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)動等特定環(huán)境下[2-3]，又只能采用氣壓驅(qū)動方式時(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)動執(zhí)行元件，這樣可以在滿足特定環(huán)境對氣壓驅(qū)動方式需求的同時(shí)，又能節(jié)省系統(tǒng)成本。應(yīng)用這種驅(qū)動方式，就要對小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的相關(guān)特性進(jìn)行研究，并與集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)進(jìn)行比較。

目前，國內(nèi)外對集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的研究較為深入，在對集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的相關(guān)驅(qū)動特性研究上較全面。但對于小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的研究卻未見文獻(xiàn)報(bào)道，普遍只針對小型壓縮機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用等做分析[4]，對小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的相關(guān)驅(qū)動特性缺乏了解，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作的快速性以及行程中的速度平穩(wěn)性。所以，對小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(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)動氣缸系統(tǒng)的速度特性，并與集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)進(jìn)行比較，要建立2種氣源驅(qū)動氣缸的試驗(yàn)系統(tǒng)，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)如圖1，由小型壓縮機(jī)1產(chǎn)生壓縮空氣通過小型儲氣罐3進(jìn)行一定的穩(wěn)流后直接驅(qū)動氣缸6進(jìn)行工作。

1—小型壓縮機(jī)；2—單向閥；3—小型儲氣罐；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)動氣缸系統(tǒng)原理圖

集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(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種氣源對應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)工作臺。圖3為小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺。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)動氣缸系統(tǒng)中連接小型儲氣罐容積為1.0L，集中式氣源的驅(qū)動氣缸系統(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2種氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的速度特性進(jìn)行測試和研究。

試驗(yàn)的具體步驟如下：1) 由恒力加載裝置對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量氣缸活塞位移隨時(shí)間變化，對其求導(dǎo)得到氣缸的速度曲線，對試驗(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)動快速性

氣壓驅(qū)動的優(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▌幼畲蠓戎担琺/s。

3.2 速度特性的比較分析

試驗(yàn)中，針對行程為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300 N負(fù)載時(shí)，其對應(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2種氣源驅(qū)動氣缸系統(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)動氣缸系統(tǒng)的工作行程最短時(shí)間成線性增加，在對應(yīng)工況下，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的工作行程最短時(shí)間都比集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)大，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的快速性不如集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(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。對應(yīng)工況下，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的速度平穩(wěn)值都小于集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(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)動氣缸系統(tǒng)的速度平穩(wěn)性不如集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)。

4 結(jié)語

研究了小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的速度特性，并與集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)進(jìn)行了比較分析，小型壓縮機(jī)直接驅(qū)動氣缸系統(tǒng)的快速性稍差于集中式氣源驅(qū)動氣缸系統(tǒng)，其速度平穩(wěn)值僅為后者的23.6%～61.5%。當(dāng)對氣缸運(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)動氣缸的驅(qū)動方式。

[1] 田鐵錚. 氣動技術(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. 對我國氣動行業(yè)發(fā)展的思考[J]. 流體傳動與控制, 2012(4):1-6.

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

[4] 劉衛(wèi)華. 渦旋式、滾動活塞式、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. 氣缸低摩擦力測量方法的研究[J]. 機(jī)械制造與自動化, 2011, 40(1): 45-48.