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氣動系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)

日期：2024-12-23 02:54
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摘要：
    以下是一個使用實例：用10臺3，600kW 的空氣壓縮機供給鑄造、鍛造、機械加工、裝配和檢查的各生產(chǎn)線。原來已經(jīng)實施低壓化的壓力為0.63MPa，現(xiàn)使用增壓閥后降低到0.57MPa。從而使空氣壓縮機的耗電量下降6%。 在廣泛使用伺服傳動機構(gòu)的今日，氣動系統(tǒng)仍然不失為是一種使用方便的傳動裝置。當然氣動系統(tǒng)的性能也需不斷改善，才能滿足新的使用要求。本文介紹是有關(guān)的節(jié)能方面的技術(shù)。



氣動系統(tǒng)


壓縮空氣時的課題


向氣動裝置供給壓縮空氣的工作幾乎都由空氣壓縮機承擔。大多數(shù)壓縮機排出的空氣壓力在0.7-1.0MPa范圍之內(nèi)。壓縮機由電系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和熱系統(tǒng)構(gòu)成，各部份都可能發(fā)生能量損失。通常，大型壓縮機的效率較高，可達到80%。小型壓縮機的效率只有60%。今后對壓縮機的要求不但是流量大、噪聲低、振動小和壓縮空氣質(zhì)量好，更重要的是效率高。為此必須探索一種效率高的運轉(zhuǎn)條件。


供給壓縮空氣時的課題


通常，壓縮機被設(shè)置在離開工場一定距離的地方，所以必須設(shè)置管道將壓縮空氣送到工場中。如果管道很長，則管道的摩擦損失就大，還有發(fā)生管道泄漏的危險，必須留意。


類似用高電壓送電可減少線路損耗一樣，用高壓輸送壓縮空氣，也可以減少管道中的損耗。因為即使將空氣的壓力從0.1MPa提高到4MPa,在同樣溫度條件下的粘度只增加5%，所以在相同管道中壓縮空氣的摩擦損失降低到原來的1/40。不過這時管道的漏氣量則上升到原來的6倍。為此，在用高壓輸送壓縮空氣時，需注意減少管道的漏氣損失。


除了上述各種問題之外，還有正確設(shè)置閥門與傳動裝置以及將排出的氣體再次利用等節(jié)省能量的種種課題。



可節(jié)省能量的小型往復(fù)式空氣壓縮機


據(jù)統(tǒng)計，空氣壓縮機的耗電量占工場總耗電量的20-40%。為了節(jié)省電力的消耗，現(xiàn)在開發(fā)了一種容量為0.75-11Kw的節(jié)能式通用小型往復(fù)式空氣壓縮機。下面對它的節(jié)能特點作一介紹，以供參考。


兩級式壓縮機


壓縮空氣所耗費的能量全部轉(zhuǎn)化為熱，使空氣的溫度上升。從壓縮機中排出氣體的溫度Td(℃)可由下式求得：



式中：Td --吸入空氣的*溫度，即20℃+273;

Ps --吸入空氣的*壓力，即測量壓力+0.1033(MPa);

Pd --排出空氣的*壓力，即測量壓力+0.1033(MPa);

m --壓縮級數(shù)，可以是1、2或3；

k --比熱比，空氣的比熱比=1.4。

　

由式中可以看出，壓縮級數(shù)多，則可以降低排出空氣的溫度Td(℃)，所以新聞發(fā)的小型空氣壓縮機采用兩級式壓縮。


在考慮節(jié)省能量時，通常是以動力原單位作為指標，即生成1m³壓縮空氣所消耗的電能（kWh）。它從下式可以算出：


動力原單位(kWh/m³）= 壓縮機動力（kW）

--------------------------------------------------------------------------------

空氣量（m³/h ）


從理論上說，壓縮級數(shù)對動力原單位也有很大影響。通常大輸出壓力為1.0MPa 的小型往復(fù)壓縮機的壓縮級數(shù)，1級和2級均可使用。但從總體來看，采用2級壓縮對節(jié)省能量較為有利。表1所示是舊型號1級壓縮與新型號2級壓縮的對比。


