气动系统分压供气与局部增压技术.pdf

2 0 1 0年 5月 第3 8卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 0 V0 1 ． 3 8 N o ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 9 ． o 1 8 气动系统分压供气与局部增压技术 石岩 ，蔡茂林 ，王高平 1 ．北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 佰联无油压缩机有限公司，安徽安庆 2 4 6 0 0 5 摘要分压供气 、降低供给压力是气动系统节能的一条重要的途径 ，气源气压每升高0 ． 1 M P a ，空压机增加耗能5 ％ 一 1 0 ％，气动系统多耗气 1 4 ％。介绍了气动系统分压供气的特点及应用，并就分压供气方式及其核心技术气动系统局部 增压技术进行探讨与展望。 关键词气动系统；节能；增压技术 ； 、 分压供气；局部增压 中图分类号T HI 3 8 ． 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 l 9 0 5 73 S t u d y o n Ai r - s u pp l i e d wi t h Di ffe r e n t Pr e s s u r e a nd Lo c a l l y Pr e s s ur e - bo o s t i ng Te c h no l o g y o f Pne u ma t i c Sy s t e m S HI Ya n ． CAI Ma o l i n ， W ANG Ga o pi n g 1 ． S c h o o l o f A u t o ma t i o n S c i e n c e a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，B e i h a n g U n i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． B a i L i a n O i l - f r e e C o m p r e s s o r C o ． ，L t d ． ，A n q i n g A n h u i 2 4 6 0 0 5 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai r -- s u p p l i e d wi t h d i ff e r e n t p s s u ro a n d r e d u c i n g t h e p r e s s u r e o f a i r s u p p l i e d i s a n i mp o r t a n t w a y f o r e n e r g y - s a v i n g o f p n e u ma t i c s y s t e m，t h e p r e s s u r e o f a i r s o u r c e i s d e c l i n e d b y 0 ． 1 MP a，a n d e n e r g y c o n s u mp ti o n o f c o mp r e s s o r i n c r e a s e d b y 5 ％ 一 1 0 ％ ．a i r e x h a u s t e d o f p n e u ma t i c s y s t e m e n h a n c e d b y 1 4％ ．