真空發(fā)生器的工作原理
真空發(fā)生器的工作原理
真空發(fā)生器就是利用正壓氣源產(chǎn)生負壓的一種新型，高效，清潔，經(jīng)濟，小型的真空元器件，這使得在有壓縮空氣的地方，或在一個氣動系統(tǒng)中同時需要正負壓的地方獲得負壓變得十分容易和方便。真空發(fā)生器廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動化中機械，電子，包裝，印刷，塑料及機器人等領(lǐng)域。真空發(fā)生器的傳統(tǒng)用途是吸盤配合，進行各種物料的吸附，搬運，尤其適合于吸附易碎，柔軟，薄的非鐵，非金屬材料或球型物體。在這類應(yīng)用中，一個共同特點是所需的抽氣量小，真空度要求不高且為間歇工作。筆者認為對真空發(fā)生器的抽吸機理和影響其工作性能因素的分析研究，對正負壓氣路的設(shè)計和選用有著不可忽視的實際意義。
1 真空發(fā)生器的工作原理
真空發(fā)生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生卷吸流動。在卷吸作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔內(nèi)的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。
由流體力學(xué)可知，對于不可壓縮空氣氣體(氣體在低速進，可近似認為是不可壓縮空氣)的連續(xù)性方程
A1v1= A2v2
式中A1，A2----管道的截面面積，m2
v1，v2----氣流流速，m/s
由上式可知，截面增大，流速減小；截面減小，流速增大。
對于水平管路，按不可壓縮空氣的伯努里理想能量方程為
P1+1/2ρv12=P2+1/2ρv22
式中P1，P2----截面A1，A2處相應(yīng)的壓力，Pa
v1，v2----截面A1，A2處相應(yīng)的流速，m/s
ρ----空氣的密度，kg/m2
由上式可知，流速增大，壓力降低，當(dāng)v2>>v1時，P1>>P2。當(dāng)v2增加到一定值，P2將小于一個大氣壓務(wù)，即產(chǎn)生負壓。故可用增大流速來獲得負壓，產(chǎn)生吸力。
按噴管出口馬赫數(shù)M1(出口流速與當(dāng)?shù)芈曀僦?分類，真空發(fā)生器可分為亞聲速器管型(M1<1)，聲速噴管型(M1=1)和超聲速噴管型 (M1>1)。亞聲速噴管和聲速噴管都是收縮噴管，而超聲速噴管型必須是先收縮后擴張形噴管(即Laval噴嘴)。為了得到z*大吸入流量或z*高吸入口處壓力，真空發(fā)生器都設(shè)計成超聲速噴管型。
2 真空發(fā)生器的抽吸性能分析
2.1 真空發(fā)生器的主要性能參數(shù)
?、倏諝庀牧浚褐笍膰姽芰鞒龅牧髁縬v1。
②吸入流量：指從吸口吸入的空氣流量qv2。當(dāng)吸入口向大氣敞開時，其吸入流量z*大，稱為z*大吸入流量qv2max。
?、畚肟谔帀毫Γ河洖镻v。當(dāng)吸入口被完全封閉(如吸盤吸著工件)，即吸入流量為零時，吸入口內(nèi)的壓力z*低，記作Pvmin。
?、芪憫?yīng)時間：吸著響應(yīng)時間是表明真空發(fā)生器工作性能的一個重要參數(shù)，它是指從換向閥打開到系統(tǒng)回路中達到一個必要的真空度的時間。
2.2 影響真空發(fā)生器性能的主要因素
真空發(fā)生器的性能與噴管的z*小直徑，收縮和擴散管的形狀，通徑及其相應(yīng)位置和氣源壓力大小等諸多因素有關(guān)。圖2為某真空發(fā)生器的吸入口處壓力，吸入流量，空氣消耗量與供給壓力之間的關(guān)系曲線。圖中表明，供給壓力達到一定值時，吸入口處壓力較低，這時吸入流量達到z*大，當(dāng)供給壓力繼續(xù)增加時，吸入口處壓力增加，這時吸入流量減小。
