气压传动及控制
—基础知识篇
压力和温度
气体的状态及状态方程
气体状态变化过程
标准状态和基准状态
湿空气
气体的流量及过流能力
有效面积的合成主 要 内 容压力的单位：
– 法定单位,Pa
– 常用单位 KPa,MPa,bar,Kgf/cm2
– 1KPa=1000Pa
– 1MPa=1*106Pa
– 1bar=1*105Pa
– 1 Kgf/cm2 =0.981 *105Pa
– 一个大气压 =1.013*105Pa（ 可以感性地体会到一个大气压的压力气 体 的 压 力压力可用绝对压力,表压力和真空度来表示绝对压力：相对于绝对真空的压力。
真空度：低于当地大气压的压力值。
气 体 的 压 力表压力：高出当地大气压的压力值（压力表显示的压力）。
表压力绝对压力真空度绝对压力当地大气压 P=Pa
绝对真空 P=0
在公式的计算中一般用绝对压力,有些经验公式也用表压力和真空度 。 （ 千万不要搞错 ） 。
在工程实际中常用表压力和真空度 。
气 体 的 压 力华氏温度 ℉,用 tF表示 3259 ttF
气 体 的 温 度温度的单位热力学温度（绝对温度）用 K表示摄氏温度 ℃,用 t表示,t=T-273.15
理想气体状态方程：
p——绝对压力（ Pa）；
v——比容 （ m3/kg） ；
R——气体常数 （ J/Kg·K） ；
T——绝对温度 （ K）
RTpv?
气体的状态及状态方程气体的状态参数有哪些？
压力、温度、密度气态状态发生变化，实际上就是气体的状态参数发生改变。气体状态的变化符合气态状态方程。
气体的状态及状态方程气体发生状态变化时不可能只有一个状态参数变化，而其他两个参数不变。
通过状态方程可以知道：
知道了两个状态参数就可以知道另外一个状态参数。
气 体 状 态 变 化 过 程气体作为气动系统的工作介质，在能量传递过程中其状态是要发生变化的。
这里所说的状态变化是指压力 p,比容 v,温度 T
三状态参数变化。
将气体由状态 1变化到状态 2可以有附加限制条件地简化为的四种过程,等压过程,等容过程,等温过程,绝热过程 。
把不附加条件限制，往往更接近实际的变化过程称为 多变过程 。
等压过程 p—v曲线常数 pRTvTvTv
2
2
1
1
变化过程符合：
气 体 状 态 变 化 过 程 – 等 压过程气体在保持压力 p不变的条件下，从状态 1变化到状态 2，温度由 T1变化到 T2,比容由 v1变化到 v2称为等压变化过程。
等容过程 p—v曲线变化过程符合：
常数 vRTpTpTp
2
2
1
1
气 体 状 态 变 化 过 程 – 等 容过程气体在容积保持不变的条件下，由状态 1变化到状态 2，其温度由 T1变化到 T2,压力由 p1变化到 p2称为等容变化过程等温过程 p—v曲线变化过程符合：
p1v1＝ p2v2＝ RT＝ 常数气 体 状 态 变 化 过 程 – 等 温过程气体在保持温度不变的条件下，由状态 1变化到状态 2，其压力由 p1变化到 p2,比容由 v1变化到 v2的过程称为等温变化过程绝热过程 p—v曲线变化过程符合：
常数?kpv
k——绝热指数，对不同气体有不同值，空气为 1.4
气 体 状 态 变 化 过 程 – 绝 热过程气体在状态变化过程中，与外界无热量交换，称这种变化过程为绝热过程变化过程符合：
