氣動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

第2章氣動(dòng)根底知識(shí)

2.1氣動(dòng)技術(shù)常用單位換算

各換算關(guān)系入表2.1所示:

表2—1單位換算表

cmminft

10.010.39370.0328

一、長(zhǎng)度

100139.3713.2809

（Length）

2.540.025410.0833

30.480.3048121

kglb

二、質(zhì)量

12.2

(Mass)

0.45361

三、面積cm2m2in2ft2

(Area)10.010.15500.001076

Kgf（千克Kp（千克

四、重量或力N(Newton)Ibf（磅.力）

力）力）

（Force）

119.812.2

五、壓力kg/cm2atmlb/in2(psi)barMPa(N/m2)

(Pressure)10.967814.2230.98070.09807

六、流量m3/hrFt3/hr1/Min

(Flow)135.31716.6667

m3dm3或1ft3

七、體積

（Volume）1100035.317

0.0283228.3151

2.2氣動(dòng)技術(shù)常用公式:

一、根本單位：長(zhǎng)度l:m,質(zhì)量m：kg,時(shí)間t：S,體積：m，或1

一、根本公式：

,tn

N>T=kg——

(一)力(Force):F=nva(s~)；牛頓定律

G=mg」=心飛）、

（三）壓力：

FN

P=—Pa=—<

A（m~）.lPa=10-5bar

上式為巴斯卡原理（Pascal'stheory）

（四）波義爾定律：見(jiàn)圖2.1（說(shuō)明壓力與體積成反比）

（五）查理定律（charle*sLaw）：

生=2

IT2說(shuō)明壓力與體

圖2.1波義爾定律積的變化與溫度成正比。

的連續(xù)性原理

（六）流量公式Q=AV

m2.m..

----=nr-

(SS)說(shuō)明r流量為管

圖2.2流體的流量計(jì)算

的連續(xù)性原理

路截面積與流速之乘積，見(jiàn)圖2.2。

(七)自由空氣的體積流量：

Q.Q.L"

九7(ANRm3/min)或(NL/min)

Qa為我們?cè)谝欢囟取⒁欢▔毫ψ饔孟碌臍怏w流

量轉(zhuǎn)換為在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的自由空氣下的體積流量提供了

計(jì)算方法。在選擇空壓機(jī)、氣動(dòng)三聯(lián)件及各種樣本說(shuō)

明書(shū)中所提到的流量、額定流量,都是指自由空氣的體

積流量。只有在共同的壓力標(biāo)準(zhǔn)下評(píng)價(jià)氣體流量的大

小才有意義。自由空氣狀態(tài)下單位時(shí)間內(nèi)的體積流量、

可用ANR表示。也可寫(xiě)成Nl/min<.

_m

(A)密度：P=V

單位體積的質(zhì)量

(九)伯努利力定理

(Bernoulli,sEquation)

〃為單位體積流體的壓力能，夕g〃為單位體積流

圖2.3理想流體伯努利方程

—pv2

休位能，2為單位休積流體的動(dòng)能.因比，上述伯

努利方程的物理意義是：在密閉管道內(nèi)作恒定流動(dòng)的理想流體具有三種形式的能量，即壓力能、位能和

動(dòng)能。在流動(dòng)過(guò)程中，三種能量可以相互轉(zhuǎn)化，但各個(gè)過(guò)流斷面上三種能量之和恒為定值。當(dāng)流體速度

愈快，其壓力愈低，反之速度減低，壓力增加，如圖圖2.3所示。

(十)氣缸的相關(guān)計(jì)算：

A-____

1.氣缸截面積計(jì)算：4⑺a)D:氣缸內(nèi)徑(m)

2.理論力：F=AP(N)P:壓力(Pa)

3.實(shí)際力估算：

(1)單作用氣缸的實(shí)際正向力：F=(0.4~0.85)AP

(2)雙作用氣缸的實(shí)際正向力：F=(0.6~0,9)4.P

F=(0.6-0.9)-(D2-6/2)P

(3)雙作用氣缸的實(shí)際反向力：4d:活塞桿直徑

(十一)氣缸每分鐘空氣消耗量計(jì)算：

某氣動(dòng)【引路的最大耗氣量是指該氣動(dòng)回路在單位時(shí)間內(nèi)所消耗氣體(排到大氣中)的多少。顯然,

最大耗氣量與氣缸行程(單作用、雙作用)，氣缸直徑、行程動(dòng)作頻度、方向閥到氣缸間的管路容積及氣

位的數(shù)量有關(guān)?？筛鶕?jù)最大耗氣量選擇空氣壓縮機(jī)的容量。

(1)空氣消耗量：Q="AL

1.033+工作壓力(Alm)

〃：壓縮比{1.033}L:氣缸行程

(2)單作用氣缸空氣消耗量：Qs=Q

(3)雙作用氣缸空氣消耗量：°"=20

(4)氣缸每分鐘空氣消耗量：每分鐘氣缸往復(fù)次數(shù)

