液壓與氣壓傳動-第八章第一頁，共25頁。第二頁，共25頁。關(guān)鍵詞氣壓傳動；空氣；物理性質(zhì)；氣體狀態(tài)方程。第三頁，共25頁。實(shí)例應(yīng)用氣壓傳動是以壓縮空氣為工作介質(zhì)來傳遞動力和控制信號的系統(tǒng)。它由4部分元件組成：動力元件（氣源裝置）、輔助元件、控制元件和執(zhí)行元件。簡單的氣壓系統(tǒng)如圖8-1所示。圖8-1氣壓傳動系統(tǒng)第四頁，共25頁。大氣中的空氣主要是由氮、氧、氬、二氧化碳、水蒸氣及其他一些氣體混合組成的。含有水蒸氣的空氣為濕空氣，不含有水蒸氣的空氣為干空氣。大氣中的空氣基本上都是濕空氣。在距地面20km以內(nèi)，空氣組成幾乎相同。在基準(zhǔn)狀態(tài)下（0℃，絕對壓力為101325Pa，相對濕度為0），地面附近的干空氣的組成如表8-1所示。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)一、

空氣的組成成分表8-1空氣的組成空氣的主要組成N2O2ArCO2備

注質(zhì)量組成%75.523.11.280.045其他氣體約占0.075容積組成%78.0820.950.930.03相對分子質(zhì)量28324044空氣中氮?dú)馑急壤畲螅捎诘獨(dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)不活潑，具有穩(wěn)定性，不會自燃，所以空氣作為工作介質(zhì)可以用在易燃、易爆場所。第五頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)二、

空氣的物理性質(zhì)1空氣密度單位體積空氣的質(zhì)量，稱為空氣的密度

??（kg/m3），其公式為

（8-1）式中，

??——空氣密度；

m——空氣的質(zhì)量；

V——空氣的體積。氣體密度與氣體壓力和溫度有關(guān)，壓力增加，密度增加；而溫度上升，密度減少。在基準(zhǔn)狀態(tài)下，干空氣的密度為1.293kg/m3。第六頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)在溫度t（℃）、壓力（MPa）下的干空氣的密度可用下式計(jì)算

（8-2）式中，

??0——基準(zhǔn)狀態(tài)下的干空氣密度；

p——絕對壓力；

??——干空氣的密度；

t——溫度，（237+t）為絕對溫度（K）。第七頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)濕空氣的密度可用下式計(jì)算

（8-3）式中，

——濕空氣的密度；

p——濕空氣的全壓力；

?

——空氣的相對濕度；

pb——溫度為t℃時飽和空氣中水蒸氣的分壓力。第八頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)空氣在流動過程中產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力的性質(zhì)稱為空氣的黏性，用黏度表示其大小?？諝獾酿ざ仁軌毫Φ挠绊懞苄?，一般可忽略不計(jì)。隨溫度的升高，空氣分子熱運(yùn)動加劇，因此，空氣的黏度隨溫度的升高而略有增加。黏度隨溫度的變化關(guān)系如表8-2所示。2空氣的黏性表8-2空氣的運(yùn)動黏度隨溫度的變化值（壓力為0.1MPa）t/℃05102030406080100/（10-4m2/s）0.1330.1420.1470.1570.1660.1760.1960.210.238第九頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)3空氣的壓縮性和膨脹性氣體與液體和固體相比具有明顯的壓縮性和膨脹性?？諝獾捏w積較易隨壓力和溫度的變化而變化。例如，對大氣壓下的氣體等溫壓縮，壓力增大0.1MPa時，體積減小一半；而將油的壓力增大18MPa，其體積僅縮小1%。在壓力不變、溫度變化1℃時，氣體體積變化約

，而水的體積只改變

，空氣體積變化的能力是水的73倍。氣體體積在外界作用下容易產(chǎn)生變化，氣體的可壓縮性導(dǎo)致氣壓傳動系統(tǒng)剛度差，定位精度低。氣體體積隨溫度和壓力的變化規(guī)律遵循氣體狀態(tài)方程。第十頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)4空氣的濕度由于地球上的水不斷地蒸發(fā)到空氣中，因而空氣中含有水蒸氣，稱為濕空氣。自然界中的空氣基本上都是濕空氣。由濕空氣生成的壓縮空氣對氣動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和壽命有不良的影響。例如，濕度大的空氣會使氣動元件腐蝕生銹，潤滑劑稀釋變質(zhì)等。為保證氣動系統(tǒng)正常地工作，需在壓縮機(jī)出口處要安裝冷卻器，把壓縮空氣中的水蒸氣凝結(jié)析出；在儲氣罐出口處安裝空氣干燥器，進(jìn)一步消除空氣中的水分。根據(jù)達(dá)爾頓（Dalton）法則，混合在一起的各種氣體相互之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，各氣體將互不干涉地單獨(dú)運(yùn)動。混合氣體的壓力等于各種氣體的分壓之和。因此，濕空氣的壓力

