气动自振荡机构的研究.pdf

第 4 7卷第 1 8期 2 0 1 1年 9 月 机械工程学报 J OURNAL OF MECHANI CAL E NGI NE E RI NG V_0 1 ． 4 7 S e p ． N O ． 1 8 2 O 1 1 DoI 1 0 ． 3 9 0 1 ／ J M E． 2 0 1 1 ． 1 8 ． 1 9 5 气动 自振荡机构的研究 许未晴蔡茂林 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 1 9 1 摘要将 电学中的脉宽调制的方法引入到气动系统的流量控制，作为降低能耗的手段，并已由试验验证将间歇供气方式应用 于气动喷嘴吹除杂质颗粒较连续供气方式更节能。提出一种为气动喷嘴提供间歇气流的自振荡机构。 该机构采用阀式结构并 以弹簧振子机构为基础，为使阀芯在弹簧力的作用下做周期振动，用压缩气体作用在阀芯上产生推力克服摩擦力，并从理论 上分析稳定的周期振动产生的机理，振幅大小受到阀腔充放气基准时间的影响，当基准时间短时，振幅变小甚至不能稳定振 动。通过设计弹簧的弹性系数和阀开口的位置，产生不同频率和占空比的间歇气流。通过仿真对振荡产生的机理做出研究， 通过试验验证仿真结果， 试验结果与仿真结果吻合。分析阀口打开过程中以及全开时， 气体压力损失的机理，并结合试验数 据计算本机构的效率为 9 ％。 关键词节能 自振荡脉冲发生器间歇喷吹 中图分类号T HI 3 Re s e a r c h o n Pn e u m a t i c Se l f - o s c i l l a t e d M e c ha n i c a l S t r uc t ur e XU W e i q i n g CAI M a o l i n 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 ang U n i v e r s i t y , B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 Abs t r a c t T h e me tho d o f p u l s e wi d t h mo d u l a t i o n i n e l e c t r i c a l s c i e n c e i s i n t r o d u c e d t o flo w r a t e c o n t r o l i n p n e u ma t i c s y s t e m a s a me tho d f o r s a v i n g e n e r g y ． I t i s p r o v e d tha t the me tho d o f i n t e r mi t t e n t h a d a b e tt e r p e rfo rm a n c e a n d c o n s um e d l e s s e n e r g y i n b l o wi n g a wa y d u s t A s e l f - o s c i l l a t e d me c h an i c a l s t r u c t u r e f o r g e n e r a t i n g i n t e rm i t t e n t a i r fl o w i s p u t for wa r d ． e s t r u c t u r e i s v a l v e l i k e a n d b a s e d o n s p ri n g v i b r a t o r ． Th e f o r c e g e n e r a t e d b y c o mp r e s s e d a i r o n t h e s u r f a c e o f the v a l v e c o r e o v e r c o me s the f r i c t i o n． i n o r d e r tha t the v a l v e c o r e d r i v e n b y a s p r i n g f o r c e v i b r a t e s p e ri o d i c a l l y ． nl e me c h an i s m o f g e n e r a t i o n o f the s t a b l e v i b rat i o n i s f o u n d ．