小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)速度特性的研究

趙思愷，李小寧

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

集中式氣源為氣動(dòng)系統(tǒng)提供壓縮空氣的方法已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用[1]，當(dāng)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行元件僅有1個(gè)或2個(gè)時(shí)，并且在某些需要防火、防爆、高速驅(qū)動(dòng)等特定環(huán)境下[2-3]，又只能采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，仍然采用集中式氣源是不經(jīng)濟(jì)的。這就需要考慮能否以小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，這樣可以在滿足特定環(huán)境對(duì)氣壓驅(qū)動(dòng)方式需求的同時(shí)，又能節(jié)省系統(tǒng)成本。應(yīng)用這種驅(qū)動(dòng)方式，就要對(duì)小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的相關(guān)特性進(jìn)行研究，并與集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)進(jìn)行比較。

目前，國內(nèi)外對(duì)集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的研究較為深入，在對(duì)集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的相關(guān)驅(qū)動(dòng)特性研究上較全面。但對(duì)于小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的研究卻未見文獻(xiàn)報(bào)道，普遍只針對(duì)小型壓縮機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用等做分析[4]，對(duì)小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的相關(guān)驅(qū)動(dòng)特性缺乏了解，需要進(jìn)行相關(guān)研究比較。在氣缸的相關(guān)驅(qū)動(dòng)特性中，其速度特性最為主要。氣缸的速度特性主要考察的是氣缸動(dòng)作的快速性以及行程中的速度平穩(wěn)性。所以，對(duì)小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)速度特性的研究是有實(shí)際應(yīng)用意義的。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

為了研究小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的速度特性，并與集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)進(jìn)行比較，要建立2種氣源驅(qū)動(dòng)氣缸的試驗(yàn)系統(tǒng)，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)如圖1，由小型壓縮機(jī)1產(chǎn)生壓縮空氣通過小型儲(chǔ)氣罐3進(jìn)行一定的穩(wěn)流后直接驅(qū)動(dòng)氣缸6進(jìn)行工作。

1—小型壓縮機(jī)；2—單向閥；3—小型儲(chǔ)氣罐；4—電磁換向閥；5、8—單向節(jié)流閥；6—?dú)飧祝?—負(fù)載；9—消聲器；10—PLC控制器；11—激光位移傳感器；12—數(shù)據(jù)采集儀圖1 小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)原理圖

集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，由大型壓縮機(jī)1產(chǎn)生壓縮空氣，通過氣源處理元件2～7進(jìn)行冷卻、干燥、過濾、穩(wěn)壓處理后驅(qū)動(dòng)氣缸10工作。

1—大型壓縮機(jī)；2—后冷卻器；3—干燥器；4—大型儲(chǔ)氣罐；5—油霧分離器；6—過濾器；7—減壓閥；8—電磁換向閥；9、12—單向節(jié)流閥；10—?dú)飧祝?1—直線氣缸；13—PLC控制器；14—消聲器；15—激光位移傳感器；16—數(shù)據(jù)采集儀；圖2 集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)原理圖

2 試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

建立2種氣源對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)工作臺(tái)。圖3為小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)系統(tǒng)由4個(gè)主要部分組成。1) 氣源部分：小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的氣源部分由小型壓縮機(jī)獨(dú)立構(gòu)成；集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的氣源部分由大型壓縮機(jī)及其后處理元件組成。2) 工作部分：由氣缸和氣缸軸向恒力加載裝置組成。3) 控制部分：采用PLC控制小型壓縮機(jī)的啟動(dòng)停止和電磁閥的工位切換。4)數(shù)據(jù)采集部分：激光位移傳感器測(cè)量氣缸活塞位移隨時(shí)間的變化，由數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集與記錄。

圖3 小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)物圖

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選擇3種不同缸徑、相同行程的標(biāo)準(zhǔn)氣缸進(jìn)行相關(guān)研究，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)中連接小型儲(chǔ)氣罐容積為1.0L，集中式氣源的驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的使用壓力為0.5MPa，以氣缸出程作為其工作行程，采用排氣節(jié)流的速度控制方式，對(duì)2種氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的速度特性進(jìn)行測(cè)試和研究。

試驗(yàn)的具體步驟如下：1) 由恒力加載裝置對(duì)氣缸軸向施加給定大小載荷；2) 調(diào)整速度控制閥，當(dāng)其開度最大時(shí)，測(cè)試氣缸的快速性，之后調(diào)整其開度以獲得最為平穩(wěn)的運(yùn)行速度，并保持此開度狀態(tài)；3) 利用激光位移傳感器測(cè)量氣缸活塞位移隨時(shí)間變化，對(duì)其求導(dǎo)得到氣缸的速度曲線，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果的比較分析

