氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能方法研究進(jìn)展綜述

姜忠愛(ài)， 于贏水， 熊 偉， 蘇迅釗， 杜明澤

(1.大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧大連 116023；2.大連海事大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 遼寧大連 116022)

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展進(jìn)程加快，對(duì)能源的需求和消耗也逐漸增大。目前中國(guó)已經(jīng)超過(guò)美國(guó)成為世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)，能源消耗量占全球的20.3%。完成節(jié)能減排目標(biāo)，降低單位GDP能耗，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，對(duì)維護(hù)地球家園，促進(jìn)人類可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。氣動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，根據(jù)各國(guó)對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用程度的不同，氣動(dòng)系統(tǒng)耗電占其總工業(yè)用電的7%～20%，然而其效率通常僅為5%～17%，較液壓系統(tǒng)和電力系統(tǒng)還有很大的提升空間[1-2]。近些年，提高氣動(dòng)系統(tǒng)效率、節(jié)約能源消耗問(wèn)題逐漸引起學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。

相關(guān)研究表明，壓縮空氣行業(yè)的節(jié)能潛力巨大，可以節(jié)省40%～75%的當(dāng)前消耗量[3]。氣動(dòng)系統(tǒng)中能量損失主要包括壓縮機(jī)的絕熱壓縮損失、沿程壓力損失、管路泄漏、空氣殘余導(dǎo)致的體積效率損失及回程有壓空氣排放等。因此，氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能從提高壓縮機(jī)效率方面入手，兼顧管道配置、分壓供氣及殘余能量再利用等方面，進(jìn)行了大量的研究并取得一系列研究成果。SMC的氣動(dòng)節(jié)能方案為日本一些企業(yè)削減耗能60%；我國(guó)多名學(xué)者及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)企業(yè)氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能達(dá)到30%[4]。本研究將從制氣、輸送和使用等多個(gè)方面，闡述氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能的方法和研究成果，分析各種節(jié)能方法研究的特點(diǎn)，并提出氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的研究重心和發(fā)展方向。

1 壓縮空氣制備過(guò)程的節(jié)能方法

1.1 選用高效率的空壓機(jī)

空壓機(jī)是整個(gè)壓縮空氣系統(tǒng)的心臟，對(duì)系統(tǒng)能耗有重要影響。以電機(jī)功率占總功耗的90%為前提，螺桿式壓縮機(jī)的總氣動(dòng)功率效率約為45.4%～57.2%，高于活塞式、葉片式壓縮機(jī)[5]。目前節(jié)能效果較好的永磁同步雙主機(jī)雙電機(jī)二級(jí)壓縮空壓機(jī)，等熵效率可達(dá)86%以上，相比直聯(lián)傳動(dòng)的工頻機(jī)可節(jié)省30%～60%能耗。此外，供給空壓機(jī)清潔干燥的高品質(zhì)空氣，也能夠提高空壓機(jī)的工作效率，研究表明，空壓機(jī)吸氣溫度每增加3 ℃，壓縮機(jī)功耗將增加約1%。因此應(yīng)盡量將空壓機(jī)進(jìn)氣口置于室外溫度較低且干燥的區(qū)域[6]。除此之外，還要保障空氣輸入輸出暢通，過(guò)濾器堵塞將造成壓縮空氣壓力損失；干燥器效率下降，同樣會(huì)增加系統(tǒng)能耗。因此，空壓機(jī)后處理設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)和及時(shí)維護(hù)也是系統(tǒng)高效工作的保證。

