SMC气动基础10-气动理论.ppt

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1、Everything in pneumatics;advance in the world气动技术基础理论SMC（中国）有限公司上海分公司 营业技术部2004/1Everything in pneumatics;advance in the world压缩空气我们呼吸的空气是无色无味，自由流动的物质。想想看，空气无处不在，充满着各种空间。空气主要是由氧气和氮气组成的。成分体积比Nitrogen78.09%N2Oxygen20.95%O2Argon0.93%ArOthers0.03%SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world空

2、气的特性空气的特性体积变化控制气缸的动作影响速度位置圧縮強 圧縮弱体积缩小体积增加压力变化输出力影响气缸的输出力的大小 圧縮強圧縮弱高 低温度变化产生水分影响空气饱和水蒸气含量圧縮強圧縮弱多少在空气的可压缩性中，要考虑使用绝对压力。可可可可圧縮性圧縮性圧縮性圧縮性空气的可压缩性体现为以下的状态变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world标准大气压是由The International Civil Aviation Organisation制定的.海平面的压力和温度分别是 1013.25 103 bar 绝对压力 and 2

3、88 K(15OC)大气压1013.25 m barSMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world体积和流量单位体积和流量单位压力作用下压力作用下体積体積 ANRANR m m3 3ANRANR大大气气圧下圧下 流量流量L/minM2/minANRL/minANRM2/min标准状态和基准状态标准状态和基准状态标准状态(ANR)：温度20，相对湿度65%，压力0.1MPa基准状态：温度0，压力101.3KPa的干空气的状态SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the wor

4、ld1MPa=1000Pa=10bar1bar=1atm=1kgf/cm2 =14.5psi=100kPa1atm=76mmHg1psi=6.89kPa压力单位压力单位温度温度 热力学温度 T 单位为K 摄氏温度 t 单位为t=T-T0 T0=273.15K可压缩性可压缩性气体的分子间距大，故气体的体积容易随压力发生变化P1P2SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world压力和力SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world各压力单位之间的关系各压力单位之间的关

5、系SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the worldFA压力压力压力表示法压力表示法表压力绝对压力真空度大气压P=Pa绝对真空P=0绝对压力表压力：以大气压为基准，高于大气压的压力值，即相对压力，也即由压力表读出的压力真空度：以大气压为基准，低于大气压力的压力值，正值真空压力：绝对压力与大气压力之差，与真空度大小相同，符号相反PPaPPa ！压力是由负载建立的！压力是由负载建立的！SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world压力和力压缩空气在容器的内表面产生了一个力

6、容器内的流体将被压缩并产生这个压力表压力1bar表示每平方厘米上受到10牛顿的力SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world在压力的作用下，气缸活塞向前伸出，此推力等于压力有效作用面积Thrust=D240PNewtonsp pD mmP bar这里这里D=气缸缸径气缸缸径 mmP=压力压力 bar.用牛顿来表示用牛顿来表示 1bar=100000 N/m2 压力和力SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world作用在气缸缸桶内部的力相当于气缸的投影面积压力lD

7、Force=D.l.P10Newtons这里这里D=气缸内径气缸内径 mml =受压腔室长度受压腔室长度 mmP=压力压力 bar压力和力SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world如果气缸活塞两侧同时受到压力作用。气缸活塞杆将在压差作用下向右伸出。如果是双活塞杆气缸的话，那么气缸活塞杆将保持在原位。压力和力SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world平衡式阀芯，压力作用在任何一个气口都不会引起阀芯的动作。因为阀芯左右的受力面积都是相等的。P1 和 P2 供气

8、和排气压力。P1P2压力和力SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world平衡式阀芯，压力作用在任何一个气口都不会引起阀芯的动作。因为阀芯左右的受力面积都是相等的。P1 和 P2 供气和排气压力。P1P2压力和力SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world气体的控制规律SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world气体的控制规律气体的状态气体的状态 对于一定质量的气体来说，压力、体积、温度表明对于

9、一定质量的气体来说，压力、体积、温度表明了气体所处的状态。了气体所处的状态。对于一定质量的气体，状态方程可以表示成对于一定质量的气体，状态方程可以表示成 如果某一个状态设为常值，那么我们可以得到如下如果某一个状态设为常值，那么我们可以得到如下的状态方程的状态方程等温变化等温变化等压变化等压变化等容变化等容变化P.V=constant=constantVT=constantPTSMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world等温变化（波义尔定律等温变化（波义尔定律BOYLES）对于一定质量的对于一定质量的气体，在温度不气体，在温度不

