真空发生器的工作原理

真空发生器就是利用正压气源产生负压的一种新型，高效，清洁，经济，小型的真空元器件，这使得在有压缩空气的地方，或在一个气动系统中同时需要正负压的地方获得负压变得十分容易和方便。真空发生器广泛应用在工业自动化中机械，电子，包装，印刷，塑料及机器人等领域.真空发生器的传统用途是真空吸盘配合，进行各种物料的吸附，搬运，尤其适合于吸附易碎，柔软，薄的非铁，非金属材料或球型物体.在这类应用中，一个共同特点是所需的抽气量小，真空度要求不高且为间歇工作。笔者认为对真空发生器的抽吸机理和影响其工作性能因素的分析研究，对正负压气路的设计和选用有着不可忽视的实际意义。、真空发生器的工作原理真空发生器的工作原理是利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，产生卷吸流动.在卷吸作用下，使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成一定真空度。如图1所示。由流体力学可知，对于不可压缩空气气体（气体在低速进，可近似认为是不可压缩空气）的连续性方程A1v1=A2v2式中A1，A2管道的截面面积，m2v1，v2气流流速，m/s由上式可知，截面增大，流速减小；截面减小，流速增大。对于水平管路，按不可压缩空气的伯努里理想能量方程为P1+1/2ρv12=P2+1/2ρv22式中P1，P2截面A1，A2处相应的压力，Pav1，v2截面A1，A2处相应的流速，m/sρ空气的密度，kg/m2由上式可知，流速增大，压力降低，当v2>>v1时，P1>>P2。当v2增加到一定值，P2将小于一个大气压务，即产生负压.故可用增大流速来获得负压，产生吸力。按喷管出口马赫数M1(出口流速与当地声速之比)分类，真空发生器可分为亚声速器管型(M1<1)，声速喷管型(M1=1)和超声速喷管型(M1>1).亚声速喷管和声速喷管都是收缩喷管，而超声速喷管型必须是先收缩后扩张形喷管(即Laval喷嘴).为了得到最大吸入流量或最高吸入口处压力，真空发生器都设计成超声速喷管型。、真空发生器的抽吸性能分析、真空发生器的主要性能参数空气消耗量：指从喷管流出的流量qv1。吸入流量：指从吸口吸入的空气流量qv2.当吸入口向大气敞开时，其吸入流量最大，称为最大吸入流量qv2max。吸入口处压力：记为Pv.当吸入口被完全封闭(如吸盘吸着工件)，即吸入流量为零时，吸入口内的压力最低，记作Pvmin。吸着响应时间：吸着响应时间是明真空发生器工作性能的一个重要参数，它是指从换向阀打开到系统回路中达到一个必要的真空度的时间。、影响真空发生器性能的主要因素真空发生器的性能与喷管的最小直径，收缩和扩散管的形状，通径及其相应位置和气源压力大小等诸多因素有关。图2为某真空发生器的吸入口处压力，吸入流量，空气消耗量与供给压力之间的关系曲线.图中表明，供给压力达到一定值时，吸入口处压力较低，这时吸入流量达到最大，当供给压力继续增加时，吸入口处压力增加，这时吸入流量减小。最大吸入流量qv2max的特性分析：较为理想的真空发生器的qv2max特性，要求在常用供给压力范围内(P01=0.4---0.5MPa)，qv2max处于最大值，且随着P01的变化平缓。吸入口处压力Pv的特性分析：较为理想的真空发生器的Pv特性，要求在常用供给压力范围内(P01=0.4---0.5MPa)，Pv处于最小值，且随着Pv1的变化平缓。在吸入口吵完全封闭的条件下，对特定条件下吸入口处压力Pv与吸入流量之间的关系如图3所示.为获得较为理想的吸入口处压务与吸入流量的匹配关系，可设计成多级真空发生器串联组合在一起。扩散管的长度应保证喷管出口的各种波系充分发展，使扩散管道出口截面上能获得近似的均匀流动.但管道过长，管壁摩擦损失增大。一般管工为管径的6---10倍较为合理.为了减少能量损失，可在扩散管直管道的出口加一个扩张角为6°---8°的扩张段。