小型壓縮機直接驅動氣缸系統速度特性的研究

趙思愷，李小寧

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

集中式氣源為氣動系統提供壓縮空氣的方法已經較為廣泛地應用[1]，當驅動的執行元件僅有1個或2個時，并且在某些需要防火、防爆、高速驅動等特定環境下[2-3]，又只能采用氣壓驅動方式時，仍然采用集中式氣源是不經濟的。這就需要考慮能否以小型壓縮機直接驅動執行元件，這樣可以在滿足特定環境對氣壓驅動方式需求的同時，又能節省系統成本。應用這種驅動方式，就要對小型壓縮機直接驅動氣缸系統的相關特性進行研究，并與集中式氣源驅動氣缸系統進行比較。

目前，國內外對集中式氣源驅動氣缸系統的研究較為深入，在對集中式氣源驅動氣缸系統的相關驅動特性研究上較全面。但對于小型壓縮機直接驅動氣缸系統的研究卻未見文獻報道，普遍只針對小型壓縮機的分類、結構和應用等做分析[4]，對小型壓縮機直接驅動氣缸系統的相關驅動特性缺乏了解，需要進行相關研究比較。在氣缸的相關驅動特性中，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性。所以，對小型壓縮機直接驅動氣缸系統速度特性的研究是有實際應用意義的。

1 試驗系統原理

為了研究小型壓縮機直接驅動氣缸系統的速度特性，并與集中式氣源驅動氣缸系統進行比較，要建立2種氣源驅動氣缸的試驗系統，小型壓縮機直接驅動氣缸系統如圖1，由小型壓縮機1產生壓縮空氣通過小型儲氣罐3進行一定的穩流后直接驅動氣缸6進行工作。

1—小型壓縮機；2—單向閥；3—小型儲氣罐；4—電磁換向閥；5、8—單向節流閥；6—氣缸；7—負載；9—消聲器；10—PLC控制器；11—激光位移傳感器；12—數據采集儀圖1 小型壓縮機直接驅動氣缸系統原理圖

集中式氣源驅動氣缸系統的原理圖如圖2所示，由大型壓縮機1產生壓縮空氣，通過氣源處理元件2～7進行冷卻、干燥、過濾、穩壓處理后驅動氣缸10工作。

1—大型壓縮機；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—單向節流閥；10—氣缸；11—直線氣缸；13—PLC控制器；14—消聲器；15—激光位移傳感器；16—數據采集儀；圖2 集中式氣源驅動氣缸系統原理圖

2 試驗系統的實現及試驗方法

2.1 試驗系統的實現

建立2種氣源對應的試驗系統工作臺。圖3為小型壓縮機直接驅動氣缸系統的試驗平臺。試驗系統由4個主要部分組成。1) 氣源部分：小型壓縮機直接驅動氣缸系統的氣源部分由小型壓縮機獨立構成；集中式氣源驅動氣缸系統的氣源部分由大型壓縮機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控制小型壓縮機的啟動停止和電磁閥的工位切換。4)數據采集部分：激光位移傳感器測量氣缸活塞位移隨時間的變化，由數據采集儀進行實時的采集與記錄。

圖3 小型壓縮機直接驅動氣缸系統試驗實物圖

2.2 試驗方法

試驗選擇3種不同缸徑、相同行程的標準氣缸進行相關研究，小型壓縮機直接驅動氣缸系統中連接小型儲氣罐容積為1.0L，集中式氣源的驅動氣缸系統的使用壓力為0.5MPa，以氣缸出程作為其工作行程，采用排氣節流的速度控制方式，對2種氣源驅動氣缸系統的速度特性進行測試和研究。

試驗的具體步驟如下：1) 由恒力加載裝置對氣缸軸向施加給定大小載荷；2) 調整速度控制閥，當其開度最大時，測試氣缸的快速性，之后調整其開度以獲得最為平穩的運行速度，并保持此開度狀態；3) 利用激光位移傳感器測量氣缸活塞位移隨時間變化，對其求導得到氣缸的速度曲線，對試驗結果進行處理分析。

3 試驗結果的比較分析

3.1 氣缸速度特性的主要指標

1) 氣缸運動快速性

氣壓驅動的優點之一是其運行的快速性。氣缸的快速性能夠保證其操作時，能以較快的節拍完成工位作業任務。氣缸的快速性以在額定工作壓力下，氣缸驅動負載時的單程最短行程時間Tmin來表征，即氣缸工作行程的最短時間。

2) 氣缸運行平穩性

圖4 氣缸運行速度相關參數值的確定

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Sv定義為氣缸速度的平穩值，如式(1)所示。其中將參數1的量綱設定為m/s，則氣缸速度的平穩值Sv無量綱。平穩值Sv越大，氣缸運行平穩性越好。

(1)

式中：Sv——氣缸速度的平穩值，無量綱；

Vwm——氣缸速度波動最大幅度值，m/s。

3.2 速度特性的比較分析

試驗中，針對行程為200 mm，缸徑分別為32 mm、40 mm、50 mm的氣缸進行試驗，得到2種氣源驅動氣缸系統速度的快速性和平穩性。

1) 快速性比較

2種氣源驅動氣缸系統工作行程最短時間的變化特性比較如圖5所示。在集中式氣源下，缸徑32 mm氣缸驅動300 N負載時，其對應負載率過大，不滿足理想負載率加載，比較時忽略此工況下的數據點。3種試驗氣缸速度特性隨負載的變化規律較為相似，所以，僅以缸徑40 mm氣缸為例，對2種氣源驅動氣缸系統的速度特性進行比較。如圖5(b)所示，隨著負載的增大，2種氣源驅動氣缸系統的工作行程最短時間成線性增加，在對應工況下，小型壓縮機直接驅動氣缸系統的工作行程最短時間都比集中式氣源驅動氣缸系統大，小型壓縮機直接驅動氣缸系統的快速性不如集中式氣源驅動氣缸系統。

圖5 工作行程最短時間比較

2) 平穩性比較

2種氣源驅動氣缸系統的速度平穩性比較如圖6所示。

圖6 速度平穩性比較

以缸徑40 mm氣缸為例，由圖6(b)可知，小型壓縮機直接驅動氣缸系統的速度平穩值隨著負載的增大而增大，集中式氣源驅動氣缸系統的速度平穩值隨著負載的增大，先增大而后有所減少。對應工況下，小型壓縮機直接驅動氣缸系統的速度平穩值都小于集中式氣源驅動氣缸系統，前者的速度平穩值僅為后者的23.6%～61.5%，小型壓縮機直接驅動氣缸系統的速度平穩性不如集中式氣源驅動氣缸系統。

4 結語

研究了小型壓縮機直接驅動氣缸系統的速度特性，并與集中式氣源驅動氣缸系統進行了比較分析，小型壓縮機直接驅動氣缸系統的快速性稍差于集中式氣源驅動氣缸系統，其速度平穩值僅為后者的23.6%～61.5%。當對氣缸運行快速性和平穩性要求不高時，可以考慮采用小型壓縮機直接驅動氣缸的驅動方式。

[1] 田鐵錚. 氣動技術簡要描述及其在生產中的應用[J]. 科技風, 2010, 7:230-231.

[2] 王雄耀. 對我國氣動行業發展的思考[J]. 流體傳動與控制, 2012(4):1-6.

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

[4] 劉衛華. 渦旋式、滾動活塞式、往復式壓縮機比較[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]. 機械制造與自動化, 2011, 40(1): 45-48.