雙活塞缸式氣動真空發(fā)生器相對于目前廣泛使用的射流式真空發(fā)生器，它具有供給壓力低、耗氣量少的優(yōu)點，在氣動真空系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用前景。文中針對原系統(tǒng)中設(shè)計的不足，提出了以一個抽氣換向閥替代原有兩個抽氣單向閥的改進(jìn)設(shè)計。試驗研究結(jié)果表明，改進(jìn)后系統(tǒng)的主要性能在原有基礎(chǔ)上均有一定程度的提高，極限真空度可達(dá)93kPa，超過同級別的射流式真空發(fā)生器，在同樣供給流量下，抽取1L容器真空度達(dá)80kPa時的響應(yīng)時間減少了12.5%。

　　在工業(yè)自動化發(fā)展過程中，氣動真空吸取技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于各種生產(chǎn)線上，主要用于吸取易碎、柔軟、薄的非鐵、非金屬材料，以完成搬運、夾緊或包裝等作業(yè)。目前，在生產(chǎn)線上廣泛應(yīng)用的真空發(fā)生裝置主要為射流式真空發(fā)生器，壓縮氣體通過噴嘴的高速流動從而產(chǎn)生一定的真空度。根據(jù)其工作原理決定了它只能在較高的供給壓力下才能達(dá)到極限真空度，并且耗氣量大，不利于氣動系統(tǒng)節(jié)能。真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)前文中提出了一種新型的真空發(fā)生器PVSCTC-1(Pneumatic Vacuum System Consisting of Two Cylinders-1)，工作原理如圖1所示，它可在相對較低的供給壓力下達(dá)到較高的極限真空度，這就有可能直接或接利用氣缸排氣的能量進(jìn)行工作，產(chǎn)生真空，達(dá)到氣動系統(tǒng)節(jié)能的目的，在工程應(yīng)用中具有較高的應(yīng)用價值。

1.動力腔Ⅰ 2.動力腔Ⅱ 3.真空腔Ⅰ 4.真空腔Ⅱ 5.連接管道等效容器 6.真空吸盤 7.換向閥

圖1 雙活塞缸式氣動真空發(fā)生器工作原理

　　這種新型的真空發(fā)生器作為一種節(jié)能的氣動真空發(fā)生裝置，在滿足基本性能要求的基礎(chǔ)上，本身應(yīng)具有較高的能量使用效率，否則研究意義不大。通過前期的研究發(fā)現(xiàn)，其響應(yīng)時間和耗氣量這兩個性能指標(biāo)上較同級別的射流式真空發(fā)生器都還存在一定的差距。本文研究的目的正是通過相關(guān)的理論分析，對其不足之處進(jìn)行改進(jìn)，提高整體能力水平。

1、改進(jìn)設(shè)計的理論依據(jù)

　　1.1、極限真空度分析

　　系統(tǒng)的工作原理在真空技術(shù)網(wǎng)另文中已敘述，當(dāng)真空腔室無法繼續(xù)抽取等效真空容器中的氣體時，即真空腔室余隙容積中的氣體完全膨脹后的壓力恰等于真空容器中的氣體壓力與抽氣單向閥開啟壓力之和時，達(dá)到了系統(tǒng)的極限狀態(tài)，真空容器達(dá)到極限真空度。根據(jù)絕熱過程的氣體狀態(tài)方程可得，系統(tǒng)達(dá)到極限狀態(tài)時真空腔室內(nèi)與真空容器(真空吸盤)所能達(dá)到的極限真空度p'vmax、pvmax分別為：

　　式中p0———大氣壓力，Pa

　　Δp1———排氣單向閥開啟壓力，Pa

　　Δp2———抽氣單向閥開啟壓力，Pa

　　s———活塞運動行程，m

　　x0———真空腔室余隙容積等效行程，m

　　由式(1)和式(2)可知，真空容器內(nèi)的極限真空度與抽、排氣單向閥的開啟壓力、腔體余隙容積和行程大小都相關(guān)，并且低于真空腔室內(nèi)的極限真空度，差值為抽氣單向閥開啟壓力大小，并且抽氣單項閥的開啟壓力對吸盤處所能達(dá)到的真空度影響最為直接。例如，單向排氣閥、吸氣閥開啟壓力為12kPa時，若真空腔室內(nèi)能夠達(dá)到的最高真空度為95kPa，則真空吸盤處能達(dá)到的最大真空度約為83kPa。由此說明，在抽氣過程中，其中有很大一部分的壓力損失在抽氣單向閥處。