T h e a mp l i t u d ei si n flu e n c e db yt h e s t a n d a r dt i meo f c h arg ingan dd i s c h arg i n g ． I f t h et i mei s r e d u c e d ， t h eam p l i t u d ewi l l d e c r e a s ee v e nthe v i a ti o n C an n o t g e n e ra t e d s t a b l y ． 1 1 1 e m a c h in e g e ts c h a r a c t e r o f g e n e ra t in g d i ff e r e n t f r e q u e n c y a n d d u ty r a ti o o f in t e r m it t e n t a ir fl o w b y d e s i g n i n g the e l a s t i c c o e ffic i e n t o f s p rin g and p o s i t i o n o f t h e p o r t o f wh i c h c o mp r e s s e d a i r fl o ws o u t ．We s t u d i e d t h e p r i n c i p a l o f s e l f - o s c i l l a t i o n b y s i mu l a t i n g t h i s ma c h i n e ．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s are v e r i fi e d the e x p e rime n t r e s u l t s ．F i n a l l y ,the me c h an i s m o f p r e s s u r e l o s s i s s tud i e d wh e n the p o r t i s o p e n i n g and o p e n e d wh o l l y ． Wi t h the e x p e rime n t d a ta， the e ffic i e n c y o f the ma c h i n e i s c a l c u l a t e d an d t h a t i s 9 ％ ． Ke y wo r d s En e r gy s a v i n g S e l f - o s c i l l a t i o n P u l s e g e n e r a t o r I n t e r mi tt e n t b l o wi n g 0 前言 气动 喷嘴节 能是气 动系统节 能领域 的关键 技 术。气动系统由于成本低、无污染、易维护等优点 在汽车生产、 半导体制造等行业中发挥着重要作用。 但是气动喷嘴能耗在机械加工比例大的工厂约占气 动系统总能耗一半左右 。 文献[ 3 ． 6 ] 研究了气动喷 2 0 1 0 0 9 3 0收到初稿，2 0 1 1 0 3 1 5 收到修改稿 吹系统的节能。在能源 问题 日益突 出的今天 ，气动 喷嘴的节能有着重要的意义。 通常，压缩气体经由减压阀向喷嘴供气，气罐 内的压力 即表压 为 0 ． 5 ． - 0 。 7 MP a ，经过减压阀后 供给喷嘴空气压力为O ．2 , - 0 ．4 MP a 。由气动功率理 论，压缩气体在通过减压阀时有效能减小，如空 气经过减压阀从 0 ． 5 MP a降到 0 ．2 MP a ，有效能【4 】 损失 3 9 ％。试验证明【 I J ，将气动喷嘴的连续气流改 为具有矩形波流量的间歇气流，避免了原减压阀处 的能量损失，并当矩形波气流具有最优的频率和占 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 7卷第 1 8期 空比时，可节省 5 0 ％以上压缩空气 ，同时提高吹除 工件表面颗粒 、水滴等杂质 的效率 。 本文提 出了一 种基于弹簧振子系统 的 自振 荡 机构为气动喷嘴提供间歇气流，并通过设计弹簧的 弹性系数和阀开口的位置，产生不同频率和占空比 的间歇气流。 1 自振荡机构的原理 1 ． 1 自振荡机构模型 图 l是 自振荡机构原理图，阀体上有 A、B两 个 口，其 中A 口为进气 口，B口为排气 口；阀芯和 弹簧构成弹簧振子结构，阀芯左右两端面为圆形， 且直径不相等，压缩气体由A口进，压力作用在阀 芯上产生差压，与弹簧力推动阀芯往复运动，开启 和关闭进气 口 A，使排气 口 B间歇排出气体 。 