真空發(fā)生器的工作原理

1、真空發(fā)生器 就是利用正壓氣源產(chǎn)生負(fù)壓的一種新型，高效，清潔，經(jīng)濟(jì)，小型的真空元器件，這使得在有壓縮空氣的地方，或在一個氣動系統(tǒng)中同時需要正負(fù)壓的地方獲得負(fù)壓變得十分 容易和方便。真空發(fā)生器廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動化中機械，電子，包裝，印刷，塑料及機器人 等領(lǐng)域真空發(fā)生器的傳統(tǒng)用途是 真空吸盤配合，進(jìn)行各種物料的吸附，搬運，尤其適合于 吸附易碎，柔軟，薄的非鐵，非金屬材料或球型物體在這類應(yīng)用中，一個共同特點是所需的抽氣量小，真空度要求不高且為間歇工作。筆者認(rèn)為對真空發(fā)生器的抽吸機理和影響其工 作性能因素的分析研究，對正負(fù)壓氣路的設(shè)計和選用有著不可忽視的實際意義。1、真空發(fā)生器的工作原理真空發(fā)生器的工作

2、原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動.在卷吸作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔內(nèi)的壓力降至大 氣壓以下，形成一定真空度。如圖1所示。由流體力學(xué)可知，對于不可壓縮空氣氣體（氣體在低速進(jìn)，可近似認(rèn)為是不可壓縮空氣）的連續(xù)性方程A1v 仁 A2v2式中A1，A2一管道的截面面積，m2v1，v2-氣流流速，m/s由上式可知，截面增大，流速減??；截面減小，流速增大。對于水平管路，按不可壓縮空氣的伯努里理想能量方程為P1+1/2 p v12=P2+1/2 p v22式中P1 , P2-截面A1 , A2處相應(yīng)的壓力，Pav1 , v2 截面A1 , A2處相

3、應(yīng)的流速， m/sp-空氣的密度，kg/m 2由上式可知，流速增大，壓力降低，當(dāng)v2»v1時，P1»P2 。當(dāng)v2增加到一定值，P2將小于一個大氣壓務(wù)，即產(chǎn)生負(fù)壓.故可用增大流速來獲得負(fù)壓，產(chǎn)生吸力。按噴管出口馬赫數(shù) M1（出口流速與當(dāng)?shù)芈曀僦龋┓诸?，真空發(fā)生器可分為亞聲速器管 型（M1<1），聲速噴管型（M仁1）和超聲速噴管型（M1>1）.亞聲速噴管和聲速噴管都是收縮 噴管，而超聲速噴管型必須是先收縮后擴(kuò)張形噴管（即Laval噴嘴）.為了得到最大吸入流量或最高吸入口處壓力，真空發(fā)生器都設(shè)計成超聲速噴管型。2、真空發(fā)生器的抽吸性能分析2.1、真空發(fā)生器的主要性

4、能參數(shù) 空氣消耗量：指從噴管流出的流量qv1。 吸入流量：指從吸口吸入的空氣流量qv2.當(dāng)吸入口向大氣敞開時，其吸入流量最大，稱為最大吸入流量 qv2max 。 吸入口處壓力：記為Pv.當(dāng)吸入口被完全封閉（如吸盤吸著工件），即吸入流量為零時，吸入口內(nèi)的壓力最低，記作Pvmin 。 吸著響應(yīng)時間：吸著響應(yīng)時間是表明真空發(fā)生器工作性能的一個重要參數(shù)，它是指從換向閥打開到系統(tǒng)回路中達(dá)到一個必要的真空度的時間。2.2、影響真空發(fā)生器性能的主要因素真空發(fā)生器的性能與噴管的最小直徑，收縮和擴(kuò)散管的形狀，通徑及其相應(yīng)位置和氣源壓力大小等諸多因素有關(guān)。圖2為某真空發(fā)生器的吸入口處壓力，吸入流量，空氣消耗量與供

5、給壓力之間的關(guān)系曲線 圖中表明，供給壓力達(dá)到一定值時，吸入口處壓力較低，這時 吸入流量達(dá)到最大，當(dāng)供給壓力繼續(xù)增加時，吸入口處壓力增加，這時吸入流量減小。 最大吸入流量qv2max 的特性分析：較為理想的真空發(fā)生器的 qv2max 特性，要求在常用供給壓力范圍內(nèi)（P01=0.4-0.5MPa），qv2max 處于最大值，且隨著P01的變化平緩。 吸入口處壓力Pv的特性分析：較為理想的真空發(fā)生器的Pv特性，要求在常用供給壓力范圍內(nèi)（P01=0.4-0.5MPa），Pv處于最小值，且隨著 Pv1的變化平緩。 在吸入口吵完全封閉的條件下，對特定條件下吸入口處壓力Pv與吸入流量之間的關(guān)系如圖3所示.為