　　1.2、響應(yīng)時間分析

　　系統(tǒng)響應(yīng)時間是與系統(tǒng)的有效抽速和被抽取容器容積大小相關(guān)的，關(guān)系如下：

　　式中pc———等效真空容器內(nèi)氣體絕對壓力，Pa

　　V———等效真空容器容積，L

　　Se———系統(tǒng)有效抽速，L/min

　　在特定的工作場合下，被抽取的容器大小或連接的管道長度一般都是固定的。因而，系統(tǒng)的有效抽速得到了提高，系統(tǒng)響應(yīng)時間也就響應(yīng)減少了。而系統(tǒng)的有效抽速是由真空發(fā)生裝置的自身抽速和抽氣流道的流通性能共同決定的，在一定的供給流量下，其自身的抽速是確定的。只能通過提高抽氣流道的流通性能來減少系統(tǒng)響應(yīng)時間。

　　隨著真空容器內(nèi)的真空度逐漸升高，真空腔室與真空容器間的壓差逐漸減小，每個抽氣過程抽氣單向閥的開啟程度也相應(yīng)減小，使得真空腔室更加難以從真空容器內(nèi)抽出氣體，最終導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時間增加。所以，抽氣單向閥對抽氣流道的流通性能以及系統(tǒng)有效抽速都有較大的影響，不利于減少系統(tǒng)響應(yīng)時間。

　　綜上所述，圖1中的兩個抽氣單向閥不僅影響了系統(tǒng)極限真空度，而且在抽氣過程中，尤是當(dāng)入口真空度較高時，其開啟程度的減小也限制了系統(tǒng)響應(yīng)時間的減少，需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，提高雙活塞缸式氣動真空發(fā)生器的性能水平。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計

　　上節(jié)中通過對系統(tǒng)極限真空度和響應(yīng)時間的分析，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)階段限制系統(tǒng)主要性能提高的主要原因。因此，本文提出了采用一個抽氣換向閥來替代原有兩個抽氣單向閥的改進(jìn)設(shè)計，改進(jìn)后的系統(tǒng)工作原理如圖2所示，命名為PVSCTC-2。

1.動力腔Ⅰ 2.動力腔Ⅱ 3.真空腔Ⅰ 4.真空腔Ⅱ 5.真空容器 6.真空吸盤 7.抽氣換向閥 8.驅(qū)動換向閥

圖2改進(jìn)后的真空發(fā)生器系統(tǒng)工作原理

　　活塞式真空發(fā)生器的抽氣過程采用抽氣換向閥控制時，不僅消除了抽氣流道中原抽氣單向閥開啟壓力的損失，也克服了抽氣過程抽氣有效面積逐漸減小的不利影響，有利于提高系統(tǒng)極限真空度、減少響應(yīng)時間。但在PVSCTC-2型中依然保留了原兩個排氣單向閥，這是因為若同樣以換向閥取代兩排氣單向閥，雖然可使真空腔排氣時余隙容積氣體壓力有所降低，也減少了回流氣體產(chǎn)生的真空壓力波動，但當(dāng)活塞反向運動時，大氣氣體也將流入上一次行程中的抽氣腔內(nèi)，反而增加了活塞運動時的阻力，不利于往復(fù)運動速度的提高，從而也影響系統(tǒng)的有效抽速;另外，若突然停止氣源供氣，活塞很可能最終停留在行程的一側(cè)，使抽氣換向閥處在換向過程中，這樣就不能保證真空腔室與真空容器連接的密閉性，不能維持住真空吸盤處原有的真空度，導(dǎo)致吸取的工件脫落。所以，為了避免上述兩點不利影響，保留了原有兩個排氣單向閥。

