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常熟市常陽儀表科技有限公司
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氣動系統的節能技術
日期：2025-05-08 12:16
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摘要：
| 以下是一個使用實例：用10臺3，600kW 的空氣壓縮機供給鑄造、鍛造、機械加工、裝配和檢查的各生產線。原來已經實施低壓化的壓力為0.63MPa，現使用增壓閥后降低到0.57MPa。從而使空氣壓縮機的耗電量下降6%。 在廣泛使用伺服傳動機構的今日，氣動系統仍然不失為是一種使用方便的傳動裝置。當然氣動系統的性能也需不斷改善，才能滿足新的使用要求。本文介紹是有關的節能方面的技術。 氣動系統 壓縮空氣時的課題 向氣動裝置供給壓縮空氣的工作幾乎都由空氣壓縮機承擔。大多數壓縮機排出的空氣壓力在0.7-1.0MPa范圍之內。壓縮機由電系統、機械系統和熱系統構成，各部份都可能發生能量損失。通常，大型壓縮機的效率較高，可達到80%。小型壓縮機的效率只有60%。今后對壓縮機的要求不但是流量大、噪聲低、振動小和壓縮空氣質量好，更重要的是效率高。為此必須探索一種效率*高的運轉條件。 供給壓縮空氣時的課題 通常，壓縮機被設置在離開工場一定距離的地方，所以必須設置管道將壓縮空氣送到工場中。如果管道很長，則管道的摩擦損失就大，還有發生管道泄漏的危險，必須留意。 類似用高電壓送電可減少線路損耗一樣，用高壓輸送壓縮空氣，也可以減少管道中的損耗。因為即使將空氣的壓力從0.1MPa提高到4MPa,在同樣溫度條件下的粘度只增加5%，所以在相同管道中壓縮空氣的摩擦損失降低到原來的1/40。不過這時管道的漏氣量則上升到原來的6倍。為此，在用高壓輸送壓縮空氣時，需注意減少管道的漏氣損失。 除了上述各種問題之外，還有正確設置閥門與傳動裝置以及將排出的氣體再次利用等節省能量的種種課題。 可節省能量的小型往復式空氣壓縮機 據統計，空氣壓縮機的耗電量占工場總耗電量的20-40%。為了節省電力的消耗，現在開發了一種容量為0.75-11Kw的節能式通用小型往復式空氣壓縮機。下面對它的節能特點作一介紹，以供參考。 兩級式壓縮機 壓縮空氣所耗費的能量全部轉化為熱，使空氣的溫度上升。從壓縮機中排出氣體的溫度Td(℃)可由下式求得： 式中：Td --吸入空氣的*溫度，即20℃+273; Ps --吸入空氣的*壓力，即測量壓力+0.1033(MPa); Pd --排出空氣的*壓力，即測量壓力+0.1033(MPa); m --壓縮級數，可以是1、2或3； k --比熱比，空氣的比熱比=1.4。 由式中可以看出，壓縮級數多，則可以降低排出空氣的溫度Td(℃)，所以新聞發的小型空氣壓縮機采用兩級式壓縮。 在考慮節省能量時，通常是以動力原單位作為指標，即生成1m³壓縮空氣所消耗的電能（kWh）。它從下式可以算出： 動力原單位(kWh/m³）= 壓縮機動力（kW） -------------------------------------------------------------------------------- 空氣量（m³/h ） 從理論上說，壓縮級數對動力原單位也有很大影響。通常*大輸出壓力為1.0MPa 的小型往復壓縮機的壓縮級數，1級和2級均可使用。但從總體來看，采用2級壓縮對節省能量較為有利。表1所示是舊型號1級壓縮與新型號2級壓縮的對比。 