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1气动技术概况
第一章气动技术概况
气动(PNEUMATIC)是“气动技术”或“气压传动与控制”的简称。
气动技术是以空气压缩机为动力源,以压缩空气为工作介质,进行能量传递或信号传递的工程技术,是实现各种生产控制、自动控制的重要手段。
第一节气动技术概述
1、压缩空气的特性:
气动的发展相当长时间以来,气体动力仅被用来完成简单的机械动作。
但是最近,气动技术在促进自动化的发展中起到了极为重要的作用。
50年代前,压缩空气通常作为一种贮存能量的工作介质。
从50年代起,气动技术不仅用于做功,而且发展到检测和数据处理。
这样就能用传感器检测机器的状态和条件,从而控制加工过程。
传感器、过程控制器和执行器的发展导致了气动控制系统的产生。
(1)、压缩空气的优点及显著特性
用量:
空气到处都有,用量不受限制。
输送:
空气不论距离远近极易由管道输送,损失小。
储存:
压缩空气可储存在贮气罐内,随时取用。
故不需压缩机的连续运转。
此外,贮气罐亦可以运送。
温度:
压缩空气不受温度波动的影响,即使在极端温度情况下亦能保证可靠地工作。
无爆炸危险:
压缩空气没有爆炸或着火的危险,因此不需要昂贵的防爆设施。
清洁:
未经润滑排出的压缩空气是清洁的。
自漏气管道或气压元件逸出的空气不会污染物体。
这一点对食品、木材和纺织工业是极为重要的。
构造:
各种工作部件结构简单,所以价格便宜。
速度;压缩空气为快速流动的工作介质,故可获得很高的工作速度。
可调节性:
使用各种气动元部件,其速度及出力大小可无限变化。
无过载危险;气动机构与工作部件,可以超载而停止不动,因此无过载的危险。
(2)、压缩空气的不利特性
调理;压缩空气必须有良好的调理。
不得含有灰尘和水分。
可压缩性:
压缩空气的可伸缩性使活塞的速度不可能总是均匀恒定N。
出力条件:
压缩空气仅在一定的出力条件下使用方为经济。
在常规工作气压6—7bar(600—700kg:
)下,因行程和速度的不同,出力限制在20000到30000N之间。
排气噪声;徘放空气的声音很大。
现在这个问题已因吸音材料和消音器的发展大部分获得解决。
成本:
压缩空气是一种比较昂贵的能量传递方法。
但此高成本可为便宜的气动元件及其较高的性能所部分补偿。
2、纵观世界气动行业的发展趋势,气动元件的发展动向可归纳为:
高质量:
电磁阀的寿命可达1亿次,气缸的寿命可达5000-8000Km
高精度:
定位精度可达0.5~0.1mm,过滤精度可达0.01um,除油率可达1m3标准大气中的油雾在0.1mg以下
高速度:
小型电磁阀的换向频率可达数十赫兹,气缸的最大速度可达3m/s
低功耗:
电磁阀的功率可降至0.1W。
环保、节能
小型化:
元件制成超薄、超短、超小型
轻量化:
元件采用铝合金及塑料等新型材料制造,零件进行等强度设计
无给油化:
:
不供油润滑元件组成的系统不污染环境,系统简单,维护也简单,节省润滑油
复合集成化:
减少配线(如串行传送技术)、配管和元件,节省空间,简化拆装,提高工作效率
机电一体化:
典型的是“计算机远程控制+可编程控制器+传感器+气动元件”组成的控制系统.
