双活塞缸式气动真空发生器的改进设计及试验研究(2)

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

2、系统结构改进设计

  上节中通过对系统极限真空度和响应时间的分析, 发现了现阶段限制系统主要性能提高的主要原因。因此, 本文提出了采用一个抽气换向阀来替代原有两个抽气单向阀的改进设计, 改进后的系统工作原理如图2 所示, 命名为PVSCTC-2。

改进后的真空发生器系统工作原理

1.动力腔Ⅰ 2.动力腔Ⅱ 3.真空腔Ⅰ 4.真空腔Ⅱ 5.真空容器 6.真空吸盘 7.抽气换向阀 8.驱动换向阀

图2 改进后的真空发生器系统工作原理

  活塞式真空发生器的抽气过程采用抽气换向阀控制时, 不仅消除了抽气流道中原抽气单向阀开启压力的损失, 也克服了抽气过程抽气有效面积逐渐减小的不利影响, 有利于提高系统极限真空度、减少响应时间。但在PVSCTC- 2 型中依然保留了原两个排气单向阀, 这是因为若同样以换向阀取代两排气单向阀, 虽然可使真空腔排气时余隙容积气体压力有所降低, 也减少了回流气体产生的真空压力波动, 但当活塞反向运动时,大气气体也将流入上一次行程中的抽气腔内, 反而增加了活塞运动时的阻力, 不利于往复运动速度的提高, 从而也影响系统的有效抽速; 另外, 若突然停止气源供气, 活塞很可能最终停留在行程的一侧, 使抽气换向阀处在换向过程中, 这样就不能保证真空腔室与真空容器连接的密闭性, 不能维持住真空吸盘处原有的真空度, 导致吸取的工件脱落。所以, 为了避免上述两点不利影响, 保留了原有两个排气单向阀。

  但是, 在此改进的同时, 也随之带来了不利的影响。由于在具体结构设计时, 抽气换向阀是位于动力腔室和真空腔室之间, 靠外侧的真空腔室Ⅱ在抽气时需绕过整个真空腔体, 不可避免使得余隙容积增大, 这对系统极限真空度有不利影响, 也增大了真空容器中压力波动。

  在具体零部件结构设计前, 先对系统进行了仿真研究, 主要参数如下: 动力腔直径40 mm, 真空腔直径40 mm, 活塞杆直径8 mm, 行程40 mm,供给压力0.15 MPa。图3 为系统结构改进前后的真空响应过程对比。仿真结果表明, PVSCTC- 2 在系统极限真空度和响应时间这两项主要性能标上都有一定程度提高。同时, 图3 中PVSCTC- 2的真空响应过程也的确出现之前分析的气体回流产生的真空度波动现象, 这是由结构设计所造成的, 无法避免, 只能通过尽可能减小真空腔室的余隙容积来减小波动。

系统改进前后真空响应过程仿真结果对比在相同结构参数下真空响应过程实验对比

图3 系统改进前后真空响应过程仿真结果对比  图4 在相同结构参数下真空响应过程实验对比

3、试验研究

3.1、试验验证

  通过系统的仿真研究, 表明采用一抽气换向阀替代原有的两个抽气单向阀能够使系统性能得到一定程度的提高, 改进是可行的, 但还需通过试验研究的方法来进行验证。本文根据图2 所示的系统工作原理设计了改进后样机模型的各具体零部件结构, 并进行了相关的试验研究。图4为PVSCTC-1、PVSCTC-2样机模型在相同结构参数下, 供给压力为0.15MPa时实验测得的真空响应过程对比, 模型结构参数见上节。从图中可看出, 改进后的PVSCTC-2样机模型较PVSCTC-1在极限真空度和响应速度上都有较大幅度的提高, 尤其是达到较高真空度时的响应时间大大减少了。而在相同的供给压力下, 两者的供给流量几乎相同, 这说明了在相同供给耗气量的情况下, 改进后模型的实际有效抽气流量比原模型的大, 抽气效率更高, 与之前的理论分析和仿真结果是一致的。图4 在相同结构参数下真空响应过程实验对比

3.2、主要影响因素试验研究

(1) 动力腔直径的影响

  通过对多组不同动力腔直径下的样机模型进行试验, 结果表明, 动力腔直径与系统的极限真空度基本无关, 主要是对活塞的往复运动速度有较大的影响, 从而影响系统在不同入口真空度下的实际抽速, 即流量特性。图5为不同动力腔直径下, PVSCTC-2样机模型在相同供给压力下试验测得的系统流量特性。在一定范围内动力腔直径越小, 活塞往复运动速度也越快, 实际有效抽速越高。这是因为, 越大的驱动直径进、排气体的质量也越多, 在相同进、排气流道有效面积下, 需要的时间也越长, 使得活塞的运动速度降低, 最终导致有效抽速的下降。

 不同驱动腔直径下的流量特性不同行程下的真空响应过程对比

图5 不同驱动腔直径下的流量特性  图6 不同行程下的真空响应过程对比

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