恒壓式氣動(dòng)儲(chǔ)氣裝置設(shè)計(jì)與仿真分析

王 虎， 王志文， 童鄭人， 董 欣， 熊 偉

(大連海事大學(xué)船舶機(jī)電裝備研究所，遼寧大連 116026)

引言

近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、響應(yīng)快和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)技術(shù)在綠色、智能制造業(yè)和高端裝備業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和日益增長(zhǎng)的需求[1]。但相比于液壓和電氣系統(tǒng)，氣動(dòng)系統(tǒng)的低能效缺陷十分顯著，其能效僅有5%～17%[2-3]。氣動(dòng)技術(shù)使用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，空氣廉價(jià)，但是壓縮空氣卻是昂貴的能源載體，為生產(chǎn)壓縮空氣需要消耗大量的電能，其中50%～85%的電能都以熱能的形式浪費(fèi)[4]。在不同國(guó)家，壓縮空氣系統(tǒng)能耗約占其工業(yè)總耗電量的7%～15%[5-6]。生產(chǎn)壓縮空氣花費(fèi)的電能成本約占?jí)嚎s空氣系統(tǒng)全生命周期總成本的70%～80%；因此，氣動(dòng)節(jié)能研究意義重大。

目前，氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能已經(jīng)具備了一套較為完整的理論和技術(shù)體系，近年來(lái)也涌現(xiàn)了許多新的節(jié)能技術(shù)研究，如近等溫空氣壓縮技術(shù)[7-8]、FESTO數(shù)字控制終端[9]、膨脹能利用節(jié)能技術(shù)[10]、壓電俘能技術(shù)氣動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用[11]等。總體上，當(dāng)前對(duì)氣動(dòng)節(jié)能的研究往往是從元件或系統(tǒng)的角度出發(fā)的，而忽略了氣動(dòng)系統(tǒng)元件之間的相互作用效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)能效的影響。以氣動(dòng)系統(tǒng)常用的儲(chǔ)氣罐為例，從元件的角度看，儲(chǔ)氣罐本身不是耗能元件，但是從系統(tǒng)的角度出發(fā)，儲(chǔ)氣罐卻增加了氣動(dòng)系統(tǒng)其他元件的能耗。另一方面，氣動(dòng)系統(tǒng)中最高壓力區(qū)位于壓縮機(jī)和減壓閥之間，如果能夠在保證系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上降低壓縮機(jī)排氣壓力和儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)氣壓力，就能實(shí)現(xiàn)可觀的節(jié)能效果。但傳統(tǒng)的定容式儲(chǔ)氣罐主要起到儲(chǔ)氣、緩沖穩(wěn)壓和分離雜質(zhì)的作用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)氣側(cè)和用氣側(cè)的動(dòng)態(tài)平衡。

為了解決這些問題，設(shè)計(jì)了恒壓式氣動(dòng)儲(chǔ)氣裝置，其排出的氣體壓力始終保持與用氣側(cè)壓力相等，使氣動(dòng)系統(tǒng)中最高壓力區(qū)壓力大大降低，實(shí)現(xiàn)降壓節(jié)能。

1 恒壓式儲(chǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)原理

恒壓式氣動(dòng)儲(chǔ)氣裝置主要由三部分組成：恒壓儲(chǔ)氣單元、異形凸輪變換單元以及儲(chǔ)能單元，原理圖如圖1所示。恒壓儲(chǔ)氣單元無(wú)桿腔側(cè)有2個(gè)氣路通道口，一個(gè)氣路通道口接收來(lái)自空壓機(jī)的壓縮空氣，另一個(gè)氣路通道口用來(lái)向用氣回路輸出壓力恒定的壓縮氣體，壓縮空氣即是在此空間內(nèi)存儲(chǔ)，恒壓儲(chǔ)氣單元的有桿腔一側(cè)(活塞側(cè))與大氣相通。儲(chǔ)能單元無(wú)桿腔側(cè)的出氣口應(yīng)可被密封，密封前通入帶有一定壓力的壓縮氣體，有桿腔側(cè)(活塞側(cè))與大氣相通。儲(chǔ)能單元的作用是儲(chǔ)存能量并為恒壓儲(chǔ)氣單元提供抵抗力，內(nèi)部氣體壓力是隨著裝置充放氣過程而變化的。異形凸輪恒力變換單元是一種變形式的凸輪機(jī)構(gòu)，其外觀與傳統(tǒng)凸輪有較大差異，但二者作用原理相同。異形凸輪恒力變換單元的作用是連接恒壓儲(chǔ)氣單元與儲(chǔ)能單元。儲(chǔ)氣裝置充氣時(shí)，恒壓儲(chǔ)氣單元內(nèi)氣體體積增大，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，促使異形凸輪機(jī)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)儲(chǔ)能單元中的活塞向上運(yùn)動(dòng)，儲(chǔ)存能量，儲(chǔ)氣裝置排氣時(shí)，運(yùn)動(dòng)過程相反。儲(chǔ)氣裝置充放氣的過程中，通過異形凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，始終能夠找到合適的位置使得恒壓儲(chǔ)氣單元中活塞的推力保持恒定；恒壓儲(chǔ)氣單元中活塞的推力通過異形凸輪這一恒力變換單元將能量傳送到儲(chǔ)能單元中，通過異形凸輪變換單元的變換作用，恒壓儲(chǔ)氣單元中無(wú)桿腔側(cè)的壓力能夠始終保持穩(wěn)定[12]。