3、气动技术应用方面
汽车制造业:
其中包括焊装生产线、夹具、机器人、输送设备、组装线、涂装线、发动机、轮胎生产装备等方面
生产自动化:
机械加工生产线上零件的加工和组装,如工件的搬运、转位、定位、夹紧、进给、装卸、装配、清洗、检测等工序。
机械设备:
自动喷气织布机、自动清洗机、冶金机械、印刷机械、建筑机械、农业机械、制鞋机械、塑料制品生产线、人造革生产线、玻璃制品加工线等许多场合
电子半导体家电制造行业:
例如硅片的搬运、元器件的插入与锡焊,彩电、冰箱的装配生产线
包装自动化:
化肥、化工、粮食、食品、药品、生物工程等实现粉末、粒状、块状物料的自动计量包装。
用于烟草工业的自动化卷烟和自动化包装等许多工序。
用于对粘稠液体(如油漆、油墨、化妆品、牙膏等)和有毒气体(如煤气等)的自动计量灌装。
第二节气动系统组成
一.气动系统组成简图与元件含义
一个典型的气动系统是由方向控制阀、气动执行元件、各种气动辅助元件及气源净化元件所组成。
1空气压缩机
详见第2章
2净化元件
空气干燥器、油雾分离器:
此装置是清除压缩空气中的水分、油分及杂质等,以得到清洁干燥的压缩空气。
3气动辅助元件
空气过滤器、减压阀、油雾器:
空气过滤器是减少悬浮在压缩空气中的固态粒子及液态油水。
油雾器是将润滑油雾化,随压缩空气流至需要润滑的部位。
减压阀用于调节所需的压力。
4方向控制元件
方向控制元件、电磁阀:
供给气缸等的压缩空气的流动方向由电磁阀来切换。
5执行元件
气缸、摆动气缸:
切换方向控制阀,向执行元件导入压缩空气,以推动执行元件作直线(气缸)及回转(摆动气缸)运动。
6气动系统组成详解
第三节空气的基本性质
一、空气的基本性质
1.[密度ρ]单位体积内所含气体的质量称为密度。
单位为kg/m3。
地球上每一物体都承受一个绝对大气压(pat),因此一般觉察不到它的存在。
这个无处不在的大气压被当作一个基础,而讨论的只是与它之间的差值:
表压=pg或真空=pv
大气压强
大气压强并没有一个固定的值。
它随着地理位置和气候的不同而变化。
从压强坐标的绝对零值到一个大气压强(有时其绝对压强会产生波动起伏)刻度之间的范围称为真空区,在真空区之上是压强区。
绝对压强pab是大气压强pat与表压pg之和。
实际上,压力表仅仅是量测超过大气压的压强值pg绝对压强pab约比pg值大1巴(bar)(1bar=100kPa),
2[压力p]压力可用绝对压力、表压力和真空度来衡量。
3[绝对压力]以绝对真空作为起点的压力值。
一般在表示绝对压力的符号的右下脚标注“ABS”,即PABS
4[表压力]高出当地大气压的压力值。
由压力表测得的压力值即为表压力。
在工程计算中,常将当地大气压力用标准大气压力代替,即令Pa=101325Pa。
5[真空度]低于当地大气压的压力值。
6[真空压力]绝对压力与大气压之差。
真空压力在数值上与真空度相同,但应在其数值前加负号。
其中的关系可以用下图说明:
(基本压强关系图)
7[温度T]在工程计算中常用热力学温度T,其单位名称为开[尔文],单位符号为K,和我们生活中的摄氏温度(℃)换算关系为:
T=t-T0,T0=273.15K。
8[标准状态]指温度为20℃、相对湿度为65%、压力为0.1Mpa时的空气的状态。
在标准状态下,空气的密度ρ=1.185kg/m3。
按国际标准ISO8778,标准状态下的单位后面可标注“(ANR)”。
9[基准状态]指温度为0℃、压力为101.3Kpa的干空气的状态。
在基准状态下,空气的密度ρ=1.293kg/m3。
10[理想气体]没有粘性的气体称为理想气体(idealgas)。
目的是简化解题。
11[完全气体]是一种假想的气体,它的分子是一些弹性的、不占有体积的质点,分子间除相互碰撞外,没有相互作用力。
它与没有粘性的理想气体是完全不同的两个概念。
实际气体只要不处于很高的压力或很低的温度,都可当作完全气体。
按完全气体状态方程计算,带来的误差不会太大。
二、气态方程
1.气态方程
对完全气体,有这样一个状态方程:
pv=RT也可以写成p=ρRT=
p:
绝对压力,Pa
v:
质量体积,m3/kg
R:
气体常数,对空气,R=287N·m/kg
T:
热力学温度,K
ρ:
密度,m3/kg
m:
:
质量体积,m3/kg
V:
体积,m3
对一定质量的气体,其状态方程可以写成
2.波意耳—马略特定律法则:
(等温)
波意耳—马略特定律给出了压强和体积的实用关系:
“温度保持恒定的条件下,—定质量气体的体积与它的绝对压强成反比”,也就是说,对—定质量的气体而言,其绝对压强的体积的乘积保持恒值。
一定质量的气体,若其状态变化是在温度不变的条件下进行的,则称为等温过程。
P1V1=P2V2
例如,大气罐中的气体长时间的经小孔向外放气,气罐中气体的状态变化过程可看作是等温过程。
我们用下面的例子来说明上述原理:
空气压缩机将一个大气压的空气压缩到原体积的1/7。
假设过程是等温过程,那么压力表上这些空气的压强是多少?
