快速響應低耗氣真空節能系統的研究

　　一般來(lái)說(shuō),由真空發(fā)生器構成的真空系統在工作時(shí)需要連續的供氣,空氣消耗量很大,為節省能源,可選用小直徑的噴嘴;另一方面,自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的動(dòng)作節拍通常對真空發(fā)生器的響應時(shí)間提出了較高的要求,此時(shí)需要選用大直徑的噴嘴。針對這一矛盾,文中構建了一種由兩個(gè)真空發(fā)生器構成的雙噴嘴真空系統,根據系統不同的真空狀態(tài),可實(shí)現雙噴嘴和單噴嘴之間的切換。對真空切換控制方法進(jìn)行的仿真和實(shí)驗研究表明,將雙噴嘴真空系統的切換真空度值確定為等于(或略小于)由響應時(shí)間所對應的真空度值是比較合適的。對雙噴嘴真空系統進(jìn)行的實(shí)驗結果表明,與單噴嘴真空系統相比,在一定的控制條件下,該系統可實(shí)現快速響應和低耗氣量。

1、引言

　　由真空發(fā)生器構成的氣動(dòng)真空系統,由于結構簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、安裝使用方便等特點(diǎn),被廣泛地應用于電子、半導體、食品機械、印刷機械、汽車(chē)組裝、自動(dòng)搬運機械、機器人等工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。真空發(fā)生器是利用拉瓦爾噴管的原理,當供氣壓力高于一定值時(shí),噴管射出超聲速射流,在氣體黏性的作用下,卷吸負壓腔內的氣體,從而形成真空的氣動(dòng)元件。因此,利用真空發(fā)生器產(chǎn)生真空時(shí),需要對其進(jìn)行連續的供氣,空氣消耗量很大。近年來(lái),人們越來(lái)越重視對真空發(fā)生器真空系統的節能研究。如日本的某株式會(huì )社開(kāi)發(fā)的一種集真空噴嘴、單向閥和真空開(kāi)關(guān)于一體的真空發(fā)生器,在一定的控制方法下,1個(gè)運送周期內,與相同尺寸單一噴嘴的真空發(fā)生器相比,空氣消耗量可減少80 %左右。但這種方法只適用于對氣密性工件的搬運,對木板、紙板等材質(zhì)疏松工件的搬運并不適用。另一方面,真空發(fā)生器作為自動(dòng)機械的一部分,必須滿(mǎn)足自動(dòng)機械的動(dòng)作和節拍要求,這就對真空發(fā)生器的響應速度提出了更高的要求。因此,研究快速響應低耗氣的真空節能系統具有十分現實(shí)的意義。

　　一般地,采用大直徑噴嘴的真空發(fā)生器,由于排氣量大,真空響應速度較快,但維持真空并不需要很大的排氣量,因此造成浪費。反之,采用小直徑噴嘴的真空發(fā)生器,可以減少空氣消耗量,但響應時(shí)間較長(cháng)。針對這一矛盾,文中提出了一種雙噴嘴真空系統,旨在實(shí)現快速響應的同時(shí)減少系統的空氣消耗量,滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)節拍要求,同時(shí)達到良好的節能效果。

2、雙噴嘴真空系統的結構

　　雙噴嘴真空系統的結構如圖1所示。其工作過(guò)程為:接通氣源,真空發(fā)生器1 、2共同抽取真空,此時(shí)為真空抽取階段;當真空度達到真空壓力開(kāi)關(guān)設定的真空度值時(shí),真空壓力開(kāi)關(guān)輸出控制信號控制電磁閥3、4,切斷真空發(fā)生器2 的供氣,此時(shí),真空發(fā)生器1繼續工作,為真空保持階段。

圖1 　雙噴嘴真空系統回路圖

3、真空發(fā)生器真空切換控制方法研究

3.1、數學(xué)模型的建立

　　圖2 為真空發(fā)生器的結構示意圖,主要由噴管、負壓腔、擴散腔等組成。真空發(fā)生器工作時(shí),管內氣體的流動(dòng)可近似地認為是一維可壓縮的絕熱流動(dòng)過(guò)程。

圖2 　真空發(fā)生器結構示意圖

　　設p1為配管及吸盤(pán)內真空腔的壓力, p2為真空發(fā)生器擴散口的壓力, b為臨界壓力比。當p2/p1≤b 時(shí),真空腔內氣體由大氣壓p0降到p1所需的時(shí)間為:

　　式中V為真空腔容積; T0為真空腔的初始溫度;s 為擴散口面積; R為氣體常數。

　　當1≥p2/p1>b 時(shí),真空腔內氣體由p10降到p1所需的時(shí)間為:

　　式中, p10為由聲速放氣變?yōu)閬喡曀俜艢獾呐R界壓力,其余符號同式(1) 。

3.2、真空切換控制方法的研究

　　1) 仿真研究

　　利用上述的理論分析模型,首先,對雙噴嘴真空系統進(jìn)行了仿真研究。圖3a 為供給壓力0.48 MPa ,真空壓力開(kāi)關(guān)設定值為57kPa ,真空腔容積為0.07L ,兩噴嘴直徑分別為0.5mm(對應圖1 中的真空發(fā)生器1,下同) 和1.3mm (對應圖1中的真空發(fā)生器2,下同)時(shí),雙噴嘴真空系統真空度的實(shí)驗曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)對比�？梢钥闯�,仿真曲線(xiàn)較好地吻合了實(shí)驗曲線(xiàn)。

