快速响应低耗气真空节能系统的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京理工大学SMC气动技术中心 作者:滕燕

  一般来说,由真空发生器构成的真空系统在工作时需要连续的供气,空气消耗量很大,为节省能源,可选用小直径的喷嘴;另一方面,自动化生产线的动作节拍通常对真空发生器的响应时间提出了较高的要求,此时需要选用大直径的喷嘴。针对这一矛盾,文中构建了一种由两个真空发生器构成的双喷嘴真空系统,根据系统不同的真空状态,可实现双喷嘴和单喷嘴之间的切换。对真空切换控制方法进行的仿真和实验研究表明,将双喷嘴真空系统的切换真空度值确定为等于(或略小于)由响应时间所对应的真空度值是比较合适的。对双喷嘴真空系统进行的实验结果表明,与单喷嘴真空系统相比,在一定的控制条件下,该系统可实现快速响应和低耗气量。

1、引言

  由真空发生器构成的气动真空系统,由于结构简单、体积小、价格低、安装使用方便等特点,被广泛地应用于电子、半导体、食品机械、印刷机械、汽车组装、自动搬运机械、机器人等工业生产的各个领域。真空发生器是利用拉瓦尔喷管的原理,当供气压力高于一定值时,喷管射出超声速射流,在气体黏性的作用下,卷吸负压腔内的气体,从而形成真空的气动元件。因此,利用真空发生器产生真空时,需要对其进行连续的供气,空气消耗量很大。近年来,人们越来越重视对真空发生器真空系统的节能研究。如日本的某株式会社开发的一种集真空喷嘴、单向阀和真空开关于一体的真空发生器,在一定的控制方法下,1个运送周期内,与相同尺寸单一喷嘴的真空发生器相比,空气消耗量可减少80 %左右。但这种方法只适用于对气密性工件的搬运,对木板、纸板等材质疏松工件的搬运并不适用。另一方面,真空发生器作为自动机械的一部分,必须满足自动机械的动作和节拍要求,这就对真空发生器的响应速度提出了更高的要求。因此,研究快速响应低耗气的真空节能系统具有十分现实的意义。

  一般地,采用大直径喷嘴的真空发生器,由于排气量大,真空响应速度较快,但维持真空并不需要很大的排气量,因此造成浪费。反之,采用小直径喷嘴的真空发生器,可以减少空气消耗量,但响应时间较长。针对这一矛盾,文中提出了一种双喷嘴真空系统,旨在实现快速响应的同时减少系统的空气消耗量,满足自动化生产线上生产节拍要求,同时达到良好的节能效果。

2、双喷嘴真空系统的结构

  双喷嘴真空系统的结构如图1所示。其工作过程为:接通气源,真空发生器1 、2共同抽取真空,此时为真空抽取阶段;当真空度达到真空压力开关设定的真空度值时,真空压力开关输出控制信号控制电磁阀3、4,切断真空发生器2 的供气,此时,真空发生器1继续工作,为真空保持阶段。

双喷嘴真空系统回路图

图1  双喷嘴真空系统回路图

3、真空发生器真空切换控制方法研究

3.1、数学模型的建立

  图2 为真空发生器的结构示意图,主要由喷管、负压腔、扩散腔等组成。真空发生器工作时,管内气体的流动可近似地认为是一维可压缩的绝热流动过程。

真空发生器结构示意图

图2  真空发生器结构示意图

  设p1为配管及吸盘内真空腔的压力, p2为真空发生器扩散口的压力, b为临界压力比。当p2/p1≤b 时,真空腔内气体由大气压p0降到p1所需的时间为:

 

  式中V为真空腔容积; T0为真空腔的初始温度;s 为扩散口面积; R为气体常数。

  当1≥p2/p1>b 时,真空腔内气体由p10降到p1所需的时间为:

  式中, p10为由声速放气变为亚声速放气的临界压力,其余符号同式(1) 。

3.2、真空切换控制方法的研究

  1) 仿真研究

  利用上述的理论分析模型,首先,对双喷嘴真空系统进行了仿真研究。图3a 为供给压力0.48 MPa ,真空压力开关设定值为57kPa ,真空腔容积为0.07L ,两喷嘴直径分别为0.5mm(对应图1 中的真空发生器1,下同) 和1.3mm (对应图1中的真空发生器2,下同)时,双喷嘴真空系统真空度的实验曲线与仿真曲线对比。可以看出,仿真曲线较好地吻合了实验曲线。