常数?npv
n为多变指数，它是一个 0至 +∞的数气 体 状 态 变 化 过 程 – 多 变过程不加任何附加条件的气体状态变化过程称为多变过程，前面介绍的四种变化过程均为多变过程的特例。严格地讲等温和绝热过程是不存在的，只是在工程实际中为计算方便而假设的变化过程。
气 体 状 态 变 化 过 程前四种过程是多变过程的特例，表现在指数 n不同：
n＝ 0时,p＝ 常数（等压过程）
n＝ ∞时,v＝ 常数（等容过程）
n＝ 1时,T＝ 常数（等温过程）
n＝ k时,pvk＝ 常数（绝热过程）
在气动系统中，气体的变化是一个多变过程,n一般在 1-1.4之间发生变化。
在计算中，常假设经过节流口的流动为绝热过程，在管路和气缸中的流动为等温过程。
标准状态和基准状态标准状态指温度为 20℃,相对湿度为 65%、压力为 0.1MPa时空气的状态。
在标准状态下，空气的密度 ρ=1.185kg/m3。
标准状态下的单位后面可标注 (ANR),如标准状态下的空气流量是 30m3/h,可写成 30m3/h(ANR)。
基准状态指温度为 20℃,压力为 1.013*105Pa的干空气的状态。基准状态下空气的密度 1.293kg/m3。
什么叫湿空气,自然界中的空气基本上都是湿空气，这是因为在地球上，江河湖海中的水不断地蒸发到空气中，空气中或多或少都含有水蒸气，把这种含有水蒸气的空气称为湿空气。
湿 空 气
湿空气和气动系统有什么关系？
– 在气动系统中，当空气压缩机将湿空气压缩成压缩空气时，其相对湿度会增大很多，压缩空气冷却时 /后，
会有大量的水滴凝结出来。
– 假如系统中的空气含有液态的水滴，会使气动系统的稳定性和寿命有很大的影响。因湿度大的空气会使气动元件腐蚀生锈，润滑剂稀释变质等。为保证气动系统正常工作，在压缩机出口处要安装冷却器，使压缩空气中的水蒸气凝结析出，在贮气罐出口处安装空气干燥器，进一步消除空气中的水分。
湿 空 气
注意,在气罐下面要安装排水器，定期排水。
很多人在使用时不注意，导致气罐内积存了大量的水。
即使在系统中加了干燥器，但是如果系统中气缸和管路匹配不好的话，也会导致在运行过程中出现水滴，并逐渐积累，这也就是常说的 结露现象 。
湿 空 气用什么来衡量湿空气中含有多少水分？
绝对湿度,每立方米的湿空气中，含有水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度。用 χ表示。（不形象）
相对湿度,在同一温度下，湿空气中水蒸气分压
ps和饱和水蒸气分压 pb的比值称为相对湿度，用
φ 表示。（形象）
V
ms
%100
b
spp?
湿 空 气
一般空气的相对湿度在 0～ 100%之间,100%时达到饱和状态。
湿空气大多是处于未饱和状态，相对湿度很清楚地表明了湿空气继续吸收水分的能力和离饱和状态的远近。
气动系统中元件使用的工作介质的相对湿度不得大于 95%，当然希望越小越好。
湿 空 气
露点温度,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，开始凝结成水滴时的温度叫做空气在该空气压力下的 露点温度 。