表1 功率為7.5kW壓縮機新舊型號對比

項 目 舊 型 號 新 型 號

功 率 7.5kW 7.5kW
壓縮級數(shù) 1 1級,ø90mm×2

活塞直徑及數(shù)量 1級，ø90mm×3 2級,ø70mm×1

中間壓力 -
0.22MPa

高壓力 0.98MPa
1.0MPa

排出氣體溫度 170℃
1級出口115℃

2級入口 65℃

3級出口145℃

排出空氣量 0.817m³/min
0.853m³/min


注：壓縮機規(guī)格為1.0MPa,吸入空氣溫度為20℃。


舊型號是采用完全保溫發(fā)熱而散熱極少的隔熱壓縮，新型號是用中間冷卻器對1級壓縮送出的空氣進行冷卻之后（即表1中從溫度115℃下降到65℃）再送入2級壓縮機構(gòu)中。從理論上講，這兩種方式所需動力有很大差異。不過增加中間冷卻器之后，使壓縮機成本上升。


由表中的排出空氣量可以計算出舊型號每小時排出空氣量為49.02m³/h，新型號為51.18m³/h 。再從功率和排出空氣量計算出各自的動力原單位。舊型號為0.153kWh/m³。新型號為0.146kWh/m³。由此可知，新型號每小時可節(jié)省電力0.007kWh/m³×49m³/h=0.343kW,有很好的經(jīng)濟效益。



空氣壓縮機的控制技術(shù)


改進小型往復(fù)式空氣壓縮機的控制技術(shù)也可以節(jié)省能量。


壓力開關(guān)式


這是一種由壓力開關(guān)在一定的壓力范圍內(nèi)反復(fù)控制壓縮機停止運轉(zhuǎn)和再起動，它適合繼續(xù)使用壓縮空氣的場合。在不使用壓縮空氣時，由壓力開關(guān)的動作使壓縮機自動停止運轉(zhuǎn)，所以有節(jié)省能源的效果。不過在再起動時就要耗費較多的電力。如果再起動的次數(shù)很多，就會縮短空氣壓縮機的使用壽命。


自動卸載式


在一定動作的壓力范圍內(nèi)，由自動卸載裝置控制壓縮機作有負荷運轉(zhuǎn)或無負荷運轉(zhuǎn)。這種方式適合在長時間連續(xù)使用壓縮空氣或大量使用壓縮空氣的條件下應(yīng)用。這種方式是當壓力超過設(shè)定值時，運轉(zhuǎn)著的壓縮機就不會像原來那樣使壓力上升，而是要受限制。這樣的電力消耗量就比較低。由于它并不停機，所以不存在再起動時消耗電力多的問題。但在非壓縮時的節(jié)省能量效果比停止時的效果差，這是無可避免的。


自動卸載的種類很多，其中由螺旋彈簧直接擠壓吸氣閥形成無負載狀態(tài)的節(jié)省量效果佳。


人工雙重控制式


這是可對壓縮機實施壓力開關(guān)或自動卸載控制，由人工按照節(jié)省能源的適宜狀態(tài)進行選用，在操作箱中專門設(shè)置了上述兩種方式的切換開關(guān)。


自動雙重控制式


這種方式是由設(shè)置在壓縮機中的微機按照檢測所得的使用壓縮空氣量，自動選擇經(jīng)濟的運轉(zhuǎn)狀態(tài)來節(jié)省能量。



節(jié)省能量的擺動傳動裝置


所謂擺動傳動裝置是一種可作回轉(zhuǎn)往復(fù)運動的氣動系統(tǒng)。用它可對物體進行移動、翻轉(zhuǎn)、分類和夾緊，也可以放在機械手的端部使用，用途廣泛。


擺動傳動裝置可分為葉輪式、齒條齒輪式、杠桿式和螺旋式等四種類型。其中葉輪式是由氣壓直接驅(qū)動葉輪回轉(zhuǎn)實施擺動運動。其他三種類型都是在內(nèi)部安裝氣缸和活塞，并由各自的特殊機構(gòu)將活塞的直線運動轉(zhuǎn)換成擺動運動。與其他方式相比，葉輪式具有體積小和效率高的特點。它的缺點是內(nèi)部安裝緩沖器較為困難。其他三種方式適用于大型機構(gòu)。如果機械設(shè)計得恰當，則擺動角度可達360° 。同樣，在內(nèi)部也可以安裝緩沖器。


