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--熱烈祝賀我會聯辦的科普活動被中國科協評為--優秀科普活動
12月21日，中國科學技術協會辦公廳印發《關于對2020年全國科普日有關組織單位和活動予以表揚的通知》（科協辦函普字【2020】158號），江蘇省機械工程學會、南京工程學會和江蘇省學會服務中心聯辦的“2020年全國科普日暨第一屆‘天印筑夢·科普智行’”活動，被評為優秀科普活動。
氣動基礎知識
時間：2020/7/21 16:06:14 瀏覽次數：18703
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1 .氣動技術常用單位換算
各換算關系入表2.1所示：
表2－1 單位換算表
|
一、長度（Length） |
cm |
m |
in |
ft |
|
|
1 |
0.01 |
0.3937 |
0.0328 |
||
|
100 |
1 |
39.371 |
3.2809 |
||
|
2.54 |
0.0254 |
1 |
0.0833 |
||
|
30.48 |
0.3048 |
12 |
1 |
||
|
二、質量(Mass) |
kg |
lb |
|||
|
1 |
2.2 |
||||
|
0.4536 |
1 |
||||
|
三、面積（Area） |
cm2 |
m2 |
in2 |
ft2 |
|
|
1 |
0.01 |
0.1550 |
0.001076 |
||
|
四、重量或力(Force) |
Kgf（千克力） |
Kp（千克力） |
N(Newton) |
lbf（磅-力） |
|
|
1 |
1 |
9.81 |
2.2 |
||
|
五、壓力(Pressure) |
kg／cm2 |
atm |
lb/in2(psi) |
bar |
MPa(N/m2) |
|
l |
0.9678 |
14.223 |
0.9807 |
0.09807 |
|
|
六 、流量(Flow) |
m3／hr |
Ft3/hr |
l／Min |
||
|
1 |
35.317 |
16.6667 |
|||
|
七、體積(Volume) |
m3 |
dm3或l |
ft3 |
||
|
1 |
1000 |
35.317 |
|||
|
0.02832 |
28.315 |
l |
|||
2 . 氣動技術常用公式：
一、基本單位：長度l:m，質量m：kg，時間t：S，體積：m3或l
一、基本公式：
（一）力(Force): 
（
）； 牛頓定律
（二）重量(weight)：
（）；
（三）壓力：
(
)； 1Pa=10-5bar
上式為巴斯卡原理(Pascal’s theory)
（四） 波義爾定律：見圖2.1（說明壓力與體積成反比）
（五）查理定律（charle’s Law）：
說明壓力與體積的變 化與溫度成正比。
（六）流量公式：
（
）說明了流量為管路截面積與流速之乘積，見圖2.2。
（七）自由空氣的體積流量：
（ANR m3／min）或（ N L／min）
為我們在一定溫度、一定壓力作用下的氣體流量轉換為在統一標準的自由空氣下的體積流量提供了計算方法。在選擇空壓機、氣動三聯件及各種樣本說明書中所提到的流量、額定流量,都是指自由空氣的體積流量。只有在共同的壓力標準下評價氣體流量的大小才有意義。自由空氣狀態下單位時間內的體積流量,可用ANR表示。也可寫成 Nl/min。
（八）密度：
（
）
單位體積的質量
（九）伯努利力定理
(Bernoulli’s Equation)
為單位體積流體的壓力能，
為單位體積流體位能，
為單位體積流體的動能。因此，上述伯努利方程的物理意義是：在密閉管道內作恒定流動的理想流體具有三種形式的能量，即壓力能、位能和動能。在流動過程中，三種能量可以相互轉化，但各個過流斷面上三種能量之和恒為定值。當流體速度愈快，其壓力愈低，反之速度減低，壓力增加，如圖圖2.3所示。
（十）氣缸的相關計算：
1．氣缸截面積計算：
（m2）D:氣缸內徑(m)
2．理論力：
（N）P:壓力（Pa）
3．實際力估算：
（1）單作用氣缸的實際正向力：
（2）雙作用氣缸的實際正向力：
（3）雙作用氣缸的實際反向力：
d:活塞桿直徑
（十一）氣缸每分鐘空氣消耗量計算：
