第10章氣動(dòng)技術(shù)概述和空氣的物理性質(zhì)

10.1氣動(dòng)技術(shù)概述

氣動(dòng)(氣壓傳動(dòng))和液壓傳動(dòng)一樣，都是利用流體作為工作介質(zhì)，來(lái)進(jìn)行力的傳遞。雖然兩者之間在工作原理、元件結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)等方面有著不少相似之處，但相互之間仍然存在著很大的差異，主要表現(xiàn)在：一、液壓傳動(dòng)的壓力源是液壓泵，由液壓泵為液壓系統(tǒng)提供可直接使用的有壓液體；而氣壓傳動(dòng)的壓力源不是單個(gè)元件，而是由多個(gè)元件組成的一個(gè)氣源系統(tǒng)，為氣動(dòng)系統(tǒng)提供可直接使用的有壓氣體。二、液壓傳動(dòng)的工作壓力很高，其工作對(duì)象主要是一些對(duì)壓力要求很高的專用動(dòng)力設(shè)備，而氣壓傳動(dòng)的工作壓力通常只有0.5～0.6MPa，所以主要用于自動(dòng)控制技術(shù)和一些對(duì)負(fù)載要求較小的場(chǎng)合。

10.1.1氣動(dòng)系統(tǒng)的組成一個(gè)完整的氣動(dòng)系統(tǒng)通常由氣源系統(tǒng)、氣源后處理系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)和氣動(dòng)執(zhí)行元件等幾部分組成。圖10-1即為由各種氣動(dòng)元件組成的一個(gè)完整的氣動(dòng)剪刀機(jī)系統(tǒng)。圖10-1氣動(dòng)剪刀機(jī)系統(tǒng)圖(a)結(jié)構(gòu)圖(b)氣動(dòng)回路圖1-空氣壓縮機(jī)；2-后冷卻器；3-油水分離器；4-儲(chǔ)氣罐；5-傳輸管路；6-干燥器；7-過(guò)濾器；8-減壓閥；9-油霧器；10-行程閥；11-節(jié)流孔；12-,換向閥；13-氣缸；14-工件圖10-1氣動(dòng)剪刀機(jī)系統(tǒng)圖(a)結(jié)構(gòu)圖(b)氣動(dòng)回路圖1-空氣壓縮機(jī)；2-后冷卻器；3-油水分離器；4-儲(chǔ)氣罐；5-傳輸管路；6-干燥器；7-過(guò)濾器；8-減壓閥；9-油霧器；10-行程閥；11-節(jié)流孔；12-,換向閥；13-氣缸；14-工件

（1）氣源系統(tǒng)氣源系統(tǒng)由氣壓發(fā)生器（即空氣壓縮機(jī)）、后冷卻器、油水分離器、儲(chǔ)氣罐和傳輸管路組成。在圖10-1中，空氣壓縮機(jī)１輸出的是含有大量水分的高溫壓縮空氣，所以必須經(jīng)后冷卻器２進(jìn)行后冷卻和初步凈化，再通過(guò)油水分離器３進(jìn)一步分離出壓縮空氣中的水分、油污和雜質(zhì)，才可將壓縮空氣送往儲(chǔ)氣罐４儲(chǔ)存起來(lái)，并通過(guò)傳輸管路５，將儲(chǔ)氣罐中的有壓氣體輸送到各個(gè)用氣點(diǎn)。在一些中小型氣源系統(tǒng)中，根據(jù)氣源系統(tǒng)周圍的環(huán)境和系統(tǒng)對(duì)用氣質(zhì)量的不同要求，有時(shí)可以省去油水分離器，而用儲(chǔ)氣罐來(lái)取代油水分離的作用.