表1 功率為7.5kW壓縮機新舊型號對比 項 目 舊 型 號 新 型 號 功 率 7.5kW 7.5kW 壓縮級數 1 1級,ø90mm×2 活塞直徑及數量 1級，ø90mm×3 2級,ø70mm×1 中間壓力 - 0.22MPa *高壓力 0.98MPa 1.0MPa 排出氣體溫度 170℃ 1級出口115℃ 2級入口 65℃ 3級出口145℃ 排出空氣量 0.817m³/min 0.853m³/min 注：壓縮機規格為1.0MPa,吸入空氣溫度為20℃。 舊型號是采用完全保溫發熱而散熱極少的隔熱壓縮，新型號是用中間冷卻器對1級壓縮送出的空氣進行冷卻之后（即表1中從溫度115℃下降到65℃）再送入2級壓縮機構中。從理論上講，這兩種方式所需動力有很大差異。不過增加中間冷卻器之后，使壓縮機成本上升。 由表中的排出空氣量可以計算出舊型號每小時排出空氣量為49.02m³/h，新型號為51.18m³/h 。再從功率和排出空氣量計算出各自的動力原單位。舊型號為0.153kWh/m³。新型號為0.146kWh/m³。由此可知，新型號每小時可節省電力0.007kWh/m³×49m³/h=0.343kW,有很好的經濟效益。 空氣壓縮機的控制技術 改進小型往復式空氣壓縮機的控制技術也可以節省能量。 壓力開關式 這是一種由壓力開關在一定的壓力范圍內反復控制壓縮機停止運轉和再起動，它適合繼續使用壓縮空氣的場合。在不使用壓縮空氣時，由壓力開關的動作使壓縮機自動停止運轉，所以有節省能源的效果。不過在再起動時就要耗費較多的電力。如果再起動的次數很多，就會縮短空氣壓縮機的使用壽命。 自動卸載式 在一定動作的壓力范圍內，由自動卸載裝置控制壓縮機作有負荷運轉或無負荷運轉。這種方式適合在長時間連續使用壓縮空氣或大量使用壓縮空氣的條件下應用。這種方式是當壓力超過設定值時，運轉著的壓縮機就不會像原來那樣使壓力上升，而是要受限制。這樣的電力消耗量就比較低。由于它并不停機，所以不存在再起動時消耗電力多的問題。但在非壓縮時的節省能量效果比停止時的效果差，這是無可避免的。 自動卸載的種類很多，其中由螺旋彈簧直接擠壓吸氣閥形成無負載狀態的節省量效果*佳。 人工雙重控制式 這是可對壓縮機實施壓力開關或自動卸載控制，由人工按照節省能源的*適宜狀態進行選用，在操作箱中專門設置了上述兩種方式的切換開關。 自動雙重控制式 這種方式是由設置在壓縮機中的微機按照檢測所得的使用壓縮空氣量，自動選擇*經濟的運轉狀態來節省能量。 節省能量的擺動傳動裝置 所謂擺動傳動裝置是一種可作回轉往復運動的氣動系統。用它可對物體進行移動、翻轉、分類和夾緊，也可以放在機械手的端部使用，用途廣泛。 擺動傳動裝置可分為葉輪式、齒條齒輪式、杠桿式和螺旋式等四種類型。其中葉輪式是由氣壓直接驅動葉輪回轉實施擺動運動。其他三種類型都是在內部安裝氣缸和活塞，并由各自的特殊機構將活塞的直線運動轉換成擺動運動。與其他方式相比，葉輪式具有體積小和效率高的特點。它的缺點是內部安裝緩沖器較為困難。其他三種方式適用于大型機構。如果機械設計得恰當，則擺動角度可達360° 。同樣，在內部也可以安裝緩沖器。 下面以葉輪式為例作一介紹。 葉輪式擺動傳動裝置 這種裝置可以按輸出扭矩和結構形式進行分類。按結構可分為單葉輪和雙葉輪兩類。 基本結構 這種裝置由殼、葉輪軸、閘瓦、閘瓦密封墊、軸承、O形圈和緊固螺釘等各種零件構成。外殼分為前后兩部份，由緊固螺釘將它們固定在一起。作為接受氣壓部件的葉輪和將回轉動力向外輸送的軸形成一個整體，稱葉輪軸。它由軸承支承，兩端用O形圈密封。外殼內的閘瓦則由閘瓦密封墊進行密封。 動作原理剖釋 單葉輪式 這種型式是從閘瓦一側的進氣口向內室供給壓縮空氣。在壓縮空氣擠壓葉輪的作用下帶動葉輪軸回轉，向外輸出扭矩。空氣則從閘瓦另一側的排氣口排出。 雙葉輪式 這種型式是從閘瓦一側進氣口進入的壓縮空氣在對葉輪一邊擠壓的同時，再通過設置在軸上的通路對葉輪的另一側進行擠壓。即可以輸出由兩只葉輪回轉軸所形成的扭矩。