Rs=462．05[J／(kg·K)]。 (2)饱和绝对湿度 湿空气中水蒸汽的分压力达到该温度下水蒸汽的饱和压力，则此时的绝对湿度称为饱和绝对湿度， 用χb 表示，即 ( ) ( / ) 3 b = pb RsT = b kg m (11-7) 式中， b p 为饱和湿空气中水蒸汽的分压力(h)； b 为饱和湿空气中水蒸汽的密度(kg／m3 )。 (3)相对湿度 在一定温度和压力下，绝对湿度和饱和绝对湿度之比称为该温度下的相对湿度，用户表示，即： = 100% = 100% b s b p p    (11-8)