双活塞缸式气动真空发生器的理论模型研究(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

  本文依据前期的实验研究结果, 将双活塞缸式气动真空发生器的活塞运动过程简化成匀加速、匀速、匀减速3个运动过程, 得到了活塞运动速度与系统参数之间的关系, 推导了不同运动阶段被抽取的真空容器内压力变化的近似解析表达式, 并采用热量补偿的方法对热交换过程的影响及时地进行修正, 通过累加计算, 得到了真空容器及吸盘的真空响应过程。

引言

  随着工业自动化生产线中对控制要求日趋严格, 需要比较精确地得到真空抽气系统启动后, 吸盘处的真空响应时间。本文介绍的双活塞缸式气动真空发生器工作原理如图1 所示,它能在相对较低的供给压力下迅速达到一般工业上需求的真空度, 并且耗气量相对较低, 有利于气动系统节能。

双活塞缸式气动真空发生器工作原理

1—动力腔Ⅰ2—动力腔Ⅱ 3—真空腔Ⅰ4—真空腔Ⅱ 5—真空容器 6—真空吸盘 7—吸气换向阀 8—驱动换向阀

图1 双活塞缸式气动真空发生器工作原理

  在真空技术网另文中已建立其数学模型, 它是一个微分方程组, 通过模型数值求解可以得到各腔室压力变化及运动情况, 但是并不能清楚地表示各参数与系统性能指标之间的关系, 为了能够更加深入了解它们的内在联系, 加快求解速度, 通过本文的研究, 希望能够得到真空吸盘的压力变化过程与系统结构参数相关的近似解析表达式, 便于进行结构优化。

1、运动过程分析

  活塞在一次抽气行程中, 真空容器内的压力变化如图2 所示。活塞启动后, 真空腔室和真空被抽容器行程的密闭容积逐渐扩张, 使压力降低, 直到接近行程末端时, 抽气换向阀换向, 另一真空腔室内的部分气体回流到被的真空容器中, 造成压力略有上升, 在下一个行程活塞反向运动时, 运动规律基本一致, 这与试验测得的压力变化过程是相同的。

一个运动行程内真空容器的压力变化过程

图2 一个运动行程内真空容器的压力变化过程

  通过前期的试验研究, 测得了系统在多组供给压力和流量下的运动情况, 图3为在如下参数时试验测得的活塞运动速度曲线: 动力腔直径30mm、真空腔直径40mm、活塞杆直径8mm、供给压力0.21MPa,平均供给流量56L/min, 在不同入口真空度时的活塞运动速度形状大致相同, 只是波动的幅度略有不同。从图3中可以看出, 活塞在开始一段为匀加速段, 中间处于一个相对变化较小的平台段, 末段为匀减速段(活塞反向运动规律也大致相同) 。为了简化计算, 我们假定将一个运动行程内活塞的运动速度分成以下3 个阶段: 匀加速运动、匀速运动和匀减速运动, 3个阶段的运动时间分别为tA、tB 、tC , 运动位移为X1、X2、X3 , 满足行程关系S = X1 + X2 + X3

一个运动行程内活塞运动速度变化

图3 一个运动行程内活塞运动速度变化

  根据真空技术网的研究, 质量流量公式可简化成

式中: pu、pd 为上、下游绝对压力, Pa;
  Ae 为流道等效流通面积, m2 ;
  R 为气体常数;
  Tu 为上游绝对温度, K。

  以气源向动力腔Ⅰ供气、活塞向右运动为例, 其流量还可表示成

  因此, 根据流量连续性关系得


qm1 = q′m1 (4)

  并且, 根据测得的腔内气体压力变化情况以及活塞的运动速度大小, 气体流动过程基本是处于亚声速流动状态, 所以

  再将式(6)代入式(3), 即得到动力腔供给流量与供给压力、平均速度、结构参数之间的关系, 如式(7)所示。

  因此, 活塞的稳定运动时的平均运动速度v也可用供给压力和流量及相关参数表示

式中: ps 为气源供给压力, Pa;
  A1 为动力腔Ⅰ工作面积, m2 ;
  Ae1动力腔Ⅰ进气流道等效面积, m2

2、热交换的影响

  双活塞缸式气动真空发生器在抽取真空的过程中, 并非在很短的时间内将被抽取容器内的气体抽出达到一定的真空度, 而是一个逐渐抽取的过程, 同时也伴随着被抽取容器内气体与外界的热交换过程。所以, 在推导真空容器内压力变化时, 必须考虑热交换过程的影响, 并及时地对气体参数进行修正, 这样才能使得到的结果更加接近实际情况。

  根据热力学第一定律和气体状态方程, 可以按绝热容积扩张过程求得被抽取容器内的压力p′以及温度, 单次抽取真空过程时间约为0.1s, 所以可先以绝热过程推导的温度与外界温度之差在过程时间内吸取的热量作为该运动过程的吸热量, 再对压力、温度进行修正, 通过这样的方法来近似模拟实际抽气过程, 计算过程如图4所示, 0→1′→1→2′→2→3′→3。

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