SMC气动基础10-气动理论

气动技术根底理论SMC〔中国〕上海分公司营业技术部2004/1压缩空气我们呼吸的空气是无色无味，自由流动的物质。想想看，空气无处不在，充满着各种空间。空气主要是由氧气和氮气组成的。成分体积比Nitrogen 78.09%N2Oxygen 20.95%O2Argon 0.93%ArOthers 0.03%空气的特性◆体积变化⇒控制气缸的动作影响〔速度／位置〕圧縮強⇔圧縮弱体积缩小

体积增加◆压力变化⇒输出力影响〔气缸的输出力的大小〕圧縮強⇔圧縮弱高

低◆温度变化⇒产生水分影响〔空气饱和水蒸气含量〕圧縮強⇔圧縮弱多

少在空气的可压缩性中，要考虑使用绝对压力。可圧縮性空气的可压缩性表达为以下的状态变化标准大气压是由TheInternationalCivilAviationOrganisation制定的.

海平面的压力和温度分别是1013.25×103bar绝对压力and288K(15OC)大气压1013.25mbar体积和流量单位压力作用下体積

ANR

・

m3ANR大气圧下

ｍ３

流量L/minM2/minANR·L/minANR·M2/min标准状态和基准状态标准状态(ANR)：温度20℃，相对湿度65%，压力0.1MPa基准状态：温度0℃，压力101.3KPa的干空气的状态1MPa=1000Pa=10bar1bar=1atm=1kgf/cm2=14.5psi=100kPa1atm=76mmHg1psi=6.89kPa压力单位温度热力学温度T

单位为K

摄氏温度t

单位为℃

t=T-T0T0=273.15K可压缩性气体的分子间距大，故气体的体积容易随压力发生变化P1P2压力和力各压力单位之间的关系FA压力压力表示法表压力绝对压力真空度大气压P=Pa绝对真空P=0绝对压力表压力：以大气压为基准，高于大气压的压力值，即相对压力，也即由压力表读出的压力真空度：以大气压为基准，低于大气压力的压力值，正值真空压力：绝对压力与大气压力之差，与真空度大小相同，符号相反P>PaP<Pa！压力是由负载建立的！压力和力压缩空气在容器的内外表产生了一个力容器内的流体将被压缩并产生这个压力表压力1bar表示每平方厘米上受到10牛顿的力在压力的作用下，气缸活塞向前伸出，此推力等于压力×有效作用面积

Thrust=D240PNewtonspDmmPbar这里D=气缸缸径mmP=压力bar.用牛顿来表示1bar=100000N/m2

压力和力作用在气缸缸桶内部的力相当于气缸的投影面积×压力lDForce=D

.l.P10Newtons这里D=气缸内径mml=受压腔室长度mmP=压力bar压力和力如果气缸活塞两侧同时受到压力作用。气缸活塞杆将在压差作用下向右伸出。如果是双活塞杆气缸的话，那么气缸活塞杆将保持在原位。压力和力平衡式阀芯，压力作用在任何一个气口都不会引起阀芯的动作。因为阀芯左右的受力面积都是相等的。P1和P2供气和排气压力。P1P2压力和力平衡式阀芯，压力作用在任何一个气口都不会引起阀芯的动作。因为阀芯左右的受力面积都是相等的。P1和P2供气和排气压力。P1P2压力和力气体的控制规律气体的控制规律气体的状态对于一定质量的气体来说，压力、体积、温度说明了气体所处的状态。对于一定质量的气体，状态方程可以表示成如果某一个状态设为常值，那么我们可以得到如下的状态方程等温变化等压变化等容变化P.V=constant=constantVT=constantPT等温变化〔波义尔定律BOYLES〕对于一定质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比在等温变化的情况下，空气压缩与膨胀的过程中，热量变化是极其缓慢的。0246816024681012VolumeVPressurePbarabsoluteP1.V1=P2.V2=constant1012141416等温变化等温变化〔波义尔定律BOYLES〕在等温变化的情况下，空气压缩与膨胀的过程中，热量变化是极其缓慢的。02468160246810121012141416VolumeVPressurePbarabsoluteP1.V1=P2.V2=constant等温变化对于一定质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比02468160246810121012141416VolumeVPressurePbarabsoluteP1.V1=P2.V2=constant等温变化〔波义尔定律BOYLES〕在等温变化的情况下，空气压缩与膨胀的过程中，热量变化是极其缓慢的。等温变化对于一定质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比02468160246810121012141416VolumeVPressurePbarabsoluteP1.V1=P2.V2=constant等温变化〔波义尔定律BOYLES〕在等温变化的情况下，空气压缩与膨胀的过程中，热量变化是极其缓慢的。等温变化对于一定质量的气体，在温度不变的条件下，压力和它的体积成反比等压变化〔查理定律CHARLES〕对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正比。在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变化。一定压力下，温度每升高1℃，对于一定质量的气体，其体积增加1/273

0oCelsius=273K00.250.50.7512-60-40-200204060VolumeTemperatureCelsius1.251.51.7580100293KV1V2T1(K)T2(K)

=c=等压变化等压变化〔查理定律CHARLES〕对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正比。在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变化。一定压力下，温度每升高1℃，对于一定质量的气体，其体积增加1/273

0oCelsius=273K00.250.50.7512-60-40-200204060VolumeTemperatureCelsius1.251.51.7580100366.25KV1V2T1(K)T2(K)

=c=等压变化等压变化〔查理定律CHARLES〕对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正比。在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变化。一定压力下，温度每升高1℃，对于一定质量的气体，其体积增加1/273

