气动基础知识

第2章气动根底知识

2.1气动技术常用单位换算

各换算关系入表2.1所示:

表2—1单位换算表

cmminft

10.010.39370.0328

一、长度

100139.3713.2809

（Length）

2.540.025410.0833

30.480.3048121

kglb

二、质量

12.2

(Mass)

0.45361

三、面积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、压力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、体积

（Volume）1100035.317

0.0283228.3151

2.2气动技术常用公式:

一、根本单位：长度l:m,质量m：kg,时间t：S,体积：m，或1

一、根本公式：

,tn

N>T=kg——

(一)力(Force):F=nva(s~)；牛顿定律

G=mg」=心飞）、

（三）压力：

FN

P=—Pa=—<

A（m~）.lPa=10-5bar

上式为巴斯卡原理（Pascal'stheory）

（四）波义尔定律：见图2.1（说明压力与体积成反比）

（五）查理定律（charle*sLaw）：

生=2

IT2说明压力与体

图2.1波义尔定律积的变化与温度成正比。

的连续性原理

（六）流量公式Q=AV

m2.m..

----=nr-

(SS)说明r流量为管

图2.2流体的流量计算

的连续性原理

路截面积与流速之乘积，见图2.2。

(七)自由空气的体积流量：

Q.Q.L"

九7(ANRm3/min)或(NL/min)

Qa为我们在一定温度、一定压力作用下的气体流

量转换为在统一标准的自由空气下的体积流量提供了

计算方法。在选择空压机、气动三联件及各种样本说

明书中所提到的流量、额定流量,都是指自由空气的体

积流量。只有在共同的压力标准下评价气体流量的大

小才有意义。自由空气状态下单位时间内的体积流量、

可用ANR表示。也可写成Nl/min<.

_m

(A)密度：P=V

单位体积的质量

(九)伯努利力定理

(Bernoulli,sEquation)

〃为单位体积流体的压力能，夕g〃为单位体积流

图2.3理想流体伯努利方程

—pv2

休位能，2为单位休积流体的动能.因比，上述伯

努利方程的物理意义是：在密闭管道内作恒定流动的理想流体具有三种形式的能量，即压力能、位能和

动能。在流动过程中，三种能量可以相互转化，但各个过流断面上三种能量之和恒为定值。当流体速度

愈快，其压力愈低，反之速度减低，压力增加，如图图2.3所示。

(十)气缸的相关计算：

A-____

1.气缸截面积计算：4⑺a)D:气缸内径(m)

2.理论力：F=AP(N)P:压力(Pa)

3.实际力估算：

(1)单作用气缸的实际正向力：F=(0.4~0.85)AP

(2)双作用气缸的实际正向力：F=(0.6~0,9)4.P

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

(3)双作用气缸的实际反向力：4d:活塞杆直径

(十一)气缸每分钟空气消耗量计算：

某气动【引路的最大耗气量是指该气动回路在单位时间内所消耗气体(排到大气中)的多少。显然,

最大耗气量与气缸行程(单作用、双作用)，气缸直径、行程动作频度、方向阀到气缸间的管路容积及气

位的数量有关。可根据最大耗气量选择空气压缩机的容量。

(1)空气消耗量：Q="AL

1.033+工作压力(Alm)

〃：压缩比{1.033}L:气缸行程

(2)单作用气缸空气消耗量：Qs=Q

(3)双作用气缸空气消耗量：°"=20

(4)气缸每分钟空气消耗量：每分钟气缸往复次数

2.3气动技术中的各种压力关系换算:

在ISO标准中压力的单位为帕斯卡(lPa=lN/m2),由于这个单位非常小，为了防止很大的数字，常

用0.IMPa(lbar)为压力单位：

0.lMPa=100Kpa=lbar

在工程上有时也使用老的公制单位

kgf/cm\KPa/cn?以满足实际需要。

在物理学中压力用绝对压力(ABS)

表示，即相对于真空的压力。而在工程

上为方便，采用的气动压力为表压(GA),

即高于大气压的那局部压力。在真空技

术中，也使用低于大气压的压力即真空

度(Torr)来表示。在图2.4中以标准

大气压(1013mbar)作为基准,列出了

—压力的各

种表示方

Q法。注意

一?标准大气

压不是

Ibar,但

在常规的气动计算时，这个差异也可以忽略。

2.4气阻及有效断面积:图2.5气阻

一、气阻的概念和气阻的流量公式

在气动系统中，阻碍气体流动、产生压降的机构和元件，称为气阻。在气压传动中，可利用气阻和

与容来调整气体的流速和压力，以到达使用目的。气阻可抽象为图2.5所示的阻尼形式：

任何一个气动元件，都可认为是一个气阻。P1为进口压力,P2为出口压力,P1-P2为压

差。流量增大，压差也增大。当气体的流速没有到达音速、出I」压力与进口压力之比大于

0.528时，就称为亚音速流。在亚音速流情况下，气体的进、出口压差同流量的关系如下：

273

Qci=0.227SeyjPi(Pi-Pi)

71Nl/min(2-1)

亚音速流(P2/P>)>0.528：

式中,Pi、P2是气体的进口和出口压力，口是进气口气体的温度。曲是指该气阻的有效断面积，用以

描述气阻的流通能力。当出口压力与进口压力之比小于0.528时，那么气体的流速到达了音速。音速流

的气阻的流量公式如下：

/273

Qa=0.U3SePi—

音速流日"1)工0.528：VNl/min(2-2)

