氣動(dòng)執行器與電動(dòng)執行器的運行能耗分析
分析了氣動(dòng)執行器和電動(dòng)執行器能量消耗過(guò)程，建立了氣動(dòng)執行器運行能耗計算模型，搭建了氣動(dòng)執行器和電動(dòng)執行器的運行能耗實(shí)驗系統。通過(guò)實(shí)驗數據分析，得出兩種執行器運行能耗的結論：在長(cháng)時(shí)間保持負載或作動(dòng)不頻繁的工況下，氣動(dòng)執行器比電動(dòng)執行器更節能，在頻繁作動(dòng)的工況下，電動(dòng)執行器比氣動(dòng)執行器更節能;在各種工況下，氣動(dòng)執行器的運行功率波動(dòng)不大，電動(dòng)執行器的運行功率波動(dòng)較大。
氣缸驅動(dòng)系統自20世紀70年代以來(lái)就在工業(yè)化領(lǐng)域得到了迅速普及。氣缸適用于作往復直線(xiàn)運動(dòng)，尤其適用于工件直線(xiàn)搬運的場(chǎng)合�，F在，氣缸已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中PTP(Point to Point)搬運的主流執行器。20世紀90年代開(kāi)始，電機和微電子控制技術(shù)迅速發(fā)展，使電動(dòng)執行器的應用迅速擴大。然而，到現在來(lái)看，電動(dòng)執行器在工業(yè)現場(chǎng)并未得到普及，而近幾年，在中國氣缸銷(xiāo)量的年增長(cháng)速度一直維持20%以上。
電動(dòng)執行器主要用于旋轉和擺動(dòng)工況，用于直線(xiàn)工況的電動(dòng)執行器逐漸增多。電動(dòng)執行器可實(shí)現高精度多點(diǎn)定位，氣動(dòng)執行器很難做到。
在氣動(dòng)執行器和電動(dòng)執行器的選擇上，特別是在工業(yè)自動(dòng)化需求最多的PTP輸送場(chǎng)合，一直沒(méi)有充足的數據來(lái)論述兩者選擇標準。本文從運行能耗的角度探討兩種執行器的能量消耗問(wèn)題。
1、兩種執行器能量消耗
1.1、氣動(dòng)執行器的能量消耗
氣動(dòng)執行器的能量轉換和空氣狀態(tài)變化如圖1。氣動(dòng)執行器運行消耗的是壓縮空氣。壓縮空氣輸送過(guò)程中，經(jīng)過(guò)節流閥、管道彎頭等阻性元件后，會(huì )有一定的壓力損失。另外由于工廠(chǎng)普遍存在接頭、氣缸或電磁閥處的空氣泄露。盡管安裝時(shí)的泄漏量標準低于5%，但很多工廠(chǎng)的泄漏量高達10%~40%。泄露也將導致一定的壓力損失。
A 能量轉換 b 空氣狀態(tài)變化
圖1 氣動(dòng)執行器能量轉換及空氣狀態(tài)變化
1.2、電動(dòng)執行器的能量消耗
電動(dòng)執行器運行消耗的是電力。它通過(guò)電動(dòng)機(伺服電動(dòng)機、步進(jìn)電動(dòng)機等)驅動(dòng)滑動(dòng)絲杠或滾珠絲杠旋轉，帶動(dòng)絲杠上的螺母轉化為直線(xiàn)運動(dòng)，并推動(dòng)滑臺沿導軌做旋轉或直線(xiàn)運動(dòng)。
電動(dòng)執行器的系統結構如圖2所示。由控制器發(fā)出運動(dòng)指令給電動(dòng)執行器，實(shí)現既定運動(dòng)。
圖2 電動(dòng)執行器的系統構成
2、運行能耗評價(jià)標準
氣動(dòng)執行器消耗的是壓縮空氣，需要將消耗壓縮空氣轉化為壓縮機的耗電。而電動(dòng)執行器可采用直接測量得到耗電量，因此可將兩種執行器在相同工況下的耗電量作為能耗評價(jià)依據。
2.1、氣動(dòng)執行器空氣消耗量的測量
在氣動(dòng)實(shí)驗系統中，采用先儲氣后供氣的方式：先啟動(dòng)壓縮機向儲氣罐中充氣，待壓縮空氣達到一定壓力后停止壓縮機，由儲氣罐對外供氣。
