活塞式氣動真空發(fā)生器節(jié)能控制研究

　　在真空吸盤吸取工件后的真空維持階段，為了能夠減少活塞式氣動真空發(fā)生器的耗氣量，提出了3種節(jié)能控制回路進行對比試驗。結果表明，階梯式流量控制方式節(jié)能效果顯著、適應范圍廣。為此，深入研究了供給流量與工況參數(shù)、結構參數(shù)的相互影響關系，以此為依據(jù)設計了真空壓差致動的階梯式流量控制閥。試驗結果表明，相比同級別射流式真空發(fā)生器，改進后的活塞式真空發(fā)生器不僅能夠迅速達到要求的真空度，而且在60s工作時間內(nèi)減少約71%的耗氣量，實現(xiàn)了節(jié)能。
　　
　　氣動真空吸取技術已越來越廣泛地應用于工業(yè)自動化各個領域，主要用于吸取易碎、難以挾持的工件，以完成搬運、夾緊或包裝等作業(yè)?，F(xiàn)階段，普遍使用的氣動真空元件為射流式真空發(fā)生器。在真空吸取過程中，系統(tǒng)響應過程可分為真空產(chǎn)生階段和真空維持階段，通常真空維持階段的工作時間相對較長。利用射流式真空發(fā)生器產(chǎn)生真空時，如果要維持一定的真空度必須持續(xù)定量供氣。在一個具有一定規(guī)模的氣動控制系統(tǒng)中，真空發(fā)生器的數(shù)量也往往是可觀的，能耗也是巨大的。因此，如何減少真空吸取過程中真空維持階段的耗氣量，實現(xiàn)氣動真空吸取技術的節(jié)能具有重要研究意義和經(jīng)濟價值。
　　
　　在這樣的應用背景下，提出了一種新型節(jié)能的雙活塞式小型真空發(fā)生器的技術方案。該技術方案利用壓縮空氣驅(qū)動活塞運動并在真空腔室內(nèi)通過局部容積擴張產(chǎn)生真空，這雖然與一般的往復式活塞真空泵有相似之處，但在驅(qū)動方式和結構上卻有顯著不同。該活塞式氣動真空發(fā)生器體積小、結構簡單，采用氣壓驅(qū)動，能作為獨立的氣動真空發(fā)生元件在局部使用。
　　
　　1、活塞式氣動真空發(fā)生器
　　
　　工作原理及其性能根據(jù)容積擴張產(chǎn)生真空原理，設計得到的活塞式真空發(fā)生器總體結構。
　　
　　工作時，氣源氣體通過進氣換向閥進入驅(qū)動腔Ò，推動活塞組件向左運動，驅(qū)動腔Ñ中氣體通過進氣換向閥排向大氣；同時，真空腔Ò容積擴張，在真空口處形成一定的真空，真空腔Ñ中氣體被壓縮后通過單向閥排出。當活塞運動到行程末端時，觸發(fā)進氣換向閥和抽氣換向閥換向，活塞開始向右運動，此時真空腔Ñ與真空口相連，繼續(xù)產(chǎn)生一定真空。當活塞運動到行程另一終點時再次觸發(fā)換向閥換向，如此反復循環(huán)，在真空口處持續(xù)產(chǎn)生一定的真空。
　　
　　通過活塞式真空發(fā)生器原型樣機前期的試驗研究，結果表明:極限真空度達93kPa，略高于同級別射流式的91kPa；供給流量為50L/min時，抽取1L真空容器真空度達80kPa時的響應時間3.70s，較同級別射流式的4.80s減少了約22.9%；z*低供給壓力為0.21MPa，低于同級別射流式的0.4~0.5MPa，主要性能指標均優(yōu)于同級別射流式真空器。
　　
　　2、真空維持階段節(jié)能控制試驗研究
　　
　　2.1、供給壓力切換控制
　　
　　活塞式真空發(fā)生器的真空響應速度和供給流量都隨著供給壓力的升高而增加。因此，在真空產(chǎn)生階段，為了減少真空響應時間，系統(tǒng)可在相對較高的供給壓力下工作；而在吸盤安全吸取工件后的真空維持階段，可適當降低供給壓力以減少供給流量，達到真空維持階段減少耗氣量的目的。
　　
　　為高壓0.30MPa，低壓0.21MPa進行切換時系統(tǒng)的響應特性，其中設定的切換真空度為80kPa。當供給壓力切換到低壓0.21MPa后，系統(tǒng)真空度繼續(xù)緩慢上升，此時的平均供給流量約下降為54L/min，較0.30MPa時的約80L/min有所減少，故整個工作過程能夠減少一定的耗氣量。
　　
　　2.2、間歇供給控制
　　
　　在實際應用中，通常并非在達到系統(tǒng)極限真空度時才進行吸取等操作，而是達到極限真空度的63%~95%范圍內(nèi)即可。另一方面，活塞式真空發(fā)生器的真空腔室與被抽取容器或連接管道之間相對密閉，而并非像射流式真空發(fā)生器在停止供氣時入口真空度迅速下降為0。因此，若系統(tǒng)無泄漏產(chǎn)生，當真空吸盤達到某一真空度后，即使停止氣源供氣，也能將真空度保持在一定范圍內(nèi)，而不是立即下降。由于存在泄漏，吸盤真空度會隨著時間推移而逐漸下降，下降速度與泄漏流量大小有關。所以，可根據(jù)實際應用場合，合理地設定真空度上限值和下限值，當真空度上升超過上限值后，給出信號切斷氣源供氣；當真空度低于下限值后，給出信號恢復氣源供氣。通過這樣間歇地供給，可使吸盤的真空度一直控制在設定的范圍內(nèi)，同時也能減少一定的耗氣量。