下面以葉輪式為例作一介紹。



葉輪式擺動傳動裝置


這種裝置可以按輸出扭矩和結(jié)構(gòu)形式進行分類。按結(jié)構(gòu)可分為單葉輪和雙葉輪兩類。


基本結(jié)構(gòu)


這種裝置由殼、葉輪軸、閘瓦、閘瓦密封墊、軸承、O形圈和緊固螺釘?shù)雀鞣N零件構(gòu)成。外殼分為前后兩部份，由緊固螺釘將它們固定在一起。作為接受氣壓部件的葉輪和將回轉(zhuǎn)動力向外輸送的軸形成一個整體，稱葉輪軸。它由軸承支承，兩端用O形圈密封。外殼內(nèi)的閘瓦則由閘瓦密封墊進行密封。


動作原理剖釋


單葉輪式


這種型式是從閘瓦一側(cè)的進氣口向內(nèi)室供給壓縮空氣。在壓縮空氣擠壓葉輪的作用下帶動葉輪軸回轉(zhuǎn)，向外輸出扭矩?？諝鈩t從閘瓦另一側(cè)的排氣口排出。


雙葉輪式


這種型式是從閘瓦一側(cè)進氣口進入的壓縮空氣在對葉輪一邊擠壓的同時，再通過設(shè)置在軸上的通路對葉輪的另一側(cè)進行擠壓。即可以輸出由兩只葉輪回轉(zhuǎn)軸所形成的扭矩?？諝馔ㄟ^葉輪之后即從內(nèi)室排出，并通過另一通道進入排氣管道。


由于雙葉輪式是用兩只葉輪回轉(zhuǎn)軸，所以輸出的扭矩是單葉輪式的2倍。


裝置的特性


輸出


這種傳動裝置的輸出用扭矩來衡量。理論上扭矩是作用于葉輪的力和回轉(zhuǎn)半徑的積分值。但這是一個忽略了密封摩擦阻抗等因素的值，在摩擦阻抗影響下實際輸出的扭矩稱為實效扭矩。它與理論扭矩方比是扭矩效率。通常在產(chǎn)品說明中標注的是實效扭矩。


擺動時間


所謂擺動時間是相對于一個擺動角（例如90°）的動作時間。在產(chǎn)品說明中規(guī)定了擺動時間的范圍和容許擺動速度的大致標準。


與氣缸相比，因這種傳動裝置的內(nèi)部容積小，所以較難以控制速度。當以超過長擺動時間的低速使用時，因發(fā)生爬行現(xiàn)象而不能平穩(wěn)地動作。為此以使用適合于低速控制的氣動-液壓裝置為宜。相反，如果是以小于短擺動時間的高速使用時，那么葉輪的外周就會以超過規(guī)定數(shù)值（例如500mm/s)的高速滑動。因發(fā)熱等原因使密封件發(fā)生異常摩損，縮短使用壽命。


容許能量


當負載的慣性能量超過軸的容許能量時，軸會出現(xiàn)折損。為此，當發(fā)生上述現(xiàn)象時，應(yīng)采取以下的措施。


* 加大傳動裝置的尺寸，增大容許能量值。


* 降低擺動速度，減小慣性能量。


* 設(shè)置外部緩沖裝置，吸收部份慣性能量，使施加于軸的沖擊（能量）
小于容許能量。


液壓緩沖器


這是一種當發(fā)生過大的負載慣性能量時，用于在擺動端吸收沖擊（能量）的設(shè)備。擺動傳動裝置中通常設(shè)置專用的小型油壓式?jīng)_擊減震器。使用這種緩沖器之后，可以擴大擺動傳動裝置的使用范圍。


減少裝置的耗氣量


擺動傳動裝置動作的耗氣量可從擠壓葉輪的容積和送氣管道容積等求得。通常為了減少耗氣量，可采用縮小內(nèi)部容積或降低使用壓力等措施，并應(yīng)適當延長擺動時間。


