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气动系统节能设计及应用

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:138

  作者:王立刚单位:天津罗升企业有限公司
  气压传动和控制是生产过程自动化和机械化的最有效手段之一,但其工作介质(压缩空气)的制造成本高,能量的利用率又相当低。提高气动系统使用的经济性,已成为当前应该重视的问题。
  对气动系统来说,减少耗气量就是节能。气动系统的节能可以从几个方面着手:
  (1)完善气源系统 要解决气动系统的节能问题,应从完善气源系统入手,即从压缩空气的生产、处理、输送、分配的整个气源系统全盘考虑,采取综合措施。
  结构型式不同的空气压缩机生产同样多的压缩空气,由于其效率不一,消耗的能量就有差异。速度型的透平式空压机的效率低,如把10m3自由空气压缩成0.6MPa的压缩空气,由排量为1000 m3/h的透平式空压机生产,耗能1.77kW?h。而生产同样数量和压力的压缩空气,如用同样排量的活塞式空压机生产,仅耗能0.83kW?h。因此,从节能角度出发,空压机的节能与空压机的结构型式有关。
  在选择空压机时,采用具有完善级间冷却的多极压缩机可节省能量、提高效率。例如二级压缩比单级压缩节能15%以上,三级压缩比二级压缩又节能5%~10%。
  改变传统的设计观念,将全厂集中的由大型空压机供气的空压站,转变为由在气动系统附近的分布在厂区内的多台较小型空压机供气更为经济。例如,由一个空压站集中供气,压缩空气输送管道长,沿程压力损失大,为保证用气设备有足够的工作压力,空压机出口压力较高。而用多台空压机的供气系统,空压机在耗气车间附近安装,沿程损失小,可以降低出口压力。试验证明仅此一项可节能20%。
  空压机吸入空气的温度每增加3℃,就要增加压缩功约1%。因空压机房室内温度均高于室外温度,因此,空压机进气管道应接到室外温度较低,环境干净,干燥的地方。在冬季室外比室内温度低15℃,可节能约5.1%。
  使空压机在生产压缩空气时,气体流经过滤设备的压力损失小,是气源系统减少损失的又一个节能因素。所以过滤设备必须保持良好的工作状态。
  消除气动系统的泄漏,是气动系统节能的另一个重要措施。泄漏使压缩空气的能量白白消耗掉,而使生产成本上升。
  (2)采用气—电或气—液复合传动控制系统,实现节能 由于微电子技术的飞速发展,计算机的应用也进入了气动控制技术的领域。用于控制气动执行元件的,由普通气动元件组成的,复杂的气动逻辑控制回路,现在已可由微型计算机或可编程序控制器代替。只要编制不同的程序便能实现气动装置生产自动化的不同过程。目前,气动电磁阀的电磁铁消耗功率大多在1.8W以下,小型阀也有功率仅为0.45W的,直动型阀的功率一般也都小于4W。电磁铁低功耗的意义不仅仅在于节约电能,提高电磁铁的可靠性,另一方面也为气动技术与微电子技术相结合,创造了必要条件。低功耗的气动元件,作为可编程序控制器直接驱动的元件,实现复杂的大规模程序控制,可获得很好的节能效果。
  (3)开发节能气动元件 开发气动节能元件,可从以下几方面进行:减少漏气,降低能源消耗。开发防泄漏、耐磨性能好的、无给油的材料制成软密封件。
  开发低功耗气动元件,降低能量消耗。
  采用无给油润滑,使润滑油消耗减少,改善环境污染。无给油润滑气动系统是由过滤器、减压阀何不供油润滑的阀类、气缸组成的系统。无给油润滑气动系统所用的工作介质——空气中不含油雾,排出的废气中也不含油雾。无给油润滑气动元件是一种在元件中预先注入润滑脂,可长时间工作而不需补充润滑脂的气动元件。无给油润滑气动系统中可不设油雾器。无给油润滑气动系统简单、成本低、维修方便,国外设备普遍采用这种系统。这种系统在工作过程中润滑条件基本不变,也不受外界条件变化的干扰,因而性能稳定,寿命长。
  无润滑气动系统中的无润滑气缸是一种构造特殊,并选用有自润滑性材料制造的元件,由于材料和制造困难,目前也有应用。
  (4)合理设计气动系统、择优选取和合理使用气动元件,减少耗气量 把气动流体力学、气动系统动力学的理论与实验相结合,运用计算机仿真技术,可对气动系统进行优化设计,择优选取最佳参数。例如气缸的公称直径是按公比1.25的等比级数分档的,如把气缸直径随意的扩大一个档次,则耗气量要增大56%。若行程再增加,耗气量还将增加。所以参数的择优选取对节能是十分重要的。合理使用元件也是节能的措施,例如对短行程的气缸,使用单作用弹簧复位的气缸,显然较双作用气缸节省压缩空气,减少了耗气量。