6、獲得較為理想的吸入口處壓務(wù)與吸入流量的匹配關(guān)系，可設(shè)計成多級真空發(fā)生器串聯(lián)組合在一起。 擴(kuò)散管的長度應(yīng)保證噴管出口的各種波系充分發(fā)展，使擴(kuò)散管道出口截面上能獲得近似的均勻流動.但管道過長，管壁摩擦損失增大。一般管工為管徑的6-10 倍較為合理.為了減少能量損失，可在擴(kuò)散管直管道的出口加一個擴(kuò)張角為6° -8 °的擴(kuò)張段。 吸著響應(yīng)時間與吸附腔的容積有關(guān)（包括擴(kuò)散腔，吸附管道及吸盤或密閉艙容積等），吸附表面的泄漏量與所需吸入口處壓力的大小有關(guān)。對一定吸入口處壓力要求來說， 若吸附腔的容積越小，響應(yīng)時間越短；若吸入口處壓力越高，吸附容積越小，表面泄漏量越小，則吸著響應(yīng)時間亦越短

7、；若吸附容積大，且吸著速度要快，則真空發(fā)生器的噴嘴直徑應(yīng)越大。 真空發(fā)生器在滿足使用要求的前提下應(yīng)減小其耗氣量（L/min），耗氣量與壓縮空氣的供給壓力有關(guān)，壓力越大，則真空發(fā)生器的耗氣量越大因此在確定吸入口處壓務(wù)值勤的大而耗氣量小時要注意系統(tǒng)的供給壓力與耗氣量的關(guān)系，一般真空發(fā)生器所產(chǎn)生的吸入口處壓力在 20kPa到10kPa之間。此時供華表壓力再增加， 吸入口處壓力也不會再降低了， 卻增加了 因此降低吸入口處壓力應(yīng)從控制流速方面考慮。 有時由于工件的形狀或材料的影響，很難獲得較低的吸入口處壓力，由于從吸盤邊緣或通過工件吸入空氣，而造成吸入口處壓力升高在這種情況下，就需要正確選擇真空發(fā)生器的

8、尺寸，使其能夠補償泄漏造成的吸入口處壓力升高。由于很難知道泄漏時的有效截面積，可以通過一個簡單的試驗來確定泄漏造成的吸入口處壓力升高。由于很難知道泄漏時的有效截面積，可以通過一個簡單的試驗來確定泄漏量。試驗回路由工件，真空發(fā)生器， 吸盤和真空表組成，由真空表的顯示讀數(shù)，再查真空發(fā)生器的性能曲線，可很容易知道泄漏量的大小。當(dāng)考慮泄漏時，真空發(fā)生器的特性曲線對正確確定真空發(fā)生器非常重要。泄有時是不可避免的，當(dāng)有泄漏時確定真空發(fā)生器的大小的方法如下：把名義吸入流量與泄漏流量相加， 可查出真空發(fā)生器的大小。3、提高真空發(fā)生器吸入流量的方法3.1、真空發(fā)生器分高真空型和高抽吸流量型，前者曲線斜率大，后者

9、平坦。在噴管喉部直徑一定的情況下，要獲得高真空，必然降低抽吸流量，而為獲得大吸入流量，必然增加其吸入口處壓力。3.、為增大真空發(fā)生器吸入流量，可采取設(shè)計多級擴(kuò)大壓管方式。如采取兩個三級擴(kuò)壓 管式真空發(fā)生器并聯(lián)，如圖所示，吸入流量將再增加一倍。4、結(jié)束語4.1、真空發(fā)生器是一種小巧而經(jīng)濟(jì)的真空產(chǎn)生元件，應(yīng)用在有正壓氣源的地方，使真 空回路極大簡化因此，有利于降低機器的制造成本，有利于提高機器的可靠性，有利于實 現(xiàn)機械的高速化和自動化，具有廣闊的應(yīng)用前景。4.2、系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)綜合考慮真空發(fā)生器的各種性能參數(shù)，選擇與系統(tǒng)相匹配的 性能指標(biāo)一般較佳的供氣供給壓力為：0.4-0.5MPa，吸入口處

10、壓力一般為：20kPa-10kPa。雙活塞缸式氣動真空發(fā)生器工作原理來源：真空技術(shù)網(wǎng)()南京理工大學(xué)機械學(xué)院 SMC技術(shù)中心作者：潘孝斌在工業(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)曾經(jīng)提到過一種新型的真空發(fā)生器PVSCTC- 1( Pn eumatic VacuumSys