图 1 自振荡机构原理图 1 ． 2 自振荡产生机理 对于弹簧振子组成的系统，在恒定的外力作用 下，会产生简谐振荡，由于粘性摩擦的存在 ，振荡 的振幅越来越小，最终停止在平衡位置。如 图 1 所 示，在不供气的条件下一个振荡周期内外力F输入 给系统的能量为 0 ，而摩擦力 在不断消耗振动的 能量，振动最终停止 。 基于弹簧振子的自振荡系统的起振问题可以 描述为 W f W v O 。W f 、 分别为一个周期内摩擦 力和气体推力 F做功，如图 l 所示，横坐标为阀芯 的位移， 封闭曲线区域 b c d e 面积可描述F对系统做 功的量，当其大于0时，可产生稳定的振动。 基于这个思想，设计了如图 1 所示的结构，以 R为阀芯位置参考点，图 l中曲线图描述了阀芯 R 点处运动的特性当阀芯位于 b 点时， 进气口A全 开，阀腔 C中的压力P达到最大，推动阀芯向右运 动，进气 口 A 逐渐关闭，而出口 B 放气，压力 P 降低；当阀芯运动到 c点时，P降低至大气压力， 阀芯在弹簧力的作用下 向左运动 ；当阀芯运动到 d 点时，进气 口 A开始打开，P开始增大；当阀芯运 动到 e点时，P达到最大，阀芯开始向右运动，如 此循环下去。 当 b c d e 所 围成的封闭曲线面积大于 0时， 自振 荡具备能量条件，结构参数设计的设计必须满足此 条件， 因此下面讨论封闭曲线区域面积的影响因素。 如图 1 所示，系统 的能量条件可以描述为封 闭 曲线的面积为正，当6 c 如 点的坐标满足 X 1 2 一 一 即满足条件 对于 段 ，同理只需要满足条件 0 二 3 一 ⋯ 即满足条件 0 ． 5 2 8 p 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 9月 许未晴等气动 自振荡机构的研究 1 9 7 式中，尺为气体常数 ，j c 为等熵指数 。 理想气体状态方程 pVmR O 7 式中， 为气体体积 ，m为气体质量 。 对式 7 作微分变换 ，并忽略体积和温度的变化 塑 8 1 一 一 一 ● - d t V d t 1 ． 4 阀芯模型 根据牛顿第二定律，阀芯的模型 ， ， z pP a A S一 9 式 中， 是阀芯受到的摩擦力，阀芯的摩擦力模型 是复杂的，并且与温度、压力等因素有关，式 1 0 是简化模型。动摩擦力描述为库仑摩擦力与粘性摩 擦力的和 ，粘性摩擦力是速度 的函数 ，其他参数都 是 常 量 。不 考 虑 阀芯 的低速 运 动 ，否 则 应考 虑 S t r i b e c k效应，即低速时摩擦力的随机性 。 f u 0 1 ≠0 1 0 式中， 为最大静摩擦力， 为库仑摩擦力， 为 粘性摩擦 因数 ，u为气体速度。 1 ． 5 系统动力学特性 将式 5 代入式 8 ，得到 扣 p I 1 1 由于小孔前端气体温度是常值，后端气体压力 为大气压力是常值， 可表示为 p ，T 是容腔充 放气基准时间 丁 1 2 R e s 、 。 的振幅随之增大 ，以至阀 口能稳定地开启和关闭， 实现稳定的自振荡。 蓄 阔芯位移 x ／ mm 图2 基准时间对系统特性影响图 2 试验装置 2 ． 1 试验 回路 试验装置如图 3所示 ，2位 3通手动阀用于打 开／ 关闭气源 。 连接 电磁 阀与 自振 荡机构的塑料管路 长 1 0 0 I I 1 I I l ，内径 6 mi l l 。减压阀用于稳定和设定气 源压力，满足自振荡机构对进气口压力的要求。容 腔压力 由半导体压力传感器测量 ，量程 0 ～1 MP a ， 精度0 ．0 4 ％，数据采集采用安捷伦的示波器。 ⑨ 气源 图 3 试验装置图 1 3 2 ． 2 试验方法 式 1 1 说明压力 d p ／ d t 是 由基准时间 确定， 可 以通过设计充放气基准时间减小式 4 左边第 1 项 。 从基准时间定义可知，在系统参数设计时可以 通过增大容腔 c的体积 来实现基准时间 的增 加，从而改变系统特性。 以下通过仿真分析基准时间 对系统特性的影 响。图 2是对具有不同基准 时间的系统进行仿真计 算的结果，基准时间分别是 T o 、2 T o 、3 T o 、5 T o ，封 闭曲线所围成的区域面积随基准时间增大而不断增 大，即每个周期输入 自 振荡系统的能量增大，阀芯 自振荡机构各个尺寸参数是根据仿真计算设 计而来，如下表所示，调整减压 阀输出压力至 O ． 