1、第9章 氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)氣壓傳動(dòng)是指以壓縮空氣為工作介質(zhì)來(lái)進(jìn)行能量傳遞的一種傳動(dòng)形式。由于它具有防火、防爆、節(jié)能、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，因此，氣動(dòng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)，特別是在工業(yè)機(jī)械手、高速機(jī)械手等自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越多?！颈菊聦W(xué)習(xí)目標(biāo)】1掌握氣壓傳動(dòng)的組成、工作原理及特點(diǎn)2了解空氣的基本性質(zhì)和流動(dòng)規(guī)律9.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成及工作原理氣壓傳動(dòng)，是以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的一門(mén)技術(shù)。氣壓傳動(dòng)的工作原理是利用空氣壓縮機(jī)把電動(dòng)機(jī)或其它原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能，然后在控制元件的作用下，通過(guò)執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械能，從而完成各種動(dòng)

2、作，并對(duì)外做功。由此可知，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)類似，也是由五部分組成的，如圖9-1-1所示： 1氣源裝置 是獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w（工作介質(zhì)）的壓力能。 2控制元件 是用來(lái)控制壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向的，以便使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的工作循環(huán)，它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等。 3執(zhí)行元件 是將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它包括實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣缸和實(shí)現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng)的氣馬達(dá)或擺動(dòng)馬達(dá)等。 4輔助元件 是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤(rùn)滑、元件間的連接及消聲等所必須的元件，包括過(guò)濾器、油霧器、管接頭及消

3、聲器等。5工作介質(zhì) 經(jīng)除水、除油、過(guò)慮后的壓縮空氣。圖9-1-1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成1電動(dòng)機(jī) 2空氣壓縮機(jī) 3氣罐 4壓力控制閥 5邏輯元件 6方向控制閥 7流量控制閥 8行程閥 9氣缸 10消音器 11油霧器 12分水濾氣器92 氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用9.2.1 氣壓傳動(dòng)的特點(diǎn)氣動(dòng)技術(shù)在國(guó)外發(fā)展很快，在國(guó)內(nèi)也被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、包裝、冶金、石化、航空、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)工業(yè)部門(mén)。氣動(dòng)機(jī)械手、組合機(jī)床、加工中心、生產(chǎn)自動(dòng)線、自動(dòng)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)裝置等已大量涌現(xiàn)，它們?cè)谔岣呱a(chǎn)效率、自動(dòng)化程度、產(chǎn)品質(zhì)量、工作可靠性和實(shí)現(xiàn)特殊工藝等方面顯示出極大的優(yōu)越性。氣壓傳動(dòng)與機(jī)械、電氣、液壓

4、傳動(dòng)相比有以下特點(diǎn)，見(jiàn)表9-2-1。一、 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)1.工作介質(zhì)是空氣，與液壓油相比可節(jié)約能源，而且取之不盡、用之不竭。氣體不易堵塞流動(dòng)通道，使用之后可將其隨時(shí)排入大氣中，不污染環(huán)境。2.空氣的特性受溫度影響小。在高溫下能可靠地工作，不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸，且溫度變化對(duì)空氣的粘度影響極小，故不會(huì)影響傳動(dòng)性能。3.空氣的粘度很小(約為液壓油的萬(wàn)分之一)，所以流動(dòng)阻力小，在管道中流動(dòng)的壓力損失較小，便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。4.相對(duì)液壓傳動(dòng)而言，氣壓傳動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快，一般只需00203s就可達(dá)到工作壓力和速度。液壓油在管路中流動(dòng)速度一般為15m/s，而氣體的流速最小也大于10m/s，有時(shí)甚至達(dá)

5、到音速，排氣時(shí)還可達(dá)到超音速。5.氣體壓力具有較強(qiáng)的自保持能力，即使壓縮機(jī)停機(jī)，關(guān)閉氣閥，但裝置中仍然可以維持一個(gè)穩(wěn)定的壓力。液壓系統(tǒng)要保持壓力，一般需要能源泵持續(xù)工作或另加蓄能器，而氣體通過(guò)自身的膨脹性可維持承載缸的壓力基本不變。6.氣動(dòng)元件可靠性高、壽命長(zhǎng)。電氣元件可運(yùn)行百萬(wàn)次，而氣動(dòng)元件可運(yùn)行20004000萬(wàn)次。7.工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別是在易燃、易爆、多塵、強(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，比液壓、電子、電氣傳動(dòng)和控制優(yōu)越。8.氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維護(hù)方便，具有過(guò)載自動(dòng)保護(hù)功能。表9-2-1氣壓傳動(dòng)與其它傳動(dòng)的性能比較類 型操作力動(dòng)作快慢環(huán)境要求構(gòu)造負(fù)載變化影響操作距離無(wú)級(jí)調(diào)速工作