  对于双喷嘴真空系统,由真空抽取阶段切换到真空保持阶段的真空度值我们称为切换真空度。图3b给出了供给压力为0.48 MPa ,真空腔容积为0.07 L ,两喷嘴直径分别为0.5 mm 和1.3 mm ,切换真空度分别为47kPa、57kPa、67kPa、77kPa时双喷嘴真空系统真空度的仿真曲线。从图3b上可以看出,选取不同的切换真空度值将影响双喷嘴真空系统的性能。因此,需要选择最佳的切换真空度值。

系统的真空度仿真曲线

图3  系统的真空度仿真曲线

  2) 实验研究

  为了确定双喷嘴真空系统的最佳切换真空度值,对该系统进行了实验研究。这里我们规定:在相同供给压力下,以达到最大真空度63%的时间作为系统的响应时间,系统在工作时间ts内的空气消耗量作为耗气量。

  图4a给出了双喷嘴真空系统在供给压力为0.48MPa ,两喷嘴直径分别为0.5mm 和1.3mm ,切换真空度值分别设定为47kPa 、57kPa 、67 kPa 和77kPa时的真空度实验曲线。图4b 给出了同样条件下该系统的供给流量实验曲线。

实验曲线

图4  实验曲线

  由图4a可以看出,在0.48MPa 的供给压力下,系统的最大真空度约为91kPa ,按照前面的规定,以真空度到达63%×91≈57kPa 的时间作为响应时间。当切换真空度为47kPa 时,系统的响应时间约为0.125 s ,实际上,这个时间比由喷嘴直径为1.0 mm 的真空发生器构成的单喷嘴真空系统的响应时间0.113s(见图5a) 还要长。因此,47kPa 是不应当确定为最佳切换真空度值。当切换真空度值为57kPa、67kPa 和77kPa 时,系统的响应时间基本相同,为0.071s。另一方面,由图4b可知,随着切换真空度值的提高,系统的动态流量增加,导致了系统耗气量的增加。综合考虑快速响应和低耗气量两个方面的要求,对该实验系统,在供气压力为0.48 MPa时,可将切换真空度值确定为57kPa ,即对应于由响应时间所确定的真空度值。

  通过以上的分析,我们认为将切换真空度值确定为等于(考虑电磁阀的响应时间时可略小于) 由响应时间所对应的真空度值是比较合适的。

4、双喷嘴真空系统的实验研究

  对图1 所示的双喷嘴真空系统(以下简称系统2) 进行了实验研究。系统中选用了喷嘴直径分别为0.5 mm和1.3 mm 的2种真空发生器。为比较该系统的性能,选用喷嘴直径为1.0mm 的真空发生器构成单喷嘴真空系统(以下简称系统1)进行了对比实验。

系统1 、2 的实验曲线

图5  系统1 、2 的实验曲线

4.1、响应时间的比较分析

  图5a 所示为供给压力0.48MPa,系统2中切换真空度值为57kPa时,系统1、系统2的真空度实验曲线。从图5a 中可以看出,在0.48MPa的供给压力下,系统2的响应时间为0.071s ,系统1 的响应时间为0.113s ,系统2的响应时间小于系统1的响应时间。

4.2、耗气量的比较分析

  图5b 所示为供给压力为0.48 MPa ,系统2中切换真空度值为57kPa 时,系统1 与系统2在1s时间段内供给流量的实验曲线。

  对供给流量实验曲线进行积分可得系统的耗气量。图5c 表示了20s内各个时刻系统1、2的耗气量。可以看出,系统2的耗气量明显低于系统1的耗气量。而且,随着系统工作时间的延长,这种差异将越来越大。

5、结论

  文中构建了一种双喷嘴真空系统, 根据系统不同的真空状态,可实现双喷嘴和单喷嘴之间的切换。对真空切换控制方法进行了仿真和实验研究,认为将双喷嘴真空系统的切换真空度值确定为等于(或略小于) 由响应时间所对应的真空度值是比较合适的。对双喷嘴真空系统的实验研究表明,与单喷嘴真空系统相比,在一定的控制条件下,该系统可实现快速响应和低耗气量。

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