（2）氣源后處理系統(tǒng)氣源系統(tǒng)輸出的壓縮空氣質(zhì)量很差（不僅壓力波動(dòng)大，而且仍含有不少水分、油污和雜質(zhì)），只能作為普通的工業(yè)用氣，對(duì)于儀器、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)用氣，還必須經(jīng)過(guò)氣源后處理系統(tǒng)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行再處理。氣源后處理系統(tǒng)由干燥器和氣動(dòng)三聯(lián)件組成。在圖10-1中，空氣干燥器6可將氣源系統(tǒng)輸出的壓縮空氣實(shí)施進(jìn)一步干燥，再經(jīng)“氣動(dòng)三聯(lián)件”（即圖10-1中過(guò)濾器７、減壓閥８和油霧器９的組合體）對(duì)壓縮空氣進(jìn)行最后處理，其中，過(guò)濾器可更徹底地清除壓縮空氣中的水分、油污和雜質(zhì)；減壓閥可為氣動(dòng)控制系統(tǒng)提供安全和穩(wěn)定的工作壓力；油霧器可在壓縮空氣中產(chǎn)生清潔的油霧，為氣動(dòng)控制系統(tǒng)提供具有潤(rùn)滑性能的有壓氣體。由于有過(guò)濾器，在一些對(duì)壓縮空氣的質(zhì)量要求不是特別高的氣動(dòng)系統(tǒng)中，通?？墒∪タ諝飧稍锲?。

（3）氣動(dòng)控制系統(tǒng)氣動(dòng)控制系統(tǒng)是由各種氣動(dòng)控制元件組成的，其動(dòng)作原理與液壓控制系統(tǒng)非常相似。在圖10-1（b）中，當(dāng)沒有工件時(shí)，行程閥10的閥芯處于左位，換向閥11的閥芯處上位，氣缸12的活塞處下位；當(dāng)工件14壓住行程閥10后，行程閥10的閥芯處于右位，換向閥11的閥芯處于下位，氣缸12的活塞快速向上運(yùn)動(dòng)，切斷工件。工件切斷后，自然下落，又回復(fù)到無(wú)工件狀態(tài)。

（4）氣動(dòng)執(zhí)行元件氣動(dòng)執(zhí)行元件主要是氣缸和氣馬達(dá)。圖10-1中的氣動(dòng)執(zhí)行元件是氣缸。

10.1.2氣壓傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)

（1）氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)①工作介質(zhì)是空氣，到處都可隨意獲取，而且無(wú)須回收儲(chǔ)存。②空氣的黏度很小，適于較遠(yuǎn)距離輸送。③對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性很廣，且無(wú)易燃易爆等安全隱患。④氣動(dòng)動(dòng)作反應(yīng)靈敏，特別有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。⑤氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，且便于維修。

（2）氣壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)①空氣具有可壓縮性，所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)不易獲得均恒的運(yùn)動(dòng)速度。②空氣中的水分、油污和雜質(zhì)不易完全排除干凈，對(duì)元件損害較大，維修頻率較高。③工作壓力低，不易獲得較大的輸出力或轉(zhuǎn)矩。

10.2．空氣的基本物理性質(zhì)

氣壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)是空氣，所以，了解和認(rèn)識(shí)空氣的基本物理性質(zhì)，對(duì)認(rèn)識(shí)、應(yīng)用和分析氣動(dòng)系統(tǒng)是非常必要的。

10.2.1．濕空氣的基本特性自然界中的空氣是由很多氣體混合而成的，其中氮（N2）和氧（O2）的比例最大，其次是氬（Ar）和二氧化碳（CO2），其它氣體所占比例極小。除此以外，空氣中常含有一定量的水蒸氣，通常把這種含有水蒸氣的空氣稱為濕空氣。大氣中的空氣基本上都是濕空氣，而且還夾雜著灰塵和雜質(zhì)，直接影響著氣壓傳動(dòng)的用氣質(zhì)量，所以在氣壓傳動(dòng)中特別需要關(guān)注的是濕空氣的基本特性。（１）濕空氣中的水含量濕空氣中的水含量通常用“濕度”表示，并將單位立方米空氣中所含的水分的量稱為“絕對(duì)濕度”。濕空氣中的水含量達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)趨于飽和。這種單位立方米空氣在某一溫度下能夠吸收水分的最大量稱為“飽和水含量”。

