[科普中国]-气动动力系统

气动动力系统产品性能结构及组成产品由马达，脚踏开关，手柄，气管及磨头、钻头、切刀等附件组成。

简介气动动力系统

注册号国食药监械(进)字2005第2541844号(更)

生产厂商名称（中文）Aesculap AG & CO·KG

产品性能结构及组成产品由马达，脚踏开关，手柄，气管及磨头、钻头、切刀等附件组成。

产品适用范围用于脊柱外科手术打孔、切割和环钻术。

注册代理贝朗医疗（上海）国际贸易有限公司北京办事处

售后服务机构贝朗医疗（上海）国际贸易有限公司

有效期截止日2009·07·12

备注规格型号由“GA505”变更为“GA505R”；由“GA506”变更为“GA506R”；由“GA507”变更为“GA507R”；由“GA523”变更为“GA523R”；由“GA513”变更为“GA513R”；注册证由“国食药监械(进)字

2005第2541844号”变更为“国食药监械(进)字2005第2541844号(更)”，原证自发证之日起作废。

变更日期2007·03·31

生产国（中文）德国

规格型号见附表产品标准进口产品

注册标准 YZB/GEM 0452－2005《HiLAN气动动力系统》

气动汽车动力系统分析应用热力学理论和分析方法，对气动汽车动力系统各主要环节在工作过程中能量损失情况进行了研究，结果表明，由于节流、泄漏和高压尾气排放等原因，在高压减压阀和气动发动机两个环节存在损失。运用平衡方程对相关环节中的损失进行计算，建立了系统的分析数学模型，并针对一气动汽车动力系统实例，应用该模型仿真计算得到了系统的流图，图示结果表明，最终做功输出的不到总有用能量的1/3，尾气排放、节流减压和泄漏等原因引起的 损失分别达43.2%、18.3%和7.8%，对系统整体效率有较大的影响。1

气动汽车动力系统工作过程气动汽车动力系统主要由车载高压储气罐组、高压减压阀、流量调节阀、气动发动机和串连这些部件的管道等组成，其工作过程中能量流动的情况如。车载高压储气罐组中的高压空气流出气罐后通过节流阀减压至设定的压力，作为发动机的进气。随后的流量调节阀用于控制进入气动发动机气缸的气体流量，以此调节发动机的转速，适应不同工况的要求。在气缸中膨胀做功的气体的压力并不能最终降低到大气压力，而是以一定的残余压力在工作循环结束时通过排气门排放至环境中。

气动汽车动力系统的几乎所有能量来源于车载气罐组中高压气体的压力能，还有部分能量来源于高压气体经过热交换器时从环境中吸收的热量。气体从气罐出来后所经过的各个环节均存在不同的能量损失情况，主要有流过管路和接头等处时壁面摩擦引起的能量损失；高压减压阀减压过程中气体状态不可逆变化过程引起的能量损失；气体在发动机内的膨胀做功过程，存在泄漏、尾气带压排放等情况，是不可逆过程，也将引起能量损失。以上环节是进行分析的重点，考虑到气体的黏性很小，且管道长度较短，气体与管壁摩擦引起的损失可以忽略，同时，流量调节 阀由于一般通 径较大，对气体状态影响较小，引起的能量损失也较小。1

气动发动机的损失以往复活塞式气动发动机为例，在理想的工作过程中气缸内气体压力的变化，1点(上止点)进气冲程开始，进气门开启，缸内压力迅速上升到进气压力pin，并继续向气缸内进气，进尔推动活塞下行，对外做功。当活塞运行到由设定的膨胀比确定的位置3时，进气门关闭，封闭在气缸中的高压气体开始膨胀，压力能释放，并继续推动活塞

下行对外做功。当活塞运行到下止点4时，排气门开启，缸内气体向外排出，压力降低到大气压p0，之后到达下止点5，活塞上行将缸内残余气体排出回到上止点1，完成一个工作循环。在这个过程中，由于结构和膨胀比有限等原因，不可避免地存在一定的泄漏、尾气排放压力较高等情况，气体经历了一个不可逆热力学过程，损失较大。以下对一个发动机工作循环内 损失情况进行分析。1

在进气过程中，由于气缸内气体压力和温度保持不变，泄漏引起的 损失是泄漏气体自身具有的，为了研究泄漏的影响，

进气门关闭后气体在膨胀阶段膨胀做功，由于一般发动机转速较高，一个工作循环中吸热量相对很小，对输出功的影响可以忽略，因此膨胀过程可视为绝热膨胀。由于有泄漏的存在，气缸内气体的状态变化并不等同于定质量系统绝热变化过程，是一个变质量热力过程。变质量系统热力学研究表明，引入过程多变指数，可以推导得到有泄漏存在时绝热变化过程中气体状态参数变化规律。1