T h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i c a t i o n o f a i 卜s u p p l i e d w i t h d i ff e r e n t p r e s s u r e w e r e i n t r o d u c e d，an d t h e me t h o d as we l l a s i t s c o r e t e c h n o l o gy ，l o c a l l y p r e s s u r e - b o o s t i n g t e c h n o l o gy o f p n e u ma ti c s y s t e m wa s a n a l y z e d a n d p r o s p e c t e d ． Ke y wo r d s Pn e u ma t i c s y s t e m； E n e r gy - s a v i n g ； P r e s s u r e b o o s t i n g t e c h n o l o gy ； Ai r - s u p p l i e d wi t h d i ff e r e n t p r e s s u r e ； L o c a l l y p r e s s u r e - b o o s t i n g 气动系统由于成本低 、无污染、易维护等优点 在工业 自动化中得到了广泛的应用。但是，在原油 价格 日益高涨，能源问题突出的今天 ，气动系统效 率偏低、能量浪费严重等问题逐渐引起 了人们的关 注，气动系统的节能在我国已成为一项重要的节能 减排课题。随着气动系统节能技术的研究 ，业内人 士达成共识，认为 “ 分压供气 ，降低供给压力”是 气动系统节能的一项重要的措施 I 2 。气动系统的 局部增压技术是分压供气 ，降低供给压力的关键技 术 ， 目前 通常采用 的有 气 动增压 与 电动增 压 两种方 法。作者首先对气动系统分压供气技术进行介绍 ， 阐述了其对气动系统节能的重要意义 ，然后分析 3 种常用增压方式的，通过 比较说明各种增压技术 的 优缺点，指出现代气动增压技术 亟待提高。最后， 对气动系统的分压供气与局部增压技术的应用前景 进行展望，为气动系统的节能改造提供了重要的参 考依据 。 1 气动 系统分压供气技术 1 ． 1 气动 系统分压供气的意义 分压供气是根据气动系统所需压力分别进行供气 的一种方式。现代工厂中通常使用一组空压机为全厂 提供压缩空气，由于各处所需压缩空气的压力不同， 所以供气压力须为气动系统所需的最高压力，对于需 要低压的场合，则用减压阀进行减压，如此会造成巨 大的能量损失，包括以下几方面 1 供气压力每增加0 ． 1 M P a ，空压机耗能将增 加 5 ％ ～ 1 0 ％，气动系统增加耗气 1 4 ％” - 2 ] ； 2 提高供给压力将会增加输气管路的泄漏。 在我国，2 0 0 7年压缩机用电量 2 0 0 0 k W h ，供 给压力每降低 0 ． 1 MP a每年就可节约 9 0亿 一1 9 0亿 k W h电，折合人民币 7 2 亿 一1 5 2 亿元。工业现场供 气压力一般在 0 ． 8 1 ， 0 M P a之间，实际上 9 5 ％的气 动执行元件所需最大压力为 0 ． 7 M P a 。压力 由 0 ． 8 MP a 降低为0 ． 7 M P a ，可以减少由泄漏造成的损失的 收稿日期2 0 0 9- 0 5 2 1 作者简介石岩 1 9 8 1 一 ，男，山东省鄄城县人，博士研究生，主要研究方向为气动系统节能技术。电话1 5 8 1 0 8 3 4 1 7 7 ， E ma i l y e s o y o u 1 6 3 ． c o m。 5 8 机床与液压 第 3 8卷 1 5 ． 8 8 ％左右，在两种供力压力下，不 同孔径的泄漏 点每年的泄漏量及功率损失如表 1 所示。 表 1 在两种供力压力下泄漏点年泄漏量及功率损失 1 ． 2 气动 系统分压供 气的方 法 目前工业现场实施 “ 分压供气、降低供给压力” 进行节能改造主要采取如下两种方式 1 空压机 分组供气，即将一个空压机组分为几组 ，每组根据用 气设备的需求提供不同压力的压缩空气； 2 局部 增压，即气源提供低压空气 ，局部采用增压设备进行 增压为需要高压空气的设备供气。这两种方法的优缺 点如下 1 空压机分组供气 此方法可以提供大流量压缩空气，压力可调范围 器、干燥器、后冷却器等装置 ，如果将空压机放置在 空压机房则需要重复敷设输气管道，投资高，施工复 杂，实施难度大；如将空压机放置工业现场 ，但其体 积大、维护 、保养及管理不方便。所以此种技术受到 严重制 约。 2 局部增压 此方法可以灵活地为局部提供高压空气，局部增 压又可分为气动增压 、电动增压两种方式。在工业现 场，一般气动系统需要高压 大于 0 ． 