– 工业生产中常用露点温度是衡量空气中所含水分。
– 露点分为大气压露点和压力露点。
– 大气压露点 是指在大气压下的水分凝结温度。 压力露点 是指在一定压力下的水分凝结温度。
– 压力不同,空气的露点也不同 。
– 也可以表示空气干燥器的干燥能力 。
湿 空 气湿 空 气 – 露 点温度转换表
在气动系统的设计和选型过程中，流过阀口和管路的流量是一个很重要的参数。那么这个流量是如何计算的？
– 首先理解气体等熵通过渐缩喷管时的流量。
– 借鉴气体等熵通过渐缩喷管的流量公式给出流过气动元件的流量公式。
– 对应不同的过流能力表示方法，给出相应的流量公式。
气体的流量及过流能力
注意,流量分为质量流量和体积流量，不要搞混。
在这里给出的流量公式均为质量流量。体积流量和压力有关，常用的是标准状态下的体积流量。要转换成标准状态的体积流量只需要将质量流量除以标准状态下的空气密度即可。
气体的流量及过流能力
气体等熵通过渐缩喷管时的流量当 时（亚音速）：
当 时（音速）：
528.01
1
2 pp
1
1
2
2
1
2
1
21
1
1
2
p
p
p
p
RTApq m
528.0
1
2?pp
2
1
104.0 ATpq m?
P1,T1
u1=0
P2,A2
u2
气体的流量及过流能力
气体通等熵通过渐缩喷管的流量曲线
0.528 1 P2/P1
qm
0 音速流 亚音速流气体的流量及过流能力
实际气体流过气动元件时，由于其内部流道较复杂，流动损失不能忽略。实际通过元件的质量流量小于理论流量，设流量系数 Cd是实际流量与理论流量之比，则实际流量为：
当 时（亚音速）：
当 时（音速）：
528.01
1
2 pp
1
1
2
2
1
2
1
21
1
1
2
p
p
p
p
RTApCq dm
528.0
1
2?pp
2
1
104.0 ATpCq dm?
气体的流量及过流能力
在实际中往往用有效截面积 S来表示气动元件的过流能力。
假设有一个最小截面积为 S的收缩喷管，流动处于壅塞状态时，其质量流量为 qm;若被试气动元件于上述喷管处于相同的入口总参数（压力，温度），
流动也处于壅塞状态时，且流过的质量流量也为 qm，
这时称 S值就是该元件的等效截面积。
用 S来计算气动元件流量的计算公式为：
当 时（亚音速）：
当 时（音速）：
528.01
1
2 pp
1
1
2
2
1
2
1
1
1
1
2
p
p
p
p
RTSpq m
528.0
1
2?pp
STpq m
1
104.0?
气体的流量及过流能力
在气动系统中还常用流通能力 Cv来代表气动元件的流通能力。
Cv值的定义是,流量系数 Cv是阀全开时，
以 60F（ 约 15.6℃ ）的清水，在阀前后压差保持为 1PSi（ 约为 0.007 MPa） 流经阀的流量值。 Cv值为 1，表示压力降为 1PSi,通过阀的水的流量为 1U.S.gal/min（ 1U.S.gal/min
=3.785l/ min）。
S和 Cv值的关系为：
VCS 18?
气体的流量及过流能力
由于气动元件内部的结构比较复杂，不同于渐缩喷管。这使流动的音速和亚音速分界点不是压力比为
0.528的点。
为解决这个问题，流量计算的新的发展趋势是用 声速流导 C和 临界压力比 b来计算描述气动元件的过流能力，并用这两个参数来计算经过元件的流量
当 时，管内为亚音速流
当 时，管内为音速流
bpp
1
21
2
1
1
21 11?
b
bpp
T
TCPq b
v
bpp?
1
2
1
21 TTCPqv?
气体的流量及过流能力
在气动系统中，当出现管路或者阀相互串联或并联时如何计算？
串联时
并联时
式中
S——合成有效截面积 （ mm2） ；
S 1,S2,Sn——各阀相应的有效截面积 （ mm2） 。
22
2
2
1
2
1111
nSSSS
222212 nSSSS
有 效 面 积 的 合 成
—基础知识篇
压力和温度
气体的状态及状态方程
气体状态变化过程
标准状态和基准状态
湿空气
气体的流量及过流能力
有效面积的合成主 要 内 容压力的单位：
– 法定单位,Pa
– 常用单位 KPa,MPa,bar,Kgf/cm2
– 1KPa=1000Pa
– 1MPa=1*106Pa
– 1bar=1*105Pa
– 1 Kgf/cm2 =0.981 *105Pa
– 一个大气压 =1.013*105Pa（ 可以感性地体会到一个大气压的压力气 体 的 压 力压力可用绝对压力,表压力和真空度来表示绝对压力：相对于绝对真空的压力。
真空度：低于当地大气压的压力值。
气 体 的 压 力表压力：高出当地大气压的压力值（压力表显示的压力）。
表压力绝对压力真空度绝对压力当地大气压 P=Pa
绝对真空 P=0
在公式的计算中一般用绝对压力,有些经验公式也用表压力和真空度 。 （ 千万不要搞错 ） 。
在工程实际中常用表压力和真空度 。
气 体 的 压 力华氏温度 ℉,用 tF表示 3259 ttF
气 体 的 温 度温度的单位热力学温度（绝对温度）用 K表示摄氏温度 ℃,用 t表示,t=T-273.15
理想气体状态方程：
p——绝对压力（ Pa）；
v——比容 （ m3/kg） ；
R——气体常数 （ J/Kg·K） ；
T——绝对温度 （ K）
RTpv?
