第9章气压传动.

1《液压与气压传动》气压传动第9章2本章提要本章主要内容为：①气压传动的组成及特点。②气动元件，含气源装置及辅助元件、气缸、气马达、气压控制方向阀、气压控制压力阀、气压控制流量阀，要掌握这些元件的工作原理、图形符号、结构形式等。③气动基本回路及典型气控系统实例分析。本章重点是气动元件的工作原理、图形符号和结构特点以及气动基本回路。39.1.1气压传动工作原理及组成9.1气压传动概述气压传动简称气动，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。气压传动与液压传动的工作原理完全相同，都是以密封容积中的受压工作介质来传递运动和动力的。它先将机械能转换成压力能，然后通过各种元件组成的控制回路来实现能量的调控，最终再将压力能转换成机械能，使执行机构实现预定的运动。4典型的气压传动系统由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四个部分组成。气压发生装置简称气源装置，是将机械能转换成气体压力能的装置，为系统提供压缩空气。执行元件是将压缩空气的压力能转变为机械能的能量转换装置。包括作直线往复运动的气缸，作连续回转运动的气马达和作不连续回转运动的摆动马达等。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运动规律的元件。包括各种压力控制阀、方向阀控制、流量控制阀以及其他一些逻辑元件、转换元件和传感元件等。辅助元件是使压缩空气净化、润滑、消声以及元件间连接所需要的一些装置。包括分水滤气器、油雾器、消声器以及各种管路附件等。59.1.2气压传动的特点1.气压传动的优点（1）压缩空气由大气中取得，同时，用过的空气可直接排放到大气中去，对环境无污染，处理方便，万一空气管路有泄漏，除引起部分功率损失外，不致产生不利于工作的严重影响，也不会污染环境。（2）空气的粘度很小，约为液压油的万分之一，在管道中的压力损失较小，因此便于集中供气和远距离输送。（3）与液压相比，气动反应快，动作迅速。气动元件结构简单、制造容易，适于标准化、系列化、通用化。气压元件可靠性高，使用寿命长，有效动作最大可达1亿次。（4）压缩空气的工作压力较低（一般为0.3~0.8MPa），因此，对气动元件的材质要求较低。6（5）气动系统维护简单，管道不易堵塞，也不存在介质变质、补充、更换等问题。（6）使用安全，没有防爆的问题，并且便于实现过载自动保护。（7）气动元件采用相应的材料后，能够在恶劣的环境（强振动、强冲击、强腐蚀和强辐射等）下进行正常工作，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。（8）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。72.气压传动的缺点（1）空气具有可压缩性，当载荷变化时，气动系统的工作稳定性差。（2）工作压力较低，又因结构尺寸不宜过大，因而气压传动装置的总推力一般不可能很大，且传动效率低。（3）气压信号传递的速度比光、电子速度慢，故不宜用于要求高传递速度的复杂回路中，但对一般机械设备，气动信号的传递速度是能够满足要求的。（4）气压传动工作介质本身没有润滑性，如不采用无给油气压传动元件，需另加油雾器等装置进行润滑。（5）噪声大，尤其在超音速排气时，需要加装消声器。89.2气体的物理性质、状态方程及其流动规律9.2.1气体的物理性质1.空气的组成成份比值氮气（N2）氧气（O2）氩气（Ar）二氧化碳（CO2）其他气体体积V/%78.08420.9460.9340.0330.003质量M/%75.51823.1351.2880.0580.001表9.1空气的组成92.空气的密度1013252732730pt式中0—基准状态下的干空气密度；0=1.293kg/m3p—绝对压力（Pa）；—干空气的密度；t—温度（℃），其中（273＋t）为绝对温度（K）。3.