10、变的条件下，压变的条件下，压力和它的体积成力和它的体积成反比反比 在等温变化的在等温变化的情况下，空气压情况下，空气压缩与膨胀的过程缩与膨胀的过程中，热量变化是中，热量变化是极其缓慢的。极其缓慢的。0246816024681012Volume VPressure Pbar absoluteP1.V1=P2.V2 =constant10 12 141416等温变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world等温变化（波义尔定律等温变化（波义尔定律BOYLES）在等温变化的在等温变化的情况下，空气压情况下，空气压缩与膨胀的过程缩与

11、膨胀的过程中，热量变化是中，热量变化是极其缓慢的。极其缓慢的。024681602468101210 12 141416Volume VPressure Pbar absoluteP1.V1=P2.V2 =constant等温变化 对于一定质量的对于一定质量的气体，在温度不气体，在温度不变的条件下，压变的条件下，压力和它的体积成力和它的体积成反比反比SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world024681602468101210 12 141416Volume VPressure Pbar absoluteP1.V1=P2.V2

12、 =constant等温变化（波义尔定律等温变化（波义尔定律BOYLES）在等温变化的在等温变化的情况下，空气压情况下，空气压缩与膨胀的过程缩与膨胀的过程中，热量变化是中，热量变化是极其缓慢的。极其缓慢的。等温变化 对于一定质量的对于一定质量的气体，在温度不气体，在温度不变的条件下，压变的条件下，压力和它的体积成力和它的体积成反比反比SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world024681602468101210 12 141416Volume VPressure Pbar absoluteP1.V1=P2.V2 =const

13、ant等温变化（波义尔定律等温变化（波义尔定律BOYLES）在等温变化的在等温变化的情况下，空气压情况下，空气压缩与膨胀的过程缩与膨胀的过程中，热量变化是中，热量变化是极其缓慢的。极其缓慢的。等温变化 对于一定质量的对于一定质量的气体，在温度不气体，在温度不变的条件下，压变的条件下，压力和它的体积成力和它的体积成反比反比SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world等压变化（查理定律等压变化（查理定律CHARLES）对于一定质量的气体，对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正体体积的

14、增加和温度成正比。比。在没有摩擦的情况下，在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变气体的体积会在常压下变化。化。一定压力下，温度每升一定压力下，温度每升高高1，对于一定质量的，对于一定质量的气体，其体积增加气体，其体积增加1/273 0o Celsius=273K00.25 0.5 0.7512-60-40-200204060VolumeTemperatureCelsius1.25 1.51.7580100293KV1 V2T1(K)T2(K)=c=等压变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world等压变化（查理定律等压变

15、化（查理定律CHARLES）对于一定质量的气体，对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正体体积的增加和温度成正比。比。在没有摩擦的情况下，在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变气体的体积会在常压下变化。化。一定压力下，温度每升一定压力下，温度每升高高1，对于一定质量的，对于一定质量的气体，其体积增加气体，其体积增加1/273 0o Celsius=273K00.25 0.5 0.7512-60-40-200204060VolumeTemperatureCelsius1.25 1.51.7580100366.25KV1 V2T1(K)T2(K)=

16、c=等压变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world等压变化（查理定律等压变化（查理定律CHARLES）对于一定质量的气体，对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正体体积的增加和温度成正比。比。在没有摩擦的情况下，在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变气体的体积会在常压下变化。化。一定压力下，温度每升一定压力下，温度每升高高1，对于一定质量的，对于一定质量的气体，其体积增加气体，其体积增加1/273 0o Celsius=273K00.25 0.5 0.7512-60-40

17、-200204060VolumeTemperatureCelsius1.25 1.51.7580100219.75KV1 V2T1(K)T2(K)=c=等压变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world等压变化（查理定律等压变化（查理定律CHARLES）对于一定质量的气体，对于一定质量的气体，在压力不变的条件下，气在压力不变的条件下，气体体积的增加和温度成正体体积的增加和温度成正比。比。在没有摩擦的情况下，在没有摩擦的情况下，气体的体积会在常压下变气体的体积会在常压下变化。化。一定压力下，温度每升一定压力下，温度每升高高1，