动力系统分析仿真计算由分析建立的气动汽车动力系统分析模型可知，由于气罐中气体的温度在系统工作过程中不保持恒定，将会影响到后续环节损失的计算，需要在整个工作时间段内进行积分计算。基于以上模型编写了数值计算程序，对不同工作情况下系统的损失进行了仿真计算。

选取如下气动汽车动力系统相关参数：初始压力为20MPa，总容积为300L，发动机进气压力为1.5MPa，发动 机转速为1500r/min，总排量为0.8L，膨胀比为1.7，发动机进气阶段泄漏系数为0.08，膨胀阶段泄漏系数为0.05，空气绝热指数为1.4，空气气体常数为0.287kJ/(kgK)，计算得到系统流程图。

由计算结果可以看到，由于气动发动机膨胀比较小，尾气压力排放较高，损失了大量的，同时经历过程为绝热过程。温度低于环境压力的进气所具有的冷量 也随之损失，因此尾气排放时的损失最多，占到接近总量的一半。其次是高压减压阀节流产生的损失，占到接近总量的1/5，且随减压比的提高而增大。泄漏损失在 损失的总量中虽然较小，但随泄漏系数的增大将迅速增大。因此，由以上多方面原因造成的 损失，最后可用于做功输出的不到总量的1/3。1

气动汽车动力系统能效分析应用有效能分析方法，对气动汽车动力系统主要环节的有效能消耗进行了分析，通过仿真计算，得到各环节的能耗值。分析结果表明：节流减压有效 能损耗约占50%；吸热量很小的情况下，动力系统的输出的机械能只占总能量的20%左右，而按理想等温膨胀，输出的机械能可以达到总能量的40%。2

气动汽车动力系统有效能分析有效能 (火用 ) 是在给定的环境条件下任何形态的能量最大限度能够转变为有用功的那部分能量，代表着能量中量和质统一的部分。有效能分析法的本质是结合热力学第一定律和第二定律，从能量的数量和质量相结合的角度出发，分析揭示能量中的有效能的转换、传递、利用和损失的情况。采用有效能分析方法对气动汽车动力系统进行分析，可以正确、全面地评价系统能源利用率，对节能潜力做出正确的判断，根据有效能损失的原因找出节能的正确措施，提高动力系统的能量利用率。2

工作过程如下：气源中的高压空气通过节流阀减压至发动机的进气压力，作为发动机的进气，在发动机中膨胀，压力能转化为机械能，对外输出机械功，在工作循环结束时以一定残余压力排放至大气。

从有效能的角度分析，气动汽车动力系统的能量来自于车载储气瓶中高压空气的有效能。系统工作过程中，一部分通过发动机膨胀做功转化为汽车的驱动力得到有效利用，其余则在动力系统的各个环节损失掉。有效能损失的环节包括：高压气体通过气动管路时气体与管壁摩擦引起的有效能损失；气体通过减压阀节流减压过程中的有效能损失；气体在发动机内膨胀做功过程中的有效能损失，包括泄漏损失、热力过程不可逆损失、尾气排放损失等。其中，气体与管壁摩擦引起的有效能损失很少，且与具体的结构有关。2

动力系统能效分析气动汽车的工作过程实质上是高压气体的减压过程：压力为p1的高压空气经过减压阀节流减压到发动机的进气压力 (p2 )，在气缸内膨胀对外输出能量，最后以压力为pg的尾气排放出去。2

气动发动机工作过程的有效能消耗气动发动机在工作过程中难免存在一定的泄漏，因此气动发动机工作过程属于变质量热力过程，应该用变质量热力学进行分析：根据变质量热力过程热力学基本关系式，推导出过程方程，引入过程多变指数，可以得到有漏气膨胀过程中参数变化规律及输出功量的表达式。2

动力系统能效分析计算示例由的分析可以定量计算各环节有效能消耗的情况。例如，取p1=30MPa，p2=2.0MPa，pa=0.2MPa，p0=0.1MPa，T0=300K，漏气系数ξ=0.1，空气绝热指数k为1.4，空气气体常数R为0.287kJ/(kg K)，节流损失引起的有效能损失占很大一部分比重，约为48%。在吸热量很小的情况下，动力系统输出的机械能只占总能量的20%左右。而按理想等温膨胀 (Tg=T0，n=1- k)，则可以达到40%左右。不同吸热量的情况下，发动机的输出功变化曲线。可以看到，随着吸热量的增加，发动机的输出功接近线性增加。因此，设计气动发动机时，应加强膨胀过程中气体的吸热，使其尽可能接近等温膨胀，增加发动机输出功。2

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学