　　
　　系統(tǒng)在一定泄漏流量下，供給壓力為0.21MPa，設定的真空度范圍為75~85kPa，間歇供給控制下的系統(tǒng)響應特性。從圖3可看出，供給流量的占空比與它和系統(tǒng)設定的真空度范圍、泄漏流量大小相關，直接影響真空維持階段耗氣量大小。尤其在泄漏流量非常小的情況下，更能體現(xiàn)出間歇供氣方式的優(yōu)點，在s*次達到設定的真空度后可減少供給次數(shù)，甚至在工序動作完成前無需再供氣，既滿足了真空吸盤操作要求，同時也大大減少了真空維持階段的耗氣量。
　　
　　2.3、階梯式流量控制
　　
　　由于活塞式真空發(fā)生器抽取過程具有一定的密閉性，因此，在真空維持階段，可通過節(jié)流的方法適當減少供給流量以降低活塞往復運動速度，只需使系統(tǒng)抽氣流量足以彌補泄漏流量即可維持一定的真空度。通過試驗研究，活塞式真空發(fā)生器的供給流量z*低可降至10~12L/min，若低于此流量，則活塞容易出現(xiàn)/爬行0或/卡死0現(xiàn)象，不能正常持續(xù)工作。供給壓力為0.25MPa，供給流量在真空度達80kPa時進行節(jié)流控制的系統(tǒng)響應特性。當系統(tǒng)達到設定的真空度后，供給流量呈階梯式下降，下降幅度較大，同時真空度持續(xù)上升直到z*大值，該控制方式對于長時間使用真空吸盤吸取搬運工件的過程有利，能夠有效地減少工作過程總耗氣量。
　　
　　3、階梯式流量控制閥節(jié)能試驗
　　
　　在之前的階梯式流量控制試驗回路中是通過真空壓力開關信號對供給流量進行調(diào)節(jié)的，為了降低系統(tǒng)組成成本，設計了真空壓差致動階梯式流量控制閥。
　　
　　當系統(tǒng)真空度達一定值時，彈性膜片上下壓力差克服彈簧預緊力，驅(qū)動閥芯向下運動，對供給流量進行調(diào)節(jié)，這樣既滿足了活塞式真空發(fā)生器在真空產(chǎn)生階段快速響應的要求，又達到了在真空維持階段減少耗氣量的目的。
　　
　　經(jīng)反復設計，對階梯式流量控制閥及活塞式真空發(fā)生器結構進行了調(diào)整，z*終得到成階梯式流量控制閥的活塞式真空發(fā)生器原型樣機。
　　
　　結構示意圖活塞式真空發(fā)生器原型樣機為活塞式真空發(fā)生器在0.21MPa供給壓力下，試驗測得的1L真空容器真空響應過程和系統(tǒng)供給流量變化，其中設定控制的真空度為80kPa。當真空度超過設定值后，流量控制閥開始起作用，供給流量從z*大值約56L/min下降至約12L/min，而真空度繼續(xù)上升，z*后達到穩(wěn)定值約91kPa。
　　
　　試驗結果表明，階梯式流量控制閥可在真空響應的不同階段對系統(tǒng)供給流量進行控制，尤其在真空維持階段，供給流量大幅下降，而同級別射流式真空發(fā)生器必須在原供給流量約50L/min下才能維持同樣的真空度，這樣大大減少了活塞式真空發(fā)生器在使用過程的耗氣量。假設采用真空吸盤吸取搬運某工件過程時間為60s，真空度達80kPa即可滿足工作要求，通過在相同供給流量50L/min下的試驗對比，活塞式真空發(fā)生器不僅能夠迅速產(chǎn)生并維持一定的真空度，而且較同級別射流式真空發(fā)生器在工作過程中減少了約71%的耗氣量，實現(xiàn)節(jié)能。
　　
　　4、結論
　　
　　(1)通過對供給壓力切換控制、間歇供給控制和階梯式流量控制的試驗對比，表明階梯式流量控制適用范圍廣、節(jié)能效果顯著，適合于活塞式真空發(fā)生器真空維持階段的節(jié)能控制。
　　
　　(2)研究得到了活塞式真空發(fā)生器在真空維持階段供給流量與工況參數(shù)、結構參數(shù)的相互影響關系，并得到試驗驗證，為進一步設計階梯式流量控制閥提供理論依據(jù)。
　　
　　(3)設計了集成于活塞式真空發(fā)生器的真空壓差致動階梯式流量控制閥，解決了活塞式真空發(fā)生器在真空產(chǎn)生階段快速響應與在真空維持階段低耗氣的矛盾，相比同級別射流式真空發(fā)生器，在60s工作時間內(nèi)可減少耗氣量約71%，實現(xiàn)節(jié)能。