p應(yīng)為干空氣的分壓力

pg與水蒸氣的分壓力

ps之和，即

（8-4）確定空氣的干濕程度，首先需了解幾個衡量濕空氣性質(zhì)的物理量。第十一頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)1）絕對濕度每一立方米的濕空氣中，含有水蒸氣的質(zhì)量稱為濕空氣的絕對濕度，用

x表示，即

（8-5）式中，

ms——水蒸氣的質(zhì)量；

V——濕空氣的體積。在一定的壓力和溫度下，含有最大限度水蒸氣量的空氣叫做飽和濕空氣。1m3飽和濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量稱為飽和濕空氣的絕對濕度，其計(jì)算公式為

（8-6）式中，

xb——飽和絕對濕度；

??b——飽和濕空氣中水蒸氣的密度；

ps——飽和濕空氣中水蒸氣的分壓力；

Rs——水蒸氣的氣體常數(shù)，

；

T——絕對溫度（K）。第十二頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)2）相對濕度在同一溫度下，濕空氣中水蒸氣分壓

ps和飽和水蒸氣分壓

pb的比值稱為相對濕度，用表示，即

（8-7）當(dāng)空氣絕對干燥時，

ps=0，則

?=0；當(dāng)濕空氣飽和時，

ps=pb，則

?=100%，稱此時的空氣為絕對濕空氣。一般

?在0～1之間變化，當(dāng)空氣的相對濕度

?=60%~70%時，人感覺舒適，而氣動系統(tǒng)中元件使用的工作介質(zhì)的相對濕度不得大于90%，越小越好。相對濕度既反映了濕空氣的飽和程度，也反映了濕空氣離飽和程度的遠(yuǎn)近。有時相對濕度也用同一溫度下濕空氣的絕對濕度與飽和絕對濕度之比來確定，即

（8-8）第十三頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)3）空氣的含濕量除了用絕對濕度、相對濕度表示濕空氣中所含水蒸氣的多少外，還可以用空氣的含濕量

d來表示?？諝獾暮瑵窳渴侵冈谫|(zhì)量為1kg的濕空氣中，混合的水蒸氣質(zhì)量與絕對干空氣質(zhì)量的比，即

（8-9）式中，

ms——水蒸氣的質(zhì)量；

md——干空氣的質(zhì)量。用單位體積干空氣中混合的水蒸氣質(zhì)量表示的含濕量，稱為容積含濕量，用

表示，即

（8-10）式中，

——容積含濕量；

??g——干空氣的密度；

Vg——干空氣的體積。含濕量的大小取決于溫度

t、相對濕度

?和全壓力p。若

p不變，

?=1時，含濕量達(dá)到最大值。第十四頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)三、

壓縮空氣的品質(zhì)1壓縮空氣的污染及其影響空氣污染是指空氣中混入或產(chǎn)生某些污染物質(zhì)，主要污染物有水分、固體雜質(zhì)和油分等。其主要來源如下：由壓縮機(jī)吸入的空氣所包含的水分、粉塵、煙塵等；由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生壓縮機(jī)潤滑油、元件磨損物、冷凝水、銹蝕物等；由安裝、裝配或維修時混入的濕空氣、異物等。污染物對氣動系統(tǒng)工作會造成許多不良影響。例如，水分會造成管道及金屬零件銹蝕，導(dǎo)致管道及元件流量不足，壓力損失增大，甚至導(dǎo)致閥的動作失靈；水分混入潤滑油中會使?jié)櫥妥冑|(zhì)，液態(tài)水會沖洗掉潤滑脂，導(dǎo)致潤滑不良；在寒冷地區(qū)及元件內(nèi)的高速流動區(qū)，水分會結(jié)冰，造成元件動作不良，管道凍結(jié)或凍裂。潤滑油變質(zhì)后黏度增大，并與其他雜質(zhì)混合形成油泥。它會使橡膠及塑料材料變質(zhì)或老化，堵塞元件內(nèi)的小孔，影響元件性能，甚至造成元件動作失靈。粉塵、銹屑、磨損產(chǎn)生的固體顆粒會使運(yùn)動件磨損，造成元件動作不良，甚至卡死，同時加速了過濾器濾芯的堵塞，增大了流動阻力。第十五頁，共25頁。第一節(jié)空氣的物理性質(zhì)2壓縮空氣的質(zhì)量等級不同的應(yīng)用對象對氣動裝置及作業(yè)環(huán)境的潔凈度要求不同，相應(yīng)的氣動系統(tǒng)對壓縮空氣質(zhì)量的要求也不同。《壓縮空氣第1部分：污染物和純度級別》（ISO8573.1—2010）根據(jù)對壓縮空氣中的固體塵埃顆粒度、含水率（以壓力露點(diǎn)形式要求）和含油率的要求劃分了壓縮空氣的質(zhì)量等級。對于優(yōu)良的氣動設(shè)備，如果采用質(zhì)量低劣的空氣會使事故頻發(fā)，縮短設(shè)備的使用壽命；而對于一般的氣動設(shè)備如果選用超出使用要求的高質(zhì)量壓縮空氣，又會增加成本。所以，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場合對空氣質(zhì)量的要求來設(shè)置壓縮空氣凈化裝置。第十六頁，共25頁。第二節(jié)氣體狀態(tài)方程一、

