活塞式气动真空发生器节能控制研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京理工大学机械工程学院 作者:潘孝斌

  在真空吸盘吸取工件后的真空维持阶段,为了能够减少活塞式气动真空发生器的耗气量,提出了3种节能控制回路进行对比试验。结果表明,阶梯式流量控制方式节能效果显著、适应范围广。为此,深入研究了供给流量与工况参数、结构参数的相互影响关系,以此为依据设计了真空压差致动的阶梯式流量控制阀。试验结果表明,相比同级别射流式真空发生器,改进后的活塞式真空发生器不仅能够迅速达到要求的真空度,而且在60s工作时间内减少约71%的耗气量,实现了节能。

  气动真空吸取技术已越来越广泛地应用于工业自动化各个领域,主要用于吸取易碎、难以挟持的工件,以完成搬运、夹紧或包装等作业。现阶段,普遍使用的气动真空元件为射流式真空发生器。在真空吸取过程中,系统响应过程可分为真空产生阶段和真空维持阶段,通常真空维持阶段的工作时间相对较长。利用射流式真空发生器产生真空时,如果要维持一定的真空度必须持续定量供气。在一个具有一定规模的气动控制系统中,真空发生器的数量也往往是可观的,能耗也是巨大的。因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为如何减少真空吸取过程中真空维持阶段的耗气量,实现气动真空吸取技术的节能具有重要研究意义和经济价值。

  在这样的应用背景下,提出了一种新型节能的双活塞式小型真空发生器的技术方案。该技术方案利用压缩空气驱动活塞运动并在真空腔室内通过局部容积扩张产生真空,这虽然与一般的往复式活塞真空泵有相似之处,但在驱动方式和结构上却有显著不同。该活塞式气动真空发生器体积小、结构简单,采用气压驱动,能作为独立的气动真空发生元件在局部使用。

1、活塞式气动真空发生器

  工作原理及其性能根据容积扩张产生真空原理,设计得到的活塞式真空发生器总体结构如图1所示。

  工作时,气源气体通过进气换向阀进入驱动腔Ò,推动活塞组件向左运动,驱动腔Ñ中气体通过进气换向阀排向大气;同时,真空腔Ò容积扩张,在真空口处形成一定的真空,真空腔Ñ中气体被压缩后通过单向阀排出。当活塞运动到行程末端时,触发进气换向阀和抽气换向阀换向,活塞开始向右运动,此时真空腔Ñ与真空口相连,继续产生一定真空。当活塞运动到行程另一终点时再次触发换向阀换向,如此反复循环,在真空口处持续产生一定的真空。

  通过活塞式真空发生器原型样机前期的试验研究,结果表明:极限真空度达93kPa,略高于同级别射流式的91kPa;供给流量为50L/min时,抽取1L真空容器真空度达80kPa时的响应时间为3.70s,较同级别射流式的4.80s减少了约22.9%;最低供给压力为0.21MPa,低于同级别射流式的0.4~0.5MPa,主要性能指标均优于同级别射流式真空器。

活塞式真空发生器总体结构示意图

1驱动腔Ñ;2驱动腔Ò;3抽气换向阀;4平衡气道;5真空腔Ñ;6真空腔Ò;7单向阀;8进气换向阀

图1 活塞式真空发生器总体结构示意图

2、真空维持阶段节能控制试验研究

  2.1、供给压力切换控制

  活塞式真空发生器的真空响应速度和供给流量都随着供给压力的升高而增加。因此,在真空产生阶段,为了减少真空响应时间,系统可在相对较高的供给压力下工作;而在吸盘安全吸取工件后的真空维持阶段,可适当降低供给压力以减少供给流量,达到真空维持阶段减少耗气量的目的。

  图2为高压0.30MPa,低压0.21MPa进行切换时系统的响应特性,其中设定的切换真空度为80kPa。当供给压力切换到低压0.21MPa后,系统真空度继续缓慢上升,此时的平均供给流量约下降为54L/min,较0.30MPa时的约80L/min有所减少,故整个工作过程能够减少一定的耗气量。

  2.2、间歇供给控制

  在实际应用中,通常并非在达到系统极限真空度时才进行吸取等操作,而是达到极限真空度的63%~95%范围内即可。另一方面,活塞式真空发生器的真空腔室与被抽取容器或连接管道之间相对密闭,而并非像射流式真空发生器在停止供气时入口真空度迅速下降为0。因此,若系统无泄漏产生,当真空吸盘达到某一真空度后,即使停止气源供气,也能将真空度保持在一定范围内,而不是立即下降。由于存在泄漏,吸盘真空度会随着时间推移而逐渐下降,下降速度与泄漏流量大小有关。所以,可根据实际应用场合,合理地设定真空度上限值和下限值,当真空度上升超过上限值后,给出信号切断气源供气;当真空度低于下限值后,给出信号恢复气源供气。通过这样间歇地供给,可使吸盘的真空度一直控制在设定的范围内,同时也能减少一定的耗气量。

