第10章 气动技术和空气的物理性质

第10章气动技术概述和空气的物理性质

10.1气动技术概述

气动(气压传动)和液压传动一样，都是利用流体作为工作介质，来进行力的传递。虽然两者之间在工作原理、元件结构及图形符号等方面有着不少相似之处，但相互之间仍然存在着很大的差异，主要表现在：一、液压传动的压力源是液压泵，由液压泵为液压系统提供可直接使用的有压液体；而气压传动的压力源不是单个元件，而是由多个元件组成的一个气源系统，为气动系统提供可直接使用的有压气体。二、液压传动的工作压力很高，其工作对象主要是一些对压力要求很高的专用动力设备，而气压传动的工作压力通常只有0.5～0.6MPa，所以主要用于自动控制技术和一些对负载要求较小的场合。

10.1.1气动系统的组成一个完整的气动系统通常由气源系统、气源后处理系统、气动控制系统和气动执行元件等几部分组成。图10-1即为由各种气动元件组成的一个完整的气动剪刀机系统。图10-1气动剪刀机系统图(a)结构图(b)气动回路图1-空气压缩机；2-后冷却器；3-油水分离器；4-储气罐；5-传输管路；6-干燥器；7-过滤器；8-减压阀；9-油雾器；10-行程阀；11-节流孔；12-,换向阀；13-气缸；14-工件图10-1气动剪刀机系统图(a)结构图(b)气动回路图1-空气压缩机；2-后冷却器；3-油水分离器；4-储气罐；5-传输管路；6-干燥器；7-过滤器；8-减压阀；9-油雾器；10-行程阀；11-节流孔；12-,换向阀；13-气缸；14-工件

（1）气源系统气源系统由气压发生器（即空气压缩机）、后冷却器、油水分离器、储气罐和传输管路组成。在图10-1中，空气压缩机１输出的是含有大量水分的高温压缩空气，所以必须经后冷却器２进行后冷却和初步净化，再通过油水分离器３进一步分离出压缩空气中的水分、油污和杂质，才可将压缩空气送往储气罐４储存起来，并通过传输管路５，将储气罐中的有压气体输送到各个用气点。在一些中小型气源系统中，根据气源系统周围的环境和系统对用气质量的不同要求，有时可以省去油水分离器，而用储气罐来取代油水分离的作用.

（2）气源后处理系统气源系统输出的压缩空气质量很差（不仅压力波动大，而且仍含有不少水分、油污和杂质），只能作为普通的工业用气，对于仪器、仪表和自动控制系统用气，还必须经过气源后处理系统对压缩空气进行再处理。气源后处理系统由干燥器和气动三联件组成。在图10-1中，空气干燥器6可将气源系统输出的压缩空气实施进一步干燥，再经“气动三联件”（即图10-1中过滤器７、减压阀８和油雾器９的组合体）对压缩空气进行最后处理，其中，过滤器可更彻底地清除压缩空气中的水分、油污和杂质；减压阀可为气动控制系统提供安全和稳定的工作压力；油雾器可在压缩空气中产生清洁的油雾，为气动控制系统提供具有润滑性能的有压气体。由于有过滤器，在一些对压缩空气的质量要求不是特别高的气动系统中，通常可省去空气干燥器。

（3）气动控制系统气动控制系统是由各种气动控制元件组成的，其动作原理与液压控制系统非常相似。在图10-1（b）中，当没有工件时，行程阀10的阀芯处于左位，换向阀11的阀芯处上位，气缸12的活塞处下位；当工件14压住行程阀10后，行程阀10的阀芯处于右位，换向阀11的阀芯处于下位，气缸12的活塞快速向上运动，切断工件。工件切断后，自然下落，又回复到无工件状态。

（4）气动执行元件气动执行元件主要是气缸和气马达。图10-1中的气动执行元件是气缸。

10.1.2气压传动的优缺点

（1）气压传动的优点①工作介质是空气，到处都可随意获取，而且无须回收储存。②空气的黏度很小，适于较远距离输送。③对工作环境的适应性很广，且无易燃易爆等安全隐患。④气动动作反应灵敏，特别有利于实现自动控制。⑤气动元件结构简单，价格较低，且便于维修。

（2）气压传动的缺点①空气具有可压缩性，所以执行机构不易获得均恒的运动速度。②空气中的水分、油污和杂质不易完全排除干净，对元件损害较大，维修频率较高。③工作压力低，不易获得较大的输出力或转矩。