吸着响应时间与吸附腔的容积有关(包括扩散腔，吸附管道及吸盘或密闭舱容积等)，吸附表面的泄漏量与所需吸入口处压力的大小有关。对一定吸入口处压力要求来说，若吸附腔的容积越小，响应时间越短；若吸入口处压力越高，吸附容积越小，表面泄漏量越小，则吸着响应时间亦越短；若吸附容积大，且吸着速度要快，则真空发生器的喷嘴直径应越大。真空发生器在满足使用要求的前提下应减小其耗气量(L/min)，耗气量与压缩空气的供给压力有关，压力越大，则真空发生器的耗气量越大.因此在确定吸入口处压务值勤的大小时要注意系统的供给压力与耗气量的关系，一般真空发生器所产生的吸入口处压力在20kPa到10kPa之间。此时供华表压力再增加，吸入口处压力也不会再降低了，却增加了.因此降低吸入口处压力应从控制流速方面考虑。有时由于工件的形状或材料的影响，很难获得较低的吸入口处压力，由于从吸盘边缘或通过工件吸入空气，而造成吸入口处压力升高.在这种情况下，就需要正确选择真空发生器的尺寸，使其能够补偿泄漏造成的吸入口处压力升高。由于很难知道泄漏时的有效截面积，可以通过一个简单的试验来确定泄漏造成的吸入口处压力升高。由于很难知道泄漏时的有效截面积，可以通过一个简单的试验来确定泄漏量。试验回路由工件，真空发生器，吸盘和真空表组成，由真空表的显示读数，再查真空发生器的性能曲线，可很容易知道泄漏量的大小。当考虑泄漏时，真空发生器的特性曲线对正确确定真空发生器非常重要。泄有时是不可避免的，当有泄漏时确定真空发生器的大小的方法如下：把名义吸入流量与泄漏流量相加，可查出真空发生器的大小。、提高真空发生器吸入流量的方法3.1、真空发生器分高真空型和高抽吸流量型，前者曲线斜率大，后者平坦。在喷管喉部直径一定的情况下，要获得高真空，必然降低抽吸流量，而为获得大吸入流量，必然增加其吸入口处压力。3.、为增大真空发生器吸入流量，可采取设计多级扩大压管方式。如采取两个三级扩压管式真空发生器并联，如图所示，吸入流量将再增加一倍。、结束语4.1、真空发生器是一种小巧而经济的真空产生元件，应用在有正压气源的地方，使真空回路极大简化.因此，有利于降低机器的制造成本，有利于提高机器的可靠性，有利于实现机械的高速化和自动化，具有广阔的应用前景。、系统设计过程中，应综合考虑真空发生器的各种性能参数，选择与系统相匹配的性能指标.一般较佳的供气供给压力为：0.4---0.5MPa，吸入口处压力一般为：20kPa---10kPa。双活塞缸式气动真空发生器工作原理来源：真空技术网(www.chvacuum.com)南京理工大学机械学院SMC技术中心作者：潘孝斌在工业自动化发展过程中,气动真空吸取技术已越来越广泛地应用于各种生产线上,主要用于吸取易碎、柔软、薄的非铁、非金属材料,以完成搬运、夹紧或包装等作业。目前,在生产线上广泛应用的真空发生装置主要为射流式真空发生器,压缩气体通过喷嘴的高速流动从而产生一定的真空度。根据其工作原理决定了它只能在较高的供给压力下才能达到极限真空度,并且耗气量大,不利于气动系统节能。真空技术网曾经提到过一种新型的真空发生器PVSCTC-1(PneumaticVacuum压力下达到较高的极限真空度,这就有可能直接或间接利用气缸排气的能量进行工作空,达到气动系统节能的目的,在工程应用中具有较高的应用价值。1.动力腔Ⅰ2.动力腔Ⅱ3.真空腔Ⅰ4.真空腔Ⅱ5.连接管道等效容器6.真空吸盘向阀图1双活塞缸式气动真空发生器工作原理这种新型的真空发生器作为一种节能的气动真空发生装置,在满足基本性能要求的基础上本身应具有较高的能量使用效率,否则研究意义不大。通过前期的研究发现,其响应时间和耗气量这两个性能指标上较同级别的射流式真空发生器都还存在一定的差距。本文研究的目的正是通过相关的理论分析,对其不足之处进行改进,提高整体能力水平。