1 3 MP a ，打开示波器实时采集并显示自振荡机构输出 口压力 ，打开手动阀。若无法起振 ，则旋转螺母以 调整容腔 C的体积，直到振动稳定，记录螺母旋转 的圈数以计算容腔 c的体积。 试验数据与计算结果 的比较见图4 ，纵坐标是容腔 C实时压力，也是喷 嘴喷吹压力。 3 试验结果 从图4可以看出试验数据与计算结果， 说明应用 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 7 卷第 1 8期 表自振荡机构尺寸参数 参数 设计值 供气压力p 。 ／ MP a 阀芯质量 m ／ g 弹簧刚度 f N iT lr n - 进气口直径 D／ mm 排气臼有效面积 S J m m 容腔 c的体积 V ／ m m0 0 ． 1 3 8 O ． 0 5 4 l 2 2 5 0 0 集中参数法建立自振荡机构模型以及根据该数学模 型设计系统是十分有效的。 从 0 ． 0 2 5 0 ． 0 3 0 S ，阀芯向 左运动阀口A打开，由于阀腔 C中压力为大气压力， 充入的气体膨胀， 消耗部分有效能； 从 0 ． 0 3 0 “ - 0 ． 0 4 5 S ， 阀腔 C压力保持在 1 1 ． 8 k P a ， 小于供气压力 1 3 ． 0 k P a ， 一 方面由于在阀口处气流加速，并与阀口壁面摩擦导 致压力损失，另一方面气流推动阀芯打开，阀芯与阀 座相对滑动产生摩擦，气流克服摩擦力做功导致压力 损失。从 0 ．0 2 5 -- 0 ．0 3 0 S ，阀口处于非完全打开状态， 且阀内压力小， 所以流量小， 相对于从 0 ． 0 3 0 0 ． 0 4 5 s 可以忽略不计，因此可以用 0 ． 0 3 0 0 ． 045 S 的能量损 失率近似表示全周期能量损失率。根据文献[ 4 ] ，压 力从 1 3 ． 0 k P a降低到 1 1 ． 8 k P a能量损失 9 ％，即 自 振荡机构的能量损失率是 9 ％。 一 试验值 -R 出 鲨 1 1 5 1 l O 1 O 5 1 O O 0 0O1 00 2 0 0 3 00 4 00 5 时间 f ／ s 图 4 排气压力响应图 图 4 中充放气压力 曲线 不对称 ，从 0 ． 0 2 8 ～ 0 ． 0 3 0 s ，出现压力的尖峰，这是因为此时阀芯在 自身 的惯性及弹簧回复力作用下 向左运动压缩阀腔 C 内 的气体，使气体压力继续升高；而从0 ．0 4 0 0 ．0 4 2 s ， 阀芯向右运动，阀腔 c的容积变大 ， 压力迅速下 降。 4 结论 1 本文提供了一种新型的基于弹簧振子的气 动 自 振荡系统，并建立 自 振荡机构的数学模型。 2 在数学模型的基础上，仿真分析了自振荡 产生的机理，找到影响系统白振荡产生的参数是容 腔 C体积。 在系统不能产生稳定的白 振荡时通过增 大容腔 C ，可以使系统产生稳定的振荡；反之，容 腔 C减小到一定值，系统不能产生稳定的自振荡。 3 1在仿真的基础上， 设计自振荡机构的尺寸。 并通过试验验证 了由仿真设计尺寸的 自振荡机构的 样机能产生稳定的振荡。 参考文献 [ 1 】C A I Ma o hn， X U We i q in g ． S e l f - s u s t a i n e d o s c i l l a ti o n p u l s e d a i r b l o wi n g s y s t e m f o r e n e r g y s a v i n g[ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 ，2 3 3 3 1 7 3 2 6 ． [ 2 】J a p a n F l u i d P o we r As s o c i a t i o n ． R e p o r t o n e n e r gy c o n s e r v a t i o n o f a i r c o mp r e s s o r s y s t e m i n 2 0 0 1 J R ] ． To k y oJ a p a n F l u i d P o we r As s o c i a t i o n，2 0 0 2 ． [ 3 】小根山尚武．空氖压 A于厶0省 ；木 芊一 阴寸 为现状 邑裸题[ J ] ．日本油空压学会 ，2 0 0 1 ，3 2 4 2 3 1 ． 2 3 6 ． ONEYAMA N．