流量自調式真空發(fā)生器的分隔式氣- 磁驅動(dòng)技術(shù)研究
針對目前使用的射流式真空發(fā)生器存在的持續定量供氣空氣消耗量大的問(wèn)題，提出了一種新的流量自調式射流真空發(fā)生器的總體技術(shù)方案。研究了該技術(shù)方案中的分隔式氣-磁驅動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，提出了真空檢測-壓差致動(dòng)和共軸環(huán)芯結構非接觸式氣-磁驅動(dòng)技術(shù)方案。研究了氣-磁驅動(dòng)系統的動(dòng)態(tài)特性并進(jìn)行了試驗。結果表明:共軸環(huán)芯氣-磁驅動(dòng)系統的磁驅動(dòng)起動(dòng)時(shí)間約為0.06s。同時(shí)，對共軸環(huán)芯結構主要設計參數間的匹配關(guān)系進(jìn)行了試驗研究。通過(guò)對流量自調式真空發(fā)生器的整機測試表明，采用共軸環(huán)芯氣-磁驅動(dòng)結構的流量自調式真空發(fā)生器在真空產(chǎn)生階段具有與固定式真空發(fā)生器相同的真空響應特性，在真空維持階段比固定式真空發(fā)生器節省供氣流量約14.8%。
真空吸取技術(shù)作為自動(dòng)化操作的一種方式，已在工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。作為局部真空發(fā)生裝置，目前使用的射流式真空發(fā)生器在工作時(shí)需要連續供氣和排氣，空氣消耗量很大。如何解決真空發(fā)生器在使用中的節能問(wèn)題，同時(shí)又能滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)動(dòng)作節拍對真空發(fā)生器快速響應提出的越來(lái)越高的要求，是射流式真空發(fā)生器研制中迫切需要解決的技術(shù)難題。
針對這一問(wèn)題，筆者提出了一種流量自調式射流真空發(fā)生器的技術(shù)方案并申請了發(fā)明專(zhuān)利(國家發(fā)明專(zhuān)利申請號:20061004083211)。在真空產(chǎn)生階段(指真空發(fā)生器從開(kāi)始工作到達到正常工作所需的真空度之間過(guò)程)，要求該真空發(fā)生器能實(shí)現真空的快速響應;在真空維持階段(指真空發(fā)生器達到正常工作真空度后保持該真空度直至工作結束之間的過(guò)程)，要求該真空發(fā)生器能實(shí)現對供氣流量的無(wú)級調節，達到節能的目的。為此，技術(shù)方案中提出的新構想是在真空噴管軸線(xiàn)方向的前端設置一個(gè)可調錐，在真空產(chǎn)生階段要求可調錐不影響真空響應速度。在真空維持階段，通過(guò)控制可調錐在軸線(xiàn)方向上的位移來(lái)減小真空噴管的有效流通截面積，從而減小真空發(fā)生器的供氣流量，實(shí)現節能。為了達到這樣的目的，需要解決以下技術(shù)問(wèn)題:一是如何得到驅動(dòng)可調錐運動(dòng)的驅動(dòng)力，二是如何利用該驅動(dòng)力實(shí)現對可調錐的有效驅動(dòng)，三是如何匹配流量自調式真空發(fā)生器的結構參數，使其能滿(mǎn)足真空產(chǎn)生和真空維持兩個(gè)階段不同的要求。同時(shí)，在確定流量自調式射流真空發(fā)生器的技術(shù)方案時(shí)，還應考慮使其結構簡(jiǎn)單，成本低，易于產(chǎn)品化等要求。
1、分隔式氣-磁驅動(dòng)技術(shù)研究
1.1、真空檢測-壓差致動(dòng)技術(shù)方案的研究
要實(shí)現對可調錐的驅動(dòng)，首先要解決驅動(dòng)力源的問(wèn)題。常用的方法是采用電-氣驅動(dòng)方式，即利用真空壓力開(kāi)關(guān)對真空發(fā)生器的真空度進(jìn)行檢測，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)發(fā)出電信號，啟動(dòng)機械(或氣動(dòng))驅動(dòng)裝置來(lái)驅動(dòng)可調錐進(jìn)行運動(dòng)。但這種方法由于中間環(huán)節較多，一方面會(huì )增加系統的復雜程度，提高系統成本，降低系統工作的可靠性，另一方面也會(huì )影響系統的響應速度。為此，筆者提出了一種直接利用真空壓力獲得驅動(dòng)力的真空檢測-壓差致動(dòng)的技術(shù)方案，如圖1所示。將真空發(fā)生器的真空壓力信號直接反饋至真空腔，利用差動(dòng)組件同時(shí)檢測該真空壓力信號和大氣壓這兩個(gè)物理量，并對大氣壓和真空度之間的壓力差進(jìn)行力的放大，以此作為運動(dòng)部件的驅動(dòng)力。
