第1章　基础理

1　各国液压、气动符号对照

2　气动技术特点与流体基本公式

2.1　气动基础理论的研究与气动技术特点

2.1.1　气动基础理论、气动技术的研究内容

①力的研究

•气缸力与速度的关系（气缸动态时的推力变化及仿真）。

•气缸的受力分析（侧向力、转矩、转动惯量等）。

•气动压力的比例控制。

•气动冲击力的研究和解决（缓冲力的分析与缓冲器的配置）。

•气动摩擦力的分析与综合解决（新材料、新结构、密封件、润滑脂）等。

②速度的研究

•气缸高速和低速特性。

•气缸的速度调节（用单向节流阀、气动伺服定位技术）。

•高速软制动（气动ABS系统）。

③位置（行程）

•多位控制和气动伺服定位控制技术。

•模块化多轴系统的位置控制与气动机械手定位控制。

④信号转换

•不同介质的信号转换（气/电、真空/电、电/真空、电/气）。

•同种介质的各功率之间的放大（气先导控制、电先导控制等）。

⑤新材料、新工艺、新技术的开发应用（纳米涂层、油脂等）。

⑥气动应用计算、仿真软件、控制/诊断技术等。

⑦低功耗、高寿命、微型化（包括微气动技术的开发、硅工艺）、密封技术。

⑧标准化、模块化、功能集成并更加灵活（机电一体化、通信、传感技术、生物技术等）、即插即用（包括机电混合解决方案）。

2.1.2　气动技术的特点

①无论从技术角度还是成本角度来看，气缸作为执行元件是完成直线运动的最佳形式。如同用电动机来完成旋转运动一样，气缸作为线性驱动可在空间的任意位置组建它所需要的运动轨迹，运动速度可无级调节。

②工作介质是取之不尽、用之不竭的空气，空气本身无须花钱（但与电气和液压动力相比产生气动能量的成本最高），排气处理简单，不污染环境，处理成本低。

③空气的黏性小，流动阻力损失小，便于集中供气和远距离的输送（空压机房到车间各使用点）；利用空气的可压缩性可储存能量；短时间释放以获得瞬时高速运动。

④气动系统的环境适应能力强，可在-40～+50℃的温度范围、潮湿、溅水和有灰尘的环境下可靠工作。纯气动控制具有防火、防爆的特点。

⑤对冲击载荷和过载载荷有较强的适应能力。

⑥气缸的推力在1.7～48230N，常规速度在50～500mm/s范围之内，标准气缸活塞可达到1500mm/s，冲击气缸达到10m/s，特殊状况的高速甚至可达32m/s。气缸的低速平稳目前可达3mm/s，如与液压阻尼缸组合使用，气缸的最低速度可达0.5mm/s。

⑦气动元件可靠性高、使用寿命长。阀的寿命大于3000万次，高的可达1亿次以上；气缸的寿命在5000km以上，高的可超过10000km。

⑧气动技术在与其他学科技术（计算机、电子、通信、仿生、传感、机械等）结合时有良好的相容性和互补性，如工控机、气动伺服定位系统、现场总线、以太网AS-i、仿生气动肌腱、模块化的气动机械手等。

2.1.3　气动与其他传动方式的比较

自动线高节拍的运行控制中很多采用了气动技术。就机械、液压、气动、电气等众多控制技术而言，究竟应该选用哪一门技术作驱动控制，首先应考虑从信号输入到最后动力输出的整个系统，尽管在考虑某个环节时往往会觉得采用某一门技术较合适，但最终决定选用哪一个控制技术还基于诸多因素的总体考虑，如：成本、系统的建立和掌握程度的难易，结构是否简单，尤其是对力和速度的无级控制等因素。除此之外，系统的维修保养也是不可忽视的因素之一。目前很多制造厂商要求自己的生产流水线对市场变化的响应时间要快，即要允许在自己的生产流水线上方便改动某些部件或在短时间内重新设置其少量部件后，便能很快投入生产，使产品生产厂商在短时间内或在该产品的市场数量需求不是很大的情况下，也能保证市场需求，保证新产品的供应。

2.1.4　气动系统的组成

气动系统组成按控制过程分，包括气源、信号输入、信号处理及最后的命令执行四个步骤（见图23-1-1）。

①气源部分　是以空气压缩机、储气罐开始。一些气动专业人员接触更多的是气源处理单元（过滤、干燥、排气、减压和油雾这一工序）。

②信号输入部分　主要考虑被控对象能采用的信号源。在简单的气动控制系统中，其中手动按钮操作阀可作为控制运动起始的主要手段。在复杂的气动控制系统中，压力开关、传感器的信号、光电信号和某些物理量转换信号等都列入信号输入这一部分。

③信号处理有两种方式　气控和电控。气动以气动逻辑元件为主题，通过梭阀、双压阀或顺序阀组成逻辑控制回路。有些气动制造厂商已制造出气动逻辑控制器（如十二步顺序动作的步进器），更多地使用PLC或工控机控制。目前大多数气动制造厂商通过内置PLC的阀岛产品把信号处理和命令执行合并为一个控制程序。列入这部分的气动辅件有消声器、气管、接头等。

