第九章 氣壓傳動基礎知識

1、第9章 氣壓傳動基礎知識氣壓傳動是指以壓縮空氣為工作介質來進行能量傳遞的一種傳動形式。由于它具有防火、防爆、節(jié)能、無污染等優(yōu)點，因此，氣動技術已廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個部門，特別是在工業(yè)機械手、高速機械手等自動化控制系統(tǒng)中的應用越來越多?！颈菊聦W習目標】1掌握氣壓傳動的組成、工作原理及特點2了解空氣的基本性質和流動規(guī)律9.1 氣壓傳動系統(tǒng)的組成及工作原理氣壓傳動，是以壓縮空氣為工作介質進行能量傳遞和控制的一門技術。氣壓傳動的工作原理是利用空氣壓縮機把電動機或其它原動機輸出的機械能轉換為空氣的壓力能，然后在控制元件的作用下，通過執(zhí)行元件把壓力能轉換為直線運動或回轉運動形式的機械能，從而完成各種動

2、作，并對外做功。由此可知，氣壓傳動系統(tǒng)和液壓傳動系統(tǒng)類似，也是由五部分組成的，如圖9-1-1所示： 1氣源裝置 是獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機，它將原動機供給的機械能轉變?yōu)闅怏w（工作介質）的壓力能。 2控制元件 是用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向的，以便使執(zhí)行機構完成預定的工作循環(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換成機械能的一種能量轉換裝置。它包括實現(xiàn)直線往復運動的氣缸和實現(xiàn)連續(xù)回轉運動或擺動的氣馬達或擺動馬達等。 4輔助元件 是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等所必須的元件，包括過濾器、油霧器、管接頭及消

3、聲器等。5工作介質 經(jīng)除水、除油、過慮后的壓縮空氣。圖9-1-1 氣壓傳動系統(tǒng)的組成1電動機 2空氣壓縮機 3氣罐 4壓力控制閥 5邏輯元件 6方向控制閥 7流量控制閥 8行程閥 9氣缸 10消音器 11油霧器 12分水濾氣器92 氣壓傳動的特點及應用9.2.1 氣壓傳動的特點氣動技術在國外發(fā)展很快，在國內(nèi)也被廣泛應用于機械、電子、輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、包裝、冶金、石化、航空、交通運輸?shù)雀鱾€工業(yè)部門。氣動機械手、組合機床、加工中心、生產(chǎn)自動線、自動檢測和實驗裝置等已大量涌現(xiàn)，它們在提高生產(chǎn)效率、自動化程度、產(chǎn)品質量、工作可靠性和實現(xiàn)特殊工藝等方面顯示出極大的優(yōu)越性。氣壓傳動與機械、電氣、液壓

4、傳動相比有以下特點，見表9-2-1。一、 氣壓傳動的優(yōu)點1.工作介質是空氣，與液壓油相比可節(jié)約能源，而且取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動通道，使用之后可將其隨時排入大氣中，不污染環(huán)境。2.空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會發(fā)生燃燒或爆炸，且溫度變化對空氣的粘度影響極小，故不會影響傳動性能。3.空氣的粘度很小(約為液壓油的萬分之一)，所以流動阻力小，在管道中流動的壓力損失較小，便于集中供應和遠距離輸送。4.相對液壓傳動而言，氣壓傳動動作迅速、反應快，一般只需00203s就可達到工作壓力和速度。液壓油在管路中流動速度一般為15m/s，而氣體的流速最小也大于10m/s，有時甚至達

5、到音速，排氣時還可達到超音速。5.氣體壓力具有較強的自保持能力，即使壓縮機停機，關閉氣閥，但裝置中仍然可以維持一個穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵持續(xù)工作或另加蓄能器，而氣體通過自身的膨脹性可維持承載缸的壓力基本不變。6.氣動元件可靠性高、壽命長。電氣元件可運行百萬次，而氣動元件可運行20004000萬次。7.工作環(huán)境適應性好，特別是在易燃、易爆、多塵、強磁、輻射、振動等惡劣環(huán)境中，比液壓、電子、電氣傳動和控制優(yōu)越。8.氣動裝置結構簡單，成本低，維護方便，具有過載自動保護功能。表9-2-1氣壓傳動與其它傳動的性能比較類 型操作力動作快慢環(huán)境要求構造負載變化影響操作距離無級調(diào)速工作

6、壽命維護價格氣壓傳動中等較快適應性好簡單較 大中距離較好長一般便宜液壓傳動最大較慢不怕振動復雜有一些短距離良好一般要求高稍貴電傳動電氣中等快要求高稍復雜幾乎沒有遠距離良好較短要求較高稍貴電子最小最快要求特高最復雜沒有遠距離良好短要求更高最貴機械傳動較大一般一般一般沒有短距離較困難一般簡單一般二、氣壓傳動的缺點1.由于空氣的可壓縮性較大，氣動裝置的動作穩(wěn)定性較差，外載荷變化時，對工作速度的影響較大；2.由于工作壓力低，氣動裝置的輸出力或力矩受到限制。在結構尺寸相同的情況下，氣壓傳動裝置比液壓傳動裝置輸出的力要小得多，一般而言，不宜大于1040kN；3.氣動裝置中的信號傳動速度比光、電控制速度慢，