6、壽命維護(hù)價(jià)格氣壓傳動(dòng)中等較快適應(yīng)性好簡(jiǎn)單較 大中距離較好長(zhǎng)一般便宜液壓傳動(dòng)最大較慢不怕振動(dòng)復(fù)雜有一些短距離良好一般要求高稍貴電傳動(dòng)電氣中等快要求高稍復(fù)雜幾乎沒(méi)有遠(yuǎn)距離良好較短要求較高稍貴電子最小最快要求特高最復(fù)雜沒(méi)有遠(yuǎn)距離良好短要求更高最貴機(jī)械傳動(dòng)較大一般一般一般沒(méi)有短距離較困難一般簡(jiǎn)單一般二、氣壓傳動(dòng)的缺點(diǎn)1.由于空氣的可壓縮性較大，氣動(dòng)裝置的動(dòng)作穩(wěn)定性較差，外載荷變化時(shí)，對(duì)工作速度的影響較大；2.由于工作壓力低，氣動(dòng)裝置的輸出力或力矩受到限制。在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，氣壓傳動(dòng)裝置比液壓傳動(dòng)裝置輸出的力要小得多，一般而言，不宜大于1040kN；3.氣動(dòng)裝置中的信號(hào)傳動(dòng)速度比光、電控制速度慢，

7、所以不宜用于信號(hào)傳遞速度要求十分高的復(fù)雜線路中。同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的遙控也比較困難，但對(duì)一般的機(jī)械設(shè)備，氣動(dòng)信號(hào)的傳遞速度是能滿足工作要求的；4噪聲較大，尤其是在超音速排氣時(shí)要加消聲器。9.2.2 氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展目前氣動(dòng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)，而且應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。1在食品加工和包裝工業(yè)中，氣動(dòng)技術(shù)因其衛(wèi)生、可靠和經(jīng)濟(jì)得到廣泛應(yīng)用，如在收割蘆筍之后，采用氣動(dòng)技術(shù)可以對(duì)其進(jìn)行剝皮，并輕輕除去其中的苦纖維，而不損傷可口的筍尖。在飲料廠和酒廠里，氣動(dòng)系統(tǒng)完成對(duì)玻璃瓶的抓取功能時(shí)可以實(shí)現(xiàn)軟抓取，即使玻璃瓶比允許誤差大，它也不會(huì)被抓碎。這主要是由于氣缸中的空氣是可壓縮的，其作用就像緩沖墊

8、一樣，氣爪可以簡(jiǎn)單地調(diào)整至不同尺寸大小，以免引起玻璃瓶破裂。當(dāng)然，這種優(yōu)點(diǎn)可以適用于整個(gè)玻璃制品生產(chǎn)，玻璃制品生產(chǎn)也是氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用的另一個(gè)領(lǐng)域。2絕大多數(shù)具有管道生產(chǎn)流程的各生產(chǎn)部門(mén)都可以采用氣動(dòng)，如有色金屬冶煉工業(yè)，在冶煉過(guò)程中，溫度高、灰塵多的場(chǎng)合往往不宜采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓傳動(dòng)，采用氣動(dòng)就比較安全可靠，如高爐爐門(mén)的啟閉常由氣動(dòng)完成。3在輕工業(yè)中，電氣控制和氣動(dòng)控制一樣應(yīng)用，功能大致相等。凡輸出力要求不大、動(dòng)作平穩(wěn)性或控制精度要求不太高的場(chǎng)合，均可以采用氣動(dòng)，成本比電氣裝置要低得多。對(duì)粘稠液體（如牙膏、化妝品、油漆、油墨等）進(jìn)行自動(dòng)計(jì)量灌裝時(shí)采用氣動(dòng)，不僅能提高工效，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，而且因有