④命令执行　主要包括方向控制阀和驱动器。这里提到的方向控制阀是指接受了信号处理后被命令去控制驱动器，与信号处理过程中的方向控制阀原理是一致的，只是所处地位不同。驱动器是气动系统中最后要完成的主要目标，包括气缸、无杆气缸、摆动气缸、马达、气爪及其空吸盘。这部分的辅件有控制气缸速度的流量控制阀、快排阀，其他辅件有液压缓冲器和磁性开关。

2.1.5　气动系统各类元件的主要用途

2.2　空气的性质

2.2.1　空气的密度、比容、压力、温度、黏度、比热容、热导率

2.2.2　气体的状态变化

2.2.3　干空气与湿空气

2.2.4　压缩空气管道水分计算举例

例　一台空压机在大气温度t₁=20℃，相对湿度ф₁=80％的空压机房条件下工作，空气被压缩至0.7MPa（表压），通过后冷却器进入一个大储气罐。储气罐的压缩空气通过管道送至各车间使用。由于管道与外界的热交换，使进入车间的压缩空气t₂=24℃。各车间的平均耗气量Q=3m³/min（自由空气），求整个气源系统每小时冷凝水的析出量。

已知：p₁=0.1013MPa，p₂=（0.7+0.1013）MPa=0.8013MPa；t₁=20℃（T₁=273K+20K=293K）时，查表23-1-6可得到：p_b1=0.0023MPa，ρ_b1=17.3g/m³；t₂=24℃（T₂=273K+24K=297K）时，p_b2=0.003MPa，ρ_b2=21.8g/m³。

解：

（1）计算吸入相对湿度ф₁=80％的1m³自由空气时实际水蒸气密度ρ_s1和干空气分压力p_g1

ρ_s1=ф₁ρ_b1=80％×17.3=13.84g/m³

p_g1=p₁-ф₁p_b1=0.1013-0.8×0.0023=0.09946MPa

（2）进入车间压缩空气（p₂=0.8013MPa）的干空气分压力

p_g2=p₂-p_b2=0.8013-0.003=0.7983MPa

（3）根据表23-1-5理想气体的状态方程：pV=RT，对于一定质量的气体，压力和体积的积与热力学温度的商是个常数。理想气体的状态方程可写成（ρ-密度，kg/m³；m-质量，kg；V-体积，m³），得出，则

计算1m³自由空气经压缩至0.8MPa（绝对压力）进入车间时体积V₂

（4）车间整个气源系统每小时冷凝水的析出量为

m=60Q（ρ_s1V₁-ρ_b2V₂）=60×3×（13.84×1-21.8×0.1263）=1995.6g/h≈2kg/h

2.3　空气热力学和流体动力学规律

2.3.1　闭口系统热力学第一定律（表23-1-7）

2.3.2　闭口系统热力学第二定律

热力学第一定律只说明能量在传递和转换时的数量关系。热力学第二定律则要解决过程进行的方向、条件和深度等问题。其中最根本的是关于过程的方向问题。

若一个系统经过一个准平衡过程，由始态变到终态，又能经过逆向过程由终态变到始态，不仅系统没有改变，环境也恢复原状态，即在系统和环境里都不留下任何影响和痕迹，这种过程在热力学中称为可逆过程。否则称为不可逆过程。

可逆过程必为准平衡过程，而准平衡过程则是可逆过程的条件之一。对于不平衡过程，因为中间状态不可能确定，当然是不可逆过程。

于是，热力学第二定律可表述为：一切自发地实现的过程都是不可逆的。

熵是从热力学第二定律引出的，是一个状态参数。

熵用符号S（s）表示，其定义为

dS=dQ/T（J/K）　　（23-1-1）

1kg气体的比熵为

ds=dq/T（J·kg^-1·K^-1）　　（23-1-2）

在可逆过程中熵的增量等于系统从外界传入的热量除以传热当时的热力学温度所得的商。

熵的作用可从传热过程和做功过程对比看出。在表23-1-7p-V图上，功是过程曲线下的面积。同样，可作T-s图，如图23-1-2所示。图中曲线1-2代表一个由状态1变到状态2的可逆过程，曲线上的点代表一个平衡状态。在此过程中对工质加入的热量为

　　 （23-1-3） 　　

可见，在T-s图上，过程曲线下的面积就代表过程中加入工质的热量。s有无变化就标志着传热过程有无进行。

从式（23-1-2）知，当工质在可逆过程中吸热时，熵增大；放热时，熵减小。因此，根据工质在可逆过程中熵是增大还是减小，就可判断工质在过程中是吸热还是放热。若系统与外界绝热，dq=0，则必有ds=0，即熵不变，这样一个可逆的绝热过程称为等熵过程。

对于完全气体，比熵变化只与始态和终态参数有关，与过程性质无关，故完全气体的熵是一个状态参数。

在不可逆过程，总的比熵的变化应等于系统从外界传入的热量以及摩擦损失转化成的热量之和除以传热当时的热力学温度所得的熵。由于存在摩擦损失转换的热量，不可逆的绝热过程是增熵过程，即ds＞0。