氣動(dòng)執行器的空氣消耗量測量流程：打開(kāi)截止閥，向儲氣罐中充滿(mǎn)0.75MPa的壓縮空氣;關(guān)閉截止閥，讀取儲氣罐的壓力，檢查是否壓力下降，以防空氣泄露;設定減壓閥的壓力為0.5MPa，氣動(dòng)執行器往復動(dòng)作20次;讀取儲氣罐的最終壓力，結束測量。
系統中壓縮空氣消耗是一個(gè)固定容腔充放氣的過(guò)程，可利用差壓法來(lái)計算壓縮空氣的消耗量。
將理想氣體狀態(tài)方程兩邊取微分得
式中p為壓力(Pa);V為氣罐和管路的所有容積(m3);m為壓縮空氣的質(zhì)量(kg);T為室溫(K);R為氣體常數，對空氣R=287N.m/(kg.K)。
式中Qm為質(zhì)量流量(kg/s);Q為體積流量(m3/s);Q0為標準狀況下空氣的密度。
聯(lián)立式(1)～式(3)得流量計算公式：
對式(4)積分得
式中V'為氣動(dòng)執行器的空氣消耗量(m3);p1為氣罐的初始壓力(Pa);p2為氣罐的最終壓力(Pa)。
氣動(dòng)執行器單次往復的空氣消耗量平均值可通過(guò)V'除以作動(dòng)次數n計算出來(lái)。
2.2、氣動(dòng)執行器的運行能耗計算模型
設空壓機組(含冷干機)的實(shí)際運行功率為Pc(W)，空壓機組的輸出流量為Qc(m3/s)，則空壓機組的比能量為
則氣動(dòng)執行器每次往復作動(dòng)耗氣折算成壓縮機的能耗W和平均消耗功率P為
式中：B為空氣泄漏率; f為執行器往復作動(dòng)頻率。
2.3、運行能耗評價(jià)標準
1)以?xún)煞N執行器在相同工況下工作時(shí)的耗電量作為評價(jià)基準;
2)承載能力要求相同或相近;
3)水平方向搬運工件時(shí)，在相同頻率下測量搬運相同的工件移動(dòng)相同位移、末端位置保持相同時(shí)間往復一次的能耗;
4)垂直方向搬運工件時(shí)，由于工件借助自身重力的影響會(huì )向下運動(dòng)，在相同頻率下測量向上提升相同工件、移動(dòng)相同位移、末端位置保持一定時(shí)間、向下放回工件的能耗。
3、運行能耗實(shí)驗
3.1、氣動(dòng)執行器
氣動(dòng)執行器運行能耗的實(shí)驗系統如圖3。
圖3 氣動(dòng)執行器運行能耗實(shí)驗系統
1)實(shí)驗條件。壓縮機采用型號為Kobelion-AG370AH的神鋼壓縮機。軸功率22.5kW，額定排氣量3.2m3/min;儲氣罐為SMC的兩個(gè)10L氣罐;電磁閥選用SMC的SY5120;壓力傳感器采用日本長(cháng)野計器的KH15-824;可編程控制器選用OMRON的CPM2A;室溫為30 ℃ 。
2)負荷以及作動(dòng)條件。氣動(dòng)執行器的實(shí)驗內容有水平搬運和垂直搬運。其負載和作動(dòng)條件如表1～表3所示。
表1 氣動(dòng)執行器的試樣與負荷
注：水平搬運負荷率為100%，垂直搬運負荷率50%(p=0.5 MPa)。
表2 氣動(dòng)執行器水平作動(dòng)條件
表3 氣動(dòng)執行器垂直作動(dòng)條件
3)實(shí)驗數據。V'-f曲線(xiàn)如圖4。從圖中可以看出，V'幾乎不依賴(lài)于f，近似成直線(xiàn)狀。但有時(shí)有大的傾斜，這是因為f過(guò)高，未到達執行器末端就返回，造成Vc減少的緣故。
圖4 氣動(dòng)執行器V'-f曲線(xiàn)
4)實(shí)驗結果分析。以氣動(dòng)執行器B為例，在水平方向f為15次/min時(shí)B往復作動(dòng)一次V'為2.1957dm3。由理性氣體狀態(tài)方程得
通過(guò)計算，氣動(dòng)執行器B在P1=0.6013MPa時(shí)的空氣消耗量為0.3776dm3，其中往復容積0.2944dm3，管路容積為0.05024dm3，電磁閥容積0.004609dm3，死區容積為0.02840dm3。