　　但是，在此改進(jìn)的同時，也隨之帶來了不利的影響。由于在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，抽氣換向閥是位于動力腔室和真空腔室之間，靠外側(cè)的真空腔室Ⅱ在抽氣時需繞過整個真空腔體，不可避免使得余隙容積增大，這對系統(tǒng)極限真空度有不利影響，也增大了真空容器中壓力波動。

　　在具體零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計前，先對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，主要參數(shù)如下：動力腔直徑40mm，真空腔直徑40mm，活塞桿直徑8mm，行程40mm，供給壓力0.15MPa。圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的真空響應(yīng)過程對比。仿真結(jié)果表明，PVSCTC-2在系統(tǒng)極限真空度和響應(yīng)時間這兩項主要性能標(biāo)上都有一定程度提高。同時，圖3中PVSCTC-2的真空響應(yīng)過程也的確出現(xiàn)之前分析的氣體回流產(chǎn)生的真空度波動現(xiàn)象，這是由結(jié)構(gòu)設(shè)計所造成的，無法避免，只能通過盡可能減小真空腔室的余隙容積來減小波動。

圖3 系統(tǒng)改進(jìn)前后真空響應(yīng)過程仿真結(jié)果對比　　圖4 在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下真空響應(yīng)過程實驗對比

3、試驗研究

　　3.1、試驗驗證

　　通過系統(tǒng)的仿真研究，表明采用一抽氣換向閥替代原有的兩個抽氣單向閥能夠使系統(tǒng)性能得到一定程度的提高，改進(jìn)是可行的，但還需通過試驗研究的方法來進(jìn)行驗證。本文根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)工作原理設(shè)計了改進(jìn)后樣機模型的各具體零部件結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗研究。圖4為PVSCTC-1、PVSCTC-2樣機模型在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，供給壓力為0.15MPa時實驗測得的真空響應(yīng)過程對比，模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見上節(jié)。從圖中可看出，改進(jìn)后的PVSCTC-2樣機模型較PVSCTC-1在極限真空度和響應(yīng)速度上都有較大幅度的提高，尤其是達(dá)到較高真空度時的響應(yīng)時間大大減少了。而在相同的供給壓力下，兩者的供給流量幾乎相同，這說明了在相同供給耗氣量的情況下，改進(jìn)后模型的實際有效抽氣流量比原模型的大，抽氣效率更高，與之前的理論分析和仿真結(jié)果是一致的。圖4在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下真空響應(yīng)過程實驗對比

　　3.2、主要影響因素試驗研究

　　(1)動力腔直徑的影響

　　通過對多組不同動力腔直徑下的樣機模型進(jìn)行試驗，結(jié)果表明，動力腔直徑與系統(tǒng)的極限真空度基本無關(guān)，主要是對活塞的往復(fù)運動速度有較大的影響，從而影響系統(tǒng)在不同入口真空度下的實際抽速，即流量特性。圖5為不同動力腔直徑下，PVSCTC-2樣機模型在相同供給壓力下試驗測得的系統(tǒng)流量特性。在一定范圍內(nèi)動力腔直徑越小，活塞往復(fù)運動速度也越快，實際有效抽速越高。這是因為，越大的驅(qū)動直徑進(jìn)、排氣體的質(zhì)量也越多，在相同進(jìn)、排氣流道有效面積下，需要的時間也越長，使得活塞的運動速度降低，最終導(dǎo)致有效抽速的下降。

圖5 不同驅(qū)動腔直徑下的流量特性　　圖6 不同行程下的真空響應(yīng)過程對比

　　(2)行程的影響

　　由式(1)可知，行程是影響其極限真空度的主要因素之一，行程越大，系統(tǒng)所能獲得的極限真空度也越高。但是，行程大小同時也決定總體結(jié)構(gòu)軸向尺寸的大小，外形尺寸與性能是相矛盾的。通過實驗，測得了不同行程下真空響應(yīng)過程，如圖6所示。活塞運動行程分別為40mm、50mm、60mm時，系統(tǒng)所能達(dá)到的極限真空度分別約為93kPa、92kPa、89kPa。