2.3.3　空气的热力过程

2.3.4　开口系统能量平衡方程式

对图23-1-3所示的开口系统，取控制体如图中虚线所示。设过程开始前，气缸内无工质，初始储存能量为零，状态为p₁、V₁、T₁的1kg工质流入气缸时，带入系统的总能量为h₁=u₁+p₁V₁。工质在气缸内状态变化后终态参数为p₂、V₂、T₂。排出气缸时带出系统总能量为h₂=u₂+p₂V₂。流经气缸时从热源获得热量q，并对机器做功w₁。设过程结束时，工质全部从气缸排出，系统最终储存能量又为零。于是由热力学第一定律得

w₁=（q-Δu）+（p₁V₁-p₂V₂）=w+（p₁V₁-p₂V₂）　　（23-1-4）

式中，w₁是工质流经开口系统时工质对机器所做的功，即机器获得的机械能，称为技术功。若过程是可逆的，则过程可用连续曲线1-2示于图23-1-3上，式（23-1-4）可化成

　　 （23-1-5） 　　

可逆过程的技术功可用式（23-1-5）计算，即是p-V图上过程曲线左方的面积，若dp为负，过程中工质的压力下降，则技术功w₁为正，此时工质对机器做功，如蒸汽机、汽轮机、气缸和气马达等是这种情况；反之，若dp为正，过程中工质的压力升高，则w₁为负，这时机器对工质做功，如空气压缩机就是这种情况。

2.3.5　可压缩气体的定常管内流动

2.3.6　气体通过收缩喷嘴或小孔的流动

在气动技术中，往往将气流所通过的各种气动元件抽象成一个收缩喷嘴或节流小孔来计算，然后再作修正。

在计算时，假定气体为完全气体，收缩喷嘴中气流的速度远大于与外界进行热交换的速度，且可忽略摩擦损失。因此，可将喷嘴中的流动视为等熵流动。

图23-1-4为空气从大容器（或大截面管道）Ⅰ经收缩喷嘴流向腔室Ⅱ。相比之下容器Ⅰ中的流速远小于喷嘴中的流速，可视容器Ⅰ中的流速u₀=0。设容器Ⅰ中气体的滞止参数p₀、ρ₀、T₀保持不变，腔室Ⅱ中参数为p、ρ、T，喷嘴出口截面积为A，出口截面的气体参数为p_e、ρ_e、T_e。改变p时，喷嘴中的流动状态将发生变化。

当p=p₀时，喷嘴中气体不流动。

当p/p₀＞0.528时，喷嘴中气流为亚声速流，这种流动状态称为亚临界状态。这时室Ⅱ中的压力扰动波将以声速传到喷嘴出口，使出口截面的压力p_e=p，这时改变压力p即改变了p_e，影响整个喷嘴中的流动。在这种情况下，由能量方程式［表23-1-9中式（5）］得出口截面的流速为

　　 （23-1-6） 　　

由连续性方程和关系式可得流过喷嘴的质量流量计算公式

　　 （23-1-7） 　　

式中　S——喷嘴有效面积，m²，S=μA；

μ——流量系数，μ＜1，由实验确定；

p₀，p_e，p——分别为喷嘴前、喷嘴出口截面和室Ⅱ中的绝对压力，Pa，对于亚声速流，p_e=p；

T₀——喷嘴前的滞止温度，K。

式（23-1-7）中可变部分

　　 （23-1-8） 　　

称为流量函数。它与压力比（p/p₀）的关系曲线如图23-1-5所示，其中p/p₀在0～1范围内变化，当流量达到最大值时，记为Q_m∗，此时临界压力比为σ_∗

　　 （23-1-9） 　　

对于空气，γ=1.4，σ_∗=0.528。

当p/p₀≤σ_∗时，由于p减小产生的扰动是以声速传播的，但出口截面上的流速也是以声速向外流动，故扰动无法影响到喷嘴内。这就是说，p不断下降，但喷嘴内流动并不发生变化，则Q_m∗也不变，这时的流量也称为临界流量Q_m∗。当p/p₀=σ_∗时的流动状态为临界状态。临界流量Q_m∗为

　　 （23-1-10） 　　

声速流的临界流量Q_m∗只与进口参数有关。

若考虑空气的γ=1.4，R=287.1J/（kg·K），则在亚声速流（p/p₀＞0.528）时的质量流量为

　　 （23-1-11） 　　

在p/p₀≤0.528，即声速流的质量流量为

　　 （23-1-12） 　　

在工程计算中，有时用体积流量，其值因状态不同而异。为此，均应转化成标准状态下的体积流量。

当p/p₀＞0.528时，标准状态下的体积流量为

　　 （23-1-13） 　　

当p/p₀≤0.528时，标准状态下的体积流量为

　　 （23-1-14） 　　

各式中符号的意义和单位与式（23-1-7）相同。

2.3.7　充、放气系统的热力学过程

2.3.8　气阻和气容的特性及计算