11、tem Con sist ing of Two Cyli nders- 1),工作原理如圖1所示，它可在相對較低的供給產(chǎn)生真壓力下達(dá)到較高的極限真空度，這就有可能直接或間接利用氣缸排氣的能量進(jìn)行工作 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。nL I真空技術(shù)阿_"http: /7.換1.動力腔I 2.動力腔n 3.真空腔I 4.真空腔n 5.連接管道等效容器6.真空吸盤向閥圖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)

12、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。雙活塞缸式氣動真空發(fā)生器改進(jìn)設(shè)計的理論依據(jù)來源：真空技術(shù)網(wǎng)()南京理工大學(xué)機械學(xué)院 SMC技術(shù)中心 作者：李小寧 n AM 真空發(fā)生器極限真空度分析雙活塞缸式氣動真空發(fā)生器系統(tǒng)的工作原理在真空技術(shù)網(wǎng)某一文章中敘述，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

13、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：(1)p'=po' (Po+ 4>1):勺尸PoV Po+ 4)式中p0一大氣壓力，Pa pl排氣單向閥開啟壓力，Pa p2抽氣單向閥開啟壓力，Pas活塞運動行程，mx0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12 kPa

14、 時，若真空腔室內(nèi)能夠達(dá)到的最高真空度為95 kPa,則真空吸盤處能達(dá)到的最大真空度約為83 kPa。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。響應(yīng)時間分析關(guān)系如下Pedt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)的其空扶術(shù)阿(為http : www .ch vacuum. com式中pc 一等效真空容器內(nèi)氣體絕對壓力，PaV等效真空容器容積，LSe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

15、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)抽岀氣體,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，尤其是當(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。

16、真空發(fā)生器系統(tǒng)的物理和數(shù)學(xué)模型(1)來源：真空技術(shù)網(wǎng)( )清華大學(xué)工程力學(xué)系作者：姚朝暉真空元件以真空壓力為動力源，作為實現(xiàn)自動化的一種手段，已在電子、半導(dǎo)體元件組 裝、汽車組裝、自動搬運機械、輕工機械、食品機械、醫(yī)療機械、印刷機械、塑料制品機械、 包裝機械、鍛壓機械、機器人等許多方面得到廣泛的應(yīng)用。真空發(fā)生裝置有 真空泵和真空發(fā)生器 兩種。真空泵是吸入口形成負(fù)壓，排氣口直接通 大氣,兩端壓力比很大的抽除氣體的機械。真空發(fā)生器是利用壓縮空氣的流動而形成一定真 空度的氣動元件，與真空泵相比，它的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、價格低、安裝方便，與配套件復(fù)合化容易，真空的產(chǎn)生和解除快，宜從事流量不大的間

17、歇工作，適合分散使用。隨著自 動化生產(chǎn)中，精密控制的要求日趨嚴(yán)格，需要比較精確地知道真空發(fā)生器動作后吸盤處的吸 附響應(yīng)時間，而以往對真空系統(tǒng)中吸附響應(yīng)時間的預(yù)估，是由經(jīng)驗公式 T=W 60/Q 得到的，其中V為吸管容積(L); Q 為平均吸入流量(NL/ min)，由經(jīng)驗方法確定。該經(jīng)驗公式有三 大不足之處：一是沒有考慮真空發(fā)生器本身的吸附響應(yīng)時間；二是稀疏波在配管中的傳播；三是沒有考慮供氣壓力對流量的影響。因此使用該經(jīng)驗公式常常會與實際情況有很大的出入。 本文的目的是建立更為精確的真空發(fā)生器及其配管在各種運行工況下的吸附響應(yīng)時間的計 算模型,為自動化中的精密控制奠定理論基礎(chǔ)。真空發(fā)生器典型的

18、真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理及其圖形符號如圖1所示,它是由先收縮后擴(kuò)張的拉瓦爾噴管1、壓腔2和接收管3等組成。有供氣口、排氣口和 真空口。當(dāng)供氣口的供氣壓 力高于一定值后，噴管射出超聲速射流。cz>vacuumtftv rube* I http: / / w wWxh vaivac 圖1真空發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖由于氣體的粘性，高速射流卷吸走負(fù)腔內(nèi)的氣體 ，使該腔形成很低的 真空度。在真空 口處接上配管和真空吸盤,靠真空壓力便可吸起吸吊物。圖2為真空系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)由氣源1,調(diào)壓閥2,電磁閥3,真空發(fā)生器4,消聲器5,配管6和吸盤7組成。其空技術(shù)襯八 http:wvrw .ch vacuum c