　　從圖6中還可看出，增加行程大小對系統(tǒng)響應(yīng)時間的減少也是有利的，行程為60mm時的系統(tǒng)響應(yīng)時間較行程為40mm時減少了16%。從實驗測得的供給流量上看，不同行程下的供給流量基本是相同的，這就說明了行程為60mm時系統(tǒng)真空度達(dá)80kPa的總耗氣量較行程40mm時也減少16%。所以，在外形尺寸限定范圍內(nèi)增大行程對提高系統(tǒng)極限真空度、減少系統(tǒng)響應(yīng)時間和空氣消耗量都是有利的。

　　(3)供給壓力的影響

　　根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，最低供給壓力可由作用在活塞上的力平衡關(guān)系求得，在不同驅(qū)動腔與真空腔工作面積比下，最低供給壓力大小也隨之改變。以驅(qū)動腔直徑30mm，真空腔直徑40mm，極限真空度90kPa為例，計算得到最低供給壓力約為0.21MPa，當(dāng)供給壓力高于最低值時都可進(jìn)行抽取真空。所以，活塞式真空發(fā)生器可以在一個很寬的供給壓力范圍內(nèi)達(dá)到極限真空度，而并非像射流式真空發(fā)生器只能在0.45MPa左右時才能達(dá)到極限真空度。

　　隨著供給壓力的提高，活塞式真空發(fā)生器的供給流量也隨之增加，活塞往復(fù)運動速度加快，真空響應(yīng)速度也有一定程度的提高，但是并不明顯，如圖7所示，而供給流量卻大大增加了。所以，通過提高供給壓力來減少系統(tǒng)響應(yīng)時間是不合適的，應(yīng)在滿足響應(yīng)時間要求的基礎(chǔ)上盡可能降低供給壓力，這樣才符合氣動系統(tǒng)節(jié)能的思想。

圖7 不同供給壓力下的真空響應(yīng)過程對比　　圖8 在相同供給流量下(50L/min)，各真空發(fā)生真空響應(yīng)過程對比

　　3.3、與同級別射流式真空發(fā)生器對比

　　目前，本文研究活塞式真空發(fā)生器最大抽速在30L/min附近，以下將它與同級別射流式真空發(fā)生器的主要性能進(jìn)行比較。圖8為各真空發(fā)生器在相同供給流量下(50L/min)，抽取1L真空容器的真空響應(yīng)過程對比，主要數(shù)據(jù)見表1。其中PVSCTC-2樣機模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：動力腔直徑30mm，真空腔直徑40mm，行程60mm。

表1 各真空發(fā)生器的主要性對比

　　由上述各項性能對比可得，通過本文的研究，對PVSCTC-1進(jìn)行改進(jìn)后得到的PVSCTC-2樣機模型的極限真空度和響應(yīng)時間這兩個主要性能指標(biāo)在原有基礎(chǔ)上都有不同程度地提高，甚至超過了同級別的射流式真空發(fā)生器。在相同使用的情況下，改進(jìn)后的樣機模型更加節(jié)省耗氣量，真空度達(dá)80kPa時的耗氣量減少了約12.5%，同時供給壓力更低，達(dá)到了本文的研究目的。

4、結(jié)論

　　針對前文中設(shè)計的雙活塞缸式氣動真空發(fā)生器的性能不足，本文從理論上對系統(tǒng)極限真空度和響應(yīng)時間的主要影響因素進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)PVSCTC-1系統(tǒng)中的兩個抽氣單向閥是現(xiàn)階段限制其系統(tǒng)性能提高的主要因素，為此提出了以一個抽氣換向閥替代原兩個抽氣單向閥的改進(jìn)設(shè)計，并通過試驗研究對系統(tǒng)改進(jìn)進(jìn)行了驗證。文中還分析了系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對其主要性能的影響。通過與同級別的射流式真空發(fā)生器的主要性能對比，結(jié)果表明，在相同供給流量下，本文研究的PVSCTC-2原型樣機模型較同級別的射流式真空發(fā)生器達(dá)相同真空度時的耗氣量減少了約12.5%，供給壓力更低，有利于氣動系統(tǒng)節(jié)能。