SMC气动控制

SMC气动技术1气动技术概述气动系统的组成空气的基本性质流体力学的基本知识空气的湿度气动基础知识2•密度-单位体积内所含气体的质量称为密度。单位为kg/m³。气体状态参数3•压力-压力可用绝对压力、表压力和真空度来衡量。•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•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。•真空度-低于当地大气压的压力值。•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。•温度（开尔文）-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。•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）”。•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。•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。•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。气体状态方程𝑝𝑉=𝑅𝑇•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.k)•𝑇−热力学温度，𝐾𝑝=ρ𝑅𝑇=𝑚𝑉𝑅𝑇•ρ−密度，kg𝑚3•V−体积，𝑚3•m−质量，kg对一定质量的气体，状态方程也可以写成：•𝑃1𝑉1𝑇1=𝑃2𝑉2𝑇24或写成法则•波义尔法则（等温）•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。•查理法则（等容，体积不变）•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。𝐏𝟏𝐓𝟏=𝐏𝟐𝐓𝟐例如：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。•盖-吕萨克法则（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。𝐕𝟏𝐕𝟐=𝐓𝟏𝐓𝟐例如：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。伯努利方程式P+12ρ𝑣2=P0或者P1+12ρ𝑣12=P0+12ρ𝑣22P0―――速度为零处的压力，称为总压力P―――静压力𝑣―――气体流动速度流速高处压力低，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。5𝑣1𝑣2P1P2,𝑣1𝑣2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。空气中的音速在1个标准大气压和15℃的条件下约为340米/秒。6Cv值Cv值—被测元件全打开，元件两端压差Δp0=1ibf/in2(ibf/in2=6.89kPa),温度为60oF(15.5oC)的水，通过原件的流量为qv，单位为USgal/min(1USgal/min=3.785L/min)[此单位是USgal美加仑],则流通能力Cv值为Cv=qv*ρΔp0ρ0Δp*Cv—流通能力，USgal/minqv—实际测得水的流量，USgal/minρ—实际测得水的密度，g/cm3ρ0—60oF(15.5oC)温度下水的密度，ρ0=1g/cm3Δp=p1-p2p1和p2是被测元件上、下游的压力，ibf/in27C值[流量计算公式]:(1)当𝑃2+0.1𝑃1+0.1b为声速流动Q=600XC(𝑃1+0.1)293273+𝑡(2)当𝑃2+0.1𝑃1+0.1b为亚声速流动Q=600XC(𝑃1+0.1)293273+𝑡1−𝑃2+0.1𝑃1+0.1−𝑏1−𝑏2请注意计算时压力值都转为绝对压力值.(表压+0.1)旧的JIS标准新的JIS标准流量特性有效截面积mm2声速流导(dm3/s*bar)临界压力比0.5实测值大气压0.1013MPa0.1MPaC—声速流导(dm3/s*bar)P1—上游侧表压力[MPa]P2—下游侧表压力[MPa]Q—流量[dm3/min](ANR)t=空气温度oCb=临界压力比(临界压力比是流速达到当地声速时工质的压力与滞止压力之比。临界压力比是分析管内流动的一个重要数值，截面上工质的压力与滞止压力之比等于临界压力比是气流速度从亚声速到超声速的转折点。临界压力比只与工质有关。)8C值[流量计算公式]:(1)0𝑃2+0.1𝑃1+0.1≦0.5Q=120XSX(𝑃1+0.1)293273+𝑡(2)0.5𝑃2+0.1𝑃1+0.1≦1Q=240XSX(𝑃1−𝑃2)(𝑃2+0.1)293273+𝑡S—有效截面积mm2旧的JIS标准新的JIS标准流量特性有效截面积mm2声速流导(dm3/s*bar)临界压力比0.5实测值大气压0.1013MPa0.1MPa9换算关系式壅塞流态下（声速状态）的有效截面S值与声速流导C值一一对应，两者之间仅计量单位不同，通过换算，存在：S=5C式中，S以mm²计，C以L/（s·bar）计声速流导Ｃ和临界压力比b旧的JIS标准新的JIS标准流量特性有效截面积mm2声速流导(dm3/s*bar)临界压力比0.5实测值大气压0.1013MPa0.1MPa［例题］如图已知上游侧压力为0.2Mpa,温度为20℃,内径为2mm喷嘴向外喷出压缩气体至大气中,请计算流量?