5)氣動(dòng)執行器的能量消耗。利用(6)式得
當B取5%，f為15次/min，利用式(7)、式(8)得氣動(dòng)執行器每一次往復平均能耗和平均消耗功率為
3.2、電動(dòng)執行器
電動(dòng)執行器運行能耗實(shí)驗系統如圖5所示。
圖5 電動(dòng)執行器運行能耗實(shí)驗系統
1)實(shí)驗條件。PC主機采用IBM的Think pad;A/D板卡采用Interface株式會(huì )社GSI-320416;電力測量采用日置電機株式會(huì )社的3168型電力計。
2)測定方法。利用電力計測量電動(dòng)執行器和控制器在工作時(shí)每秒鐘的功率。測量結果通過(guò)A/D板卡傳送到PC并保存起來(lái)，利用積分的方法，將工作時(shí)間內的功率曲線(xiàn)進(jìn)行積分就得到電動(dòng)執行器工作這段時(shí)間所消耗的電量。
3)負荷與作動(dòng)條件。電動(dòng)執行器的負荷和作動(dòng)條件如表4～表6。
表4 電動(dòng)執行器和氣動(dòng)執行器對照表
注：Bh，Bv分別為電動(dòng)執行器B的水平、垂直類(lèi)型。
表5 電動(dòng)執行器水平方向負載和作動(dòng)條件
表6 電動(dòng)執行器垂直方向負載和作動(dòng)條件
4)實(shí)驗數據。電動(dòng)執行器B水平和垂直的功率曲線(xiàn)如圖6。
a Bh水平作動(dòng)頻率為5次/min
b Bv垂直作動(dòng)頻率為5次/min
圖6 電動(dòng)執行器Bh和Bv功率曲線(xiàn)
電動(dòng)執行器水平或垂直方向作動(dòng)過(guò)程包含作動(dòng)階段和保持階段(或待機階段)。電動(dòng)執行器在作動(dòng)階段，P成尖峰脈沖狀態(tài);在保持階段存在一定的消耗。例如圖6a中，在水平作動(dòng)時(shí)，保持階段消耗的功率為10W左右。
數據傳送到PC機后，通過(guò)數值積分方法就可以得到電動(dòng)執行器每次往復能耗，如圖7所示。
圖7 電動(dòng)執行器W-f曲線(xiàn)
4、兩種執行器的運行能耗分析
通過(guò)計算就可以得出兩種執行器每次往復的能耗對比曲線(xiàn)，如圖8、圖9所示。
圖8 氣動(dòng)和電動(dòng)執行器水平方向作動(dòng)時(shí)W曲線(xiàn)
從圖8、圖9中可以看出，在水平和垂直方向，氣動(dòng)執行器搬運工件時(shí)，W幾乎不依賴(lài)于f，各測試點(diǎn)的連線(xiàn)接近水平直線(xiàn)。由于它的能耗只與Vc有關(guān)，它在待機或保持壓力時(shí)除少許泄露外沒(méi)有消耗，每次消耗量近似相等，因此，氣動(dòng)執行器每次往復能耗在各種頻率下近似相等。
電動(dòng)執行器在水平和垂直方向W受f影響很大，各測試點(diǎn)的連線(xiàn)成傾斜向下曲線(xiàn)。隨著(zhù)f的增加，W減少。從圖6可知，電動(dòng)執行器在待機狀態(tài)也有消耗，f越高，待機能耗越少，電動(dòng)執行器的效率就越高。
5、結論
通過(guò)對兩種執行器的能耗分析，得出結論：1氣動(dòng)執行器每一次往復的能耗與作動(dòng)頻率幾乎無(wú)關(guān)，而電動(dòng)執行器由于其內部的電機性質(zhì)，每一次往復的能耗與作動(dòng)頻率成反比;o氣動(dòng)執行器和電動(dòng)執行器的能耗與工況有關(guān)。作動(dòng)頻率要求越高，采用電動(dòng)執行器更節能，反之，氣動(dòng)執行器更節能;。氣動(dòng)執行器更適合于長(cháng)時(shí)間保持負載的場(chǎng)合，電動(dòng)執行器更適合于頻繁作動(dòng)的場(chǎng)合。