气体的状态及状态方程气体的状态参数有哪些？
压力、温度、密度气态状态发生变化，实际上就是气体的状态参数发生改变。气体状态的变化符合气态状态方程。
气体的状态及状态方程气体发生状态变化时不可能只有一个状态参数变化，而其他两个参数不变。
通过状态方程可以知道：
知道了两个状态参数就可以知道另外一个状态参数。
气 体 状 态 变 化 过 程气体作为气动系统的工作介质，在能量传递过程中其状态是要发生变化的。
这里所说的状态变化是指压力 p,比容 v,温度 T
三状态参数变化。
将气体由状态 1变化到状态 2可以有附加限制条件地简化为的四种过程,等压过程,等容过程,等温过程,绝热过程 。
把不附加条件限制，往往更接近实际的变化过程称为 多变过程 。
等压过程 p—v曲线常数 pRTvTvTv
2
2
1
1
变化过程符合：
气 体 状 态 变 化 过 程 – 等 压过程气体在保持压力 p不变的条件下，从状态 1变化到状态 2，温度由 T1变化到 T2,比容由 v1变化到 v2称为等压变化过程。
等容过程 p—v曲线变化过程符合：
常数 vRTpTpTp
2
2
1
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气 体 状 态 变 化 过 程 – 等 容过程气体在容积保持不变的条件下，由状态 1变化到状态 2，其温度由 T1变化到 T2,压力由 p1变化到 p2称为等容变化过程等温过程 p—v曲线变化过程符合：
p1v1＝ p2v2＝ RT＝ 常数气 体 状 态 变 化 过 程 – 等 温过程气体在保持温度不变的条件下，由状态 1变化到状态 2，其压力由 p1变化到 p2,比容由 v1变化到 v2的过程称为等温变化过程绝热过程 p—v曲线变化过程符合：
常数?kpv
k——绝热指数，对不同气体有不同值，空气为 1.4
气 体 状 态 变 化 过 程 – 绝 热过程气体在状态变化过程中，与外界无热量交换，称这种变化过程为绝热过程变化过程符合：
常数?npv
n为多变指数，它是一个 0至 +∞的数气 体 状 态 变 化 过 程 – 多 变过程不加任何附加条件的气体状态变化过程称为多变过程，前面介绍的四种变化过程均为多变过程的特例。严格地讲等温和绝热过程是不存在的，只是在工程实际中为计算方便而假设的变化过程。
气 体 状 态 变 化 过 程前四种过程是多变过程的特例，表现在指数 n不同：
n＝ 0时,p＝ 常数（等压过程）
n＝ ∞时,v＝ 常数（等容过程）
n＝ 1时,T＝ 常数（等温过程）
n＝ k时,pvk＝ 常数（绝热过程）
在气动系统中，气体的变化是一个多变过程,n一般在 1-1.4之间发生变化。
在计算中，常假设经过节流口的流动为绝热过程，在管路和气缸中的流动为等温过程。
标准状态和基准状态标准状态指温度为 20℃,相对湿度为 65%、压力为 0.1MPa时空气的状态。
在标准状态下，空气的密度 ρ=1.185kg/m3。
标准状态下的单位后面可标注 (ANR),如标准状态下的空气流量是 30m3/h,可写成 30m3/h(ANR)。
基准状态指温度为 20℃,压力为 1.013*105Pa的干空气的状态。基准状态下空气的密度 1.293kg/m3。
什么叫湿空气,自然界中的空气基本上都是湿空气，这是因为在地球上，江河湖海中的水不断地蒸发到空气中，空气中或多或少都含有水蒸气，把这种含有水蒸气的空气称为湿空气。
湿 空 气
湿空气和气动系统有什么关系？
– 在气动系统中，当空气压缩机将湿空气压缩成压缩空气时，其相对湿度会增大很多，压缩空气冷却时 /后，
会有大量的水滴凝结出来。
– 假如系统中的空气含有液态的水滴，会使气动系统的稳定性和寿命有很大的影响。因湿度大的空气会使气动元件腐蚀生锈，润滑剂稀释变质等。为保证气动系统正常工作，在压缩机出口处要安装冷却器，使压缩空气中的水蒸气凝结析出，在贮气罐出口处安装空气干燥器，进一步消除空气中的水分。
湿 空 气
注意,在气罐下面要安装排水器，定期排水。
很多人在使用时不注意，导致气罐内积存了大量的水。
即使在系统中加了干燥器，但是如果系统中气缸和管路匹配不好的话，也会导致在运行过程中出现水滴，并逐渐积累，这也就是常说的 结露现象 。
湿 空 气用什么来衡量湿空气中含有多少水分？
绝对湿度,每立方米的湿空气中，含有水蒸气的质量称为湿空气的绝对湿度。用 χ表示。（不形象）
相对湿度,在同一温度下，湿空气中水蒸气分压
ps和饱和水蒸气分压 pb的比值称为相对湿度，用
φ 表示。（形象）
V
ms
%100
b
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湿 空 气
一般空气的相对湿度在 0～ 100%之间,100%时达到饱和状态。
湿空气大多是处于未饱和状态，相对湿度很清楚地表明了湿空气继续吸收水分的能力和离饱和状态的远近。
气动系统中元件使用的工作介质的相对湿度不得大于 95%，当然希望越小越好。
湿 空 气