0oCelsius=273K00.250.50.7512-60-40-200204060VolumeTemperatureCelsius1.251.51.7580100219.75KV1V2T1(K)T2(K)

=c=等压变化等压变化〔查理定律CHARLES〕对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正比。在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变化。一定压力下，温度每升高1℃，对于一定质量的气体，其体积增加1/273

0oCelsius=273K00.250.50.7512-60-40-200204060VolumeTemperatureCelsius1.251.51.7580100366.25K219.75K293KV1V2T1(K)T2(K)

=c=等压变化对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正比20oC时10bar绝对压力的压缩空气在温度到达60oC时，空气压力会增加2.05bar。0oCelsius=273K等容变化051020-60-40-200204060TemperatureCelsius158010002468bar10121416P1P2T1(K)T2(K)

=c=barabsolute等容变化对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正比20oC时10bar绝对压力的压缩空气在温度到达60oC时，空气压力会增加2.05bar。0oCelsius=273K等容变化051020-60-40-200204060TemperatureCelsius158010002468bar10121416P1P2T1(K)T2(K)

=c=barabsolute等容变化对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正比20oC时10bar绝对压力的压缩空气在温度到达60oC时，空气压力会增加2.05bar。0oCelsius=273K等容变化051020-60-40-200204060TemperatureCelsius158010002468bar10121416P1P2T1(K)T2(K)

=c=barabsolute等容变化对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正比20oC时10bar绝对压力的压缩空气在温度到达60oC时，空气压力会增加2.05bar。0oCelsius=273K等容变化0510-60-40-200204060barabsoluteTemperatureCelsius158010002468bar10121416P1P2T1(K)T2(K)

=c=等容变化综合等压、等温、等容变化三个过程，当气体的三个状态都发生变化时，那么体积、压力、温度之间的关系满足以下气体状态方程。=constantP1.V1T1P2.V2T2=气体状态方程理论上，气体的体积被瞬间压缩时，这样一个过程叫做绝热变化过程。〔即，热量没有时间通过气缸缸桶与外界发生热交换。〕对于绝热压缩和膨胀过程，有PVn=c

对于空气n=1.4另外，如果气缸的空气压缩和膨胀过程很快，但是还是有一局部热量通过气缸缸桶与外界发生了热交换，那么n值可以取到1.3左右或更小的值。2468024681012bara101214141616PV1.4=c绝热过程PV1.2=c多变过程PV=c等温变化Volume0绝热变化实际应用中，气缸作为吸收震动使用时，那么在压缩时肯定会有一定的热量损失。这时气缸的压缩特性是介于绝热变化和等温变化之间的一种变化。根据压缩率的不同，指数n将小于绝热指数值1.4，常使用PV1.2=c

来表示多变过程。多变过程压缩空气中的水分压缩空气中的水分当大量的空气受到压缩时，必然会从空气中析大量的水分。大气中的水蒸气在空气被压缩时，会从空气中被挤出来，就像我们把水从海绵中挤出来一样。析出水分之后的空气将到达完全饱和状态。即相对湿度100%RH排水器fullysaturatedair冷凝水空气中的水分几个概念水蒸汽分压力：湿空气中水蒸汽独占空气总容积时所具有的压力。当空气中的水蒸汽到达饱和时，这时水蒸汽所具有的压力叫做饱和水蒸汽分压力。绝对湿度〔kg/m3〕：每一立方米的湿空气中所含有的水蒸汽的质量。ρs=水蒸汽的密度，kg/m3Ps=水蒸汽分压力，PaRs=水蒸汽的气体常数，462.05J/(kg·K)相对湿度〔kg/m3〕：一定温度和压力下，湿空气的绝对湿度与饱和湿空气的湿度之比，也就是实际水分含量和露点〔饱和湿空气〕时水分含量之比。说明湿空气吸收水分的能力。露点：空气在这个温度下呈现饱和状态。即空气饱和〔相对湿度100%〕，温度再降低那么开始析出水分。饱和绝对湿度〔kg/m3〕：每立方米湿空气中所能够含有的水蒸汽的最大质量。！空气中水蒸汽的实际含量完全取决于温度，1m3的压缩空气中只能包含1m3的饱和湿空气所能含有的水蒸汽质量空气中的含水量可以简单的用相对湿度％RH的方法来表示。这个％表示在某一个特定温度的条件下，空气中所含有的实际含水量。-40-200102030405002040Gramsofwatervapour/cubicmetreofairg/m3607080TemperatureCelsius25%RH50%RH100%RH

At20oC100%RH=17.4g/m350%RH=8.7g/m325%RH=4.35g/m3压缩空气中的水分以下图是一个例子。4个立方体分别表示温度为20oC的一立方米的空气。每个立方体空气的相对湿度是50％RH。这就意味着它们分别含有8.7克的水，是最大含水量17.4克的一半。压缩空气中的水分当压缩机把这4个立方米的空气压缩成一个立方米时，这一个立方米的空气将含有4×8.7克的水。但是在一立方米的空气中，在20oC时只能含有最大2×8.7克的水分。因此多余的2×8.7克的水蒸气将凝结成水滴析出。压缩空气中的水分4立方米的大气，相对湿度50％RH，被压缩成1立方米的压缩空气后，根据等温变化，压力变成3bar。这一立方米的压缩空气中含有17.4克的水蒸气，即相对湿度100％RH。另外17.4克的水蒸气凝结成水析出了。这是一个连续的变化过程。一旦相对压力超过1bar后，每次压缩1立方米之后，就会后8.4克的水凝结出