氣動執(zhí)行器與電動執(zhí)行器的運(yùn)行能耗分析

張業(yè)明 蔡茂林

(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

氣動執(zhí)行器與電動執(zhí)行器的運(yùn)行能耗分析

張業(yè)明 蔡茂林

(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京 100191)

分析了氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器能量消耗過程,建立了氣動執(zhí)行器運(yùn)行能耗計算模型,搭建了氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得出兩種執(zhí)行器運(yùn)行能耗的結(jié)論:①在長時間保持負(fù)載或作動不頻繁的工況下,氣動執(zhí)行器比電動執(zhí)行器更節(jié)能,在頻繁作動的工況下,電動執(zhí)行器比氣動執(zhí)行器更節(jié)能;②在各種工況下,氣動執(zhí)行器的運(yùn)行功率波動不大,電動執(zhí)行器的運(yùn)行功率波動較大.

氣動執(zhí)行器;電動執(zhí)行器;運(yùn)行能耗;比能量

氣缸驅(qū)動系統(tǒng)自 20世紀(jì) 70年代以來就在工業(yè)化領(lǐng)域得到了迅速普及.氣缸適用于作往復(fù)直線運(yùn)動,尤其適用于工件直線搬運(yùn)的場合.現(xiàn)在,氣缸已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中 PTP(Point to Point)搬運(yùn)的主流執(zhí)行器[1].20世紀(jì) 90年代開始,電機(jī)和微電子控制技術(shù)迅速發(fā)展,使電動執(zhí)行器的應(yīng)用迅速擴(kuò)大.然而,到現(xiàn)在來看,電動執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場并未得到普及,而近幾年,在中國氣缸銷量的年增長速度一直維持 20%以上[2].

電動執(zhí)行器主要用于旋轉(zhuǎn)和擺動工況,用于直線工況的電動執(zhí)行器逐漸增多.電動執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)高精度多點(diǎn)定位,氣動執(zhí)行器很難做到[3].

在氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的選擇上,特別是在工業(yè)自動化需求最多的 PTP輸送場合,一直沒有充足的數(shù)據(jù)來論述兩者選擇標(biāo)準(zhǔn).本文從運(yùn)行能耗的角度探討兩種執(zhí)行器的能量消耗問題.

1 兩種執(zhí)行器能量消耗

1.1 氣動執(zhí)行器的能量消耗

氣動執(zhí)行器的能量轉(zhuǎn)換和空氣狀態(tài)變化如圖 1[4].氣動執(zhí)行器運(yùn)行消耗的是壓縮空氣.壓縮空氣輸送過程中,經(jīng)過節(jié)流閥、管道彎頭等阻性元件后,會有一定的壓力損失.另外由于工廠普遍存在接頭、氣缸或電磁閥處的空氣泄露.盡管安裝時的泄漏量標(biāo)準(zhǔn)低于 5%,但很多工廠的泄漏量高達(dá) 10%～40%[5].泄露也將導(dǎo)致一定的壓力損失[6].

圖1 氣動執(zhí)行器能量轉(zhuǎn)換及空氣狀態(tài)變化

1.2 電動執(zhí)行器的能量消耗

電動執(zhí)行器運(yùn)行消耗的是電力.它通過電動機(jī)(伺服電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等)驅(qū)動滑動絲杠或滾珠絲杠旋轉(zhuǎn),帶動絲杠上的螺母轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動,并推動滑臺沿導(dǎo)軌做旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動[7].

電動執(zhí)行器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示.由控制器發(fā)出運(yùn)動指令給電動執(zhí)行器,實(shí)現(xiàn)既定運(yùn)動.

圖2 電動執(zhí)行器的系統(tǒng)構(gòu)成

2 運(yùn)行能耗評價標(biāo)準(zhǔn)

氣動執(zhí)行器消耗的是壓縮空氣,需要將消耗壓縮空氣轉(zhuǎn)化為壓縮機(jī)的耗電.而電動執(zhí)行器可采用直接測量得到耗電量[8],因此可將兩種執(zhí)行器在相同工況下的耗電量作為能耗評價依據(jù).

2.1 氣動執(zhí)行器空氣消耗量的測量

在氣動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,采用先儲氣后供氣的方式:先啟動壓縮機(jī)向儲氣罐中充氣,待壓縮空氣達(dá)到一定壓力后停止壓縮機(jī),由儲氣罐對外供氣.