19、om圖2真空發(fā)生器系統(tǒng)示意圖真空發(fā)生器系統(tǒng)的物理和數(shù)學(xué)模型(2)來源：真空技術(shù)網(wǎng)( )清華大學(xué)工程力學(xué)系作者：姚朝暉對于上述的真空發(fā)生器系統(tǒng)，配管內(nèi)的流動為一維可壓縮、帶摩擦、熱傳導(dǎo)的非定常流動,其支配方程為 連續(xù)方程” + Q丟十'5十x = (X維平面波；.丄一維柱面波骨運動方程卩導(dǎo)+ pH中+爭二0CtCx 0其中0八、能量方程9/ * " dx (ItQi其中 ©二(丫 - ') ( P iQr dx 直空楚抵同httjj：/ / 狀態(tài)方程p = P RT(4)在式(1)(3)偏微分方程中，密度p、流速u和壓力p是因變量，兩個自變量是沿 管距離x和時

20、間t。這三個偏微分方程可以用特征線方法變換成全微分方程，即三條特征線上的三組特征相容關(guān)系。在Co特征線#(1卩 dr 在C +特征線,二 g丄 血第+P “ d/ 在C.特征線$dp d u d廠 P" dr,入<K) nn.V二爪際鵲眾喚2acu盤厶m帶內(nèi)插的特征線法用dt乘式 (7),并在積分中采用一階近似，特征相容方程的有限差分形式為在Co特征線上(pV -陽=以,1nj(Pi -叫-口 在C +特征線上/ n- 1卉 I I r # 科一 I(Pi - Pi J - Pa ( Hi在C.特征線上(pi 1 - pi )* p°(f 仏札 ua ) A t真空扶

21、術(shù)聞門nhttp:/wu/w .chvacuiumJcUn在co特征線上在式(8)(10)中,上標(biāo)表示時步,下標(biāo)表示網(wǎng)格點或內(nèi)插點,如圖3所示。圖中t 時刻網(wǎng)格點i-1,i,i+1 上的p, u, p值由初始條件或上一時步計算得到,內(nèi)插點i+,i0,i-上的p,u,p值由i-1,i,i+1三點值插值得到，對于t + At寸刻a點的p,u,p由三個特征相容關(guān)系式求出。圖3規(guī)定時間間隔的帶內(nèi)插的特征線方法示意圖邊界條件的確定由圖2可見,由配管內(nèi)點可引三條特征線，故有三組特征相容方程求解三個未知數(shù)p , u ,。而對于與吸盤相連的進(jìn)口邊界只能引一條特征線，故只有一組特征相容關(guān)系；與真空發(fā)生器相連出口

22、邊界也只能引兩條特征線，故也只有二組特征相容關(guān)系，因此均需引入p ,u , P勺補充關(guān)系式,即相應(yīng)的邊界條件,以求解邊界上不同時刻的p,u, P與吸盤相連的進(jìn)口邊界采用氣室模型，則有P/ py 常數(shù),p V = m式中V為吸盤及其與配管相連的管接頭內(nèi)的體積；m為該體積內(nèi)的氣體質(zhì)量。與真空發(fā)生器相連的出口邊界根據(jù)真空發(fā)生器的流量特性,補充真空壓力p和吸入流量（QV=uA）的關(guān)系式。由此可見對于與吸盤相連的進(jìn)口邊界補充兩組關(guān)系式，對與真空發(fā)生器相連的出口邊界補充一組關(guān)系式，即可得到不同時刻進(jìn)、出口上的p,u, p值。真空發(fā)生器吸附響應(yīng)時間的計算和實驗驗證來源：真空技術(shù)網(wǎng)（ ）清華大學(xué)工程力學(xué)系作者

23、：姚朝暉根據(jù)真空發(fā)生器系統(tǒng)的理論模型和求解方法，利用實驗得到的流量特性就可以進(jìn)行真空發(fā)生器系統(tǒng)吸附響應(yīng)時間的計算，為了驗證計算結(jié)果的正確性，進(jìn)行了真空發(fā)生器吸附 響應(yīng)時間的實驗驗證，見表1和表2。表中的吸附響應(yīng)時間均是指吸盤處到達(dá)最終真空壓力 pV的63%的時間。圖4為ZM072H 真空發(fā)生器.L J.jL吸附響 應(yīng)時間無配 管彌 2 - 5 nm必 4 11111燃6 nm 2mIm5m0- 2mlin5ni0-2mLm5rn實測 tj IllsSL661565877207的119計算（ms）矽711536284202691203771fc r 口7*8761-96*79- 106 83X100M預(yù)估值鼻07-637-8133 18912- 919973LiWnr表1吸附響應(yīng)時間（ZM072H