双活塞缸式气动真空发生器的改进设计及试验研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京理工大学机械学院SMC技术中心 作者:潘孝斌

  双活塞缸式气动真空发生器相对于目前广泛使用的射流式真空发生器, 它具有供给压力低、耗气量少的优点, 在气动真空系统中具有很大的应用前景。文中针对原系统中设计的不足, 提出了以一个抽气换向阀替代原有两个抽气单向阀的改进设计。试验研究结果表明, 改进后系统的主要性能在原有基础上均有一定程度的提高, 极限真空度可达93kPa, 超过同级别的射流式真空发生器, 在同样供给流量下, 抽取1L容器真空度达80kPa 时的响应时间减少了12.5%。

  在工业自动化发展过程中, 气动真空吸取技术已越来越广泛地应用于各种生产线上, 主要用于吸取易碎、柔软、薄的非铁、非金属材料, 以完成搬运、夹紧或包装等作业。目前, 在生产线上广泛应用的真空发生装置主要为射流式真空发生器, 压缩气体通过喷嘴的高速流动从而产生一定的真空度。根据其工作原理决定了它只能在较高的供给压力下才能达到极限真空度, 并且耗气量大, 不利于气动系统节能。真空技术网前文中提出了一种新型的真空发生器PVSCTC- 1( Pneumatic Vacuum System Consisting of Two Cylinders- 1) , 工作原理如图1 所示, 它可在相对较低的供给压力下达到较高的极限真空度, 这就有可能直接或接利用气缸排气的能量进行工作, 产生真空, 达到气动系统节能的目的, 在工程应用中具有较高的应用价值。

 双活塞缸式气动真空发生器工作原理

1.动力腔Ⅰ 2.动力腔Ⅱ 3.真空腔Ⅰ 4.真空腔Ⅱ 5.连接管道等效容器 6.真空吸盘 7.换向阀

图1 双活塞缸式气动真空发生器工作原理

  这种新型的真空发生器作为一种节能的气动真空发生装置, 在满足基本性能要求的基础上, 本身应具有较高的能量使用效率, 否则研究意义不大。通过前期的研究发现, 其响应时间和耗气量这两个性能指标上较同级别的射流式真空发生器都还存在一定的差距。本文研究的目的正是通过相关的理论分析, 对其不足之处进行改进, 提高整体能力水平。

1、改进设计的理论依据

1.1、极限真空度分析

  系统的工作原理在真空技术网另文中已叙述, 当真空腔室无法继续抽取等效真空容器中的气体时, 即真空腔室余隙容积中的气体完全膨胀后的压力恰等于真空容器中的气体压力与抽气单向阀开启压力之和时, 达到了系统的极限状态, 真空容器达到极限真空度。根据绝热过程的气体状态方程可得, 系统达到极限状态时真空腔室内与真空容器( 真空吸盘) 所能达到的极限真空度p' vmax、pvmax 分别为:

式中p0———大气压力, Pa
  Δp1———排气单向阀开启压力, Pa
  Δp2———抽气单向阀开启压力, Pa
  s———活塞运动行程, m
  x0———真空腔室余隙容积等效行程, m

  由式(1)和式(2)可知, 真空容器内的极限真空度与抽、排气单向阀的开启压力、腔体余隙容积和行程大小都相关, 并且低于真空腔室内的极限真空度, 差值为抽气单向阀开启压力大小,并且抽气单项阀的开启压力对吸盘处所能达到的真空度影响最为直接。例如, 单向排气阀、吸气阀开启压力为12kPa 时, 若真空腔室内能够达到的最高真空度为95 kPa, 则真空吸盘处能达到的最大真空度约为83 kPa。由此说明, 在抽气过程中, 其中有很大一部分的压力损失在抽气单向阀处。

1.2、响应时间分析

  系统响应时间是与系统的有效抽速和被抽取容器容积大小相关的, 关系如下:

式中pc———等效真空容器内气体绝对压力, Pa
  V———等效真空容器容积, L
  Se———系统有效抽速, L/min

  在特定的工作场合下, 被抽取的容器大小或连接的管道长度一般都是固定的。因而, 系统的有效抽速得到了提高, 系统响应时间也就响应减少了。而系统的有效抽速是由真空发生装置的自身抽速和抽气流道的流通性能共同决定的, 在一定的供给流量下, 其自身的抽速是确定的。只能通过提高抽气流道的流通性能来减少系统响应时间。

  随着真空容器内的真空度逐渐升高, 真空腔室与真空容器间的压差逐渐减小, 每个抽气过程抽气单向阀的开启程度也相应减小, 使得真空腔室更加难以从真空容器内抽出气体, 最终导致系统响应时间增加。所以, 抽气单向阀对抽气流道的流通性能以及系统有效抽速都有较大的影响,不利于减少系统响应时间。

  综上所述, 图1 中的两个抽气单向阀不仅影响了系统极限真空度, 而且在抽气过程中, 尤是当入口真空度较高时, 其开启程度的减小也限制了系统响应时间的减少, 需要对系统结构进行相应改进, 提高双活塞缸式气动真空发生器的性能水平。

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