从上式可看出，当气体流速到达音速流时，它的流量就不再和出口压力P2有关,而只同入口压力有一

定的关系。从上式中可知,气阻的流量计算公式同液压技术中的有关计算不同,它是气动技术中的一个重

要的根本概念和根本计算公式。

二、气阻有效断面积

〔一〕管路的等价有效断面枳

任一组成气动I可路的各元件,都含有气阻。通常都采用各气阻元件的有效断面积来描述气阻的大小,

以计算出联接这些气动元件的管路的压力损失。在工程上,通常是把一段管路的压力损失折合成这段管

路的等价有效断面积。具体计算公式如下：

c_e_L

(2-3)

S“一计算管路有效断面积的直径系数，入一管道的长度

从式2-3可知,一段管路的等价有效断面积同这一段管路的长度成反比,而同管路的直径成正比。例

加：在气用回路中常用的尼龙管，的选取如表2-2所示：

表2-2管路有效断面积直径系数表

I)(mm)2.5467.59

1.86.5182843

当一段管路的直径和长度时,可通过查表得到相应的Sp。,运用式2-3,可求出这段管路的等价有效断

面积S。。管路的等价有效面断面积间接地描述了这段路的压力损失1气阻），因此，我们也可等价地将一

段管路看成为一个气阻元件。

（二）多个气阻的复合有效断面积

在气动回路中,通常是将多个气动组件串联或者并联起来,而形成具有一定功能的气动回路系统，图

2.6是一个典型的气动回路。

图2.6典型的气动回路

该系统有两个气缸，一个单作用气缸和一个双作用气缸。为了控制这两个气缸,回路中选用了换向阀

和调速阀。为了使空气洁净，在回路上游设有过滤器。回路中的调速阀、换向阀和过滤器均可看作气阻

组件，而联接这些气阻组件的管路，也可看成是一个气阻组件。在工程上常把这种气阻的串联或并联用

“复合有效断面积”进行综合评价。如在图2.6中，调速阀的有效断面积是S3,从过滤器到气缸间管路的

等价有效断面积为Sp,电磁换向阀的有效断面积为S2,管路上游过滤器的有效断面积为SU那么这条管

路上的有效断面积可分别表示为SI、Sp、S2、S3。这个串联组成的气阻组件，如图2.7所示：

——[S2]------------

MIIJ，八fII八，・JI±7•|-ZTV"♦-Q

11111

+—|S3,h-

图2.7多个气阻的串联-------------S2

n图2.8气阻的并联

在图2.9中的过滤器、方向阀、调速阀及从过滤器到八由一回刖立依官的刖伯效断面积分别用S1、

S2、S3、S4表示时,这段回路可看成是一个整体组件,它的复合有效断面积的平方的倒数等放各气阻组件

的有效断面积的平方的倒数之和。当气阻并联时，如图2.8所示，那么它的复合有效断面积可用下式表

示:

S<#=S1+S2+S3+....+Sn（2-5）

上式说明多个气阻并联时,其复合有效断面积等于每个气阻组件有效断面积之和。

（三）有效断面积与Cv值

目前,气动组件的流通能力常用气阻的有效断面积S0或流量特性系数Cv值来描述。日本的JIS标准

中采用Se,而欧洲国家那么采用Cv值表示。两者可用下式进行换算：

Se=18Cv(2-6)

C-___________Q_______

’2248产•3）

阀的流量特性系数可用下式计算：V刀.G（2-7）

Q:流量（SCFM）AP:PrP2Pi——入口压力（psi）,P——出口压力（psi）

P“:大气压力（psi）Ti：温度°KG:气体系数

2.5压缩空气的露点温度

一、相对湿度与露点温度

自然界的空气是申很多气体混合而成的。其主要成分有氮（N“和氧（0J,其他气体占的比例极小。

此外，空气中常含有一定量的水蒸气。水蒸气的含量取决于大气的湿度和温度。我们把通常把把含有水

蒸气的空气称为湿空气，把不含水蒸气的空气称为干空气。标注状态下（即温度为0℃、压力为p=0.1013

MPa）干空气的组成如表2-3所示。

表2-3干空气的组成

MAr

成分氮气Nz氧气02二氧化碳CO2其他气体

体积百分数/%78.0320.93O.9329.03O.078

质量百分数/%75.5023.101.289.045O.075

大气中通常含有水份，但除了急剧的恶劣天气情况外（如温度突然下降），一般大气都不会饱和。物理

学中将实际水份含量与饱和时水份含曷的比值叫相对湿度，以百分比表示:

相对湿度r.h=号xlOO%

饱和水含量（露点）(2-7)

露点是指在规定的空气压力下，当温度一直下降到成为饱和状态时，水蒸气开始凝结的那一刹

那的温度。如果空气继续冷却，那么它不能保存所有的水份，过量的水份那么以小液滴的形式凝结出来

形成冷凝水。

空气中水份的含量完全取决于温度，表2.4列出了从-40℃至忏40℃的温度范围内每立方米大气所能

含有的饱和水份的克数。所有大气的含量都用标准体积mJ表示，不需计算。

表2.4露点温度时饱和空气的水分含量

温度匕05101520253035