1.2 空壓機(jī)集群控制

空壓機(jī)變頻控制和實(shí)時(shí)工作臺(tái)數(shù)控制可有效降低制氣能耗，通常采用變速控制、串級(jí)主控、壓力帶控制和智能控制等[7-9]。例如根據(jù)用氣系統(tǒng)瞬時(shí)耗氣量的變化改變空壓機(jī)滿載運(yùn)轉(zhuǎn)的臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)供需之間的實(shí)時(shí)平衡，可以有效減少空壓機(jī)耗電。蔡茂林等[2]基于流量供給氣動(dòng)節(jié)能理論設(shè)計(jì)的智能控制器系統(tǒng)，節(jié)能效果可達(dá)30%～40%； AMOL S[10]研發(fā)了基于PLC控制器的空壓機(jī)集群控制系統(tǒng)，用于解決氣動(dòng)系統(tǒng)壓力脈動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)還可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。JOLANTA J等[11]研發(fā)的APC系統(tǒng)，可根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析執(zhí)行件分析氣壓需求情況，調(diào)節(jié)空壓機(jī)在20%～100%的額定功率之間工作，節(jié)約電力消耗。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)減少7.4%的空壓機(jī)能耗基礎(chǔ)上還可減少5%～10%的設(shè)備磨損，綜合成本降低15%。另外，Ingersoll-Rand，KAESER，HITACHI等公司均研發(fā)了空壓機(jī)集群控制系統(tǒng)。

1.3 空壓機(jī)余熱利用

提高氣動(dòng)系統(tǒng)效率的另一研究方向?yàn)榭諌簷C(jī)余熱回收利用。在空壓機(jī)日常運(yùn)行過(guò)程中，消耗電能的很大部分都被轉(zhuǎn)化成熱的形式散失掉了?？諌簷C(jī)工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量除輻射到環(huán)境和儲(chǔ)存于壓縮空氣自身外，剩余50%～90%可被回收利用。余熱能回收的形式一般是通過(guò)換熱器等設(shè)備將產(chǎn)生的熱量用于加熱空氣或水，典型的應(yīng)用包括輔助采暖、鍋爐補(bǔ)水預(yù)熱等。例如Atlas Copco公司開(kāi)發(fā)了空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)，通過(guò)回收空壓機(jī)散熱能制備85～90 ℃的熱水[12]；SRIKHIRIN P[13]研究了吸收式制冷循環(huán)轉(zhuǎn)換技術(shù)，將空壓機(jī)低溫余熱作為熱源驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)，并通過(guò)熱泵技術(shù)提高熱能品位加以回收利用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在空壓機(jī)余熱利用方面也開(kāi)展了深入研究，呂國(guó)錄等[14]以噴油螺桿式空壓機(jī)為研究對(duì)象，采用油路系統(tǒng)余熱回收為主、氣路系統(tǒng)余熱回收為輔的方式進(jìn)行水冷式余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)如圖1所示。張慶營(yíng)等[15]研究將空壓機(jī)余熱應(yīng)用到中央空調(diào)換熱系統(tǒng)中，滿足了辦公區(qū)冬季采暖需求，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。戴雨辰等[16]設(shè)計(jì)了一套余熱綜合利用方案，利用壓縮空氣廢熱驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散吸收式制冷系統(tǒng)來(lái)干燥壓縮空氣，并通過(guò)二次回收廢熱來(lái)生產(chǎn)熱水。青島北船重工利用空壓機(jī)冷卻水余熱取代鍋爐供熱，實(shí)現(xiàn)了職工采暖及生活用熱，該系統(tǒng)投資回收期約為3～4年，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[17]。在此研究領(lǐng)域，肖永偉、岑曦等[18-20]都在理論及實(shí)踐方面展開(kāi)研究，取得了良好的節(jié)能效果。

圖1 空壓機(jī)余熱回收系統(tǒng)圖Fig.1 Waste heat recovery system of marine air compressor

2 壓縮空氣輸送環(huán)節(jié)的節(jié)能方法

2.1 分壓供氣技術(shù)

壓縮機(jī)的能耗與輸出壓力有很大關(guān)系，研究表明，供氣壓力每增加0.1 MPa，空壓機(jī)能耗將增加5%～10%，同時(shí)系統(tǒng)耗氣量將增加14%[21-22]。在目前的實(shí)際應(yīng)用中，很多空壓機(jī)的供氣壓力都設(shè)定為系統(tǒng)需要的最高壓力，通過(guò)減壓處理后向低壓用氣設(shè)備供氣，造成巨大的能量損失。根據(jù)式(1)氣動(dòng)功率計(jì)算方法，結(jié)合式(2)節(jié)流效率計(jì)算方法，將氣源壓力為6.3 MPa的壓縮空氣降至0.5 MPa使用，節(jié)流效率約為38.8%，其節(jié)流損失能量大約是使用能量的1.6倍，實(shí)際應(yīng)用中的能量損失比該計(jì)算值還要大[23]。