　　對于雙噴嘴真空系統,由真空抽取階段切換到真空保持階段的真空度值我們稱(chēng)為切換真空度。圖3b給出了供給壓力為0.48 MPa ,真空腔容積為0.07 L ,兩噴嘴直徑分別為0.5 mm 和1.3 mm ,切換真空度分別為47kPa、57kPa、67kPa、77kPa時(shí)雙噴嘴真空系統真空度的仿真曲線(xiàn)。從圖3b上可以看出,選取不同的切換真空度值將影響雙噴嘴真空系統的性能。因此,需要選擇最佳的切換真空度值。

圖3 　系統的真空度仿真曲線(xiàn)

　　2) 實(shí)驗研究

　　為了確定雙噴嘴真空系統的最佳切換真空度值,對該系統進(jìn)行了實(shí)驗研究。這里我們規定：在相同供給壓力下,以達到最大真空度63%的時(shí)間作為系統的響應時(shí)間,系統在工作時(shí)間ts內的空氣消耗量作為耗氣量。

　　圖4a給出了雙噴嘴真空系統在供給壓力為0.48MPa ,兩噴嘴直徑分別為0.5mm 和1.3mm ,切換真空度值分別設定為47kPa 、57kPa 、67 kPa 和77kPa時(shí)的真空度實(shí)驗曲線(xiàn)。圖4b 給出了同樣條件下該系統的供給流量實(shí)驗曲線(xiàn)。

圖4 　實(shí)驗曲線(xiàn)

　　由圖4a可以看出,在0.48MPa 的供給壓力下,系統的最大真空度約為91kPa ,按照前面的規定,以真空度到達63%×91≈57kPa 的時(shí)間作為響應時(shí)間。當切換真空度為47kPa 時(shí),系統的響應時(shí)間約為0.125 s ,實(shí)際上,這個(gè)時(shí)間比由噴嘴直徑為1.0 mm 的真空發(fā)生器構成的單噴嘴真空系統的響應時(shí)間0.113s(見(jiàn)圖5a) 還要長(cháng)。因此,47kPa 是不應當確定為最佳切換真空度值。當切換真空度值為57kPa、67kPa 和77kPa 時(shí),系統的響應時(shí)間基本相同,為0.071s。另一方面,由圖4b可知,隨著(zhù)切換真空度值的提高,系統的動(dòng)態(tài)流量增加,導致了系統耗氣量的增加。綜合考慮快速響應和低耗氣量?jì)蓚�(gè)方面的要求,對該實(shí)驗系統,在供氣壓力為0.48 MPa時(shí),可將切換真空度值確定為57kPa ,即對應于由響應時(shí)間所確定的真空度值。

　　通過(guò)以上的分析,我們認為將切換真空度值確定為等于(考慮電磁閥的響應時(shí)間時(shí)可略小于) 由響應時(shí)間所對應的真空度值是比較合適的。

4、雙噴嘴真空系統的實(shí)驗研究

　　對圖1 所示的雙噴嘴真空系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統2) 進(jìn)行了實(shí)驗研究。系統中選用了噴嘴直徑分別為0.5 mm和1.3 mm 的2種真空發(fā)生器。為比較該系統的性能,選用噴嘴直徑為1.0mm 的真空發(fā)生器構成單噴嘴真空系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統1)進(jìn)行了對比實(shí)驗。

圖5 　系統1 、2 的實(shí)驗曲線(xiàn)

4.1、響應時(shí)間的比較分析

　　圖5a 所示為供給壓力0.48MPa，系統2中切換真空度值為57kPa時(shí),系統1、系統2的真空度實(shí)驗曲線(xiàn)。從圖5a 中可以看出,在0.48MPa的供給壓力下,系統2的響應時(shí)間為0.071s ,系統1 的響應時(shí)間為0.113s ,系統2的響應時(shí)間小于系統1的響應時(shí)間。

4.2、耗氣量的比較分析

　　圖5b 所示為供給壓力為0.48 MPa ,系統2中切換真空度值為57kPa 時(shí),系統1 與系統2在1s時(shí)間段內供給流量的實(shí)驗曲線(xiàn)。

　　對供給流量實(shí)驗曲線(xiàn)進(jìn)行積分可得系統的耗氣量。圖5c 表示了20s內各個(gè)時(shí)刻系統1、2的耗氣量�？梢钥闯�,系統2的耗氣量明顯低于系統1的耗氣量。而且,隨著(zhù)系統工作時(shí)間的延長(cháng),這種差異將越來(lái)越大。

5、結論

　　文中構建了一種雙噴嘴真空系統, 根據系統不同的真空狀態(tài),可實(shí)現雙噴嘴和單噴嘴之間的切換。對真空切換控制方法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗研究,認為將雙噴嘴真空系統的切換真空度值確定為等于(或略小于) 由響應時(shí)間所對應的真空度值是比較合適的。對雙噴嘴真空系統的實(shí)驗研究表明,與單噴嘴真空系統相比,在一定的控制條件下,該系統可實(shí)現快速響應和低耗氣量。