空氣通過葉輪之后即從內室排出，并通過另一通道進入排氣管道。 由于雙葉輪式是用兩只葉輪回轉軸，所以輸出的扭矩是單葉輪式的2倍。 裝置的特性 輸出 這種傳動裝置的輸出用扭矩來衡量。理論上扭矩是作用于葉輪的力和回轉半徑的積分值。但這是一個忽略了密封摩擦阻抗等因素的值，在摩擦阻抗影響下實際輸出的扭矩稱為實效扭矩。它與理論扭矩方比是扭矩效率。通常在產品說明中標注的是實效扭矩。 擺動時間 所謂擺動時間是相對于一個擺動角（例如90°）的動作時間。在產品說明中規定了擺動時間的范圍和容許擺動速度的大致標準。 與氣缸相比，因這種傳動裝置的內部容積小，所以較難以控制速度。當以超過*長擺動時間的低速使用時，因發生爬行現象而不能平穩地動作。為此以使用適合于低速控制的氣動-液壓裝置為宜。相反，如果是以小于*短擺動時間的高速使用時，那么葉輪的外周就會以超過規定數值（例如500mm/s)的高速滑動。因發熱等原因使密封件發生異常摩損，縮短使用壽命。 容許能量 當負載的慣性能量超過軸的容許能量時，軸會出現折損。為此，當發生上述現象時，應采取以下的措施。 * 加大傳動裝置的尺寸，增大容許能量值。 * 降低擺動速度，減小慣性能量。 * 設置外部緩沖裝置，吸收部份慣性能量，使施加于軸的沖擊（能量） 小于容許能量。 液壓緩沖器 這是一種當發生過大的負載慣性能量時，用于在擺動端吸收沖擊（能量）的設備。擺動傳動裝置中通常設置專用的小型油壓式沖擊減震器。使用這種緩沖器之后，可以擴大擺動傳動裝置的使用范圍。 減少裝置的耗氣量 擺動傳動裝置動作的耗氣量可從擠壓葉輪的容積和送氣管道容積等求得。通常為了減少耗氣量，可采用縮小內部容積或降低使用壓力等措施，并應適當延長擺動時間。 縮小內部容積 * 利用的特性圖：這是預先利用負載質量、形狀、所使用的力及擺 動時間 特性圖，選擇*適宜的機種、控制方式和管道的組成方式。 選用容量非常接近所需值的機種來節省能源。 * 對過大慣性能量采取的相應措施：通常對于大慣性能量要選用大型裝 置，但這也可以采用變更負載質量和形狀的方法來減小慣性能量，或 者是用降低擺動速度和設置外部緩沖裝置的方式使其可選用小型機 種。 * 縮小管道容積：這是通過縮小從控制器到裝置的管道內容積來節省能 量，即在保持管道直徑不變的條件下縮短長度。 低壓化 * 核對始動壓力：當用較低壓力的空氣可以動作時，就盡量選用始動壓 力較低的裝置。不過一般裝置在經長時間放置后，滑動部分密封件發 生粘附而需要較大的始動壓力。現在開發的新型擺動傳動裝置因使用 了特種密封件，即使經過長時間放置也只要很低的始動壓力，且泄漏 也很小。經試驗證明，放置12小時之后的始動壓力仍在0.2MPa以下， 效果不錯。 * 設置增壓器：通常設置增壓器之后可將原來0.4MPa的壓力提高到 0.7MPa，就可提供較高的始動壓力。 低速化 采用低速可減少*大耗氣量,所以應根據氣動傳動裝置所需的*慢速度來選擇機種。以達到節省能量的目的。 采用節省能源的回路 在這類氣動回路中有推力變換回路,在工作時它向回轉一邊供給使用壓力,向回轉的反方向供給較低壓力來減少耗氣量。 另一種是降低背壓的回路。這是在驅動傳動裝置時,預先用急速排氣閥排氣降低背壓。這樣只要供給較低壓力的空氣即可動作。 還有一種是利用背壓的回路。當裝置動作時要向大氣排放壓縮空氣(背壓),現在將這種壓縮空氣供給進氣口就可以減少用于提高空氣壓力所消耗的能量。 使電磁閥節省能量的方法 氣動系統節省能量是一個范圍很廣的課題,其中使電磁閥節省能量也是一個重要的環節。 實際上,關于電磁閥的小型化和節省能量的工作在很早以前就開始了。20世紀60年代,汽車行業中作為金屬密封直動滑閥的電磁閥功率30-40W。當時作為小型電磁閥的彈性體提動結構直動閥的功率為15W,質量為300g。70年代,電磁閥中的驅動元件大都使用繼電器,消耗功率降低到5W,質量降低到190g。