流量自调式真空发生器的分隔式气- 磁驱动技术研究

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

  针对目前使用的射流式真空发生器存在的持续定量供气空气消耗量大的问题,提出了一种新的流量自调式射流真空发生器的总体技术方案。研究了该技术方案中的分隔式气-磁驱动关键技术,提出了真空检测-压差致动和共轴环芯结构非接触式气-磁驱动技术方案。研究了气-磁驱动系统的动态特性并进行了试验。结果表明:共轴环芯气-磁驱动系统的磁驱动起动时间约为0.06s。同时,对共轴环芯结构主要设计参数间的匹配关系进行了试验研究。通过对流量自调式真空发生器的整机测试表明,采用共轴环芯气-磁驱动结构的流量自调式真空发生器在真空产生阶段具有与固定式真空发生器相同的真空响应特性,在真空维持阶段比固定式真空发生器节省供气流量约14.8%。

  真空吸取技术作为自动化操作的一种方式,已在工业的各个领域得到了广泛的应用。作为局部真空发生装置,目前使用的射流式真空发生器在工作时需要连续供气和排气,空气消耗量很大。如何解决真空发生器在使用中的节能问题,同时又能满足自动化生产线动作节拍对真空发生器快速响应提出的越来越高的要求,是射流式真空发生器研制中迫切需要解决的技术难题。

  针对这一问题,笔者提出了一种流量自调式射流真空发生器的技术方案并申请了发明专利(国家发明专利申请号:20061004083211)。在真空产生阶段(指真空发生器从开始工作到达到正常工作所需的真空度之间过程),要求该真空发生器能实现真空的快速响应;在真空维持阶段(指真空发生器达到正常工作真空度后保持该真空度直至工作结束之间的过程),要求该真空发生器能实现对供气流量的无级调节,达到节能的目的。为此,技术方案中提出的新构想是在真空喷管轴线方向的前端设置一个可调锥,在真空产生阶段要求可调锥不影响真空响应速度。在真空维持阶段,通过控制可调锥在轴线方向上的位移来减小真空喷管的有效流通截面积,从而减小真空发生器的供气流量,实现节能。为了达到这样的目的,需要解决以下技术问题:一是如何得到驱动可调锥运动的驱动力,二是如何利用该驱动力实现对可调锥的有效驱动,三是如何匹配流量自调式真空发生器的结构参数,使其能满足真空产生和真空维持两个阶段不同的要求。同时,在确定流量自调式射流真空发生器的技术方案时,还应考虑使其结构简单,成本低,易于产品化等要求。

1、分隔式气-磁驱动技术研究

  1.1、真空检测-压差致动技术方案的研究

  要实现对可调锥的驱动,首先要解决驱动力源的问题。常用的方法是采用电-气驱动方式,即利用真空压力开关对真空发生器的真空度进行检测,当真空度达到真空压力开关设定的真空度值时,真空压力开关发出电信号,启动机械(或气动)驱动装置来驱动可调锥进行运动。但这种方法由于中间环节较多,一方面会增加系统的复杂程度,提高系统成本,降低系统工作的可靠性,另一方面也会影响系统的响应速度。为此,笔者提出了一种直接利用真空压力获得驱动力的真空检测-压差致动的技术方案,如图1所示。将真空发生器的真空压力信号直接反馈至真空腔,利用差动组件同时检测该真空压力信号和大气压这两个物理量,并对大气压和真空度之间的压力差进行力的放大,以此作为运动部件的驱动力。

真空检测-压差致动技术方案原理示意图

图1 真空检测-压差致动技术方案原理示意图

  这种技术方案的优点在于结构简单,且由于差动组件即是真空度物理量的直接检测元件,同时又是致动元件,因此响应速度快,且容易保证系统较高的工作可靠性。

  1.2、共轴环-芯结构的磁驱动技术研究

  从前面的分析可以看出,运动部件运动的驱动力来自于大气腔与真空腔构成的常压腔(图1)。但是,在流量自调式真空发生器的结构设计上又要求可调锥位于真空发生器内工作气体流经的高压腔内,且与真空喷管同心。因此,如何利用常压腔中产生的驱动力来驱动高压腔内的可调锥,同时保证高压腔与常压腔之间良好的密封是该真空发生器研究中的一项关键技术。分析表明:如果采用贯穿于常压腔和高压腔的机械部件传动或其它传动方式,都很难保证两腔的绝对密封。

共轴环芯结构磁驱动方案的结构示意图

1)差动组件 2)大磁环 3)小磁环 4)从动件 5)隔离套 6)可调锥7)喷管

图2 共轴环芯结构磁驱动方案的结构示意图

  在比较了多种技术方案的基础上,笔者提出了一种共轴环-芯结构的磁驱动技术方案,即采用永磁材料利用磁场的作用透过磁路工作间隙或隔离套的薄壁来实现驱动力的非接触式传递,从而达到常压腔的运动向高压腔传递又使两腔绝对密封的目的。图2为该技术方案的结构示意图。在差动组件1的内圆周面上镶嵌有永磁材料的大磁环2,与可调锥6同心固联的从动件4的外圆周面上镶嵌有永磁材料的小磁环3,在大、小磁环之间设计有圆形的隔离套。差动组件1的左侧腔室与大气相通,右侧腔室为真空反馈腔。当真空发生器不工作,即真空度为零时,差动组件在复位弹簧的作用下处于图示的最左位,当真空发生器产生真空后,差动组件的两侧便产生了压力差,当该压力差大于弹簧力和摩擦力的合力时,差动组件便向右运动,在大、小磁环的磁力耦合作用下,带动从动件及可调锥向右运动,从而达到调节真空喷管喉部有效截面积的目的。

  由于采用了磁性非接触式驱动方案,使高压腔与常压腔之间在结构上相互不连通,因而从根本上解决了高、低压腔之间的密封问题,杜绝了两腔之间的泄漏和串气问题。同时,该结构的另一个优点在于它易于定心,保证了可调锥在运动过程中具备良好的轴线方向上的直线运动稳定性。

结论

  针对笔者提出的流量自调式射流真空发生器的新型方案,研究了该方案中常压腔与高压腔分隔的气-磁驱动关键技术,得到了以下的结论:

  (1)研究了分隔式气-磁驱动技术的结构方案,提出了真空检测-压差致动和共轴环芯结构非接触式磁性驱动结构方案,满足了高压腔与常压腔之间的非接触驱动要求,保证了高压腔与常压腔之间良好的密封性以及可调锥良好的定心性。

  (2)对共轴环芯结构进行的试验研究结果表明:所设计的共轴环芯磁驱动结构的磁驱动起动时间约为0.06s。

  (3)研究了共轴环芯气-磁驱动结构的动态特性,并对主要设计参数间的匹配关系进行了试验研究。研究结果表明:流量自调式真空发生器的启动调节真空度以及弹性元件弹性系数等参数影响着可调锥的初设位置x0。若希望在较低的真空度水平开始实施对流量的调节,则x0应取较小值,反之,应取较大值。另一方面,当弹性元件弹性系数较大时,x0应取较小值;反之,x0应取较大值。

  (4)将共轴环芯结构应用于流量自调式真空发生器进行的试验研究结果表明:流量自调式真空发生器在真空产生阶段具有与固定式真空发生器相同的真空响应特性,在真空维持阶段比固定式真空发生器节省供气流量约14.8%。

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