解:假设喷嘴处有效截面积为截面积的0.9倍,计算出S=πd24=3.14∗224*0.9≈2.8mm2求出临界压力比值：𝑃2+0.1𝑃1+0.1=0.10.2+0.1=0.330.5Q=120XSX(𝑃1+0.1)293273+𝑡dm3/min=120X2.8X(0.2+0.1)293273+20≈100dm3/min也可查公式二压缩空气流量特性表：𝑃1=0.2𝑀𝑃𝑎,𝑃2=0.1𝑀𝑃𝑎,交点处的值约为36，计算可得Q=36X2.8≈100dm3/min(ANR)10露点、压力露点[露（露水）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。[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。11湿度[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。[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。[绝对湿度]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。[相对湿度]每立方米湿空气中，水蒸气的实际含量（即未饱和空气的水蒸气密度ρvb）与同温度下最大可能的水蒸气含量（即饱和水蒸气密度ρb）之比称为相对湿度。记为φ。气动系统中使用的空气，希望相对湿度越低越好。通常当空气的相对湿度在60％－70％时，人感觉舒适。相对湿度既反映了湿空气的饱和程度，也反映了湿空气离饱和程度的远近。[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/m³Rb---------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/Pb12计算冷凝水参考图[例]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。13空气压缩机后冷却器储气罐气源系统14空气压缩机产生、处理和贮存压缩空气的设备称为气源设备。由气源设备组成的系统称为气源系统。典型的气源系统如图所示：空压机按压力高低可分为低压型（0.2～1.0Mpa）、中压型（1.0～10Mpa）和高压型（10Mpa）；按工作原理可分成：容积型：通过缩小气体体积来提高气体的压力的方法称为容积型。速度型：提高气体的速度、让动能转化为压力能，来提高气体压力的方法称为速度型，也叫透平型或涡轮型。15活塞式空气压缩机有单级活塞式空压机和两级活塞式空压机，单级常用于需要0.3～0.7Mpa压力范围的系统。单级空压机压力超过0.6Mpa，产生的热量太大，空压机工作效率太低，故常使用两级活塞式空压机。若最终压力为1.0Mpa，则第一级通常压缩至0.3Mpa。设置中间冷却器是为了降低第2级活塞的进口空气温度，以提高空压机的工作效率。活塞式空压机需设置气罐。工作流程图：16空气压缩机滑片式空气压缩机当转子旋转时，各滑片主要靠离心作用紧贴定子内壁。转子回转过程中，左半部(输入口)及气。在右半部，滑片逐渐被定子内表面压进转子沟槽内，滑片、转子和定子内壁围成的容积逐渐减小，吸入的空气就逐渐地被压缩，最后从输出口排出压缩空气。一般需在输出口设置油雾分离器和冷却器。螺杆式空气压缩机两个咬合的螺旋转子以相反方向转动，它们当中的自由空间的容积沿轴向逐渐减小，从而两转子间的空气逐渐被压缩。若转子和机壳之间相互不接触，则不需润滑，这样的空压机便可输出不含油的压缩空气。它可连续输出无脉动的流量大的压缩空气，出口空气温度为60度左右。17后冷却器风冷式空压机输出的压缩空气温度可达180℃，在此温度下空气中的水分完全呈气态。后冷却器的作用就是将空压机出口的高温空气冷却至40℃以下，将大量水蒸气和变质油雾冷凝成液态水滴和油滴，以便将它们清除掉。风冷式是靠风扇产生的冷空气吹向带散热片的热气管道来降低压缩空气的温度的。SMC公司有HAA（风冷）和HAW（水冷）系列的后冷却器，额定流量从150～30000L/min（ANR）。水冷式它把冷却水与热空气隔开，强迫冷却水沿热空气的反方向流动，以降低压缩空气的温度。水冷式后冷却器出口空气温度约比冷却水的温度高10℃。后冷却器最低处应设置自动或手动排水器，以排除冷凝水。适用于进口空气温度低于200℃，且处理空气量较大、湿度大、粉尘多的场合。18储气罐选用计算公式[作用]消除压力脉动。依靠绝热膨胀及自然冷却降温，进一步分离掉压缩空气中的水分和油份。贮存一定量压缩空气。可解决短时间内用气量大于空压机输出量的矛盾。在空压机出现故障或停电时，维持短时间的供气，以便采取措施保证气动设备的安全。[注意事项]气罐属于压力容器，应遵循压力容器的有关规定。必须有产品耐压合格证明书。气罐上必须装有安全阀、压力表，且安全阀与气罐之间不得再装其他的阀等。最低处应设有排水阀，每天排水1次。绝对压力低于0.1MPa、真空度小于0.02Mpa、容积内径小于150mm