空气的粘性273273273127310ttCC式中μ0—气体0℃时的动力粘度；C—常数，（Pa）；对于空气，C=122101.理想气体状态方程9.2.2气体的状态方程RTp式中p—绝对压力；T—热力学温度（K）；R—气体常数（J/kg•K）。2.气体状态变化过程空气作为气动系统的工作介质，在能量传递过程中其压力p、密度、温度T三状态是要发生变化的。实际过程是很复杂的，一般将气体由状态变化简化为有附加限制条件的四种过程，即等压过程、等容过程、等温过程、绝热过程，而把不附加条件限制，往往更接近实际的变化过程称为多变过程。11（2）等压过程（盖-吕萨克定律）2211TVTV（3）等温过程（波义耳-马略特定律）2211VpVp（4）绝热过程kkVpVp2211（1）等容过程（查理定律）2211TpTp121.声速与马赫数9.2.3气体的流动规律ddpc声速是指声波在空气中传播的速度。TRTkpkc1.20对于理想气体气体的速度v与声速c之比定义为马赫数Ma，即根据马赫数不同，把气流分为三种流动状态：1）当Ma＞1时，称为超声速流动；2）当Ma＜1时，称为亚声速流动；3）当Ma＝1时，称为临界状态或声速流动。cvMa132.可压缩气体流动的基本方程dvdvAdA0dpvdvTdTdpdp1）连续性方程根据质量守恒定律，当气体在管道中做稳定流动时，同一时间流过每一通流断面的质量为一定值，即为连续性方程qm＝AV＝常数（9.11）式中qm—气体在管道中的质量流量（kg/s）；A—流管的任意截面面积（m2）；v—该截面上的平均流速（m/s）。2）运动方程为连续性方程的微分形式。3）状态方程144）伯努利方程（能量方程）vvv111()11/1pppRTCCTCTekkCC式中e—单位质量气体的内能（J）；Cp—单位质量气体的定压比热（J/(kg•K)）；Cv—单位质量气体的定压比热（J/(kg•K)）；h—单位质量气体的内能和压强能的总和221pvRTCk＋＋22vhC1pkpCThk15气源装置及空压机9.3气源装置及辅助元件气源装置通常由压缩空气站和气源净化装置两大部分组成。典型的气源系统如图9.1所示。1为空气压缩机，一般由电动机带动，其吸气口装有空气过滤器。2为后冷却器，用以冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。3为油水分离器，用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等。4为贮气罐，用以贮存压缩空气，稳定压缩空气的压力，并除去部分油分和水分。5为干燥器，用以进一步吸收或排除压缩空气中的水分和油分，使之成为干燥空气。6为空气过滤器，用以进一步过滤压缩空气。7为贮气罐，贮气罐4输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统（如气动仪表等）。161为空气压缩机，一般由电动机带动，其吸气口装有空气过滤器。1234工业用气甲乙7气动装置仪表用气652为后冷却器，用以冷却压缩空气，使净化的水凝结出来。4为贮气罐，用以贮存压缩空气，稳定压缩空气的压力，并除去部分油分和水分。3为油水分离器，用以分离并排出降温冷却的水滴、油滴、杂质等。175为干燥器，用以进一步吸收或排除压缩空气中的水分和油分，使之成为干燥空气。1234工业用气甲乙7气动装置仪表用气656为过滤器，用以进一步过滤压缩空气。贮气罐4输出的压缩空气可用于一般要求的气压传动系统，贮气罐7输出的压缩空气可用于要求较高的气动系统（如气动仪表等）。7为贮气罐18空气压缩机的分类及工作原理空气压缩机按压力大小可分成低压型（0.2~1.0MPa）、中压型（1.0~10MPa）和高压型（大于10MPa）；按工作原理可分成容积型和速度型。通过缩小气体的容积来提高气体压力的方法称为容积型。容积型空压机按结构原理可分成往复式（活塞式和膜片式等）和回转式（滑片式和螺杆式等）。提高气体的速度，让动能转化成压力能，以提高气体压力的方法称为速度型。