气动基础知识（三）

一、气源介绍&空压机和气罐选型计算

1、空气压缩机的选用原则：

1）根据气动设备或系统工作要求的气源压力大小选用空气压缩机的排气压力，同时还应考虑从压缩机排气口到气动设备或系统供气管道、阀门等的压力损失，一般选用压缩机的排气压力应大于气动设备或系统正常工作所需气源压力的10%~20%。

2）根据气动设备或系统工作要求的压缩空气流量（通常是指气动设备工作压力状态下的流量又称为有压流量），再将有压流量转换为空气压缩机的额定容量（或称为铭牌流量或自由流量），并考虑到气动设备和系统管道阀门的泄漏量，以作为选用空气压缩机容量的依据。

必须注意，所谓压缩机的额定容量（或称铭牌流量或自由流量）时指空气压缩机第一级特定的进口空气状态（环境空气温度为t0、压力为1x10^5 Pa状态）时的排气量。因此，压缩空气的有压流量和自由流量可按下式换算。

Q有=Q压xP压xT自/（p自xT压）（m^3/min）

式中：

Q有一指自由状态（压力为1x10^5 Pa，温度为20℃）的流量（m^3/min）；

Q压一指气动设备或系统工作压力状态下的流量（m^3/min）；

P压一指气动设备或系统工作的气源绝对压力（P压=（p表+1.013x10^5Pa））；

P自一指自由转态气体压力（p自=1.013x10^5Pa）；

T压一指气动设备或系统工作的气源温度（T压=（273+t）K）；

T自一指自由状态气体温度（T自=（273+t0）K）；

3）根据气动设备或系统的工作环境对供给压缩空气的质量要求，并考虑到基建投资费用，决定选用无油润滑型空气压缩机还是有油润滑的空气压缩机。

注：前者产生的压缩空气中不含油分，因而在气源系统中不需设置除油过滤设备，但无油润滑空气压缩机价格较贵，投资大。后者产生的压缩空气中含有油蒸气，因而在气源系统中必须增加除油过滤设备，但有油润滑空压机价格随比前者低，但又因在气源系统中增加了除油过滤设备使总投资反而增加。

2、贮气罐

其主要作用是减弱活塞式空气压缩机排出气流的脉动；同时稳定压缩空气气源系统管道中的压力，缓解供需压缩空气流量。此外，还可进一步冷却压缩空气的温度，分离压缩空气中所含油分和水分的效果。

贮气罐的选用：

贮气罐容积设计和选用，是根据用户气动设备或系统在一定时间内所需的空气量和工作压力的要求决定，这种要求时设想压缩机或外部管网突然停止供应（例如突然停电，供给贮气罐的空气流量QA=0）情况下，仅以贮气罐内贮存的压缩空气供气，维持气动设备或系统工作，并保证在一定时间周期内，压缩空气的压力不致降到维持气动设备或系统正常工作最低压力以下，贮气罐的最小容积可按下式计算。

V1=(V2-Q1*t)/(p1-p2)x p  (m^3)

式中：

V1一贮气罐容积（m^3）；

V2一气动设备或系统消耗的自由空气流量（m^3/min）；

Q1一压缩机或外部管网供应的有压空气流量（m^3/min）；

t一气动设备或系统工作周期（min）；

p1一贮气罐的进气压力（绝对压力）（Pa）；

p2一允许贮气罐内下降的最低压力（绝对压力）（Pa）；

p一大气压力（绝对压力）（Pa）。

注：贮气罐与冷却器、油水分离器等都属于受压容器，在每台贮气罐上必须配套有以下装置：

1）安全阀：一种安全保护装置，使用时可调整其极限压力比正常工作压力高约10%。

2）贮气罐空气进出口应装有闸阀，在贮气罐上应有指示灌内空气压力的压力表。

3）贮气罐结构上应有检查用的人孔或手孔。

4）贮气罐底端应有排放油、水的接管和阀门。

3、流量控制阀的选择：

流量控制阀的作用是：对气缸的活塞运动速度的调节；对延时换向阀，可调节信号延时时间的长短；对气信号传递快慢的调节；油量（如油雾器）的调节等。为使气动控制系统能正常工作，需合理选择流量控制阀，选用时应考虑以下几点：

1）根据气动系统或执行元件的进、排气口通径来选择。

2）根据调节流量范围来选用。

3）根据使用条件（如普通气动控制系统或逻辑控制系统）选用。

注：用流量控制的方法调节气缸活塞的速度比液压困难，特别是在超低速的调节中用气动很难实现，但如能充分注意下面个点，则在大多数场合，可使气缸调节速度达到比较满意的程度。

1）调节气缸活塞的速度一般有进气节流和排气节流两种，但多采用后者，用排气节流方法比用进气节流的方法稳定、可靠。

2）采用流量控制阀调节气缸活塞的速度时气缸的速度不得小于30mm/s。若小于这个速度，由于受空气的可压缩性和气缸阻力的影响，调节速度是很困难的。

3）彻底防止管道中的漏损，有漏损则不能期望有正确的速度控制，也是低速这种倾向越显著。

4）要特别注意气缸内表面加工精度和表面粗糙度，尽量减少内表面的摩擦力。在低速场合，往往使用聚四氟乙烯等材料做密封圈。

5）要始终使气缸内表面保持一定的润滑状态。润滑状态一改变，滑动阻力也就改变，速度调节就不可能稳定。

6）加在气缸活塞杆上的载荷必须稳定。若这种载荷在行程中途有变化，则速度调节相当困难，甚至成为不可能。在不能消除载荷变化的情况下，必须借助于液压力，有时也使用平衡锤或连杆等，这样能得到某种程度上的补偿。