圖10-2露點(diǎn)表圖10-3“壓力露點(diǎn)”與“大氣壓露點(diǎn)”的比值關(guān)系（２）飽和水含量與溫度的關(guān)系空氣的飽和水含量與溫度有著密切的關(guān)系，溫度越高，空氣的飽和水含量也越高；溫度越低，空氣的飽和水含量也越低。這也就是說(shuō)，在高溫下水含量還沒有達(dá)到飽和的空氣，當(dāng)溫度下降到一定程度時(shí)，水含量會(huì)超過(guò)低溫下空氣的飽和水含量，就會(huì)將飽和過(guò)量的水蒸氣凝結(jié)出來(lái)。例如，夏天白天溫度高，空氣的飽和水含量高；到了晚上，溫度下降，空氣的飽和水含量隨之降低，就會(huì)有大量的露水凝結(jié)在草地上。這種在大氣壓下，當(dāng)溫度下降到水含量成飽和狀態(tài)時(shí)，水蒸氣開始凝結(jié)成水滴時(shí)的溫度稱為“大氣壓露點(diǎn)”。圖10-2是濕空氣在大氣壓力狀態(tài)下的露點(diǎn)表，它反映了在大氣壓力下濕空氣的飽和水含量與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（3）壓力露點(diǎn)氣壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)量是壓縮空氣，所以氣壓傳動(dòng)更需關(guān)注的露點(diǎn)是受壓空氣的露點(diǎn)，即“壓力露點(diǎn)”?！皦毫β饵c(diǎn)”與“大氣壓露點(diǎn)”存在著一定的比值關(guān)系，如圖10-3所示。例如空氣的大氣壓露點(diǎn)為-22℃，查圖10-3，在壓力為0.7MPa狀況下對(duì)應(yīng)的壓力露點(diǎn)為4℃。這也就是說(shuō)，在大氣壓下—22℃時(shí)含水量才會(huì)達(dá)到飽和的一定量空氣，當(dāng)壓力加到0.7MPa時(shí)，在4℃就會(huì)處于飽和狀態(tài)，有水分凝結(jié)出來(lái)。圖10-3反映了壓縮空氣的兩個(gè)基本特點(diǎn)：一是，一定量空氣的大氣壓露點(diǎn)都低于該溫度所對(duì)應(yīng)的壓力露點(diǎn)，反映出了一定量的空氣，隨著壓力增高，體積縮小，單為體積的水含量也越高，所以壓力露點(diǎn)也越高。二是，由于大氣壓露點(diǎn)與所對(duì)應(yīng)的壓力露點(diǎn)兩者的變化斜率基本相等，所以反映出了壓縮空氣的壓力一定時(shí)，仍然遵循著空氣在大氣壓力下溫度越高，飽和水含量也越高的基本變化趨勢(shì)。

在氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣不僅壓力高而且溫度高，所以單為體積壓縮空氣中的水含量很高，當(dāng)溫度下降到正常室溫時(shí)，會(huì)有大量的水分凝結(jié)出來(lái)，并且濕空氣中還夾雜著大量的灰塵和雜質(zhì)，所以從空氣壓縮機(jī)中輸出的壓縮空氣完全不能被氣動(dòng)系統(tǒng)直接使用，必須采取多種辦法對(duì)空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣進(jìn)行逐級(jí)降溫和凈化處理。

10.2.2．空氣的黏度空氣也有黏度，其黏度也受壓力和溫度的影響，但是，空氣的黏度受壓力影響甚微，影響空氣黏度的主要因素是溫度。溫度對(duì)空氣黏度的影響與液體正好相反，空氣的溫度增高，黏度反而隨之增高。在實(shí)際的氣動(dòng)系統(tǒng)中，由于壓縮空氣的工作狀態(tài)通常處于室溫狀態(tài)，溫度變化較小，而且空氣的黏度本身就很低，所以，在實(shí)際的氣動(dòng)系統(tǒng)中，基本上忽略壓縮空氣的黏度對(duì)系統(tǒng)的影響。

10.2.3空氣的壓縮性和膨脹性空氣因分子間的距離大，內(nèi)聚力小，分子可自由運(yùn)動(dòng)，所以空氣的體積會(huì)隨著壓力和溫度的變化而變化。空氣的體積隨壓力升高而減小的性質(zhì)稱為空氣的壓縮性，空氣的體積隨溫度升高而增大的性質(zhì)稱為空氣的膨脹性。空氣的壓縮性和空氣的膨脹性服從于理想氣體狀態(tài)方程：

式中：p為絕對(duì)壓力（Pa）V為氣體體積（m3）

T為熱力學(xué)溫度（K）理想氣體狀態(tài)方程明顯地反應(yīng)了氣體的壓縮性和膨脹性遠(yuǎn)大于液體的壓縮性和膨脹性，所以，在氣壓傳動(dòng)中，氣動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)