7、所以不宜用于信號傳遞速度要求十分高的復雜線路中。同時實現(xiàn)生產(chǎn)過程的遙控也比較困難，但對一般的機械設備，氣動信號的傳遞速度是能滿足工作要求的；4噪聲較大，尤其是在超音速排氣時要加消聲器。9.2.2 氣動技術的應用和發(fā)展目前氣動技術已廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個部門，而且應用范圍越來越廣。1在食品加工和包裝工業(yè)中，氣動技術因其衛(wèi)生、可靠和經(jīng)濟得到廣泛應用，如在收割蘆筍之后，采用氣動技術可以對其進行剝皮，并輕輕除去其中的苦纖維，而不損傷可口的筍尖。在飲料廠和酒廠里，氣動系統(tǒng)完成對玻璃瓶的抓取功能時可以實現(xiàn)軟抓取，即使玻璃瓶比允許誤差大，它也不會被抓碎。這主要是由于氣缸中的空氣是可壓縮的，其作用就像緩沖墊

8、一樣，氣爪可以簡單地調(diào)整至不同尺寸大小，以免引起玻璃瓶破裂。當然，這種優(yōu)點可以適用于整個玻璃制品生產(chǎn)，玻璃制品生產(chǎn)也是氣動技術的應用的另一個領域。2絕大多數(shù)具有管道生產(chǎn)流程的各生產(chǎn)部門都可以采用氣動，如有色金屬冶煉工業(yè)，在冶煉過程中，溫度高、灰塵多的場合往往不宜采用電機驅動或液壓傳動，采用氣動就比較安全可靠，如高爐爐門的啟閉常由氣動完成。3在輕工業(yè)中，電氣控制和氣動控制一樣應用，功能大致相等。凡輸出力要求不大、動作平穩(wěn)性或控制精度要求不太高的場合，均可以采用氣動，成本比電氣裝置要低得多。對粘稠液體（如牙膏、化妝品、油漆、油墨等）進行自動計量灌裝時采用氣動，不僅能提高工效，減輕勞動強度，而且因有

9、些液體具有易揮發(fā)性和易燃性，采用氣動控制比較安全。對于制藥工業(yè)、卷煙工業(yè)等領域，氣動由于其不污染性而具有更強的優(yōu)勢，有廣泛的應用前景。4在軍事工業(yè)中氣動也得到廣泛應用。因電子裝置在沒有冷卻下很難在300以上的高溫條件下工作，故現(xiàn)代飛機、火箭、導彈、魚雷等自動裝置大多是氣動的，因為以壓縮空氣作為動力能源，其體積小、重量輕，甚至比具有相同能量的電池體積還小還輕，且不怕電子干擾。9.3 空氣的基本性質9.3.1 空氣的組成和性質空氣主要成分有氮氣、氧氣和一定量的水蒸氣。含水蒸氣的空氣稱為濕空氣，不含水蒸氣的空氣稱為干空氣。一般來說，我們要了解空氣的以下性質和內(nèi)容：1.空氣的密度 單位體積內(nèi)空氣的質量

10、 對于干空氣 式中：、分別為氣體的質量和體積； 基準狀態(tài)下干空氣的密度, =1.293kg/m3 絕對壓力(Mpa) (273+t)熱力學溫度（K）2.空氣的粘性氣體在流動過程中，空氣質點之間相對運動產(chǎn)生阻力的性質叫氣體的粘性。氣體的粘性主要受溫度變化的影響，將隨溫度的升高而升高；而壓力對其影響很小?？諝廨^液體的粘性小很多。3.空氣具有一定的壓縮性和膨脹性：其體積隨壓力和溫度而變化，分別表征為壓縮性和膨脹性。而空氣的壓縮性和膨脹性遠大于固體和液體的壓縮性和膨脹性。4.空氣中所含水份的程度用濕度和含濕量來表示。濕度的表示方法有絕對濕度和相對濕度之分。5.壓縮空氣一旦冷卻下來，相對濕度將大大增加，

11、當溫度降到露點以后，水蒸氣就要凝析出來。9.3.2 理想氣體的狀態(tài)方程1.理想氣體的狀態(tài)方程 n 不計粘性的氣體稱為理想氣體。空氣可視為理想氣體。一定質量的理想氣體在狀態(tài)變化的瞬間， 有如下氣體狀態(tài)方程成立 = 常量 或 式中：P絕對壓力（Pa） V氣體體積（m3） T熱力學溫度（）氣體的密度（kg/m3） R氣體常數(shù)（Nm/kgk），干空氣R=287.1（Nm/kgk）2.氣體狀態(tài)變化過程氣體從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2叫氣體的狀態(tài)變化。在變化以后或在變化過程中，當處于平衡狀態(tài)時，這些參數(shù)都應服從狀態(tài)方程。（1）等溫過程 = 常量 在等溫過程中，無內(nèi)能變化，加入系統(tǒng)的熱量全部變成氣體所做的功。在氣動系統(tǒng)中氣缸工作、管道輸送空氣等均可視為等溫過程。（2）絕熱過程 一定質量的氣體和外界沒有熱量交換時的狀態(tài)變化過程叫做絕熱過程。 =常量 式中k為絕熱指數(shù)，對空氣來說k=1.4。 氣動系統(tǒng)中快速充、排氣過程可視為絕熱過程。（3）等容過程 一定質量的氣體，在體積不變的條件下，所進行的狀態(tài)變化過程。 =常量 在等容過程中，氣體對外不做功，氣體隨溫度升高，壓力增加，系統(tǒng)內(nèi)能增加。（4）等壓變化過程 一定質量的氣體，在狀態(tài)變化過程中其壓力始終保持不變的過程。=常量壓力不變時，氣體溫度上升必然導致