氣動執(zhí)行器的空氣消耗量測量流程:①打開截止閥,向儲氣罐中充滿 0.75MPa的壓縮空氣;②關(guān)閉截止閥,讀取儲氣罐的壓力,檢查是否壓力下降,以防空氣泄露;③設(shè)定減壓閥的壓力為0.5MPa,氣動執(zhí)行器往復(fù)動作 20次;④讀取儲氣罐的最終壓力,結(jié)束測量.

系統(tǒng)中壓縮空氣消耗是一個固定容腔充放氣的過程,可利用差壓法來計算壓縮空氣的消耗量.

將理想氣體狀態(tài)方程兩邊取微分得

式中,p為壓力(Pa);V為氣罐和管路的所有容積(m3);m為壓縮空氣的質(zhì)量(kg);T為室溫(K);R為氣體常數(shù),對空氣 R=287N·m/(kg·K).

式中,Qm為質(zhì)量流量(kg/s);Q為體積流量(m3/s);ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的密度.

聯(lián)立式(1)～式(3)得流量計算公式:

對式(4)積分得

式中,V′為氣動執(zhí)行器的空氣消耗量(m3);p1為氣罐的初始壓力(Pa);p2為氣罐的最終壓力(Pa).氣動執(zhí)行器單次往復(fù)的空氣消耗量平均值可通過 V′除以作動次數(shù) n計算出來.

2.2 氣動執(zhí)行器的運(yùn)行能耗計算模型

設(shè)空壓機(jī)組(含冷干機(jī))的實(shí)際運(yùn)行功率為Pc(W),空壓機(jī)組的輸出流量為 Qc(m3/s),則空壓機(jī)組的比能量為

則氣動執(zhí)行器每次往復(fù)作動耗氣折算成壓縮機(jī)的能耗 W和平均消耗功率 P為

式中,β為空氣泄漏率;f為執(zhí)行器往復(fù)作動頻率.

2.3 運(yùn)行能耗評價標(biāo)準(zhǔn)

1)以兩種執(zhí)行器在相同工況下工作時的耗電量作為評價基準(zhǔn);

2)承載能力要求相同或相近;

3)水平方向搬運(yùn)工件時,在相同頻率下測量搬運(yùn)相同的工件移動相同位移、末端位置保持相同時間往復(fù)一次的能耗;

4)垂直方向搬運(yùn)工件時,由于工件借助自身重力的影響會向下運(yùn)動,在相同頻率下測量向上提升相同工件、移動相同位移、末端位置保持一定時間、向下放回工件的能耗.

3 運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)

3.1 氣動執(zhí)行器

氣動執(zhí)行器運(yùn)行能耗的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 3.

1)實(shí)驗(yàn)條件.壓縮機(jī)采用型號為 Kobelion-AG370AH的神鋼壓縮機(jī).軸功率 22.5 kW,額定排氣量 3.2m3/min;儲氣罐為 SMC的兩個 10L氣罐;電磁閥選用 SMC的 SY5120;壓力傳感器采用日本長野計器的 KH 15-824;可編程控制器選用OMRON的 CPM 2A;室溫為 30℃.

圖3 氣動執(zhí)行器運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2)負(fù)荷以及作動條件.氣動執(zhí)行器的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有水平搬運(yùn)和垂直搬運(yùn).其負(fù)載和作動條件如表 1～表 3所示.

表 1 氣動執(zhí)行器的試樣與負(fù)荷

表 2 氣動執(zhí)行器水平作動條件

表 3 氣動執(zhí)行器垂直作動條件

3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).V′-f曲線如圖 4.從圖中可以看出,V′幾乎不依賴于 f,近似成直線狀.但有時有大的傾斜,這是因?yàn)?f過高,未到達(dá)執(zhí)行器末端就返回,造成 V′減少的緣故.

4)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.以氣動執(zhí)行器 B為例,在水平方向 f為 15次/min時 B往復(fù)作動一次 V′為2.195 7 dm3.由理性氣體狀態(tài)方程得

圖4 氣動執(zhí)行器 V′-f曲線

通過計算,氣動執(zhí)行器 B在 P1=0.6013MPa時的空氣消耗量為 0.377 6 dm3,其中往復(fù)容積0.2944dm3,管路容積為 0.05024 dm3,電磁閥容積 0.004609dm3,死區(qū)容積為 0.02840dm3.

5)氣動執(zhí)行器的能量消耗.利用(6)式得

當(dāng) β取 5%,f為 15次/min,利用式(7)、式(8)得氣動執(zhí)行器每一次往復(fù)平均能耗和平均消耗功率為

3.2 電動執(zhí)行器

電動執(zhí)行器運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 5所示.