圖1 真空檢測-壓差致動(dòng)技術(shù)方案原理示意圖
這種技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于結構簡(jiǎn)單，且由于差動(dòng)組件即是真空度物理量的直接檢測元件，同時(shí)又是致動(dòng)元件，因此響應速度快，且容易保證系統較高的工作可靠性。
1.2、共軸環(huán)-芯結構的磁驅動(dòng)技術(shù)研究
從前面的分析可以看出，運動(dòng)部件運動(dòng)的驅動(dòng)力來(lái)自于大氣腔與真空腔構成的常壓腔(圖1)。但是，在流量自調式真空發(fā)生器的結構設計上又要求可調錐位于真空發(fā)生器內工作氣體流經(jīng)的高壓腔內，且與真空噴管同心。因此，如何利用常壓腔中產(chǎn)生的驅動(dòng)力來(lái)驅動(dòng)高壓腔內的可調錐，同時(shí)保證高壓腔與常壓腔之間良好的密封是該真空發(fā)生器研究中的一項關(guān)鍵技術(shù)。分析表明:如果采用貫穿于常壓腔和高壓腔的機械部件傳動(dòng)或其它傳動(dòng)方式，都很難保證兩腔的絕對密封。
1)差動(dòng)組件 2)大磁環(huán) 3)小磁環(huán) 4)從動(dòng)件 5)隔離套 6)可調錐7)噴管
圖2 共軸環(huán)芯結構磁驅動(dòng)方案的結構示意圖
在比較了多種技術(shù)方案的基礎上，筆者提出了一種共軸環(huán)-芯結構的磁驅動(dòng)技術(shù)方案，即采用永磁材料利用磁場(chǎng)的作用透過(guò)磁路工作間隙或隔離套的薄壁來(lái)實(shí)現驅動(dòng)力的非接觸式傳遞，從而達到常壓腔的運動(dòng)向高壓腔傳遞又使兩腔絕對密封的目的。圖2為該技術(shù)方案的結構示意圖。在差動(dòng)組件1的內圓周面上鑲嵌有永磁材料的大磁環(huán)2，與可調錐6同心固聯(lián)的從動(dòng)件4的外圓周面上鑲嵌有永磁材料的小磁環(huán)3，在大、小磁環(huán)之間設計有圓形的隔離套。差動(dòng)組件1的左側腔室與大氣相通，右側腔室為真空反饋腔。當真空發(fā)生器不工作，即真空度為零時(shí)，差動(dòng)組件在復位彈簧的作用下處于圖示的最左位，當真空發(fā)生器產(chǎn)生真空后，差動(dòng)組件的兩側便產(chǎn)生了壓力差，當該壓力差大于彈簧力和摩擦力的合力時(shí)，差動(dòng)組件便向右運動(dòng)，在大、小磁環(huán)的磁力耦合作用下，帶動(dòng)從動(dòng)件及可調錐向右運動(dòng)，從而達到調節真空噴管喉部有效截面積的目的。
由于采用了磁性非接觸式驅動(dòng)方案，使高壓腔與常壓腔之間在結構上相互不連通，因而從根本上解決了高、低壓腔之間的密封問(wèn)題，杜絕了兩腔之間的泄漏和串氣問(wèn)題。同時(shí)，該結構的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它易于定心，保證了可調錐在運動(dòng)過(guò)程中具備良好的軸線(xiàn)方向上的直線(xiàn)運動(dòng)穩定性。
結論
針對筆者提出的流量自調式射流真空發(fā)生器的新型方案，研究了該方案中常壓腔與高壓腔分隔的氣-磁驅動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，得到了以下的結論:
(1)研究了分隔式氣-磁驅動(dòng)技術(shù)的結構方案，提出了真空檢測-壓差致動(dòng)和共軸環(huán)芯結構非接觸式磁性驅動(dòng)結構方案，滿(mǎn)足了高壓腔與常壓腔之間的非接觸驅動(dòng)要求，保證了高壓腔與常壓腔之間良好的密封性以及可調錐良好的定心性。
(2)對共軸環(huán)芯結構進(jìn)行的試驗研究結果表明:所設計的共軸環(huán)芯磁驅動(dòng)結構的磁驅動(dòng)起動(dòng)時(shí)間約為0.06s。
(3)研究了共軸環(huán)芯氣-磁驅動(dòng)結構的動(dòng)態(tài)特性，并對主要設計參數間的匹配關(guān)系進(jìn)行了試驗研究。研究結果表明:流量自調式真空發(fā)生器的啟動(dòng)調節真空度以及彈性元件彈性系數等參數影響著(zhù)可調錐的初設位置x0。若希望在較低的真空度水平開(kāi)始實(shí)施對流量的調節，則x0應取較小值，反之，應取較大值。另一方面，當彈性元件彈性系數較大時(shí)，x0應取較小值;反之，x0應取較大值。
(4)將共軸環(huán)芯結構應用于流量自調式真空發(fā)生器進(jìn)行的試驗研究結果表明:流量自調式真空發(fā)生器在真空產(chǎn)生階段具有與固定式真空發(fā)生器相同的真空響應特性，在真空維持階段比固定式真空發(fā)生器節省供氣流量約14.8%。
