本文依據前期的實驗研究結果, 將雙活塞缸式氣動真空發生器的活塞運動過程簡化成勻加速、勻速、勻減速3個運動過程, 得到了活塞運動速度與系統參數之間的關系, 推導了不同運動階段被抽取的真空容器內壓力變化的近似解析表達式, 并采用熱量補償的方法對熱交換過程的影響及時地進行修正, 通過累加計算, 得到了真空容器及吸盤的真空響應過程。

引言

　　隨著工業自動化生產線中對控制要求日趨嚴格, 需要比較精確地得到真空抽氣系統啟動后, 吸盤處的真空響應時間。本文介紹的雙活塞缸式氣動真空發生器工作原理如圖1 所示,它能在相對較低的供給壓力下迅速達到一般工業上需求的真空度, 并且耗氣量相對較低, 有利于氣動系統節能。

1—動力腔Ⅰ2—動力腔Ⅱ 3—真空腔Ⅰ4—真空腔Ⅱ 5—真空容器　6—真空吸盤 7—吸氣換向閥　8—驅動換向閥

圖1　雙活塞缸式氣動真空發生器工作原理

　　在真空技術網另文中已建立其數學模型, 它是一個微分方程組, 通過模型數值求解可以得到各腔室壓力變化及運動情況, 但是并不能清楚地表示各參數與系統性能指標之間的關系, 為了能夠更加深入了解它們的內在聯系, 加快求解速度, 通過本文的研究, 希望能夠得到真空吸盤的壓力變化過程與系統結構參數相關的近似解析表達式, 便于進行結構優化。

1、運動過程分析

　　活塞在一次抽氣行程中, 真空容器內的壓力變化如圖2 所示。活塞啟動后, 真空腔室和真空被抽容器行程的密閉容積逐漸擴張, 使壓力降低, 直到接近行程末端時, 抽氣換向閥換向, 另一真空腔室內的部分氣體回流到被的真空容器中, 造成壓力略有上升, 在下一個行程活塞反向運動時, 運動規律基本一致, 這與試驗測得的壓力變化過程是相同的。

圖2　一個運動行程內真空容器的壓力變化過程

　　通過前期的試驗研究, 測得了系統在多組供給壓力和流量下的運動情況, 圖3為在如下參數時試驗測得的活塞運動速度曲線: 動力腔直徑30mm、真空腔直徑40mm、活塞桿直徑8mm、供給壓力0.21MPa,平均供給流量56L/min, 在不同入口真空度時的活塞運動速度形狀大致相同, 只是波動的幅度略有不同。從圖3中可以看出, 活塞在開始一段為勻加速段, 中間處于一個相對變化較小的平臺段, 末段為勻減速段(活塞反向運動規律也大致相同) 。為了簡化計算, 我們假定將一個運動行程內活塞的運動速度分成以下3 個階段: 勻加速運動、勻速運動和勻減速運動, 3個階段的運動時間分別為t_A、t_B 、t_C , 運動位移為X₁、X₂、X₃ , 滿足行程關系S = X₁ + X₂ + X₃。

圖3　一個運動行程內活塞運動速度變化

　　根據真空技術網的研究, 質量流量公式可簡化成

式中: p_u、p_d 為上、下游絕對壓力, Pa;
　　A_e 為流道等效流通面積, m2 ;
　　R 為氣體常數;
　　T_u 為上游絕對溫度, K。

　　以氣源向動力腔Ⅰ供氣、活塞向右運動為例, 其流量還可表示成

　　因此, 根據流量連續性關系得

q_m1 = q_′m1 (4)

　　并且, 根據測得的腔內氣體壓力變化情況以及活塞的運動速度大小, 氣體流動過程基本是處于亞聲速流動狀態, 所以

　　再將式(6)代入式(3), 即得到動力腔供給流量與供給壓力、平均速度、結構參數之間的關系, 如式(7)所示。

　　因此, 活塞的穩定運動時的平均運動速度v也可用供給壓力和流量及相關參數表示

式中: p_s 為氣源供給壓力, Pa;
　　A₁ 為動力腔Ⅰ工作面積, m² ;
　　A_e1動力腔Ⅰ進氣流道等效面積, m²。

2、熱交換的影響

　　雙活塞缸式氣動真空發生器在抽取真空的過程中, 并非在很短的時間內將被抽取容器內的氣體抽出達到一定的真空度, 而是一個逐漸抽取的過程, 同時也伴隨著被抽取容器內氣體與外界的熱交換過程。所以, 在推導真空容器內壓力變化時, 必須考慮熱交換過程的影響, 并及時地對氣體參數進行修正, 這樣才能使得到的結果更加接近實際情況。

　　根據熱力學第一定律和氣體狀態方程, 可以按絕熱容積擴張過程求得被抽取容器內的壓力p′以及溫度, 單次抽取真空過程時間約為0.1s, 所以可先以絕熱過程推導的溫度與外界溫度之差在過程時間內吸取的熱量作為該運動過程的吸熱量, 再對壓力、溫度進行修正, 通過這樣的方法來近似模擬實際抽氣過程, 計算過程如圖4所示, 0→1′→1→2′→2→3′→3。