理想氣體狀態(tài)方程理想氣體是一種假想沒有黏性的氣體，忽略氣體分子之間比較小的相互作用力，把氣體分子看成有彈性、不占據(jù)體積空間的質(zhì)點(diǎn)，分子間除了碰撞外沒有相互吸引力和排斥力。在實(shí)際應(yīng)用中，除在高壓（

p>20MPa）和極低溫（

T<253K）情況下需修正外，其余均可按理想氣體考慮。一定質(zhì)量的理想氣體，在狀態(tài)變化的某一瞬時平衡狀態(tài)，有如下氣體狀態(tài)方程。

（8-11）

或

（8-12）式中，

p——絕對壓力；

v——比容（質(zhì)量體積，m3/kg）；

m——?dú)怏w質(zhì)量；

V——?dú)怏w體積；

T——熱力學(xué)溫度（K）；

R——?dú)怏w常數(shù)（J/kgK）。第十七頁，共25頁。第二節(jié)氣體狀態(tài)方程氣體常數(shù)

R的物理意義是把1kg的氣體在等壓下加熱，當(dāng)溫度上升1℃時氣體膨脹所作的功。干空氣的氣體常數(shù)

R=287.1J/kg·K，水蒸氣的氣體常數(shù)

R=462.05J/kg·K。p，

v和

T稱為氣體的3個狀態(tài)參數(shù)。從式（8-11）可以看出，只要確定其中兩個參數(shù)就可以確定氣體的狀態(tài)。第十八頁，共25頁。第二節(jié)氣體狀態(tài)方程二、

氣體狀態(tài)變化過程氣體（空氣）作為氣動系統(tǒng)的工作介質(zhì)，在能量傳遞過程中其壓力

p、比容

v、溫度

T三狀態(tài)是會發(fā)生變化的。變化過程是很復(fù)雜的，一般將氣體的狀態(tài)變化簡化為有附加限制條件的四種過程，即等壓過程、等容過程、等溫過程、絕熱過程。第十九頁，共25頁。第二節(jié)氣體狀態(tài)方程1等壓過程氣體在壓力保持不變的條件下，由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，其溫度由

T1變化到

T2，體積由

V1變化到

V2稱為等壓變化過程，等壓過程的

p-v曲線如圖8-2所示。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程

pv=RT可得

由于等壓過程

p1=p2，可得

（8-13）或

（8-14）

由式（8-14）可知，在等壓過程中，體積和溫度成正比。氣體溫度上升，體積膨脹；溫度下降，體積縮小。圖8-2等壓過程p-v曲線第二十頁，共25頁。第二節(jié)氣體狀態(tài)方程2等容過程氣體在容積保持不變的條件下，由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，其溫度由

T1變化到

T2，壓力由

p1變化到

p2稱為等容變化過程。等容過程的

p-v曲線如圖8-3所示。由于等容過程中

v1=v2，由氣體狀態(tài)方程可得

（8-15）或

（8-16）由式（8-16）可知，氣體容積不變時，壓力和絕對溫度成正比，氣體溫度隨壓力增加而增加，隨壓力下降而下降。圖8-3等容過程p-v曲線第二十一頁，共25頁。第二節(jié)氣體狀態(tài)方程3等溫過程圖8-4等溫過程p-v曲線氣體在保持溫度不變的條件下，由狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，其壓力由

p1變化到

p2，比容由

v1變化到

v2的過程稱為等溫變化過程。等溫過程的

p-v曲線如圖8-4所示。由于在等溫過程中

T1=T2，由氣體狀態(tài)方程可得