  (5)在气动系统中使用不同的工作压力 气动系统重要的节能途径之一是对系统的不同部分根据不同情况使用不同的工作压力。例如,对气压传动系统供给高压气源,对气动控制系统供给低压气源;在气缸克服外负载的工作行程供给高压气源,无外负载的行程供给低压气源,可获得可观的节能效益。有关资料介绍使正行程用高压气源,回程用低压气源(0.1~0.2MPa表压),可节能25%~35%。
  (6)重复利用无杆腔中的有压空气使活塞返回,变双程耗气为单程耗气。
  生产实践中广泛使用的气缸,许多是正行程有外加负载,回程只需克服自身的摩擦力。对这种系统把活塞杆伸出后无杆腔中的有压气体用于活塞的退回,使原双程耗气改为单程耗气,可达到节能近50%的效果。
  气动技术的应用
  气动执行元件主要用于作直线往复运动。在工程实际中,这种运动形式应用最多,如许多机器或设备上的传送装置、产品加工时工件的进给、工件定位和夹紧、工件装配以及材料成形加工等都是直线运动形式。但有些气动执行元件也可以作旋转运动,如摆动气缸(摆动角度可达360°)。在气动技术应用范围内,除个别情况外,对完成直线运动形式来说,无论是从技术还是从成本角度看,全机械涉笔都无法与气动设备相比。
  (从技术和成本角度看,气缸作为执行元件是完成直线运动的最佳形式,如同用电动机来完成旋转运动一样。)
  在气动技术中,控制元件与执行元件之间的相互作用是建立在一些简单元件基础上的。根据任务要求,这些元件可以组合成多种系统方案。由于气动控制使机构或设备的机械化程度大大提高,并能够实现完全自动化,因此,气动技术在“廉价”自动化方面做出了重大贡献。实际上,单个气动元件(如各种类型气缸和控制阀)都可以看成是模块式元件,这是因为气动元件必须进行组合,才能形成一个用于完成某一特定作业的控制回路。广义上讲,气动设备可以应用于任何工程领域。气动设备常常是由少量气动元件和若干个气动基本回路组合而成的。
  气动控制系统的组成具有可复制性,这为组合气动元件的产生与应用打下了基础。一般来说,组合气动元件内带有许多预定功能,如具有12步的气-机械步进开关,虽然被装配成一个控制单元,但却可用来控制几个气动执行元件。间歇式进料器也常作为整个机器的一个部件来提供。这样就大大简化了气动系统的设计,减少了设计人员和现场安装调试人员的工作量,使气动系统成本大大降低。
  采用气动技术解决工业生产中的问题时,其特征是灵活性强,既适用于解决某种问题的气动技术方案,也适用于解决其它场合的相同或相似的问题。
  既然空气动力在气源与完成各种操作的工位之间不需要安装复杂的机械设备,因此,在各工位相距较远的场合应用气动技术是再合适不过了。对于需要高速驱动情况,优先选择全气动设备是合适的。气-液进给装置作为特殊元件可以应用在机床上。在各种材料的操作过程中,很少要求各顺序动作具有较高的进给精度,且在这些操作中设计的力也较小,因此,采用气动技术不仅可以完成这些操作,而且进给精度不会超越其技术允许范围,当然个别情况应除外。
  为完成生产加工中的多种作业,除了在标准设备上应用外,气动技术还应用于一些辅助设备和专用机床上。在工程实际中往往有许多基本设备,这些设备或者直接用于生产,或者作为一种必不可少的辅助设备。从技术和经济角度来看,实现这些设备机械化需要一些简捷的元件,而气动技术恰好能够满足这个要求。
  除了通过机械化来达到降低成本、提高生产率的目的外,在实际工程中,决定采用气动技术主要是由于其具有结构简单、事故少、可用于易燃易爆和有辐射危险场合等特点。纵观整个生产加工过程,有许多要掌握的技术问题,但这些技术问题在不同工程领域中是相似或相同的。同样,对相同或相似的技术问题,若采用气动技术作为其解决方案,也存在着不同领域技术上的重复问题。因此,若给出各种合理应用准则,那么,在工业部门的许多领域中,就可以广泛应用气动技术,以提供功能强大、成本低、效率高的控制和驱动。
  在应用气动技术时,首先应考虑从信号输入到最后动力输出的整个系统,尽管其中某个环节采用某项技术更合适,但最终决定选择哪项技术完全是基于所有相关因素的总体考虑。例如,虽然产生压缩空气的成本较高,但在最后分析论证技术方案时,其并不是主要的决定因素。有时对于要完成的任务来说,力和速度的无级控制才是更重要的因素。另外,系统掌握容易、结构简单或操作方便以及综合考虑整个系统的可靠性和安全性有时是更重要的决定因素。除此之外,系统维护保养也是决不可忽视的决定因素。

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