18、对于一定质量的，对于一定质量的气体，其体积增加气体，其体积增加1/273 0o Celsius=273K00.25 0.5 0.7512-60-40-200204060VolumeTemperatureCelsius1.25 1.51.7580100366.25K219.75K293KV1 V2T1(K)T2(K)=c=等压变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world 对于一定质量的气体，对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正气体的压力和温度成正比比 20oC时时10bar绝对压力

19、绝对压力的压缩空气在温度达到的压缩空气在温度达到60oC时，空气压力会增时，空气压力会增加加2.05bar。0o Celsius=273K等容变化等容变化051020-60-40-200204060TemperatureCelsius158010002468bar10121416P1 P2T1(K)T2(K)=c=bar absolute等容变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world 对于一定质量的气体，对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正气体的压力和温度成正比比 20oC时时

20、10bar绝对压力绝对压力的压缩空气在温度达到的压缩空气在温度达到60oC时，空气压力会增时，空气压力会增加加2.05bar。0o Celsius=273K等容变化等容变化051020-60-40-200204060TemperatureCelsius158010002468bar10121416P1 P2T1(K)T2(K)=c=bar absolute等容变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world 对于一定质量的气体，对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正气体的压力和温度成正

21、比比 20oC时时10bar绝对压力绝对压力的压缩空气在温度达到的压缩空气在温度达到60oC时，空气压力会增时，空气压力会增加加2.05bar。0o Celsius=273K等容变化等容变化051020-60-40-200204060TemperatureCelsius158010002468bar10121416P1 P2T1(K)T2(K)=c=bar absolute等容变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world 对于一定质量的气体，对于一定质量的气体，在体积不变的条件下，在体积不变的条件下，气体的压力和温度成正气

22、体的压力和温度成正比比 20oC时时10bar绝对压力绝对压力的压缩空气在温度达到的压缩空气在温度达到60oC时，空气压力会增时，空气压力会增加加2.05bar。0o Celsius=273K等容变化等容变化0510-60-40-200204060bar absoluteTemperatureCelsius158010002468bar10121416P1 P2T1(K)T2(K)=c=等容变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world综合等压、等温、等容变化三个过程，当气体的三个综合等压、等温、等容变化三个过程，当气体的三

23、个状态都发生变化时，那么体积、压力、温度之间的关状态都发生变化时，那么体积、压力、温度之间的关系满足下列气体状态方程。系满足下列气体状态方程。=constantP1.V1T1P2.V2T2=气体状态方程SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world理论上，气体的体积被理论上，气体的体积被瞬间压缩时，这样一个瞬间压缩时，这样一个过程叫做绝热变化过程。过程叫做绝热变化过程。（即，热量没有时间通（即，热量没有时间通过气缸缸桶与外界发生过气缸缸桶与外界发生热交换。）热交换。）l对于绝热压缩和膨胀过对于绝热压缩和膨胀过程，有程，有 P V

24、 n=c 对于空气对于空气 n=1.4 l另外，如果气缸的空气另外，如果气缸的空气压缩和膨胀过程很快，压缩和膨胀过程很快，但是还是有一部分热量但是还是有一部分热量通过气缸缸桶与外界发通过气缸缸桶与外界发生了热交换，那么生了热交换，那么n值值可以取到可以取到1.3左右或更小左右或更小的值。的值。2468024681012bar a10 12 14141616PV 1.4=c绝热过程绝热过程PV 1.2=c多变过程多变过程PV =c等温变化等温变化Volume0绝热变化SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world实际应用中，气缸作

25、为吸收震动使用时，那么在压缩时肯定会有一定的热量损失。这时气缸的压缩特性是介于绝热变化和等温变化之间的一种变化。根据压缩率的不同，指数n将小于绝热指数值1.4，常使用PV 1.2 =c 来表示多变过程。多变过程SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world压缩空气中的水分SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world压缩空气中的水分当大量的空气受到压缩时，必然会从空气中析大量的水分。大气中的水蒸气在空气被压缩时，会从空气中被挤出来，就像我们把水从海绵中挤出来一样。

26、析出水分之后的空气将达到完全饱和状态。即相对湿度100%RH排水器排水器fullysaturatedair冷凝水冷凝水SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world空气中的水分空气中的水分几个概念几个概念水蒸汽分压力水蒸汽分压力：湿空气中水蒸汽独占空气总容积时所具有的压力。当空气中的 水蒸汽达到饱和时，这时水蒸汽所具有的压力叫做饱和水蒸汽分压力。绝对湿度绝对湿度（kg/m3）：）：每一立方米的湿空气中所含有的水蒸汽的质量。s=水蒸汽的密度，kg/m3Ps=水蒸汽分压力，PaRs=水蒸汽的气体常数，462.05 J/(kgK)相对

