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第9章气动工作原理及回路设计9.1气压传动基础知识华中科技大学
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。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(0.3~1MPa),总输出力不宜大于10~40kN,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n气压传动基础知识n空气的物理性质n理想气体的状态方程n气体的流动规律n气体在管道中的流动特性n气动元件的通流能力n充、放气温度与时间的计算华中科技大学
空气的物理性质n空气的组成n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。n空气的密度n对于干空气ρ=ρ×273/(273+t)×p/0.1013on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。n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。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。n湿空气n所含水份的程度用湿度和含湿量来表示。湿度的表示方法有绝对湿度和相对湿度之分。n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,华中科技大学水蒸气就要凝析出来。
理想气体的状态方程n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。n一定质量的理想气体在状态变化的瞬间,有如下气体状态pV/T=常量或p=ρRT方程成立n气体状态变化过程n等温过程pV=pV=常量1122n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、管道输送空气等均可视为等温过程。n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热过程。=pVk=常量pVkn2211式中k为绝热指数,对空气来说k=1.4。华中科技大学n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n气体流动基本方程n连续性方程ρvA=ρvA(注意ρ≠ρ)11122212n伯努利方程n因气体可以压缩(ρ≠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,则有v/2+gz+kp/(k-1)ρ+gh=常数2wn因气体粘度小,不考虑摩擦阻力,则有v2/2+gz+kp/(k-1)ρ=常数§在低速流动时,气体可认为是不可压缩的(ρ=常数),则有华中科技大学v/2+gz+p/ρ=常数2
§声速与马赫数n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。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c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(c=341m/s)之比称为马赫数,Ma=v/cMa是气体流动的一个重要参数,集中反映了气流的压缩性,Ma愈大,气流密度变化越大。当v<c,Ma<1时,称为亚声速流动;当v=c,Ma=1时,称为声速流动,也叫临界状态流动;当v>c,Ma>1时,称为超声速流动。华中科技大学
§气体在管道中的流动特性vv2v21v1v2v2§在亚声速流动时(Ma1)vvvv2121v1§在超声速流动时v1(Ma1)vvvv2121§当v≤50m/s时,不必考虑压缩性。§当v≈140m/s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;自由气体经空压机压缩的过程中是可压缩的。华中科技大学
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、管路等的气体质量。目前通流能力可以采用有效截面积S和质量流量q表示。n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S=αAn对于阀口或管路式中α为收缩系数,由相关图查出;A为孔口实际面积。§多个元件组合后有效截面积的计算并联元件S=∑SiR串联元件1/SR2=∑1/Si2华中科技大学
§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,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n工程中常采用近似公式:q=εcA[2ρ(p-p)]1/2m12式中ε
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