7）必须注意调速阀的位置。原则上调速阀应设在气缸管接口附近。

4、缓冲装置（注意气缸缓冲结构的设计）：（固定节流缓冲和可变节流缓冲）

气缸一般以100~300mm/s的速度快速运行，为了防止气缸活塞到达行程终点时，以很大速度撞击缸盖，引起气缸振动和损坏，因此，需配有缓冲装置。

二、耗气量计算

1、与压缩空气等价的自由空气体积：

与压缩空气等价的自由空气体积从图册中查得，其计算公式如下：

V=Vc*（p+0.1013）/0.1013 （m^3）

式中：

V一自有空气的体积，m^3；

Vc一压缩空气的体积，m^3；

P一表压力指示值，MPa。

例如：体积为0.2m^3，压力为0.6MPa的压缩空气，求其当量自由空气的体积？

解：0.6MPa表压力的绝对压力应为0.6+0.1013=0.7013MPa，连接Vc=0.2和p+0.1013=0.7013两点，交于V数轴，得V=1.38m^3。

2、配管的压力降与流量计管径的关系

气动系统的配管压力降与流量及管径的关系可从图册中查得，

图中：

P一工作压力，MPa；

Q一流量，m^3/min；

D一管径，mm或in；

△p一每100m管路的压力降，MPa。

例如：一通径为64mm的管道，当工作压力为0.5MPa（绝对压力为0.6013MPa）、流量为5m^3/min时，求100m管长的压力降为多少？

解：将数轴p1=0.6013与Q=5两点相连，连线交辅尺一点，将此点与数轴D=64相连，其连线延长至与数轴△p相交，得△p=0.089MPa。

3、配管的直径与管道内的流量及流速的关系

气动系统配管管道的管径与管道内的流量计了流速的关系可查相关图册，其计算公式如下：

式中：

D一压缩空气管道管径，mm；

Q一压缩空气在管道内的流量，m^3/h；

V一压缩空气在管道内的流速，m/s。

例如：已知管道内压缩空气的流量Q=20m^3/h，若要满足流速v=8m/s的要求，应使用多大管径的压缩空气管道？

解：

将数轴Q=20m^3/h和v=8m/s两点相连，其连线延长后交于数轴D，得D=30mm。

4、气缸理论输出力和气缸有效输出力的计算，气缸的有效输出力一般按85%的理论输出力计算。

5、气缸耗气量：

气缸耗气量与缸径、行程及工作压力的关系可从相关图册中查得，其计算公式如下：

Q=π/4* D^2*L*10^3*(p+0.1013)/0.1013

式中：

Q一自由空气耗气量，L；

D一缸径，m；

L一行程，m；

P一工作压力，MPa。

例如：一气缸缸径为0.3m，行程0.1m，求在工作压力为0.2MPa时自由空气耗气量为多少？

解：连接数轴D=0.3m，行程L=0.1m两点，其连线交辅尺于一点，将此点与数轴p+0.1013上的0.3013相连，其连线交于数轴Q，得Q=21L。

带活塞杆的气缸耗气量：

在已知气缸缸径、活塞杆直径及工作压力的情况下，气缸耗气量可由图册中查得，其计算公式如下：

Q=π/4*（D^2-d^2）*L*10^3*(P+0.1013)/0.1013

式中：

Q一行程为0.01m时自由空气耗气量，L；

D一缸径，m；

d一活塞杆直径，m;

L一行程，m；

P一工作压力，MPa。

例如：缸径为0.09m，活塞杆直径0.01m，工作压力为0.2MPa，求行程为0.1m时的自由空气耗气量为多少？

解：数轴 D+d=0.1m、D-d=0.08m的两点连线与辅尺相交，将此交点与数轴p+0.1013=0.3013点相连，得Q=0.186L，则行程为0.1m时的耗气量为0.186x0.1/0.01=1.86L。

6、贮气罐容积计算：

流量变化较大时贮气罐的容积与空压机额定流量及工作压力的关系可由相关图册中查得，其计算公式如下：

V=0.1013Q/(P+0.1013)

V’=3V

式中：

V一理论气罐容积，m^3；

V’一流量变化大时，为保持工作压力所必须的气罐容积，m^3；

P一工作压力，mpa；

Q一空压机额定流量，m^3/min。

例如：空压机额定流量为0.9m^3/min，工作压力为0.6MPa，求流量变化大时的气罐容积为多少？

解：将数轴Q=0.9m^3/min、p+0.1013=0.7013MPa两点相连，其连线交于数轴V’，得V’=0.39m^3。

7、小孔或喷嘴的空气流量

通过小孔或喷嘴的空气流量与工作压力机小孔直径的关系可从相关图册中查得，其计算公式如下：

式中：

Q一当p2/p1≤0.528（音速）时通过小孔的流量（m^3/min）；

P1一小孔上游的绝对压力（MPa）；

a一小孔流量系数；

D一小孔直径，mm。

例如：0.6MPa（表压）之压缩空气，通过直径D=15mm的小孔，小孔流量系数a=0.65，小孔的空气流量是多少？

解：将数轴上p1=0.6MPa和a=0.65两点相连，其连线与辅尺相交，其交点与数轴D=15mm点相连，其连线与数轴Q相交，得Q=8.6m^3/min。

8、小孔流量的温度修正

已知20℃时的小孔流量，求其在其他温度时的小孔流量可由图册中查得。

例如：20℃时小孔的空气流量为14.6m^3/min，求温度为90℃时小孔的空气流量是多少？

解连接数轴Q=14.6m^3/min和T=363两点,其连线交数轴Q’所得之值乘以10，即得90℃时小孔空气流量Q’=1.31x10=13.1m^3/min。

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