某氣動回路的最大耗氣量是指該氣動回路在單位時間內所消耗氣體（排到大氣中）的多少。顯然,最大耗氣量與氣缸行程（單作用、雙作用）,氣缸直徑、行程動作頻度、方向閥到氣缸間的管路容積及氣缸的數量有關。可根據最大耗氣量選擇空氣壓縮機的容量。
（1） 空氣消耗量：
：壓縮比{
} L:氣缸行程
（2）單作用氣缸空氣消耗量：
（3）雙作用氣缸空氣消耗量：
（4）氣缸每分鐘空氣消耗量：
n:每分鐘氣缸往復次數
2.3 氣動技術中的各種壓力關系換算：
在ISO標準中壓力的單位為帕斯卡（1Pa=1N/m2），由于這個單位非常小，為了避免很大的數字，常用0.1MPa(lbar)為壓力單位：
0.1MPa=100Kpa=lbar
在工程上有時也使用老的公制單位kgf／cm2、KPa／cm2以滿足實際需要。
在物理學中壓力用絕對壓力（ABS）表示，即相對于真空的壓力。而在工程上為方便，采用的氣動壓力為表壓（GA），即高于大氣壓的那部分壓力。在真空技術中，也使用低于大氣壓的壓力即真空度（Torr）來表示。在圖2.4中以標準大氣壓（1013mbar）作為基準，列出了壓力的各種表示方法。注意標準大氣壓不是lbar，但在常規的氣動計算時，這個差別也可以忽略。
2.4 氣阻及有效斷面積：
一、氣阻的概念和氣阻的流量公式
在氣動系統中,阻礙氣體流動、產生壓降的機構和元件,稱為氣阻。在氣壓傳動中,可利用氣阻和氣容來調整氣體的流速和壓力,以達到使用目的。氣阻可抽象為圖2.5所示的阻尼形式:
任何一個氣動元件,都可認為是一個氣阻。P1為進口壓力,P2為出口壓力,P1-P2為壓差。流量增大，壓差也增大。當氣體的流速沒有達到音速、出口壓力與進口壓力之比大于0.528時,就稱為亞音速流。在亞音速流情況下,氣體的進、出口壓差同流量的關系如下：
亞音速流（P2/P1）＞0.528： Nl/min （2-1）
式中,P1、P2是氣體的進口和出口壓力,T1是進氣口氣體的溫度。
是指該氣阻的有效斷面積,用以描述氣阻的流通能力。當出口壓力與進口壓力之比小于0.528時,則氣體的流速達到了音速。音速流的氣阻的流量公式如下:
音速流 (P2/P1)
0.528： 
Nl/min （2-2）
從上式可看出,當氣體流速達到音速流時,它的流量就不再和出口壓力P2有關,而只同入口壓力有一定的關系。從上式中可知,氣阻的流量計算公式同液壓技術中的有關計算不同,它是氣動技術中的一個重要的基本概念和基本計算公式。
二、氣阻有效斷面積
（一）管路的等價有效斷面積
任一組成氣動回路的各元件,都含有氣阻。通常都采用各氣阻元件的有效斷面積來描述氣阻的大小,以計算出聯接這些氣動元件的管路的壓力損失。在工程上,通常是把一段管路的壓力損失折合成這段管路的等價有效斷面積。具體計算公式如下：
（2-3）
—計算管路有效斷面積的直徑系數，
—管道的長度
從式2-3可知,一段管路的等價有效斷面積同這一段管路的長度成反比,而同管路的直徑成正比。例如：在氣壓回路中常用的尼龍管,
的選取如表2-2所示：
表2-2 管路有效斷面積直徑 系數表
|
D(mm) |
2.5 |
4 |
6 |
7.5 |
9 |
|
|
1.8 |
6.5 |
18 |
28 |
43 |
當一段管路的直徑和長度已知時,可通過查表得到相應的Sp0,運用式2-3,可求出這段管路的等價有效斷面積Sp。管路的等價有效面斷面積間接地描述了這段路的壓力損失（氣阻）,因此,我們也可等價地將一段管路看成為一個氣阻元件。
（二）多個氣阻的復合有效斷面積
在氣動回路中,通常是將多個氣動組件串聯或者并聯起來,而形成具有一定功能的氣動回路系統,圖2.6是一個典型的氣動回路。
圖2.6 典型的氣動回路
該系統有兩個氣缸,一個單作用氣缸和一個雙作用氣缸。為了控制這兩個氣缸,回路中選用了換向閥和調速閥。為了使空氣潔凈,在回路上游設有過濾器。回路中的調速閥、換向閥和過濾器均可看作氣阻組件,而聯接這些氣阻組件的管路,也可看成是一個氣阻組件。在工程上常把這種氣阻的串聯或并聯用“復合有效斷面積”進行綜合評價。如在圖2.6中,調速閥的有效斷面積是S3,從過濾器到氣缸間管路的等價有效斷面積為Sp,電磁換向閥的有效斷面積為S2,管路上游過濾器的有效斷面積為S1。則這條管路上的有效斷面積可分別表示為S1、Sp、S2、S3。這個串聯組成的氣阻組件,如圖2.7所示：