10.2．空气的基本物理性质

气压传动的工作介质是空气，所以，了解和认识空气的基本物理性质，对认识、应用和分析气动系统是非常必要的。

10.2.1．湿空气的基本特性自然界中的空气是由很多气体混合而成的，其中氮（N2）和氧（O2）的比例最大，其次是氩（Ar）和二氧化碳（CO2），其它气体所占比例极小。除此以外，空气中常含有一定量的水蒸气，通常把这种含有水蒸气的空气称为湿空气。大气中的空气基本上都是湿空气，而且还夹杂着灰尘和杂质，直接影响着气压传动的用气质量，所以在气压传动中特别需要关注的是湿空气的基本特性。（１）湿空气中的水含量湿空气中的水含量通常用“湿度”表示，并将单位立方米空气中所含的水分的量称为“绝对湿度”。湿空气中的水含量达到一定程度时，会趋于饱和。这种单位立方米空气在某一温度下能够吸收水分的最大量称为“饱和水含量”。

图10-2露点表图10-3“压力露点”与“大气压露点”的比值关系（２）饱和水含量与温度的关系空气的饱和水含量与温度有着密切的关系，温度越高，空气的饱和水含量也越高；温度越低，空气的饱和水含量也越低。这也就是说，在高温下水含量还没有达到饱和的空气，当温度下降到一定程度时，水含量会超过低温下空气的饱和水含量，就会将饱和过量的水蒸气凝结出来。例如，夏天白天温度高，空气的饱和水含量高；到了晚上，温度下降，空气的饱和水含量随之降低，就会有大量的露水凝结在草地上。这种在大气压下，当温度下降到水含量成饱和状态时，水蒸气开始凝结成水滴时的温度称为“大气压露点”。图10-2是湿空气在大气压力状态下的露点表，它反映了在大气压力下湿空气的饱和水含量与温度的对应关系。（3）压力露点气压传动的工作介质量是压缩空气，所以气压传动更需关注的露点是受压空气的露点，即“压力露点”。“压力露点”与“大气压露点”存在着一定的比值关系，如图10-3所示。例如空气的大气压露点为-22℃，查图10-3，在压力为0.7MPa状况下对应的压力露点为4℃。这也就是说，在大气压下—22℃时含水量才会达到饱和的一定量空气，当压力加到0.7MPa时，在4℃就会处于饱和状态，有水分凝结出来。图10-3反映了压缩空气的两个基本特点：一是，一定量空气的大气压露点都低于该温度所对应的压力露点，反映出了一定量的空气，随着压力增高，体积缩小，单为体积的水含量也越高，所以压力露点也越高。二是，由于大气压露点与所对应的压力露点两者的变化斜率基本相等，所以反映出了压缩空气的压力一定时，仍然遵循着空气在大气压力下温度越高，饱和水含量也越高的基本变化趋势。

在气压传动系统中，空气压缩机输出的压缩空气不仅压力高而且温度高，所以单为体积压缩空气中的水含量很高，当温度下降到正常室温时，会有大量的水分凝结出来，并且湿空气中还夹杂着大量的灰尘和杂质，所以从空气压缩机中输出的压缩空气完全不能被气动系统直接使用，必须采取多种办法对空气压缩机输出的压缩空气进行逐级降温和净化处理。

10.2.2．空气的黏度空气也有黏度，其黏度也受压力和温度的影响，但是，空气的黏度受压力影响甚微，影响空气黏度的主要因素是温度。温度对空气黏度的影响与液体正好相反，空气的温度增高，黏度反而随之增高。在实际的气动系统中，由于压缩空气的工作状态通常处于室温状态，温度变化较小，而且空气的黏度本身就很低，所以，在实际的气动系统中，基本上忽略压缩空气的黏度对系统的影响。

10.2.3空气的压缩性和膨胀性空气因分子间的距离大，内聚力小，分子可自由运动，所以空气的体积会随着压力和温度的变化而变化。空气的体积随压力升高而减小的性质称为空气的压缩性，空气的体积随温度升高而增大的性质称为空气的膨胀性。空气的压缩性和空气的膨胀性服从于理想气体状态方程：

式中：p为绝对压力（Pa）V为气体体积（m3）

T为热力学温度（K）理想气体状态方程明显地反应了气体的压缩性和膨胀性远大于液体的压缩性和膨胀性，所以，在气压传动中，气动系统的执