縮小內(nèi)部容積


* 利用的特性圖：這是預(yù)先利用負載質(zhì)量、形狀、所使用的力及擺
動時間 特性圖，選擇適宜的機種、控制方式和管道的組成方式。
選用容量非常接近所需值的機種來節(jié)省能源。


* 對過大慣性能量采取的相應(yīng)措施：通常對于大慣性能量要選用大型裝
置，但這也可以采用變更負載質(zhì)量和形狀的方法來減小慣性能量，或
者是用降低擺動速度和設(shè)置外部緩沖裝置的方式使其可選用小型機
種。


* 縮小管道容積：這是通過縮小從控制器到裝置的管道內(nèi)容積來節(jié)省能
量，即在保持管道直徑不變的條件下縮短長度。



低壓化


* 核對始動壓力：當用較低壓力的空氣可以動作時，就盡量選用始動壓
力較低的裝置。不過一般裝置在經(jīng)長時間放置后，滑動部分密封件發(fā)
生粘附而需要較大的始動壓力。現(xiàn)在開發(fā)的新型擺動傳動裝置因使用
了特種密封件，即使經(jīng)過長時間放置也只要很低的始動壓力，且泄漏
也很小。經(jīng)試驗證明，放置12小時之后的始動壓力仍在0.2MPa以下，
效果不錯。


* 設(shè)置增壓器：通常設(shè)置增壓器之后可將原來0.4MPa的壓力提高到
0.7MPa，就可提供較高的始動壓力。


低速化


采用低速可減少大耗氣量,所以應(yīng)根據(jù)氣動傳動裝置所需的慢速度來選擇機種。以達到節(jié)省能量的目的。


采用節(jié)省能源的回路


在這類氣動回路中有推力變換回路,在工作時它向回轉(zhuǎn)一邊供給使用壓力,向回轉(zhuǎn)的反方向供給較低壓力來減少耗氣量。


另一種是降低背壓的回路。這是在驅(qū)動傳動裝置時,預(yù)先用急速排氣閥排氣降低背壓。這樣只要供給較低壓力的空氣即可動作。


還有一種是利用背壓的回路。當裝置動作時要向大氣排放壓縮空氣(背壓),現(xiàn)在將這種壓縮空氣供給進氣口就可以減少用于提高空氣壓力所消耗的能量。



使電磁閥節(jié)省能量的方法


氣動系統(tǒng)節(jié)省能量是一個范圍很廣的課題,其中使電磁閥節(jié)省能量也是一個重要的環(huán)節(jié)。


實際上,關(guān)于電磁閥的小型化和節(jié)省能量的工作在很早以前就開始了。20世紀60年代,汽車行業(yè)中作為金屬密封直動滑閥的電磁閥功率30-40W。當時作為小型電磁閥的彈性體提動結(jié)構(gòu)直動閥的功率為15W,質(zhì)量為300g。70年代,電磁閥中的驅(qū)動元件大都使用繼電器,消耗功率降低到5W,質(zhì)量降低到190g。其后,80年代又將功率降低到 1.5W,質(zhì)量降低到57g。90年代則達到0.5W和15g。即使這樣,還可以對電磁閥采取節(jié)省能量的措施以爭取更佳經(jīng)濟效益。


電磁閥線圈的節(jié)省電能


電磁閥線圈按照所需吸引力吸動銜鐵，以及在吸附后保持吸附狀態(tài)的過程中需要電力來產(chǎn)生磁場。在開始吸動時，由于可動銜鐵與固定銜鐵之間有較大的空氣隙，而需由瞬間的大電力產(chǎn)生磁場才能產(chǎn)生所需的吸引力。吸附后兩銜鐵之間的空氣隙幾乎接近于零，所以只需要吸動時1/2或1/3的電力即可保持吸附狀態(tài)。如果對線圈在吸動和保持時都施加相同的電力，那就造成浪費。現(xiàn)在用一個回路來減少保持銜鐵吸附狀態(tài)時對線圈所施加的電力，就可以節(jié)省電能。


該電路的基本原理是利用電容器C的充放電時間切換晶體管Tr1和Tr2，用時間來控制流入線圈的電流。在電磁閥開始工作，由線圈磁場吸動銜鐵時,Tr1控制流入線圈中的電流使功率達到3.2W。吸附后則由Tr2控制流入線圈中的電流使功率下降到1.1W。這樣就減少了電力的消耗。與此同時，由于減少了電力消耗而降低了向四處散發(fā)的熱量，提高了電磁閥及其附近部件的可靠性。