圖1 恒壓式氣動(dòng)儲(chǔ)氣裝置原理圖

2 數(shù)學(xué)建模

恒壓式儲(chǔ)氣裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為異形凸輪變換單元，其兩側(cè)的外輪廓曲線的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)裝置的恒壓效果起決定性作用。

如圖1所示，異形凸輪變換單元與活塞推桿的力傳遞是通過兩側(cè)的斜線輪廓完成的：儲(chǔ)能單元側(cè)的輪廓L1及恒壓儲(chǔ)氣單元側(cè)輪廓L2。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)出恒壓式氣動(dòng)儲(chǔ)氣裝置時(shí)，忽略摩擦效應(yīng)，恒壓儲(chǔ)氣單元儲(chǔ)存的能量等于儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存的能量，由能量守恒定律可得：

(1)

式中，popen—— 恒壓儲(chǔ)氣單元中的壓力，即恒壓值

pclose0—— 儲(chǔ)能單元在某一狀態(tài)時(shí)的壓力

A—— 活塞的橫截面積，恒壓儲(chǔ)氣單元的活塞面積與儲(chǔ)能單元的活塞面積相同

r1，r2—— 沿L1和L2的弧長(zhǎng)

能量方程的物理意義是沿外輪廓的第二曲線積分，且兩個(gè)外輪廓L1和L2是連續(xù)可微的曲線，能量方程式(1)可以寫為：

(2)

式中，θ—— 異形凸輪變換單元的轉(zhuǎn)角

k1—— 外輪廓L1在某點(diǎn)處的斜率

k2—— 外輪廓L2在某點(diǎn)處的斜率

R—— 異形凸輪變換單元的旋轉(zhuǎn)半徑

工作過程中，儲(chǔ)能單元中氣體狀態(tài)變化滿足多變方程式pvn=const，有：

(3)

式中，pclose0與pclose1分別表示不同時(shí)刻下氣體的壓力；vclose0與vclose1分別表示不同時(shí)刻下氣體的體積；n是多變指數(shù)。

由式(3)可得:

(4)

其中:

vclose1=vclose0-Ay2

(5)

式中，y2為外輪廓L2處的儲(chǔ)能單元活塞位移，表達(dá)式為：

y2=k2Rθ

(6)

聯(lián)立式(4)～式(6)并代入式(2)得：

(8)

式(8)即為異形凸輪變換單元恒壓儲(chǔ)氣單元側(cè)外輪廓L1的表達(dá)式，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可將輪廓線L2設(shè)為斜率固定的坡度線。

若式(8)中參數(shù)固定，就可以確定異形凸輪變換單元的輪廓，在不同的預(yù)充壓力下可以使給定的恒壓值變成新的穩(wěn)定的恒壓值。假設(shè)新的預(yù)充壓力為pclose2，那么新的能量方程可以表示為：

(9)

從式(9)中可以得到新的恒壓值popen1為：

(10)

忽略摩擦效應(yīng)，新的恒壓值popen1與新的預(yù)充壓力pclose2成正比；因此，一旦設(shè)計(jì)的輪廓線固定，可以通過改變預(yù)充氣壓大小來(lái)得到新的恒壓值。

3 恒壓儲(chǔ)氣系統(tǒng)仿真

3.1 系統(tǒng)建模

為了驗(yàn)證恒壓式氣動(dòng)儲(chǔ)氣裝置的恒壓特性與節(jié)能效果，將此裝置用于典型的氣動(dòng)系統(tǒng)中，在AMESim中搭建了仿真模型，并與使用了傳統(tǒng)定容式儲(chǔ)氣罐的氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行比較。

圖2是在AMESim平臺(tái)中搭建的使用定容式儲(chǔ)氣罐的氣動(dòng)系統(tǒng)模型，圖3是使用恒壓式儲(chǔ)氣裝置的氣動(dòng)系統(tǒng)模型，兩個(gè)系統(tǒng)除儲(chǔ)氣裝置不同外，其余元件均相同。

圖2 使用定容式儲(chǔ)氣罐的氣動(dòng)系統(tǒng)

取恒壓儲(chǔ)氣單元、儲(chǔ)能單元活塞直徑為500 mm，儲(chǔ)能單元預(yù)充壓力pclose0=0.42 MPa，異形凸輪變換單元的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為300 mm，多變指數(shù)n=1.4, 輪廓線L2斜率k2=0.5。根據(jù)負(fù)載的重量，設(shè)定執(zhí)行器氣缸的額定工作壓力為0.4 MPa，恒壓式儲(chǔ)氣裝置恒壓值為0.42 MPa(管路、閥件等輔助元件會(huì)造成一定的壓降，故將儲(chǔ)氣裝置壓力略高于用氣側(cè)壓力)。

圖3 使用恒壓式儲(chǔ)氣裝置的氣動(dòng)系統(tǒng)