7 1 M P a 空气 的量约占空气总需求量的5 ％左右，采用局部增压技 大，但是各组空压机都需配备独立 的排水器、过滤 术是最切实可行的方案。 表 2 各种节能措施效果 比较表 2 气动系统局部增压技术 随着气动节能技术的发展 ，空气增压技术的作用 越来越引起人们的重视H ] 。目前气动系统增压技术 主要有如下两种 1 电动增压。利用电力为压缩空气增压提供 所需能量，如各种电动空气增压机。此类增压机大都 是由压缩机改进而成 ，其输出流量大，压力高，大多 用于对特种气体 例如氧气、氮气 、二氧化碳、 氦气、氩气、天然气等进行增压。 图 1 增压机结构简图 电动增压机对低压空气进行压缩时，原低压空气 的有效能一部分 即传送能未被有效利用，压缩 空气的传送能所 占总有效能的比例随着空气压力的降 低而升高 ，空气在压力为0 ． 4 2 MP a G 时传送能所 占比例高达 5 0 ％ 。另外，普通的空气增压机缺少 控制器 ，频繁起停 ，对工厂的电网、气路冲击以及对 设备本身的损坏很大，因此 ，该技术有待改进。目前 对该技术进行研究的文献很少，但产品较多，我国有 多家空压机制造厂生产该类增压机，其中二级增压式 增压机结构原理如图 1 所示 。 为 了克服 以上缺点 ，安庆市某无油压缩机有限公 司与北京航空航天大学合作正在积极研发智能控制节 能空气增压机，图2为该公司研制的无油电动空气增 压机 。 图2 无油电动空气增压机图 第9期 石岩 等气动系统分压供气与局部增压技术 5 9 减压 阀 增压腔A 活 塞 图3 V B A气动增压阀的结构简图 2 气动增压。通 过改变压缩 空气 回路 ， 利用活塞对空气进行压 缩 ，达 到 增 压 的 目 的。 市场上此类产 品较 多， 比如 S MC公 司生 产 的 V B A系 列 的气 动增 压 阀、C K D公 司的 A B P空 气增压器 、欧境企业股 份有 限公 司生 产 的 P W 系列的气动增 压泵等。 图4 V B A气动增压阀 的流量特性图 S MC公司生产的 V B A气动增压阀的结构简图及流量 特性曲线图如图3 、4 所示。 大连海事大学熊伟教授对气驱气体增压器的静态 特性及其工作过程进行研究，分析了该增压器的工作 过程，研究了此过程中增压器的动作特性 ，推导出了 增压器静态性能参数如吸排气压力、吸排气体积和耗 气量的计算公式和停机压力公式及其在集气过程中的 变化规律；并根据这些公式，得出了增压器的压缩比 和容积效率的变化规律；分析了余隙容积对增压器各 项工作性能的重要影响；建立该增压器工作过程的数 学模型并证明了该模型的正确性；研究并分析了该增 压器供气压力 、输出气体压力与流量对其工作特性的 影响；对加深了解增压器的工作性能以及增压器的选 型、设计和使用具有重要的参考意义 。 西北工业大学的董飞、何国强等提出一种新的气 动增压泵的设计如图 5所示 ，其工作原理为当气 缸活塞移动到死点时顶开阀 1 ，由A 1口进人的低压 空气通过阀 1进入 N腔，气体作用在主阀大端的力 大于作用于主阀小端的力，推动主阀活塞向右移动， 最后由 A l口进来的低压气通过主阀心部的通路进入 R腔，推动气缸活塞向下移动，同时将 T腔中的低空 气压缩至高压，通过阀4从 B口排出，此时阀 3关 阀。当气缸活塞移动至下死点时，顶开阀2 ，N腔通 过阀2与大气相通，主阀活塞在 M腔低压空气作用 下向左移动 ，使 R腔通过 C 1口与大气相通，此时阀 4己关阀，T腔剩余气体膨胀后阀 3打开，低压气通 过 A 2 E l 进入 T腔，气缸活塞向上移动，开始第二个 吸气压缩循环 。 主 阀大 轴 N腔 阀1 阀2 C l 主 阀小轴 M腔 R腔 S 腔 T 腔 阀4 图 5增压泵 原理 图 此类增压器 以压缩空气为动力 ，不需电源 、结构 简单、体积小、易于使用 ，在一些需要少量 、局部高 压空气的场合得到广泛的推广。该增压器工作时，驱 动腔内低压空气驱动活塞对增压腔 内空气进行压缩， 当活塞抵达终端时，驱动腔内压缩空气排出，此时低 压空气只有传送能被利用 ，膨胀能完全损失掉，另外 从能量转换的角度上讲 ，气动系统的效率仅为 2 0 ％， 远远低于电力系统的效率 8 0 ％及液压系统的效 率 4 0 ％ ，因此，该增压装置效率低，另外，该 装置增压比固定、排气量小，当工业现场空气需求量 大时，需增加多台增压装置，如此便提高了设备的投 入 ，限制 了它在工业现场 的应用 。 