往复活塞式空气压缩机工作原理图1-排气阀；2-汽缸；3-活塞；4-活塞杆；5、6-十字头与滑道；7-连杆；8-曲柄9-吸气阀10-弹簧19（2）气压缩机的工作原理气压传动系统中最常用的空气压缩机是往复活塞式。往复活塞式空气压缩机工作原理图1-排气阀；2-汽缸；3-活塞；4-活塞杆；5、6-十字头与滑道；7-连杆；8-曲柄9-吸气阀10-弹簧20当活塞3向右运动时，左腔压力低于大气压力，吸气阀9被打开，空气在大气压力作用下进入气缸2内，这个过程称为“吸气过程”。当活塞向左移动时，吸气阀9在缸内压缩气体的作用下关闭，缸内气体被压缩，这个过程称为“压缩过程”。当气缸内空气压力增高到略高于输气管内压力后，排气阀1被打开，压缩空气进入输气管道，这个过程称为“排气过程”。其工作原理:21图9.3滑片式空气压缩机工作原理图22图9.4螺杆式空气压缩机工作原理图239.3.1后冷却器后冷却器安装在空压机出口，作用是将空气压缩机排出的压缩空气由140~170℃降至40~50℃，使压缩空气中的油雾和水汽迅速达到饱和，让大部分析出并凝结成油滴和水滴，以便经油水分离器排出。后冷却器的结构形式有：蛇形管、列管、散热片、管套式。有水冷和气冷两种方式。风冷式冷却器靠风扇产生的冷空气流吹向带散热片的热气管道来降温的。其优点为不需水源、占地面积小、重量轻、运转成本低和易于维修。缺点是冷却能力较小，入口空气温度一般不高于100℃，在它内部冷却水和热空气在不同管道中逆向流动，充分进行热交换以降低空气温度，一般其出口处气温比水温大约高10℃。24图9-5后冷却器a)蛇管式b)列管式25油水分离器安装在后冷却器出口，作用是分离并排出压缩空气中凝聚的油分、水分等，使压缩空气得到初步净化。油水分离器的结构形式有环形回转式、撞击折回式、离心旋转式、水浴式以及以上形式的组合使用等。dD出口入口H图形符号放油水撞击折回并回转式油水分离器9.3.2油水分离器26dD出口入口H图形符号放油水撞击折回并回转式油水分离器它的工作原理是：当压缩空气由入口进入分离器壳体后，气流先受到隔板阻挡而被撞击折回向下（见图中箭头所示流向）；之后又上升产生环形回转。这样凝聚在压缩空气中的油滴、水滴等杂质受惯性力作用而分离析出，沉降于壳体底部，由放水阀定期排出。27作用：(1)储存一定数量的压缩空气，以备发生故障或临时需要应急使用。(2)消除由于空气压缩机断续排气而对系统引起的压力脉动，保证输出气流的连续性和平稳性。(3)进一步分离压缩空气中的油、水等杂质。贮气罐一般采用焊接结构，以立式居多。贮气罐结构图9.3.3气罐289.3.4干燥器经过油水分离器的压缩空气仍含有一定量的水分和油气等杂质，只要系统工作温度低于其露点就会有水滴析出而产生不利影响。为了进一步提高压缩空气的质量，通常采用干燥器。干燥器是采用吸附法、冷冻法、机械除水法、高分子隔膜式等干燥的装置。吸附式干燥器见图9.8，在干燥器内装干燥吸附剂（如焦碳、硅胶、铝胶、分子筛、滤网）等，通常加入颗粒直径5~8mm的硅胶，硅胶有白色和紫色两种，白色硅胶吸水饱和不变色，而紫色硅胶变为淡红色，所以干燥器内使用大量白色硅胶，掺入少量紫色硅胶，以便判断是否饱和。压缩空气流过栅板、干燥吸附剂（如焦碳、硅胶、铝胶、分子筛、滤网）等，使之达到干燥、过滤除去气态水分的目的。图9.8吸附式干燥器结构图1—湿空气进气管；2—顶盖；3、4—再生空气排气管；5—再生空气进气管；6—干燥空气输出管；7—排水管；8、17—密封座；9、12、15—铜丝过滤网；10—毛毡；11—下栅板；13、16—吸附剂层；17—支承板29过滤器的作用是进一步滤除压缩空气中的杂质。常用的过滤器有一次性过滤器（也称简易过滤器，滤灰效率为50~70%）；二次过滤器（滤灰效率为70~99%）。在要求高的特殊场合，还可使用高效率的过滤器。①一次过滤器。图9.9所示为一种一次性过滤器，气流由切线方向进入筒内，在离心力的作用下分离出液滴，然后气体由下而上通过多片钢板、毛、毡、硅胶、焦炭、滤网等过滤吸附材料，干燥清洁的空气从筒顶输出。9.3.5空气过滤