3.2 仿真結(jié)果分析

通過分析恒壓式儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓力以及傳統(tǒng)定容式儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力變化，研究恒壓式儲(chǔ)氣裝置的恒壓特性以及降壓節(jié)能作用。

圖4為額定壓力pr=0.42 MPa下恒壓式儲(chǔ)氣裝置儲(chǔ)氣區(qū)內(nèi)氣體壓力隨工作時(shí)間的變化，圖5為執(zhí)行器氣缸帶動(dòng)負(fù)載位移曲線，雙位控制目標(biāo)是使得恒壓儲(chǔ)氣單元中活塞位移處于0～200 mm之間?？梢钥闯觯?/p>

圖4 恒壓儲(chǔ)氣單元儲(chǔ)氣區(qū)壓力變化

圖5 負(fù)載位移變化

儲(chǔ)氣區(qū)壓力保持在所設(shè)定的恒壓值0.42 MPa 附近，最大壓力值為0.421 MPa，最小壓力值為0.412 MPa，波動(dòng)率約為2%，穩(wěn)壓效果較好；隨著活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)和異形凸輪變換單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣體壓力在0.42 MPa 上下微小波動(dòng)，恒壓式儲(chǔ)氣裝置向用氣回路輸出的恒壓壓縮空氣能夠使氣動(dòng)執(zhí)行器氣缸良好地工作，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)氣側(cè)和用氣側(cè)的動(dòng)態(tài)平衡。

為了更好地體現(xiàn)所設(shè)計(jì)的恒壓式儲(chǔ)氣裝置的降壓節(jié)能效果，結(jié)合簡(jiǎn)單的雙位控制方法，使定容式儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力在0.42～0.7 MPa之間波動(dòng)，系統(tǒng)工作300 s，在完成相同工作量情況下，比較2個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)中壓縮機(jī)的耗電量。圖6和圖7分別表示采用不同儲(chǔ)氣裝置時(shí)壓縮空氣壓力隨時(shí)間的變化，以及壓縮機(jī)功率隨時(shí)間的變化。

圖6 pr=0.4 MPa時(shí)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓力變化

圖7 pr=0.4 MPa時(shí)壓縮機(jī)功率

圖8為額定壓力為4 MPa下采用不同儲(chǔ)氣裝置時(shí)壓縮機(jī)的總耗電量。其中，使用恒壓式儲(chǔ)氣裝置的氣動(dòng)系統(tǒng)壓縮機(jī)總耗電量為0.03131 kW·h；使用定容式儲(chǔ)氣罐的氣動(dòng)系統(tǒng)壓縮機(jī)總耗電量為0.03739 kW·h，節(jié)能率約為16.3%，并且隨著系統(tǒng)工作時(shí)間的增加，節(jié)能效果將進(jìn)一步提高，降壓節(jié)能效果顯著。

除系統(tǒng)工作時(shí)間可影響節(jié)能效果之外，通過仿真還發(fā)現(xiàn)在不同的額定壓力下，節(jié)能效果也不同。圖9是系統(tǒng)額定壓力為0.5 MPa時(shí)的壓縮機(jī)總耗電量對(duì)比圖，使用恒壓式儲(chǔ)氣裝置的氣動(dòng)系統(tǒng)壓縮機(jī)總耗電量為0.03381 kW·h；使用定容式儲(chǔ)氣罐的氣動(dòng)系統(tǒng)壓縮機(jī)總耗電量為0.04160 kW·h，經(jīng)計(jì)算可得，節(jié)能率約為18.7%，與系統(tǒng)額定壓力為0.4 MPa時(shí)相比，節(jié)能率得到了提高。隨著系統(tǒng)額定工作壓力的增大，恒壓式儲(chǔ)氣裝置的節(jié)能效果也將更加顯著。

圖8 pr=0.4 MPa時(shí)壓縮機(jī)總耗電量

圖9 pr=0.5 MPa時(shí)壓縮機(jī)總耗電量

系統(tǒng)節(jié)能效果的影響因素是多樣的，節(jié)能率的大小還與負(fù)載的行程長(zhǎng)短及負(fù)載的運(yùn)動(dòng)頻率有關(guān)系。負(fù)載的行程越長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)頻率越高，恒壓式儲(chǔ)氣裝置的節(jié)能效果越顯著?？偠灾?，當(dāng)氣動(dòng)系統(tǒng)的用氣量增加或用氣量加快或者用氣壓力升高時(shí)，恒壓式儲(chǔ)氣裝置的節(jié)能效果就越明顯。

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用AMESim建模仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)的新型儲(chǔ)氣裝置進(jìn)行了建模仿真，結(jié)果表明，恒壓式氣動(dòng)儲(chǔ)氣裝置具有良好的恒壓輸出壓縮空氣特性，與傳統(tǒng)儲(chǔ)氣罐相比，節(jié)能效果顯著，為氣動(dòng)系統(tǒng)降壓節(jié)能提供了一種新思路。后續(xù)工作將以本仿真模型為基礎(chǔ)，加入摩擦模型、傳熱模型進(jìn)行深入優(yōu)化分析，并搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化。