双活塞缸式气动真空发生器改进设计的理论依据来源：真空技术网(www.chvacuum.com)南京理工大学机械学院SMC技术中心作者：李小宁真空发生器极限真空度分析双活塞缸式气动真空发生器系统的工作原理在真空技术网某一文章中叙述,当真空腔室无法继续抽取等效真空容器中的气体时,即真空腔室余隙容积中的气体完全膨胀后的压力恰等于真空容器中的气体压力与抽气单向阀开启压力之和时,达到了系统的极限状态,真空容器达到极限真空度。根据绝热过程的气体状态方程可得,系统达到极限状态时真空腔室内与真空容器(真空吸盘)所能达到的极限真空度p'vmax、pvmax分别为:式中p0———大气压力,PaΔp1———排气单向阀开启压力,PaΔp2———抽气单向阀开启压力,Pas———活塞运动行程,mx0———真空腔室余隙容积等效行程,m由式(1)和式(2)可知,真空容器内的极限真空度与抽、排气单向阀的开启压力、腔体余隙容积和行程大小都相关,并且低于真空腔室内的极限真空度,差值为抽气单向阀开启压力大小,并且抽气单项阀的开启压力对吸盘处所能达到的真空度影响最为直接。例如,单向排气阀、吸气阀开启压力为12kPa时,若真空腔室内能够达到的最高真空度为95kPa,则真空吸盘处能达到的最大真空度约为83kPa。由此说明,在抽气过程中,其中有很大一部分的压力损失在抽气单向阀处。响应时间分析系统响应时间是与系统的有效抽速和被抽取容器容积大小相关的式中pc———等效真空容器内气体绝对压力,PaV———等效真空容器容积,LSe———系统有效抽速,L/min在特定的工作场合下,被抽取的容器大小或连接的管道长度一般都是固定的。因而,系统的有效抽速得到了提高,系统响应时间也就响应减少了。而系统的有效抽速是由真空发生装置的自身抽速和抽气流道的流通性能共同决定的,在一定的供给流量下,其自身的抽速是确定的。只能通过提高抽气流道的流通性能来减少系统响应时间。随着真空容器内的真空度逐渐升高,真空腔室与真空容器间的压差逐渐减小,每个抽气过程抽气单向阀的开启程度也相应减小,使得真空腔室更加难以从真空容器内抽出气体,最终导致系统响应时间增加。所以,抽气单向阀对抽气流道的流通性能以及系统有效抽速都有较大的影响,不利于减少系统响应时间。综上所述,图1中的两个抽气单向阀不仅影响了系统极限真空度,而且在抽气过程中,尤其是当入口真空度较高时,其开启程度的减小也限制了系统响应时间的减少,需要对系统结构进行相应改进,提高双活塞缸式气动真空发生器的性能水平。真空发生器系统的物理和数学模型(1)来源：真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学工程力学系作者：姚朝晖真空元件以真空压力为动力源,作为实现自动化的一种手段,已在电子、半导体元件组装、汽车组装、自动搬运机械、轻工机械、食品机械、医疗机械、印刷机械、塑料制品机械、包装机械、锻压机械、机器人等许多方面得到广泛的应用。真空发生装置有真空泵和真空发生器两种。真空泵是吸入口形成负压,排气口直接通大气,两端压力比很大的抽除气体的机械。真空发生器是利用压缩空气的流动而形成一定真空度的气动元件,与真空泵相比,它的结构简单、体积小、质量轻、价格低、安装方便,与配套件复合化容易,真空的产生和解除快,宜从事流量不大的间歇工作,适合分散使用。随着自动化生产中,精密控制的要求日趋严格,需要比较精确地知道真空发生器动作后吸盘处的吸附响应时间,而以往对真空系统中吸附响应时间的预估,是由经验公式T=V×60/Q得到的,其中V为吸管容积(L);Q为平均吸入流量(NL/min),由经验方法确定。该经验公式有三大不足之处:一是没有考虑真空发生器本身的吸附响应时间;二是稀疏波在配管中的传播;三是没有考虑供气压力对流量的影响。因此使用该经验公式常常会与实际情况有很大的出入。本文的目的是建立更为精确的真空发生器及其配管在各种运行工况下的吸附响应时间的计算模型,为自动化中的精密控制奠定理论基础。真空发生器典型的真空发生器的结构原理及其图形符号如图1所示,它是由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管1、压腔2和接收管3等组成。