小型压缩机直接驱动气缸系统速度特性的研究

2018-03-19赵思恺李小宁

机械制造与自动化 2018年1期

赵思恺，李小宁

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

0 引言

集中式气源为气动系统提供压缩空气的方法已经较为广泛地应用[1]，当驱动的执行元件仅有1个或2个时，并且在某些需要防火、防爆、高速驱动等特定环境下[2-3]，又只能采用气压驱动方式时，仍然采用集中式气源是不经济的。这就需要考虑能否以小型压缩机直接驱动执行元件，这样可以在满足特定环境对气压驱动方式需求的同时，又能节省系统成本。应用这种驱动方式，就要对小型压缩机直接驱动气缸系统的相关特性进行研究，并与集中式气源驱动气缸系统进行比较。

目前，国内外对集中式气源驱动气缸系统的研究较为深入，在对集中式气源驱动气缸系统的相关驱动特性研究上较全面。但对于小型压缩机直接驱动气缸系统的研究却未见文献报道，普遍只针对小型压缩机的分类、结构和应用等做分析[4]，对小型压缩机直接驱动气缸系统的相关驱动特性缺乏了解，需要进行相关研究比较。在气缸的相关驱动特性中，其速度特性最为主要。气缸的速度特性主要考察的是气缸动作的快速性以及行程中的速度平稳性。所以，对小型压缩机直接驱动气缸系统速度特性的研究是有实际应用意义的。

1 试验系统原理

为了研究小型压缩机直接驱动气缸系统的速度特性，并与集中式气源驱动气缸系统进行比较，要建立2种气源驱动气缸的试验系统，小型压缩机直接驱动气缸系统如图1，由小型压缩机1产生压缩空气通过小型储气罐3进行一定的稳流后直接驱动气缸6进行工作。

1—小型压缩机；2—单向阀；3—小型储气罐；4—电磁换向阀；5、8—单向节流阀；6—气缸；7—负载；9—消声器；10—PLC控制器；11—激光位移传感器；12—数据采集仪图1 小型压缩机直接驱动气缸系统原理图

集中式气源驱动气缸系统的原理图如图2所示，由大型压缩机1产生压缩空气，通过气源处理元件2～7进行冷却、干燥、过滤、稳压处理后驱动气缸10工作。

1—大型压缩机；2—后冷却器；3—干燥器；4—大型储气罐；5—油雾分离器；6—过滤器；7—减压阀；8—电磁换向阀；9、12—单向节流阀；10—气缸；11—直线气缸；13—PLC控制器；14—消声器；15—激光位移传感器；16—数据采集仪；图2 集中式气源驱动气缸系统原理图

2 试验系统的实现及试验方法

2.1 试验系统的实现

建立2种气源对应的试验系统工作台。图3为小型压缩机直接驱动气缸系统的试验平台。试验系统由4个主要部分组成。1) 气源部分：小型压缩机直接驱动气缸系统的气源部分由小型压缩机独立构成；集中式气源驱动气缸系统的气源部分由大型压缩机及其后处理元件组成。2) 工作部分：由气缸和气缸轴向恒力加载装置组成。3) 控制部分：采用PLC控制小型压缩机的启动停止和电磁阀的工位切换。4)数据采集部分：激光位移传感器测量气缸活塞位移随时间的变化，由数据采集仪进行实时的采集与记录。

图3 小型压缩机直接驱动气缸系统试验实物图

2.2 试验方法

试验选择3种不同缸径、相同行程的标准气缸进行相关研究，小型压缩机直接驱动气缸系统中连接小型储气罐容积为1.0L，集中式气源的驱动气缸系统的使用压力为0.5MPa，以气缸出程作为其工作行程，采用排气节流的速度控制方式，对2种气源驱动气缸系统的速度特性进行测试和研究。

试验的具体步骤如下：1) 由恒力加载装置对气缸轴向施加给定大小载荷；2) 调整速度控制阀，当其开度最大时，测试气缸的快速性，之后调整其开度以获得最为平稳的运行速度，并保持此开度状态；3) 利用激光位移传感器测量气缸活塞位移随时间变化，对其求导得到气缸的速度曲线，对试验结果进行处理分析。

3 试验结果的比较分析

3.1 气缸速度特性的主要指标

1) 气缸运动快速性

气压驱动的优点之一是其运行的快速性。气缸的快速性能够保证其操作时，能以较快的节拍完成工位作业任务。气缸的快速性以在额定工作压力下，气缸驱动负载时的单程最短行程时间Tmin来表征，即气缸工作行程的最短时间。

2) 气缸运行平稳性

图4 气缸运行速度相关参数值的确定

由图4可知，ΔVmax与ΔVmin之和为气缸速度波动的最大幅度为Vwm，将Vwm倒数Sv定义为气缸速度的平稳值，如式(1)所示。其中将参数1的量纲设定为m/s，则气缸速度的平稳值Sv无量纲。平稳值Sv越大，气缸运行平稳性越好。

(1)

式中：Sv——气缸速度的平稳值，无量纲；

Vwm——气缸速度波动最大幅度值，m/s。

3.2 速度特性的比较分析

试验中，针对行程为200 mm，缸径分别为32 mm、40 mm、50 mm的气缸进行试验，得到2种气源驱动气缸系统速度的快速性和平稳性。

1) 快速性比较

2种气源驱动气缸系统工作行程最短时间的变化特性比较如图5所示。在集中式气源下，缸径32 mm气缸驱动300 N负载时，其对应负载率过大，不满足理想负载率加载，比较时忽略此工况下的数据点。3种试验气缸速度特性随负载的变化规律较为相似，所以，仅以缸径40 mm气缸为例，对2种气源驱动气缸系统的速度特性进行比较。如图5(b)所示，随着负载的增大，2种气源驱动气缸系统的工作行程最短时间成线性增加，在对应工况下，小型压缩机直接驱动气缸系统的工作行程最短时间都比集中式气源驱动气缸系统大，小型压缩机直接驱动气缸系统的快速性不如集中式气源驱动气缸系统。

图5 工作行程最短时间比较

2) 平稳性比较

2种气源驱动气缸系统的速度平稳性比较如图6所示。

图6 速度平稳性比较

以缸径40 mm气缸为例，由图6(b)可知，小型压缩机直接驱动气缸系统的速度平稳值随着负载的增大而增大，集中式气源驱动气缸系统的速度平稳值随着负载的增大，先增大而后有所减少。对应工况下，小型压缩机直接驱动气缸系统的速度平稳值都小于集中式气源驱动气缸系统，前者的速度平稳值仅为后者的23.6%～61.5%，小型压缩机直接驱动气缸系统的速度平稳性不如集中式气源驱动气缸系统。