9、些液體具有易揮發(fā)性和易燃性，采用氣動(dòng)控制比較安全。對(duì)于制藥工業(yè)、卷煙工業(yè)等領(lǐng)域，氣動(dòng)由于其不污染性而具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，有廣泛的應(yīng)用前景。4在軍事工業(yè)中氣動(dòng)也得到廣泛應(yīng)用。因電子裝置在沒(méi)有冷卻下很難在300以上的高溫條件下工作，故現(xiàn)代飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、魚(yú)雷等自動(dòng)裝置大多是氣動(dòng)的，因?yàn)橐詨嚎s空氣作為動(dòng)力能源，其體積小、重量輕，甚至比具有相同能量的電池體積還小還輕，且不怕電子干擾。9.3 空氣的基本性質(zhì)9.3.1 空氣的組成和性質(zhì)空氣主要成分有氮?dú)?、氧氣和一定量的水蒸氣。含水蒸氣的空氣稱為濕空氣，不含水蒸氣的空氣稱為干空氣。一般來(lái)說(shuō)，我們要了解空氣的以下性質(zhì)和內(nèi)容：1.空氣的密度 單位體積內(nèi)空氣的質(zhì)量

10、 對(duì)于干空氣 式中：、分別為氣體的質(zhì)量和體積； 基準(zhǔn)狀態(tài)下干空氣的密度, =1.293kg/m3 絕對(duì)壓力(Mpa) (273+t)熱力學(xué)溫度（K）2.空氣的粘性氣體在流動(dòng)過(guò)程中，空氣質(zhì)點(diǎn)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力的性質(zhì)叫氣體的粘性。氣體的粘性主要受溫度變化的影響，將隨溫度的升高而升高；而壓力對(duì)其影響很小?？諝廨^液體的粘性小很多。3.空氣具有一定的壓縮性和膨脹性：其體積隨壓力和溫度而變化，分別表征為壓縮性和膨脹性。而空氣的壓縮性和膨脹性遠(yuǎn)大于固體和液體的壓縮性和膨脹性。4.空氣中所含水份的程度用濕度和含濕量來(lái)表示。濕度的表示方法有絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度之分。5.壓縮空氣一旦冷卻下來(lái)，相對(duì)濕度將大大增加，

11、當(dāng)溫度降到露點(diǎn)以后，水蒸氣就要凝析出來(lái)。9.3.2 理想氣體的狀態(tài)方程1.理想氣體的狀態(tài)方程 n 不計(jì)粘性的氣體稱為理想氣體?？諝饪梢暈槔硐霘怏w。一定質(zhì)量的理想氣體在狀態(tài)變化的瞬間， 有如下氣體狀態(tài)方程成立 = 常量 或 式中：P絕對(duì)壓力（Pa） V氣體體積（m3） T熱力學(xué)溫度（）氣體的密度（kg/m3） R氣體常數(shù)（Nm/kgk），干空氣R=287.1（Nm/kgk）2.氣體狀態(tài)變化過(guò)程氣體從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2叫氣體的狀態(tài)變化。在變化以后或在變化過(guò)程中，當(dāng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，這些參數(shù)都應(yīng)服從狀態(tài)方程。（1）等溫過(guò)程 = 常量 在等溫過(guò)程中，無(wú)內(nèi)能變化，加入系統(tǒng)的熱量全部變成氣體所做的功。在氣動(dòng)系統(tǒng)中氣缸工作、管道輸送空氣等均可視為等溫過(guò)程。（2）絕熱過(guò)程 一定質(zhì)量的氣體和外界沒(méi)有熱量交換時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程叫做絕熱過(guò)程。 =常量 式中k為絕熱指數(shù)，對(duì)空氣來(lái)說(shuō)k=1.4。 氣動(dòng)系統(tǒng)中快速充、排氣過(guò)程可視為絕熱過(guò)程。（3）等容過(guò)程 一定質(zhì)量的氣體，在體積不變的條件下，所進(jìn)行的狀態(tài)變化過(guò)程。 =常量 在等容過(guò)程中，氣體對(duì)外不做功，氣體隨溫度升高，壓力增加，系統(tǒng)內(nèi)能增加。（4）等壓變化過(guò)程 一定質(zhì)量的氣體，在狀態(tài)變化過(guò)程中其壓力始終保持不變的過(guò)程。=常量壓力不變時(shí)，氣體溫度上升必然導(dǎo)致