2.3氣動(dòng)技術(shù)中的各種壓力關(guān)系換算:

在ISO標(biāo)準(zhǔn)中壓力的單位為帕斯卡(lPa=lN/m2),由于這個(gè)單位非常小，為了防止很大的數(shù)字，常

用0.IMPa(lbar)為壓力單位：

0.lMPa=100Kpa=lbar

在工程上有時(shí)也使用老的公制單位

kgf/cm\KPa/cn?以滿足實(shí)際需要。

在物理學(xué)中壓力用絕對(duì)壓力(ABS)

表示，即相對(duì)于真空的壓力。而在工程

上為方便，采用的氣動(dòng)壓力為表壓(GA),

即高于大氣壓的那局部壓力。在真空技

術(shù)中，也使用低于大氣壓的壓力即真空

度(Torr)來(lái)表示。在圖2.4中以標(biāo)準(zhǔn)

大氣壓(1013mbar)作為基準(zhǔn),列出了

—壓力的各

種表示方

Q法。注意

一?標(biāo)準(zhǔn)大氣

壓不是

Ibar,但

在常規(guī)的氣動(dòng)計(jì)算時(shí)，這個(gè)差異也可以忽略。

2.4氣阻及有效斷面積:圖2.5氣阻

一、氣阻的概念和氣阻的流量公式

在氣動(dòng)系統(tǒng)中，阻礙氣體流動(dòng)、產(chǎn)生壓降的機(jī)構(gòu)和元件，稱(chēng)為氣阻。在氣壓傳動(dòng)中，可利用氣阻和

與容來(lái)調(diào)整氣體的流速和壓力，以到達(dá)使用目的。氣阻可抽象為圖2.5所示的阻尼形式：

任何一個(gè)氣動(dòng)元件，都可認(rèn)為是一個(gè)氣阻。P1為進(jìn)口壓力,P2為出口壓力,P1-P2為壓

差。流量增大，壓差也增大。當(dāng)氣體的流速?zèng)]有到達(dá)音速、出I」壓力與進(jìn)口壓力之比大于

0.528時(shí)，就稱(chēng)為亞音速流。在亞音速流情況下，氣體的進(jìn)、出口壓差同流量的關(guān)系如下：

273

Qci=0.227SeyjPi(Pi-Pi)

71Nl/min(2-1)

亞音速流(P2/P>)>0.528：

式中,Pi、P2是氣體的進(jìn)口和出口壓力，口是進(jìn)氣口氣體的溫度。曲是指該氣阻的有效斷面積，用以

描述氣阻的流通能力。當(dāng)出口壓力與進(jìn)口壓力之比小于0.528時(shí)，那么氣體的流速到達(dá)了音速。音速流

的氣阻的流量公式如下：

/273

Qa=0.U3SePi—

音速流日"1)工0.528：VNl/min(2-2)

從上式可看出，當(dāng)氣體流速到達(dá)音速流時(shí)，它的流量就不再和出口壓力P2有關(guān),而只同入口壓力有一

定的關(guān)系。從上式中可知,氣阻的流量計(jì)算公式同液壓技術(shù)中的有關(guān)計(jì)算不同,它是氣動(dòng)技術(shù)中的一個(gè)重

要的根本概念和根本計(jì)算公式。

二、氣阻有效斷面積

〔一〕管路的等價(jià)有效斷面枳

任一組成氣動(dòng)I可路的各元件,都含有氣阻。通常都采用各氣阻元件的有效斷面積來(lái)描述氣阻的大小,

以計(jì)算出聯(lián)接這些氣動(dòng)元件的管路的壓力損失。在工程上,通常是把一段管路的壓力損失折合成這段管

路的等價(jià)有效斷面積。具體計(jì)算公式如下：

c_e_L

(2-3)

S“一計(jì)算管路有效斷面積的直徑系數(shù)，入一管道的長(zhǎng)度

從式2-3可知,一段管路的等價(jià)有效斷面積同這一段管路的長(zhǎng)度成反比,而同管路的直徑成正比。例

加：在氣用回路中常用的尼龍管，的選取如表2-2所示：

表2-2管路有效斷面積直徑系數(shù)表

I)(mm)2.5467.59

1.86.5182843

當(dāng)一段管路的直徑和長(zhǎng)度時(shí),可通過(guò)查表得到相應(yīng)的Sp。,運(yùn)用式2-3,可求出這段管路的等價(jià)有效斷

面積S。。管路的等價(jià)有效面斷面積間接地描述了這段路的壓力損失1氣阻），因此，我們也可等價(jià)地將一

段管路看成為一個(gè)氣阻元件。

（二）多個(gè)氣阻的復(fù)合有效斷面積

在氣動(dòng)回路中,通常是將多個(gè)氣動(dòng)組件串聯(lián)或者并聯(lián)起來(lái),而形成具有一定功能的氣動(dòng)回路系統(tǒng)，圖