3.1 氣缸速度特性的主要指標(biāo)

1) 氣缸運(yùn)動(dòng)快速性

氣壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)之一是其運(yùn)行的快速性。氣缸的快速性能夠保證其操作時(shí)，能以較快的節(jié)拍完成工位作業(yè)任務(wù)。氣缸的快速性以在額定工作壓力下，氣缸驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)的單程最短行程時(shí)間Tmin來表征，即氣缸工作行程的最短時(shí)間。

2) 氣缸運(yùn)行平穩(wěn)性

圖4 氣缸運(yùn)行速度相關(guān)參數(shù)值的確定

由圖4可知，ΔVmax與ΔVmin之和為氣缸速度波動(dòng)的最大幅度為Vwm，將Vwm倒數(shù)Sv定義為氣缸速度的平穩(wěn)值，如式(1)所示。其中將參數(shù)1的量綱設(shè)定為m/s，則氣缸速度的平穩(wěn)值Sv無量綱。平穩(wěn)值Sv越大，氣缸運(yùn)行平穩(wěn)性越好。

(1)

式中：Sv——?dú)飧姿俣鹊钠椒€(wěn)值，無量綱；

Vwm——?dú)飧姿俣炔▌?dòng)最大幅度值，m/s。

3.2 速度特性的比較分析

試驗(yàn)中，針對(duì)行程為200 mm，缸徑分別為32 mm、40 mm、50 mm的氣缸進(jìn)行試驗(yàn)，得到2種氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)速度的快速性和平穩(wěn)性。

1) 快速性比較

2種氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)工作行程最短時(shí)間的變化特性比較如圖5所示。在集中式氣源下，缸徑32 mm氣缸驅(qū)動(dòng)300 N負(fù)載時(shí)，其對(duì)應(yīng)負(fù)載率過大，不滿足理想負(fù)載率加載，比較時(shí)忽略此工況下的數(shù)據(jù)點(diǎn)。3種試驗(yàn)氣缸速度特性隨負(fù)載的變化規(guī)律較為相似，所以，僅以缸徑40 mm氣缸為例，對(duì)2種氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的速度特性進(jìn)行比較。如圖5(b)所示，隨著負(fù)載的增大，2種氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的工作行程最短時(shí)間成線性增加，在對(duì)應(yīng)工況下，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的工作行程最短時(shí)間都比集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)大，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的快速性不如集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)。

圖5 工作行程最短時(shí)間比較

2) 平穩(wěn)性比較

2種氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的速度平穩(wěn)性比較如圖6所示。

圖6 速度平穩(wěn)性比較

以缸徑40 mm氣缸為例，由圖6(b)可知，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的速度平穩(wěn)值隨著負(fù)載的增大而增大，集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的速度平穩(wěn)值隨著負(fù)載的增大，先增大而后有所減少。對(duì)應(yīng)工況下，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的速度平穩(wěn)值都小于集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)，前者的速度平穩(wěn)值僅為后者的23.6%～61.5%，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的速度平穩(wěn)性不如集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)。

4 結(jié)語

研究了小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的速度特性，并與集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)的快速性稍差于集中式氣源驅(qū)動(dòng)氣缸系統(tǒng)，其速度平穩(wěn)值僅為后者的23.6%～61.5%。當(dāng)對(duì)氣缸運(yùn)行快速性和平穩(wěn)性要求不高時(shí)，可以考慮采用小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)氣缸的驅(qū)動(dòng)方式。

[1] 田鐵錚. 氣動(dòng)技術(shù)簡要描述及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 科技風(fēng), 2010, 7:230-231.

[2] 王雄耀. 對(duì)我國氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展的思考[J]. 流體傳動(dòng)與控制, 2012(4):1-6.

[3] 沈嬋, 路波, 惠偉安. 氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新[J]. 流體傳動(dòng)與控制, 2011(4):7-10.

[4] 劉衛(wèi)華. 渦旋式、滾動(dòng)活塞式、往復(fù)式壓縮機(jī)比較[J]. 家用電器科技, 1996 (6):2-4.

[5] 江秋斐, 李小寧, 路建萍, 等. 氣缸低摩擦力測(cè)量方法的研究[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2011, 40(1): 45-48.