有供气口、排气口和真空口。当供气口的供气压力高于一定值后,喷管射出超声速射流。图1真空发生器的结构原理图由于气体的粘性,高速射流卷吸走负腔内的气体,使该腔形成很低的真空度。在真空口处接上配管和真空吸盘,靠真空压力便可吸起吸吊物。图2为真空系统的示意图,该系统由气源1,调压阀2,电磁阀3,真空发生器4,消声器5,配管6和吸盘7组成。图2真空发生器系统示意图真空发生器系统的物理和数学模型(2)来源：真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学工程力学系作者：姚朝晖对于上述的真空发生器系统,配管内的流动为一维可压缩、带摩擦、热传导的非定常流动,其支配方程为连续方程状态方程p=ρRT(4)在式(1)～(3)偏微分方程中,密度ρ、流速u和压力p是因变量,两个自变量是沿管距离x和时间t。这三个偏微分方程可以用特征线方法变换成全微分方程,即三条特征线上的三组特征相容关系。带内插的特征线法用dt乘式(5)～(7),并在积分中采用一阶近似,特征相容方程的有限差分形式为在C0特征线上在式(8)～(10)中,上标表示时步,下标表示网格点或内插点,如图3所示。图中t时刻网格点i-1,i,i+1上的p,u,ρ值由初始条件或上一时步计算得到,内插点i+,i0,i-上的p,u,ρ值由i-1,i,i+1三点值插值得到,对于t+Δt时刻a点的p,u,ρ由三个特征相容关系式求出。图3规定时间间隔的带内插的特征线方法示意图边界条件的确定由图2可见,由配管内点可引三条特征线,故有三组特征相容方程求解三个未知数p,u,。而ρ对于与吸盘相连的进口边界只能引一条特征线,故只有一组特征相容关系;与真空发生器相连出口边界也只能引两条特征线,故也只有二组特征相容关系,因此均需引入p,u,ρ的补充关系式,即相应的边界条件,以求解边界上不同时刻的p,u,ρ。与吸盘相连的进口边界采用气室模型,则有P/ργ=常数,ρV=m式中V为吸盘及其与配管相连的管接头内的体积;m为该体积内的气体质量。与真空发生器相连的出口边界根据真空发生器的流量特性,补充真空压力p和吸入流量(QV=uA)的关系式。由此可见对于与吸盘相连的进口边界补充两组关系式,对与真空发生器相连的出口边界补充一组关系式,即可得到不同时刻进、出口上的p,u,ρ值。真空发生器吸附响应时间的计算和实验验证来源：真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学工程力学系作者：姚朝晖根据真空发生器系统的理论模型和求解方法,利用实验得到的流量特性就可以进行真空发生器系统吸附响应时间的计算,为了验证计算结果的正确性,进行了真空发生器吸附响应时间的实验验证,见表1和表2。表中的吸附响应时间均是指吸盘处到达最终真空压力pV的63%的时间。图4为ZM072H真空发生器表1吸附响应时间(ZM072H型真空发生器、供给压力为300kPa)和ZH20DS型真空发生器在不同供给压力下的流量特性曲线,图5为吸盘处真空压力随时间的变化曲线。由表1,表2及图5可以看出计算结果与实测值符合得相当好,而由经验公式得到的预估值与实测值有较大的差距。图4不同型号真空发生器的流量特性曲线.(a)ZM072H型真空发生器流量特性;(b)ZH20DS型真空发生器流量特性表2吸附响应时间(ZH20DS型真空发生器、供给压力为500kPa)图5吸盘处真空压力随时间的变化曲线.(a)ZM072H型真空发生器后接<8/6长510m配管;(b)ZH20DS型真空发生器后接<6/4长510m配管利用瞬变流理论建立了真空发生器系统吸附响应时间的计算模型,计算了不同真空发生器在不同配管尺寸和长度下的吸附响应时间,并与实测进行了比较,发现计算值与实验值吻合相当好,由此可以认为,所建立的计算模型是正确的,它克服由经验公式T=V×60/Q进行预估的三大不足之处,为自动化中的精密控制奠定了理论基础。