气动系统在自动控制系统中节能设计及应用
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。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。
1 气源分析和系统构成
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10 m3自由空气压缩成0.6MPa的压缩空气, 由排量为1 000m3/h的透平式空压机生产, 耗能1.77 kW·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%。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%。
(2) 采用气—电或气—液复合传动控制系统
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。目前气动电磁阀的电磁铁消耗功率大多在1.8 W以下, 小型阀也有功率仅为0.45 W的, 直动型阀的功率一般也都小于4 W。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, 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
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、减压阀和不供油润滑的阀类、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。
2" 节能气动控制系统方案的设计
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。
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( 0.1~0.2 MPa
表压) , 可节能25%~35%。
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。
3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, 全机械设备都无法与气动设备相比。
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。
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。
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。
4结语
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, 对相似或相同的技术问题, 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。