3 结论及展望 生产压缩空气是现代工业生产中的主要耗能作业 之一，气动系统的节能改造可以降低能耗 ，气动系统 分压供气作为气动系统节能的一项重要的措施 ，其效 果显著，实施方便 ，随着我国节能工作的推展，该方 法定会得到推广、实施。 ’ 局部增压技术是一种方便并行之有效的气动系统 节能方法，该技术的发展与推广将会使用户获得十分 可观的经济效益以及重要的社会效益。随着气动系统 节能技术的发展及应用，现代气动系统局部增压技术 的局限性日益显著；同时市场需求的日益增长，也极 大地促进了气动系统局部增压技术的发展 ，新的增压 及其控制方式将会在最近一段时期内出现。 参考文献 【 1 】李军， 王祖温 ， 包钢． 气动系统节能研究简介[ J ] ． 机床 与液压， 2 0 0 1 5 78 ， 2 4 ． 【 2 】秦宏波， 黄军徽， 胡寿根． 基于系统测试的工业压缩空气 系统节能技术应用研究[ J ] ． 上海节能， 2 0 0 6 4 2 8 3 1 ． 下转第 3 9页 第9期 孙涛 等轮廓误差补偿方法研究 3 9 态之后 ，轮廓误差的变化很小，图 显示轮廓误差 。 基 目 9 9l ； 酱 目 暑 甓 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 时 间／ s a 从t 0 开始记录 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 时间， s b A t e 0 。 1 妍 始 记录 图 5 各轴独立控制时 轮廓误差曲线 b 能更精确地 4结论 时间， B 一 a 5 k t 0 开始记录 时 间／ s b 从卢O ． 1 s 开始 记录 图 6 5 0 ， 2 0 时轮廓误差曲线 由图5 、6可以看出，通过加入各单轴误差补偿 环节来减小跟踪误差从而提高轮廓跟踪精度的方法是 行之有效的。而且系统的响应时间没有变化。 加入 P I D交叉耦合控制，经过反复调整 ，选取控 制器参数 8 ， 0 ． 0 3 ，K D 0 ． 0 2 。图7 、8分别 给出了传统的 P I D交叉耦合控制器和作者设计的复合 式交叉耦合控制器的仿真对 比图。其中图7为仅有 P I D控制器的轮廓误差曲线。按上述专家控制的设计 思想对控制器输出进行限定 ，取比例、积分、微分的 学习速率分别为 叼 1 ，叩 。 1 0 ，7 ／ 。 0 ． 1 ，并结合 误差增益补偿环节后得到采用复合式交叉耦合控制器 的仿真结果如图8所示。 基 茸 删 龌 辑 昌 目 j I}Ij 赞 辑 时间／ s a 从卢O 开始记录 时 间， s b 从， | O ． 1 。 开始记录 图 7 传统交叉耦 合控制器 冒 2 昌 l 一 0 埘 l} 咄 一 l {醢 一2 时问， s a 从卢0 开始记录 f b 从卢O ． 1 s 开 始 记录 图 8 复合式交叉 耦合控制器 由仿真结果可知，加入 P I D交叉耦合控制器后 ， 有效地减小 了轮廓误差，并缩短了响应时间至少一倍 以上。而综合采取上述两种补偿措施之后，不但轮廓 精度大大提高，系统的响应时间也大大缩短。 通过改善单轴的跟踪性能以及采用新型的交叉 耦合控制器的综合方法实现了系统响应时间短、控 制精度高的要求 ，而且具有一定的自适应能力，实 现了轮廓加工的高速高精度控制 ，具有 良好的应用 前景 。 参考文献 【 1 】P o o A， B o l l i n g e r J ， Y o u n k i n G ． D y n a m i c e l T O rs i n t y p e c o n t o u ri n g s y s t e m s [ J ] ． I E E E T r a n s ． I n d ． A p p l i e a t ． ， 1 9 7 2 ， I A 一 8 4 774 8 4． 【 2 】胡寿松． 自动控制原理[ M] ． 14版． 北京 科学出版社， 2 0 01 ． 【 3 】 K o r e n Y ． C r o s s - 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