供给压力切换控制时的系统响应特性

图2 供给压力切换控制时的系统响应特性

  图3为系统在一定泄漏流量下,供给压力为0.21MPa,设定的真空度范围为75~85kPa,间歇供给控制下的系统响应特性。从图3可看出,供给流量的占空比与它和系统设定的真空度范围、泄漏流量大小相关,直接影响真空维持阶段耗气量大小。尤其在泄漏流量非常小的情况下,更能体现出间歇供气方式的优点,在首次达到设定的真空度后可减少供给次数,甚至在工序动作完成前无需再供气,既满足了真空吸盘操作要求,同时也大大减少了真空维持阶段的耗气量。

  2.3、阶梯式流量控制

  由于活塞式真空发生器抽取过程具有一定的密闭性,因此,在真空维持阶段,可通过节流的方法适当减少供给流量以降低活塞往复运动速度,只需使系统抽气流量足以弥补泄漏流量即可维持一定的真空度。通过试验研究,活塞式真空发生器的供给流量最低可降至10~12L/min,若低于此流量,则活塞容易出现/爬行0或/卡死0现象,不能正常持续工作。图4示出供给压力为0.25MPa,供给流量在真空度达80kPa时进行节流控制的系统响应特性。从图4中可看出,当系统达到设定的真空度后,供给流量呈阶梯式下降,下降幅度较大,同时真空度持续上升直到最大值,该控制方式对于长时间使用真空吸盘吸取搬运工件的过程有利,能够有效地减少工作过程总耗气量。

4、阶梯式流量控制阀节能试验

  在之前的阶梯式流量控制试验回路中是通过真空压力开关信号对供给流量进行调节的,为了降低系统组成成本,设计了如图8所示的真空压差致动阶梯式流量控制阀(1端盖;2控制阀本体;3弹性膜片;4阀芯帽;5复位弹簧;6限位螺母;7阀芯)。

  当系统真空度达一定值时,弹性膜片上下压力差克服弹簧预紧力,驱动阀芯向下运动,对供给流量进行调节,这样既满足了活塞式真空发生器在真空产生阶段快速响应的要求,又达到了在真空维持阶段减少耗气量的目的。

  经反复设计,对阶梯式流量控制阀及活塞式真空发生器结构进行了调整,最终得到成阶梯式流量控制阀的活塞式真空发生器原型样机(如图9所示)。

阶梯式流量控制阀

图8 阶梯式流量控制阀  图9 集成阶梯式流量控制阀

  结构示意图活塞式真空发生器原型样机图10为活塞式真空发生器在0.21MPa供给压力下,试验测得的1L真空容器真空响应过程和系统供给流量变化,其中设定控制的真空度为80kPa。从图10可明显看出,当真空度超过设定值后,流量控制阀开始起作用,供给流量从最大值约56L/min下降至约12L/min,而真空度继续上升,最后达到稳定值约91kPa。

活塞式真空发生器响应特性

图10 活塞式真空发生器响应特性

  试验结果表明,阶梯式流量控制阀可在真空响应的不同阶段对系统供给流量进行控制,尤其在真空维持阶段,供给流量大幅下降,而同级别射流式真空发生器必须在原供给流量约50L/min下才能维持同样的真空度,这样大大减少了活塞式真空发生器在使用过程的耗气量。假设采用真空吸盘吸取搬运某工件过程时间为60s,真空度达80kPa即可满足工作要求,通过在相同供给流量50L/min下的试验对比,活塞式真空发生器不仅能够迅速产生并维持一定的真空度,而且较同级别射流式真空发生器在工作过程中减少了约71%的耗气量,实现节能。

5、结论

  (1)通过对供给压力切换控制、间歇供给控制和阶梯式流量控制的试验对比,表明阶梯式流量控制适用范围广、节能效果显著,适合于活塞式真空发生器真空维持阶段的节能控制。

  (2)研究得到了活塞式真空发生器在真空维持阶段供给流量与工况参数、结构参数的相互影响关系,并得到试验验证,为进一步设计阶梯式流量控制阀提供理论依据。

  (3)设计了集成于活塞式真空发生器的真空压差致动阶梯式流量控制阀,解决了活塞式真空发生器在真空产生阶段快速响应与在真空维持阶段低耗气的矛盾,相比同级别射流式真空发生器,在60s工作时间内可减少耗气量约71%,实现节能。

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