圖5 電動執(zhí)行器運(yùn)行能耗實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1)實(shí)驗(yàn)條件.PC主機(jī)采用 IBM的 Thinkpad;A/D板卡采用 Interface株式會社 GSI-320416;電力測量采用日置電機(jī)株式會社的 3168型電力計.

2)測定方法.利用電力計測量電動執(zhí)行器和控制器在工作時每秒鐘的功率.測量結(jié)果通過A/D板卡傳送到 PC并保存起來,利用積分的方法,將工作時間內(nèi)的功率曲線進(jìn)行積分就得到電動執(zhí)行器工作這段時間所消耗的電量.

3)負(fù)荷與作動條件.電動執(zhí)行器的負(fù)荷和作動條件如表 4～表 6.

表 4 電動執(zhí)行器和氣動執(zhí)行器對照表

表 5 電動執(zhí)行器水平方向負(fù)載和作動條件

表 6 電動執(zhí)行器垂直方向負(fù)載和作動條件

4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).電動執(zhí)行器 B水平和垂直的功率曲線如圖 6.

圖6 電動執(zhí)行器 Bh和 Bv功率曲線

電動執(zhí)行器水平或垂直方向作動過程包含作動階段和保持階段(或待機(jī)階段).電動執(zhí)行器在作動階段,P成尖峰脈沖狀態(tài);在保持階段存在一定的消耗.例如圖 6a中,在水平作動時,保持階段消耗的功率為 10W左右.

數(shù)據(jù)傳送到 PC機(jī)后,通過數(shù)值積分方法就可以得到電動執(zhí)行器每次往復(fù)能耗,如圖 7所示.

圖7 電動執(zhí)行器W-f曲線

4 兩種執(zhí)行器的運(yùn)行能耗分析

通過計算就可以得出兩種執(zhí)行器每次往復(fù)的能耗對比曲線,如圖 8、圖 9所示.

圖8 氣動和電動執(zhí)行器水平方向作動時W曲線

圖9 氣動和電動執(zhí)行器垂直方向作動時W曲線

從圖 8、圖 9中可以看出,在水平和垂直方向,氣動執(zhí)行器搬運(yùn)工件時,W幾乎不依賴于 f,各測試點(diǎn)的連線接近水平直線.由于它的能耗只與 V′有關(guān),它在待機(jī)或保持壓力時除少許泄露外沒有消耗,每次消耗量近似相等,因此,氣動執(zhí)行器每次往復(fù)能耗在各種頻率下近似相等.

電動執(zhí)行器在水平和垂直方向 W受f影響很大,各測試點(diǎn)的連線成傾斜向下曲線.隨著 f的增加,W減少.從圖 6可知,電動執(zhí)行器在待機(jī)狀態(tài)也有消耗,f越高,待機(jī)能耗越少,電動執(zhí)行器的效率就越高.

5 結(jié) 論

通過對兩種執(zhí)行器的能耗分析,得出結(jié)論:①氣動執(zhí)行器每一次往復(fù)的能耗與作動頻率幾乎無關(guān),而電動執(zhí)行器由于其內(nèi)部的電機(jī)性質(zhì),每一次往復(fù)的能耗與作動頻率成反比;②氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的能耗與工況有關(guān).作動頻率要求越高,采用電動執(zhí)行器更節(jié)能,反之,氣動執(zhí)行器更節(jié)能;③氣動執(zhí)行器更適合于長時間保持負(fù)載的場合,電動執(zhí)行器更適合于頻繁作動的場合.

References)

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(編 輯:劉登敏)

Energy consumption analysis for pneumatic actuator and electric actuator

Zhang Yeming CaiMaolin

(School of Automation Science and Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

The energy consumption processes of pneumatic actuator and electrical actuator were analyzed.A calculation model of the energy consumption for pneumatic actuators was proposed.And two sets of actuators experimental system for pneumatic actuator and electrical actuator were built up.The large quantities of the experimental data were

from the energy consumption experiments of two types of actuator.The main results were gained through the analysis experimental data:①The pneumatic actuator is more energy-efficient than the electrical actuator on the condition of maintaining the load for a long time or the condition of unfrequent actuation.However,the electrical actuator is more energy-efficient than the pneumatic actuator on the condition of frequent actuation.②In a variety of operating conditions,the running power of the pneumatic actuator fluctuates slightly and the running power of the electric actuator has a great fluctuation.

pneumatic actuator;electrical actuator;operating energy consumption;ratio energy

TH 138;TP 271.4

A

1001-5965(2010)05-0560-04

2009-04-03

張業(yè)明(1979-),男,山東肥城人,博士生,tazhangyeming@gmail.com.