它的復合有效斷面積,可通過下式計算：
(2-4)
在圖2.9中的過濾器、方向閥、調速閥及從過濾器到氣缸間的連接管路的有效斷面積分別用 S1、S2、S3、S4表示時,這段回路可看成是一個整體組件,它的復合有效斷面積的平方的倒數等放各氣阻組件的有效斷面積的平方的倒數之和。當氣阻并聯時,如圖2.8所示，則它的復合有效斷面積可用下式表示：
Se并＝ S1＋S2＋S3＋……＋Sn （2-5）
上式說明多個氣阻并聯時,其復合有效斷面積等于每個氣阻組件有效斷面積之和。
(三) 有效斷面積與Cv值
目前,氣動組件的流通能力常用氣阻的有效斷面積Se或流量特性系數Cv值來描述。日本的JIS標準中采用Se，而歐洲國家則采用Cv值表示。兩者可用下式進行換算：
Se＝18Cv （2-6）
閥的流量特性系數可用下式計算：
（2-7）
Q:流量（SCFM） ΔP: P1-P2 P1——入口壓力（psi），P2——出口壓力（psi）
Pa:大氣壓力（psi） T1:溫度 0K G:氣體系數
2.5 壓縮空氣的露點溫度
一、相對濕度與露點溫度
自然界的空氣是申很多氣體混合而成的。其主要成分有氮(N2)和氧(O2)，其他氣體占的比例極小。此外，空氣中常含有一定量的水蒸氣。水蒸氣的含量取決于大氣的濕度和溫度。我們把通常把把含有水蒸氣的空氣稱為濕空氣，把不含水蒸氣的空氣稱為干空氣。標準狀態下(即溫度為0℃、壓力為p=0.1013 MPa)干空氣的組成如表2-3所示。
表2-3 干空氣的組成
|
成 分 |
氮氣N2 |
氧氣O2 |
氬Ar |
二氧化碳CO2 |
其他氣體 |
|
體積百分數／％ |
78.03 |
20.93 |
O．932 |
0.03 |
O．078 |
|
質量百分數／％ |
75.50 |
23.10 |
1.28 |
0.045 |
O．075 |
大氣中通常含有水份,但除了急劇的惡劣天氣情況外(如溫度突然下降)，一般大氣都不會飽和。物理學中將實際水份含量與飽和時水份含量的比值叫相對濕度，以百分比表示：
（2-7）
露點是指在規定的空氣壓力下，當溫度一直下降到成為飽和狀態時，水蒸氣開始凝結的那一剎那的溫度。如果空氣繼續冷卻，那么它不能保留所有的水份，過量的水份則以小液滴的形式凝結出來形成冷凝水。
空氣中水份的含量完全取決于溫度，表2.4列出了從-40℃到+40℃的溫度范圍內每立方米大氣所能含有的飽和水份的克數。所有大氣的含量都用標準體積m n 3表示，不需計算。
表2.4露點溫度時飽和空氣的水分含量
|
溫度0C |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
|
g/m n 3 (標準) |
4.98 |
6.99 |
9.86 |
13.76 |
18.99 |
25.94 |
35.12 |
47.19 |
63.03 |
|
g/m n 3(大氣壓) |
4.98 |
6.86 |
9.51 |
13.04 |
17.69 |
23.76 |
31.64 |
41.83 |
54.11 |
|
溫度0C |
0 |
-5 |
-10 |
-15 |
-20 |
-25 |
-30 |
-35 |
-40 |
|
g/m n 3 (標準) |
4.98 |
3.36 |
2.28 |
1.52 |
1 |
0.64 |
0.4 |
0.25 |
0.15 |
|
g/m n3(大氣壓) |
4.98 |
3.42 |
2.37 |
1.61 |
1.08 |
0.7 |
0.45 |
0.29 |
0.18 |
注：1大氣壓=98.1KPa 1標準大氣壓=101.331KPa 1bar=100 KPa
露點又可分為大氣壓露點和壓力露點兩種，大氣壓力露點是指在大氣壓下水分的凝結溫度。圖2-9給出了溫度在－30℃～＋80℃范圍內每立方米大氣所含有水分的克數，而壓力露點是指氣壓系統在某一高壓下的凝結溫度．以空氣壓縮機為例，其吸入口為大氣壓露點，輸出口為壓力露點。圖2-10為大氣壓露點與壓力露點之間的換算表。如要求大氣壓露點為－22℃，在壓力為7 bar狀況下的壓力露點，則可在圖2-10中查到壓力露點為4℃，意為在壓力為7 bar，當空氣冷卻到4℃時，若將其減壓成大氣壓，則水分在－22℃以下會凝結，濕空氣便有水滴析出。降溫法清除濕空氣中的水分利用的就是此原理。