減少電磁閥切換時的壓縮空氣損失


在氣動系統(tǒng)中，電磁閥是作為控制氣缸等傳動裝置動作的方向閥使用。本來，傳動裝置的驅(qū)動源只要對它提供必要量的壓縮空氣即可，但實際上有一定量的壓縮空氣被浪費。這主要是由電磁閥主閥部份的結(jié)構(gòu)造成的。


電磁閥主閥部份按結(jié)構(gòu)分類有提動型、膜片型、滑閥型和滑動型。按密材料分類有彈性體密封件和金屬密封件。按電磁閥自身的操作方法分類有直接動作閥和間接動作閥等。上述各種類型都有各自的優(yōu)缺點，現(xiàn)在使用量多的是滑閥?；y有金屬閥柱和軟性閥柱兩種類型。它們泄漏的性能不一樣。


金屬閥柱的密封件因與金屬接觸，所以在閥柱與套管之間有間隙。一般狀態(tài)的漏氣量為100cm³/min 。而軟性閥柱因使用彈性體密封材料，所以電磁閥在通、斷狀態(tài)時的密封性能很好。但彈性體密封件也有缺點，即在電磁閥作切換動作時呈中性狀態(tài)，所以在每次動作時要空耗一定量的氣體。


現(xiàn)在主閥體的結(jié)構(gòu)已有改進。在切換時，原來密封圈尚未失去密封作用前，另一只密封圈已經(jīng)進入密封狀態(tài)，這樣在每次切換時就不再浪費氣體。本來這種無中性結(jié)構(gòu)只在大型閥中使用，近幾年由于對實施小型化和大流量，所以中、小型閥也開始采用這種結(jié)構(gòu)。



用增壓閥節(jié)省能量


除了以往所使用的各種氣動系統(tǒng)節(jié)省能量的方法之外，近來又開發(fā)了用增壓閥節(jié)省能量的方法。


結(jié)構(gòu)和動作原理


增壓閥是由一對氣缸、活塞和單向閥構(gòu)成泵的一部份。由活塞的往復(fù)動作來切換閥門，所以是一種由控制輸出壓力來調(diào)整閥門方式構(gòu)成的容積型往復(fù)式活塞泵。


氣缸內(nèi)側(cè)是增壓室。對交替地流入的空氣增壓之后再送出。氣缸外側(cè)是驅(qū)動室。它由與活塞行程聯(lián)動的動作切換閥門，對交替進入的空氣反復(fù)進行供氣和排氣。這樣，在空氣的出口處可以邊續(xù)地獲得由活塞往復(fù)運動進行增壓的空氣。增壓后的空氣壓力可以達到輸入時的2倍。往復(fù)動作則由力平衡自動停止。對輸出空氣壓力的控制是由負責反饋輸出壓力的增壓調(diào)整閥控制供給驅(qū)動室壓力來實現(xiàn)。當輸出壓力低于設(shè)定值時，調(diào)整閥打開，并按照與設(shè)定差距相適應(yīng)的速度進行往復(fù)動作。當達到設(shè)定值時，調(diào)整閥關(guān)閉，切斷向驅(qū)動室供給壓力的通路，閥門自動停止運轉(zhuǎn)。


性能


一般增壓閥輸出的空氣壓力是輸入的2倍，但此壓力將隨輸出流量的加大而下降。為了在輸出流量增大時仍能保持原來的壓力，則需要提高往復(fù)動作的頻率，目的是要通過動作頻率保證使驅(qū)動室和通路的整個容積中充滿空氣。由于增長率壓閥也要消耗一定量的空氣，所以所供給的空氣應(yīng)是使用量的1.2倍。


以下是一個使用實例：用10臺3，600kW 的空氣壓縮機供給鑄造、鍛造、機械加工、裝配和檢查的各生產(chǎn)線。原來已經(jīng)實施低壓化的壓力為0.63MPa，現(xiàn)使用增壓閥后降低到0.57MPa。從而使空氣壓縮機的耗電量下降6%。

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