2.6是一個(gè)典型的氣動(dòng)回路。

圖2.6典型的氣動(dòng)回路

該系統(tǒng)有兩個(gè)氣缸，一個(gè)單作用氣缸和一個(gè)雙作用氣缸。為了控制這兩個(gè)氣缸,回路中選用了換向閥

和調(diào)速閥。為了使空氣潔凈，在回路上游設(shè)有過(guò)濾器?；芈分械恼{(diào)速閥、換向閥和過(guò)濾器均可看作氣阻

組件，而聯(lián)接這些氣阻組件的管路，也可看成是一個(gè)氣阻組件。在工程上常把這種氣阻的串聯(lián)或并聯(lián)用

“復(fù)合有效斷面積”進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。如在圖2.6中，調(diào)速閥的有效斷面積是S3,從過(guò)濾器到氣缸間管路的

等價(jià)有效斷面積為Sp,電磁換向閥的有效斷面積為S2,管路上游過(guò)濾器的有效斷面積為SU那么這條管

路上的有效斷面積可分別表示為SI、Sp、S2、S3。這個(gè)串聯(lián)組成的氣阻組件，如圖2.7所示：

——[S2]------------

MIIJ，八fII八，?JI±7?|-ZTV"?-Q

11111

+—|S3,h-

圖2.7多個(gè)氣阻的串聯(lián)-------------S2

n圖2.8氣阻的并聯(lián)

在圖2.9中的過(guò)濾器、方向閥、調(diào)速閥及從過(guò)濾器到八由一回刖立依官的刖伯效斷面積分別用S1、

S2、S3、S4表示時(shí),這段回路可看成是一個(gè)整體組件,它的復(fù)合有效斷面積的平方的倒數(shù)等放各氣阻組件

的有效斷面積的平方的倒數(shù)之和。當(dāng)氣阻并聯(lián)時(shí)，如圖2.8所示，那么它的復(fù)合有效斷面積可用下式表

示:

S<#=S1+S2+S3+....+Sn（2-5）

上式說(shuō)明多個(gè)氣阻并聯(lián)時(shí),其復(fù)合有效斷面積等于每個(gè)氣阻組件有效斷面積之和。

（三）有效斷面積與Cv值

目前,氣動(dòng)組件的流通能力常用氣阻的有效斷面積S0或流量特性系數(shù)Cv值來(lái)描述。日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)

中采用Se,而歐洲國(guó)家那么采用Cv值表示。兩者可用下式進(jìn)行換算：

Se=18Cv(2-6)

C-___________Q_______

’2248產(chǎn)?3）

閥的流量特性系數(shù)可用下式計(jì)算：V刀.G（2-7）

Q:流量（SCFM）AP:PrP2Pi——入口壓力（psi）,P——出口壓力（psi）

P“:大氣壓力（psi）Ti：溫度°KG:氣體系數(shù)

2.5壓縮空氣的露點(diǎn)溫度

一、相對(duì)濕度與露點(diǎn)溫度

自然界的空氣是申很多氣體混合而成的。其主要成分有氮（N“和氧（0J,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。我們把通常把把含有水

蒸氣的空氣稱(chēng)為濕空氣，把不含水蒸氣的空氣稱(chēng)為干空氣。標(biāo)注狀態(tài)下（即溫度為0℃、壓力為p=0.1013

MPa）干空氣的組成如表2-3所示。

表2-3干空氣的組成

MAr

成分氮?dú)釴z氧氣02二氧化碳CO2其他氣體

體積百分?jǐn)?shù)/%78.0320.93O.9329.03O.078

質(zhì)量百分?jǐn)?shù)/%75.5023.101.289.045O.075

大氣中通常含有水份，但除了急劇的惡劣天氣情況外（如溫度突然下降），一般大氣都不會(huì)飽和。物理

學(xué)中將實(shí)際水份含量與飽和時(shí)水份含曷的比值叫相對(duì)濕度，以百分比表示:

相對(duì)濕度r.h=號(hào)xlOO%

飽和水含量（露點(diǎn)）(2-7)

露點(diǎn)是指在規(guī)定的空氣壓力下，當(dāng)溫度一直下降到成為飽和狀態(tài)時(shí)，水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)的那一剎

那的溫度。如果空氣繼續(xù)冷卻，那么它不能保存所有的水份，過(guò)量的水份那么以小液滴的形式凝結(jié)出來(lái)

形成冷凝水。

空氣中水份的含量完全取決于溫度，表2.4列出了從-40℃至懺40℃的溫度范圍內(nèi)每立方米大氣所能

含有的飽和水份的克數(shù)。所有大氣的含量都用標(biāo)準(zhǔn)體積mJ表示，不需計(jì)算。

表2.4露點(diǎn)溫度時(shí)飽和空氣的水分含量

溫度匕05101520253035