其后,80年代又將功率降低到 1.5W,質量降低到57g。90年代則達到0.5W和15g。即使這樣,還可以對電磁閥采取節省能量的措施以爭取更佳經濟效益。 電磁閥線圈的節省電能 電磁閥線圈按照所需吸引力吸動銜鐵，以及在吸附后保持吸附狀態的過程中需要電力來產生磁場。在開始吸動時，由于可動銜鐵與固定銜鐵之間有較大的空氣隙，而需由瞬間的大電力產生磁場才能產生所需的吸引力。吸附后兩銜鐵之間的空氣隙幾乎接近于零，所以只需要吸動時1/2或1/3的電力即可保持吸附狀態。如果對線圈在吸動和保持時都施加相同的電力，那就造成浪費。現在用一個回路來減少保持銜鐵吸附狀態時對線圈所施加的電力，就可以節省電能。 該電路的基本原理是利用電容器C的充放電時間切換晶體管Tr1和Tr2，用時間來控制流入線圈的電流。在電磁閥開始工作，由線圈磁場吸動銜鐵時,Tr1控制流入線圈中的電流使功率達到3.2W。吸附后則由Tr2控制流入線圈中的電流使功率下降到1.1W。這樣就減少了電力的消耗。與此同時，由于減少了電力消耗而降低了向四處散發的熱量，提高了電磁閥及其附近部件的可靠性。 減少電磁閥切換時的壓縮空氣損失 在氣動系統中，電磁閥是作為控制氣缸等傳動裝置動作的方向閥使用。本來，傳動裝置的驅動源只要對它提供必要量的壓縮空氣即可，但實際上有一定量的壓縮空氣被浪費。這主要是由電磁閥主閥部份的結構造成的。 電磁閥主閥部份按結構分類有提動型、膜片型、滑閥型和滑動型。按密材料分類有彈性體密封件和金屬密封件。按電磁閥自身的操作方法分類有直接動作閥和間接動作閥等。上述各種類型都有各自的優缺點，現在使用量*多的是滑閥。滑閥有金屬閥柱和軟性閥柱兩種類型。它們泄漏的性能不一樣。 金屬閥柱的密封件因與金屬接觸，所以在閥柱與套管之間有間隙。一般狀態的漏氣量為100cm³/min 。而軟性閥柱因使用彈性體密封材料，所以電磁閥在通、斷狀態時的密封性能很好。但彈性體密封件也有缺點，即在電磁閥作切換動作時呈中性狀態，所以在每次動作時要空耗一定量的氣體。 現在主閥體的結構已有改進。在切換時，原來密封圈尚未失去密封作用前，另一只密封圈已經進入密封狀態，這樣在每次切換時就不再浪費氣體。本來這種無中性結構只在大型閥中使用，近幾年由于對實施小型化和大流量，所以中、小型閥也開始采用這種結構。 用增壓閥節省能量 除了以往所使用的各種氣動系統節省能量的方法之外，近來又開發了用增壓閥節省能量的方法。 結構和動作原理 增壓閥是由一對氣缸、活塞和單向閥構成泵的一部份。由活塞的往復動作來切換閥門，所以是一種由控制輸出壓力來調整閥門方式構成的容積型往復式活塞泵。 氣缸內側是增壓室。對交替地流入的空氣增壓之后再送出。氣缸外側是驅動室。它由與活塞行程聯動的動作切換閥門，對交替進入的空氣反復進行供氣和排氣。這樣，在空氣的出口處可以邊續地獲得由活塞往復運動進行增壓的空氣。增壓后的空氣壓力可以達到輸入時的2倍。往復動作則由力平衡自動停止。對輸出空氣壓力的控制是由負責反饋輸出壓力的增壓調整閥控制供給驅動室壓力來實現。當輸出壓力低于設定值時，調整閥打開，并按照與設定差距相適應的速度進行往復動作。當達到設定值時，調整閥關閉，切斷向驅動室供給壓力的通路，閥門自動停止運轉。 性能 一般增壓閥輸出的空氣壓力是輸入的2倍，但此壓力將隨輸出流量的加大而下降。為了在輸出流量增大時仍能保持原來的壓力，則需要提高往復動作的頻率，目的是要通過動作頻率保證使驅動室和通路的整個容積中充滿空氣。由于增長率壓閥也要消耗一定量的空氣，所以所供給的空氣應是使用量的1.2倍。 以下是一個使用實例：用10臺3，600kW 的空氣壓縮機供給鑄造、鍛造、機械加工、裝配和檢查的各生產線。原來已經實施低壓化的壓力為0.63MPa，現使用增壓閥后降低到0.57MPa。從而使空氣壓縮機的耗電量下降6%。 |