露点温度,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，开始凝结成水滴时的温度叫做空气在该空气压力下的 露点温度 。
– 工业生产中常用露点温度是衡量空气中所含水分。
– 露点分为大气压露点和压力露点。
– 大气压露点 是指在大气压下的水分凝结温度。 压力露点 是指在一定压力下的水分凝结温度。
– 压力不同,空气的露点也不同 。
– 也可以表示空气干燥器的干燥能力 。
湿 空 气湿 空 气 – 露 点温度转换表
在气动系统的设计和选型过程中，流过阀口和管路的流量是一个很重要的参数。那么这个流量是如何计算的？
– 首先理解气体等熵通过渐缩喷管时的流量。
– 借鉴气体等熵通过渐缩喷管的流量公式给出流过气动元件的流量公式。
– 对应不同的过流能力表示方法，给出相应的流量公式。
气体的流量及过流能力
注意,流量分为质量流量和体积流量，不要搞混。
在这里给出的流量公式均为质量流量。体积流量和压力有关，常用的是标准状态下的体积流量。要转换成标准状态的体积流量只需要将质量流量除以标准状态下的空气密度即可。
气体的流量及过流能力
气体等熵通过渐缩喷管时的流量当 时（亚音速）：
当 时（音速）：
528.01
1
2 pp
1
1
2
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1
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1
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p
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P1,T1
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P2,A2
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气体的流量及过流能力
气体通等熵通过渐缩喷管的流量曲线
0.528 1 P2/P1
qm
0 音速流 亚音速流气体的流量及过流能力
实际气体流过气动元件时，由于其内部流道较复杂，流动损失不能忽略。实际通过元件的质量流量小于理论流量，设流量系数 Cd是实际流量与理论流量之比，则实际流量为：
当 时（亚音速）：
当 时（音速）：
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气体的流量及过流能力
在实际中往往用有效截面积 S来表示气动元件的过流能力。
假设有一个最小截面积为 S的收缩喷管，流动处于壅塞状态时，其质量流量为 qm;若被试气动元件于上述喷管处于相同的入口总参数（压力，温度），
流动也处于壅塞状态时，且流过的质量流量也为 qm，
这时称 S值就是该元件的等效截面积。
用 S来计算气动元件流量的计算公式为：
当 时（亚音速）：
当 时（音速）：
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1
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1
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104.0?
气体的流量及过流能力
在气动系统中还常用流通能力 Cv来代表气动元件的流通能力。
Cv值的定义是,流量系数 Cv是阀全开时，
以 60F（ 约 15.6℃ ）的清水，在阀前后压差保持为 1PSi（ 约为 0.007 MPa） 流经阀的流量值。 Cv值为 1，表示压力降为 1PSi,通过阀的水的流量为 1U.S.gal/min（ 1U.S.gal/min
=3.785l/ min）。
S和 Cv值的关系为：
VCS 18?
气体的流量及过流能力
由于气动元件内部的结构比较复杂，不同于渐缩喷管。这使流动的音速和亚音速分界点不是压力比为
0.528的点。
为解决这个问题，流量计算的新的发展趋势是用 声速流导 C和 临界压力比 b来计算描述气动元件的过流能力，并用这两个参数来计算经过元件的流量
当 时，管内为亚音速流
当 时，管内为音速流
bpp
1
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2
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b
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21 TTCPqv?
气体的流量及过流能力
在气动系统中，当出现管路或者阀相互串联或并联时如何计算？
串联时
并联时
式中
S——合成有效截面积 （ mm2） ；
S 1,S2,Sn——各阀相应的有效截面积 （ mm2） 。
22
2
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nSSSS
222212 nSSSS
有 效 面 积 的 合 成