①z*大吸入流量qv2max的特性分析：較為理想的真空發(fā)生器的qv2max特性，要求在常用供給壓力范圍內(nèi)(P01=0.4---0.5MPa)，qv2max處于z*大值，且隨著P01的變化平緩。
②吸入口處壓力Pv的特性分析：較為理想的真空發(fā)生器的Pv特性，要求在常用供給壓力范圍內(nèi)(P01=0.4---0.5MPa)，Pv處于z*小值，且隨著Pv1的變化平緩。
?、墼谖肟诔惩耆忾]的條件下，對特定條件下吸入口處壓力Pv與吸入流量之間的關(guān)系如圖3所示。為獲得較為理想的吸入口處壓務(wù)與吸入流量的匹配關(guān)系，可設(shè)計成多級真空發(fā)生器串聯(lián)組合在一起。
④擴散管的長度應(yīng)保證噴管出口的各種波系充分發(fā)展，使擴散管道出口截面上能獲得近似的均勻流動。但管道過長，管壁摩擦損失增大。一般管工為管徑的6---10倍較為合理。為了減少能量損失，可在擴散管直管道的出口加一個擴張角為6°---8°的擴張段。
?、菸憫?yīng)時間與吸附腔的容積有關(guān)(包括擴散腔，吸附管道及吸盤或密閉艙容積等)，吸附表面的泄漏量與所需吸入口處壓力的大小有關(guān)。對一定吸入口處壓力要求來說，若吸附腔的容積越小，響應(yīng)時間越短；若吸入口處壓力越高，吸附容積越小，表面泄漏量越小，則吸著響應(yīng)時間亦越短；若吸附容積大，且吸著速度要快，則真空發(fā)生器的噴嘴直徑應(yīng)越大。
?、拚婵瞻l(fā)生器在滿足使用要求的前提下應(yīng)減小其耗氣量(L/min)，耗氣量與壓縮空氣的供給壓力有關(guān)，壓力越大，則真空發(fā)生器的耗氣量越大。因此在確定吸入口處壓務(wù)值勤的大小時要注意系統(tǒng)的供給壓力與耗氣量的關(guān)系，一般真空發(fā)生器所產(chǎn)生的吸入口處壓力在20kPa到10kPa之間。此時供華表壓力再增加，吸入口處壓力也不會再降低了，而耗氣量卻增加了。因此降低吸入口處壓力應(yīng)從控制流速方面考慮。
?、哂袝r由于工件的形狀或材料的影響，很難獲得較低的吸入口處壓力，由于從吸盤邊緣或通過工件吸入空氣，而造成吸入口處壓力升高。在這種情況下，就需要正確選擇真空發(fā)生器的尺寸，使其能夠補償泄漏造成的吸入口處壓力升高。由于很難知道泄漏時的有效截面積，可以通過一個簡單的試驗來確定泄漏造成的吸入口處壓力升高。由于很難知道泄漏時的有效截面積，可以通過一個簡單的試驗來確定泄漏量。試驗回路由工件，真空發(fā)生器，吸盤和真空表組成，由真空表的顯示讀數(shù)，再查真空發(fā)生器的性能曲線，可很容易知道泄漏量的大小。
當(dāng)考慮泄漏時，真空發(fā)生器的特性曲線對正確確定真空發(fā)生器非常重要。泄有時是不可避免的，當(dāng)有泄漏時確定真空發(fā)生器的大小的方法如下：把名義吸入流量與泄漏流量相加，可查出真空發(fā)生器的大小。
3 提高真空發(fā)生器吸入流量的方法
3.1 真空發(fā)生器分高真空型和高抽吸流量型，前者曲線斜率大，后者平坦。在噴管喉部直徑一定的情況下，要獲得高真空，必然降低抽吸流量，而為獲得大吸入流量，必然增加其吸入口處壓力。
3.2為增大真空發(fā)生器吸入流量，可采取設(shè)計多級擴大壓管方式。如采取兩個三級擴壓管式真空發(fā)生器并聯(lián)，如圖所示，吸入流量將再增加一倍。
4 結(jié)束語
4.1 真空發(fā)生器是一種小巧而經(jīng)濟的真空產(chǎn)生元件，應(yīng)用在有正壓氣源的地方，使真空回路極大簡化。因此，有利于降低機器的制造成本，有利于提高機器的可靠性，有利于實現(xiàn)機械的高速化和自動化，具有廣闊的應(yīng)用前景。
4.2系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)綜合考慮真空發(fā)生器的各種性能參數(shù)，選擇與系統(tǒng)相匹配的性能指標(biāo)。一般較佳的供氣供給壓力為：0.4---0.5MPa，吸入口處壓力一般為：20kPa---10kPa。
