真空发生器的工作原理与演示

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  真空发生器就是利用正压气源产生负压的一种新型,高效,清洁,经济,小型的真空元器件,这使得在有压缩空气的地方,或在一个气动系统中同时需要正负压的地方获得负压变得十分容易和方便。真空发生器广泛应用在工业自动化中机械,电子,包装,印刷,塑料及机器人等领域.真空发生器的传统用途是真空吸盘配合,进行各种物料的吸附,搬运,尤其适合于吸附易碎,柔软,薄的非铁,非金属材料或球型物体.在这类应用中,一个共同特点是所需的抽气量小,真空度要求不高且为间歇工作。笔者认为对真空发生器的抽吸机理和影响其工作性能因素的分析研究,对正负压气路的设计和选用有着不可忽视的实际意义。

1、真空发生器的工作原理

  真空发生器的工作原理是利用喷管高速喷射压缩空气,在喷管出口形成射流,产生卷吸流动.在卷吸作用下,使得喷管出口周围的空气不断地被抽吸走,使吸附腔内的压力降至大气压以下,形成一定真空度。如图1所示。

真空发生器工作原理示意图

图1 真空发生器工作原理示意图

  由流体力学可知,对于不可压缩空气气体(气体在低速进,可近似认为是不可压缩空气)的连续性方程

A1v1= A2v2

  式中A1,A2----管道的截面面积,m2

  v1,v2----气流流速,m/s

  由上式可知,截面增大,流速减小;截面减小,流速增大。

  对于水平管路,按不可压缩空气的伯努里理想能量方程为

P1+1/2ρv12=P2+1/2ρv22

  式中P1,P2----截面A1,A2处相应的压力,Pa

  v1,v2----截面A1,A2处相应的流速,m/s

  ρ----空气的密度,kg/m2

  由上式可知,流速增大,压力降低,当v2>>v1时,P1>>P2。当v2增加到一定值,P2将小于一个大气压务,即产生负压.故可用增大流速来获得负压,产生吸力。

  按喷管出口马赫数M1(出口流速与当地声速之比)分类,真空发生器可分为亚声速器管型(M1<1),声速喷管型(M1=1)和超声速喷管型(M1>1).亚声速喷管和声速喷管都是收缩喷管,而超声速喷管型必须是先收缩后扩张形喷管(即Laval喷嘴).为了得到最大吸入流量或最高吸入口处压力,真空发生器都设计成超声速喷管型。

2、真空发生器的抽吸性能分析

  2.1、真空发生器的主要性能参数

  ①空气消耗量:指从喷管流出的流量qv1。

  ②吸入流量:指从吸口吸入的空气流量qv2.当吸入口向大气敞开时,其吸入流量最大,称为最大吸入流量qv2max。

  ③吸入口处压力:记为Pv.当吸入口被完全封闭(如吸盘吸着工件),即吸入流量为零时,吸入口内的压力最低,记作Pvmin。

  ④吸着响应时间:吸着响应时间是表明真空发生器工作性能的一个重要参数,它是指从换向阀打开到系统回路中达到一个必要的真空度的时间。

  2.2、影响真空发生器性能的主要因素

  真空发生器的性能与喷管的最小直径,收缩和扩散管的形状,通径及其相应位置和气源压力大小等诸多因素有关。图2为某真空发生器的吸入口处压力,吸入流量,空气消耗量与供给压力之间的关系曲线.图中表明,供给压力达到一定值时,吸入口处压力较低,这时吸入流量达到最大,当供给压力继续增加时,吸入口处压力增加,这时吸入流量减小。

  ①最大吸入流量qv2max的特性分析:较为理想的真空发生器的qv2max特性,要求在常用供给压力范围内(P01=0.4---0.5MPa),qv2max处于最大值,且随着P01的变化平缓。

  ②吸入口处压力Pv的特性分析:较为理想的真空发生器的Pv特性,要求在常用供给压力范围内(P01=0.4---0.5MPa),Pv处于最小值,且随着Pv1的变化平缓。

  ③在吸入口吵完全封闭的条件下,对特定条件下吸入口处压力Pv与吸入流量之间的关系如图3所示.为获得较为理想的吸入口处压务与吸入流量的匹配关系,可设计成多级真空发生器串联组合在一起。

  ④扩散管的长度应保证喷管出口的各种波系充分发展,使扩散管道出口截面上能获得近似的均匀流动.但管道过长,管壁摩擦损失增大。一般管工为管径的6---10倍较为合理.为了减少能量损失,可在扩散管直管道的出口加一个扩张角为6°---8°的扩张段。

  ⑤吸着响应时间与吸附腔的容积有关(包括扩散腔,吸附管道及吸盘或密闭舱容积等),吸附表面的泄漏量与所需吸入口处压力的大小有关。对一定吸入口处压力要求来说,若吸附腔的容积越小,响应时间越短;若吸入口处压力越高,吸附容积越小,表面泄漏量越小,则吸着响应时间亦越短;若吸附容积大,且吸着速度要快,则真空发生器的喷嘴直径应越大。

  ⑥真空发生器在满足使用要求的前提下应减小其耗气量(L/min),耗气量与压缩空气的供给压力有关,压力越大,则真空发生器的耗气量越大.因此在确定吸入口处压务值勤的大小时要注意系统的供给压力与耗气量的关系,一般真空发生器所产生的吸入口处压力在20kPa到10kPa之间。此时供华表压力再增加,吸入口处压力也不会再降低了,而耗气量却增加了.因此降低吸入口处压力应从控制流速方面考虑。

  ⑦有时由于工件的形状或材料的影响,很难获得较低的吸入口处压力,由于从吸盘边缘或通过工件吸入空气,而造成吸入口处压力升高.在这种情况下,就需要正确选择真空发生器的尺寸,使其能够补偿泄漏造成的吸入口处压力升高。由于很难知道泄漏时的有效截面积,可以通过一个简单的试验来确定泄漏造成的吸入口处压力升高。由于很难知道泄漏时的有效截面积,可以通过一个简单的试验来确定泄漏量。试验回路由工件,真空发生器,吸盘和真空表组成,由真空表的显示读数,再查真空发生器的性能曲线,可很容易知道泄漏量的大小。

  当考虑泄漏时,真空发生器的特性曲线对正确确定真空发生器非常重要。泄有时是不可避免的,当有泄漏时确定真空发生器的大小的方法如下:把名义吸入流量与泄漏流量相加,可查出真空发生器的大小。

3、提高真空发生器吸入流量的方法

  3.1、真空发生器分高真空型和高抽吸流量型,前者曲线斜率大,后者平坦。在喷管喉部直径一定的情况下,要获得高真空,必然降低抽吸流量,而为获得大吸入流量,必然增加其吸入口处压力。

  3.、为增大真空发生器吸入流量,可采取设计多级扩大压管方式。如采取两个三级扩压管式真空发生器并联,如图所示,吸入流量将再增加一倍。

4、结束语

  4.1、真空发生器是一种小巧而经济的真空产生元件,应用在有正压气源的地方,使真空回路极大简化.因此,有利于降低机器的制造成本,有利于提高机器的可靠性,有利于实现机械的高速化和自动化,具有广阔的应用前景。

  4.2、系统设计过程中,应综合考虑真空发生器的各种性能参数,选择与系统相匹配的性能指标.一般较佳的供气供给压力为:0.4---0.5MPa,吸入口处压力一般为:20kPa---10kPa。

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