(1)

式中，P—— 氣動(dòng)功率

p1—— 壓縮空氣的絕對(duì)壓力

p0—— 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力

Q1,Q0—— 壓縮狀態(tài)下和換算到標(biāo)況下的氣體體積流量

(2)

式中，η—— 節(jié)流效率

Ed,Eu—— 對(duì)應(yīng)節(jié)流口上游和下游的氣體能量

Pd,Pu—— 對(duì)應(yīng)節(jié)流口上游和下游的氣動(dòng)功率

另外，供氣壓力過(guò)高還會(huì)增加輸氣管路的泄漏量，加劇系統(tǒng)耗能，可見(jiàn)降低系統(tǒng)壓力是實(shí)現(xiàn)壓縮空氣系統(tǒng)耗能的另一有效措施。因此，在滿足用氣需求的前提下，應(yīng)盡可能降低空壓機(jī)的供氣壓力，對(duì)局部有較高壓力需求的場(chǎng)合采用增壓器增壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分壓供氣。

在局部增加技術(shù)研究方面，樊陽(yáng)等[24]提出了一種能量回收增壓調(diào)節(jié)器(VBA-R)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該研究引入氣動(dòng)功率的概念對(duì)其能量效率進(jìn)行了評(píng)估，研究結(jié)果表明，隨著供給壓力和流量消耗的增加，能效呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；當(dāng)回收腔直徑與增壓腔直徑比值接近1.3時(shí)，增壓器的效率最高。與傳統(tǒng)的VBA增壓調(diào)節(jié)器相比，VBA-R可實(shí)現(xiàn)增壓比提高15%～25%，效率提高5%～10%。

1.驅(qū)動(dòng)腔A 2.活塞 3.增壓強(qiáng) A 4.氣源 5.回收腔A6.回收腔B 7.單向閥 8.增壓腔B 9.活塞桿 10.驅(qū)動(dòng)腔B11.電磁開(kāi)關(guān) 12.磁性環(huán) 13.二位七通電磁閥 14.調(diào)節(jié)器 15.動(dòng)力源圖2 帶能量回收的增壓器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of booster regulator with energy recovery

王海濤等[25]基于傳統(tǒng)增壓泵的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了新型閥芯，實(shí)現(xiàn)了單行程供氣，從而節(jié)省了吸氣行程驅(qū)動(dòng)氣體的消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)約系統(tǒng)耗氣30%。石巖等[26]均在氣動(dòng)系統(tǒng)局部增壓技術(shù)方面開(kāi)展了相關(guān)研究，取得了顯著的節(jié)能效果。

2.2 減少管道壓力損失和泄漏

根據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)功率的評(píng)估和測(cè)量方法，壓縮空氣從氣罐中到執(zhí)行件應(yīng)用的過(guò)程中，預(yù)處理階段的效率約為85%～90%，后冷卻器、干燥器和過(guò)濾器的效率分別約為99%，90%～96%和95%，輸送和消耗過(guò)程中的效率約為70%～85%[5]，可見(jiàn)氣動(dòng)系統(tǒng)輸送過(guò)程的效率是較低的。產(chǎn)生損失的主要原因包括：輸氣管路沒(méi)有高低壓之分；輸氣壓力脈動(dòng)頻繁； 過(guò)多的彎頭、彎管； 管路損壞造成了空氣泄漏。因此提高壓縮空氣輸送環(huán)節(jié)的效率，減少浪費(fèi)也可提高氣動(dòng)系統(tǒng)效率。