27、湿度相对湿度（kg/m3）：）：一定温度和压力下，湿空气的绝对湿度与饱和湿空气的湿度之比，也就是实际水分含量和露点（饱和湿空气）时水分含量之比。表明湿空气吸收水分的能力。露点露点：空气在这个温度下呈现饱和状态。即空气饱和（相对湿度100%），温度再降低则开始析出水分。饱和绝对湿度饱和绝对湿度（kg/m3）：）：每立方米湿空气中所能够含有的水蒸汽的最大质量。！空气中水蒸汽的实际含量完全取决于温度，空气中水蒸汽的实际含量完全取决于温度，1m3的压的压缩空气中只能包含缩空气中只能包含1m3的饱和湿空气所能含有的水蒸的饱和湿空气所能含有的水蒸汽质量汽质量SMC气动技术培训教程Everything in

28、 pneumatics;advance in the world空气中的含水量可以简单的用相对湿度RH的方法来表示。这个表示在某一个特定温度的条件下，空气中所含有的实际含水量。-40-200102030405002040Grams of water vapour/cubic metre of air g/m3607080Temperature Celsius25%RH50%RH100%RH At 20o C100%RH=17.4 g/m3 50%RH=8.7 g/m3 25%RH=4.35 g/m3压缩空气中的水分SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;adva

29、nce in the world下图是一个例子。4个立方体分别表示温度为20oC 的一立方米的空气。每个立方体空气的相对湿度是50RH。这就意味着它们分别含有8.7克的水，是最大含水量17.4克的一半。压缩空气中的水分SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world当压缩机把这4个立方米的空气压缩成一个立方米时，这一个立方米的空气将含有48.7克的水。但是在一立方米的空气中，在20oC时只能含有最大28.7克的水分。因此多余的28.7克的水蒸气将凝结成水滴析出。压缩空气中的水分SMC气动技术培训教程Everything in pn

30、eumatics;advance in the world4立方米的大气，相对湿度50RH，被压缩成1立方米的压缩空气后，根据等温变化，压力变成3bar。这一立方米的压缩空气中含有17.4克的水蒸气，即相对湿度100RH。另外17.4克的水蒸气凝结成水析出了。这是一个连续的变化过程。一旦相对压力超过1bar后，每次压缩1立方米之后，就会后8.4克的水凝结出来。压缩空气中的水分SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world空气的流量SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the

31、 world小孔流动阀的流量特性可以由流量系数表示。象：“C”,“b”,“Cv”,“Kv”。测定气动元件流量最准确的方法是通过“C”(气导)and“b”(临界压力比)，在 ISO 6358标准中规定了测定方法。P1P2流通能力 Cv值又称水流量，在温度为15.5，流经压差为1psi(6.89kPa)的阀门测得的流量系数，用来表示气动元件通流能力的大小，即允许通过流量的大小有效截面积 S值流过电磁阀的流量与流过某一个截面积为S的小孔的流量相当，则可以用S来表示电磁阀的有效截面积S18CvSMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the worl

32、d从曲线个可以找到临界压力比“b”，“b”代表空气流速达到声速时P2与P1的比值。小孔流动声速流声速流临界压力比临界压力比 b=0.52800.528100.10.20.30.40.5Flowdm3/sfreeairP2/P1亚声速流亚声速流SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world小孔流动流量的计算方法流量的计算方法亚声速流动亚声速流动 即 1（P1+0.1）/(P2+0.1)2 时q=248S P(P2+0.1)0.5结论：可见亚声速流动下，通过阀的流量与阀的进出口压差P和有效截面积S都有关。流量q与进出口压差P成正比，与有效截面积S成正比。P越大（即P2越小），流量q越大；S越大，流量q越大。声速流动声速流动 即 （P1+0.1）/(P2+0.1)2 时q=124S(P1+0.1)结论：可见声速流动下，流量只与阀的进口压力P1和有效截面积S有关，若阀的进口压力P1不变，则流量仅与S有关SMC气动技术培训教程Everything in pneumatics;advance in the world结束！谢谢大家！SMC气动技术培训教程