P1·V1=P2·V2
P2=P1·
=7
P1=pat=1bar=100k,P2=P1·
=7P1=7bar=700kPa
所以,表压(pg)=绝对压强(pab)-大气压强(pat)
≈(7—1)bar=6bar=600kPa
要制备表压pa=600kPa的空气,压缩机的压缩比必须为1:
7(这里假设大气压为1bar,或100kPa)。
3、查理法则:
(等容)
一定质量的气体,若其状态变化是在体积不变的条件下进行的,则称为等容过程。
P1/T1=P2/T2
密闭气罐中的气体,由于外界环境温度的变化,使罐内气体状态发生变化的过程也可看作等容过程。
4、盖——吕法则:
(等压)
一定质量的气体,若其状态变化是在压力不变的条件下进行的,则称为等压过程。
V1/V2=T1/T2
负载一定的密闭气罐,被加热或放热时,缸内气体便在等压过程中改变气缸的容积。
5、伯努力方程:
式中P。
―――速度为零处的压力,称为总压力
P―――静压力
流速高处压力低,流速低处压力高。
它表明单位体积气体的压力能和动能之和保持不变。
6、 有效截面积S值
理想气体流过最小截面积为S的收缩喷管,当流动处于壅塞流态(指压缩空气通过收缩管或拉瓦尔管,在最小截面处达到声速时,若上游总压力和总温度保持一定,无论怎样降低管道下游的压力,通过管道的质量流量都不会增大的现象,只是在声速流和超声速流状态才存在),元件的有效截面积S值大小几乎不受元件上游总压和总温的影响。
据此,我们采用声速放气法测定S值。
7、Cv值:
第四节空气湿度
一、露点
露点:
在一定的空气压力下,逐渐降低空气的温度,当空气中所含水蒸气达到饱和状态,开始凝结形成水滴时的温度叫做该空气在空气压力下的露点温度。
即当温度降至露点温度以下,湿空气中便有水滴析出。
降温法清除湿空气中的水分,就是利用此原理。
露点越低,冷凝水也越多,这样就降低了气体中残留的水量。
采用致冷方法就能使气体达到低达2℃~5℃的露点温度。
在压缩空气输入用气网络之前,要对它加温,使空气回复到环境条件。
出气口处的温度要求是:
冬天约10℃,夏天30℃左右。
压力露点:
即湿空气被压缩后开始析出水滴时的温度。
压力越高,开始析出水滴的温度也越高。
二、湿度
1.、绝对湿度:
每立方米湿空气中含有的水蒸气的质量,称为绝对湿度。
也就是湿空气的水蒸气密度。
2、全压力:
湿空气是干空气和水蒸气的混合气体。
干空气和水蒸气的混合气体的压力称为全压力,故全压力是干空气的分压力和水蒸气的分压力之和。
3、相对湿度:
绝对湿度只能说明湿空气中所含水蒸气的多少,但不能说明湿空气所具有的吸收水蒸气的能力,为了了解湿空气继续吸收水分的能力和离饱和状态的远近,人们引入相对湿度的概念清楚地说明了这个问题。
4、计算公式:
φ=ρvb/ρb
又由湿空气中水蒸气的完全气体的状态方程:
Pvb=ρvb·RbT
式中:
Pvb------水蒸汽的分压力,Pa;
ρvb-------水蒸气的密度,kg/m3
Rb---------水蒸气的气体常数,Rb=461N·m/(Kg·K);
T----------水蒸气的温度,K;
饱和水蒸气分压力Pb=ρbRbT
可得φ=Pvb/Pb
温度30℃、相对湿度60%的湿空气,压缩至0.7Mpa,并冷却至25℃,沿图中①→②→③→④→⑤,可知压力露点为62℃。
再沿⑥→⑦→⑧→③,可知冷凝量为15.2g/m3。
若空压机吸入流量为3m3/min,则空压机工作一小时冷凝出的水量为15.2×3×60=2736g/h。
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