研究表明，壓縮空氣在管路流動(dòng)過(guò)程中的壓力損失與管路直徑的五次冪成反比，與管路的長(zhǎng)度成正比。在各類應(yīng)用場(chǎng)合中，大型復(fù)雜氣動(dòng)管網(wǎng)供氣過(guò)程存在大量沿程損失，因壓縮空氣傳輸調(diào)度不合理造成的能量損失占?xì)鈩?dòng)系統(tǒng)能耗的15%左右[27]。為減少沿程損失，首先應(yīng)該合理布局管路系統(tǒng)，壓縮空氣從空壓機(jī)輸出到用氣設(shè)備的壓力損失不應(yīng)超過(guò)空壓機(jī)排氣壓力的10%。GAI Y等[28-29]根據(jù)氣動(dòng)管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的供需特點(diǎn)，研究提出了一種智能氣動(dòng)管網(wǎng)的節(jié)能供應(yīng)策略，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了該節(jié)能供應(yīng)策略的有效性。同時(shí)，在氣動(dòng)管路末端，要盡量縮短閥與缸連接管路，例如換向閥應(yīng)該盡可能安裝在氣缸附近，有利于減少沿程損失。

管路泄漏也是造成氣動(dòng)系統(tǒng)能源浪費(fèi)的一個(gè)重要因素, 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中壓縮空氣的泄漏量通常占供氣量的10%～30%，管理不善的情況下甚至可能更高。高壓氣管上1個(gè)直徑1 mm的小孔每年損失高達(dá)約3200 kW·h，而這樣的泄漏小孔在實(shí)際的氣動(dòng)系統(tǒng)中多達(dá)成百上千。泄漏的原因通常歸咎于設(shè)備使用中的零部件老化或破損，因此定期檢查輸氣管道接頭的密封情況和檢測(cè)未知的泄漏小孔非常重要。相應(yīng)的泄漏點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)也逐步成為氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。

3 壓縮空氣使用過(guò)程中的節(jié)能方法

3.1 排氣能再利用

典型氣動(dòng)系統(tǒng)在回程時(shí)將氣缸中的壓縮空氣直接排向大氣，造成飽含大量氣體壓縮能的空氣白白浪費(fèi)，因此，對(duì)氣缸排氣腔的壓縮空氣回收再利用可提高系統(tǒng)效率。

表1為目前對(duì)排氣腔壓縮空氣進(jìn)行回收的主要方式及特點(diǎn)。

表1 常見(jiàn)排氣回收方式及特點(diǎn)Tab.1 Commonly used exhaust recovery methods and characteristics

其中，通過(guò)氣罐回收后再利用的方法出現(xiàn)較早，應(yīng)用較為廣泛，主要是將排氣腔的壓縮空氣存儲(chǔ)并作為低壓執(zhí)行元件的氣源，例如用作驅(qū)動(dòng)氣缸回程等。研究表明，氣缸排氣能回收再利用可以節(jié)約40%以上的壓縮空氣，最高節(jié)約耗氣量將近50%。鄭配玉等均在此方面有深入的研究[30]。LI T C等[31]研究了帶增壓處理的排氣回收回路，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，將排氣腔中的壓縮空氣通過(guò)單向節(jié)流閥和二位四通閥輸入氣罐，經(jīng)過(guò)增壓處理后重復(fù)利用。

圖3 帶有增壓器的排氣回收節(jié)能回路Fig.3 Exhaust recovery energy-saving circuit with booster

日本學(xué)者小根山尚武[32]研究在氣缸排氣回路中增加真空產(chǎn)生組件，利用氣缸排氣流經(jīng)噴嘴和擴(kuò)散管轉(zhuǎn)化為真空能量?jī)?chǔ)存在氣罐中。在國(guó)內(nèi)，遲英姿[33]也開(kāi)展了相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)了將排氣過(guò)程中具有的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)壓能回收再利用。另外，南京理工大學(xué)SMC氣動(dòng)技術(shù)中心利用排氣能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)置發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了排氣能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存在蓄電池中[34]。