T h e p r e s e n t s i t u a t i o n and p r o b l e ms o n p n e u ma t i c s y s t e m for e n e r gy s a v i n g [ J ] ． J o u r n a l o f F l u i d P o we r S y s t e m， 2 0 0 1 ， 3 2 4 2 3 1 - 2 3 6 ． [ 4 】 C AI Ma o l i n ， K E NJ I K， T 0S mHA R U K． P o we r a s s e s s me n t o f fl o wi n g c o m p r e s s e d a i r [ J ] ．J o u r n a l o f Fl u i d s En g i n e e ri n g ，T r a n s a c tio n s o f t h e AS M E ，2 0 0 6 ， 1 2 8 2 4 0 2 4 0 5 ． [ 5 】T h e J a p a n Hy d r a u l i c and P n e u ma ti c S o c i e t y ． Manu a l o f h y dra u l i c s and p n e u ma t i c s [ M] ． T o k y o O h mu L t d ． ， 1 9 8 9 ． [ 6 】O N E Y AMA N ． E n e r g y s a v i n g f o r p n e u m a ti c s y s t e m[ R】 ． T o kyo E n e r gy C o n s e rva t i o n C e n t e r , 2 0 0 3 ． [ 7 】妹尾满．I 7 ． 歹口一一道正 I了 ． 歹口一 于厶 上5空氮消黄量0削’减[ J ] ． 日本工棠出版， 1 9 9 9 ， 3 8 6 5 ． 1 O． S E NOO M ．Ai r b l o w r e d u c ti o n o f a i r c o n s u mp t i o n b y a p p r o p ri a t e a i r b l o w s y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f Hy dra u l i c a n d P n e um a t i c ， 1 9 9 9 ， 3 8 6 5 - 1 0 ． [ 8 ]8 V a n L e er U K L t d ． C o mp r e s s e d a i r s a v i n g s b y l e a k a g e r e d u c t i o n and e ffic i e n t a i r n o z z l e s [ R ] ．Me r s e y s i d e CADDET E n e r g y Effic i e n c y，Re s u l t 4 0 2，2 0 0 1 ． [ 9 】赵承庆，姜毅．气体射流动力学【 M] ．北京 北京理工大 学 出版社． 1 9 9 8 ． Z H AO C h e n g q i n g ，J I A NG Y i ．Air j e t d y n a mi c s[ M】 ． B e ij i n g B e i j i n g I n s ti tut e o f T e c h n o l o gy P r e s s ， 1 9 9 8 ． [ 1 0 】S MC中国有限公司．现代实用气动技术 [ M】 ．3版． 北 京机械工业出版社， 2 0 0 8 ． S MC C N C o ． ， L t d ． Mo d e mp r a c ti c a l p n e u ma ti ct e c h n o l o g y [ M] ． 3 r d e d ． B e i j ing C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 0 8 ． 作者简介许未晴 通信作者 ，男，1 9 8 4年出生，博士研究生 。主要研 究方向为气动喷嘴系统能耗评价。 E ma i l x w q y y l 1 6 3 ． c o rn 蔡茂林 ，男，1 9 7 2年出生，博士 ，教授，博士研究生导师。主要研究方 向为气动系统节能、测量、仿真 、控制。 E - ma i h c a i ma o l in g ma i l ．c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m