以上排氣能回收方法需要在氣動(dòng)系統(tǒng)中額外配備適當(dāng)大小的氣罐和必要的組件，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，而且儲(chǔ)蓄在氣罐中的能量一般較少，驅(qū)動(dòng)能力稍弱，一定程度上影響了氣動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。近些年，出現(xiàn)了將排氣腔中壓縮空氣能量直接利用的方法，如YANG A等[35-36]使用1個(gè)開(kāi)關(guān)閥將氣缸的排氣腔與進(jìn)氣腔連通，將排氣腔中的部分壓縮空氣輸送到進(jìn)氣腔中，節(jié)約了進(jìn)氣腔空氣消耗量，實(shí)驗(yàn)表明可節(jié)約10.9%～29.5%的壓縮空氣。DOLL M[37]提出在由4個(gè)開(kāi)關(guān)閥構(gòu)成的橋式回路中增加1個(gè)開(kāi)關(guān)閥將氣缸的進(jìn)氣腔和排氣腔連通，通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)閥通斷時(shí)序，將排氣腔中的部分氣體引入進(jìn)氣腔進(jìn)行回收再利用，達(dá)到節(jié)能的目的。此外，徐池[38]將氣缸進(jìn)氣腔和排氣腔通過(guò)換向閥分別與小型空壓機(jī)的進(jìn)排氣端連接，如圖4所示，可以實(shí)現(xiàn)將排出的氣體經(jīng)過(guò)增壓后直接利用，通過(guò)控制空壓機(jī)轉(zhuǎn)速還可以調(diào)節(jié)進(jìn)排氣流量，實(shí)現(xiàn)活塞的速度變化，實(shí)驗(yàn)表明該方法可節(jié)約74%的壓縮空氣。

圖4 排氣回收利用回路Fig.4 Exhaust air recovery circuit

直接回收利用法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占據(jù)空間小、節(jié)約耗氣比例高，較排氣能回收存儲(chǔ)再利用方法有明顯的優(yōu)勢(shì)，是目前氣動(dòng)節(jié)能研究的一個(gè)重要方向。

3.2 進(jìn)排氣獨(dú)立控制策略節(jié)能方法

近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)優(yōu)化供排氣方案，實(shí)現(xiàn)充分利用壓縮空氣膨脹能做功提升氣動(dòng)系統(tǒng)效率。如PAUL H等[39]采用2個(gè)三位四通電磁閥控制氣缸進(jìn)排氣，其回路如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣獨(dú)立控制。通過(guò)遺傳算法對(duì)電磁閥的通斷時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化求解，較傳統(tǒng)進(jìn)排氣方式可節(jié)約29%的壓縮空氣。另外，通過(guò)在排氣回路中加入減壓閥構(gòu)成雙壓力供氣節(jié)能回路，在氣缸水平工況下可節(jié)約25%的壓縮空氣，豎直安裝時(shí)可節(jié)約75%的壓縮空氣[40]。

圖5 采用2個(gè)三位四通閥的節(jié)能回路Fig.5 Energy-saving circuit with two three position four way valves

KRZYSZTOF J研究分析指出，在由如圖6所示的橋式氣動(dòng)回路中，活塞工作行程進(jìn)排氣控制主要包括三個(gè)階段：第一個(gè)階段進(jìn)排氣閥均打開(kāi)，活塞加速，時(shí)長(zhǎng)t1；第二個(gè)階段關(guān)閉進(jìn)閥，活塞減速，時(shí)長(zhǎng)t2；第三個(gè)階段為穩(wěn)定活塞位置并增強(qiáng)出力剛度，此階段根據(jù)需要開(kāi)啟相應(yīng)閥件，時(shí)長(zhǎng)t3。基于此分析，以節(jié)能為目標(biāo)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算獲得3個(gè)進(jìn)排氣時(shí)刻點(diǎn)的值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)結(jié)算結(jié)果進(jìn)行回路進(jìn)排氣控制較傳統(tǒng)方式可節(jié)約55%～65%的壓縮空氣[41]。石月等[42-44]也提出類似的方法，在氣缸通入一定量壓縮空氣后停止進(jìn)氣，由空氣膨脹驅(qū)動(dòng)剩余行程，可減少約70%的壓縮空氣消耗量。

圖6 節(jié)能回路組成及閥件通斷時(shí)序Fig.6 Composition of energy-saving circuit and valves’ on-off sequence

在通過(guò)進(jìn)排氣策略實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能方面，DU H等[45]基于圖7所示的橋式氣動(dòng)回路，研究討論了利用數(shù)學(xué)優(yōu)化獲得進(jìn)排氣時(shí)序，以實(shí)現(xiàn)減少系統(tǒng)耗氣的方法。通過(guò)系統(tǒng)建模及AMPL優(yōu)化手段實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的進(jìn)排氣通斷時(shí)序求解。結(jié)果表明，基于優(yōu)化獲得的通斷時(shí)序不但能夠大幅提高壓縮空氣的利用率，還可提高系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)性，較傳統(tǒng)回路節(jié)約耗氣可達(dá)70%[45-47]。

圖7 采用5個(gè)開(kāi)關(guān)閥的氣動(dòng)節(jié)能回路Fig.7 Pneumatic energy-saving circuit with five on-off valves

4 節(jié)能閥件

通常閥件節(jié)能研究主要集中在改善內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、降低氣體通過(guò)元件的阻力損失，以及減少空氣泄漏、降低閥件的耗電量等方面。例如， VQ4000/5000型及VZ5000系列高效節(jié)能電磁閥，其耗電量小、流量大、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快，通過(guò)高效磁路和加工公差的有機(jī)結(jié)合，該電磁閥的功率僅為傳統(tǒng)電磁閥的5%。

伴隨大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)發(fā)展，節(jié)能閥件的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向集成有智能控制系統(tǒng)的多功能閥，可實(shí)現(xiàn)在感知與滿足系統(tǒng)工作要求前提下，降低系統(tǒng)耗能，AS-R/AS-Q節(jié)能閥，通過(guò)減少非工作行程的壓力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，平均節(jié)約耗氣25%[48]。Festo公司推出一種的智能閥件Festo Motion Terminal VTEM，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。該閥集閥體、智能控制系統(tǒng)為一體，構(gòu)成1個(gè)智能閥島，通過(guò)Motion App軟件編程，可實(shí)現(xiàn)換向閥、比例流量閥、比例壓力閥等超過(guò)50種以上的功能[49]。

圖8 Festo數(shù)字控制終端Fig.8 Festo Motion Terminal

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，該閥采用壓電陶瓷作為先導(dǎo)閥開(kāi)關(guān)形式，反應(yīng)靈敏，耗電量低，使用壽命高，結(jié)合智能控制系統(tǒng)可等效實(shí)現(xiàn)多種換向閥功能，圖9為實(shí)現(xiàn)三位四通閥功能的等效回路圖。

圖9 Festo Motion Terminal(數(shù)字控制終端)VTEM等效換向閥閥功能Fig.9 Equivalent directional valve function of Festo Motion Terminal VTEM

5 結(jié)論

綜上所述，氣動(dòng)系統(tǒng)的能耗占全球工業(yè)化生產(chǎn)總能耗的比例高，節(jié)能空間巨大，當(dāng)今全球能源供應(yīng)緊張，特別是我國(guó)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排目標(biāo)，對(duì)于高耗能、低效率的氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能方法研究，提高系統(tǒng)效率是一個(gè)重要課題。未來(lái)氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能的主要研究重點(diǎn)包括：排氣能再利用，進(jìn)排氣獨(dú)立控制策略節(jié)能方法，節(jié)能閥件設(shè)計(jì)。

在氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能方法研究中，充分利用壓縮空氣膨脹能已成為重要的研究方向，排氣回收再利用的方法存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適應(yīng)壓力范圍窄，還會(huì)一定程度上影響氣動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行效率等問(wèn)題，而通過(guò)數(shù)字閥件控制進(jìn)排氣時(shí)序?qū)崿F(xiàn)輸入能量和執(zhí)行元件運(yùn)行需求相匹配的方式具有智能化程度高、節(jié)能效果好、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)，通常可節(jié)約耗氣50%～85%的壓縮空氣，已經(jīng)成為當(dāng)前氣動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能的主要研究方向。