真空发生器因其具有体积小、质量轻、真空度高、产生真空快、运动部件少、振动小、寿命长、噪音小、安装方便, 维修简单、控制方便、可靠性高等优点在汽车、化工、电子、玻璃制造、机械制造、家电制造等行业中得到广泛地应用。尤其与真空吸盘配合使用, 由于它受力均匀、不损坏工件、响应快、体积小等优点, 所以在搬运易损物品、常规方法难搬运的物品、易产生应力变形物品及微小物品的场合, 有着无可比拟的优势, 在自动化生产中起着越来越重要的作用。
1、真空发生器的工作原理
真空发生器主要由喷嘴和扩张管组合而成(见图1所示)。气体一元定常等熵流动的能量方程即可压缩流体的伯努里方程如下。
将0点的状态参数代入式(1),由于流出喷管时的流速v0为超音速, 可知该点的绝对压力p0值很小, 因而可得到所需的真空度。在低压部S处如果导入二次气流(G″、PS、TS、vs) , 高速的一次气流(G′、Pn、Tn) 将与之混合, 并交换动能, 二次气流被加速,高速的混合气体通过扩张管减速, 动能再次转化为压力能。这样, 若在S处接入欲抽真空的系统, 则可达到抽真空之目的。
图1真空发生器工作原理图
该过程的热力学分析如下: 压缩空气G′通过喷管在0处变成超音速气流, 由于气流的速度很快,而喷管的尺寸很小, 故气体在喷管中流动时, 来不及与外界发生热交换, 可近似地看作绝热过程。在流动过程中, 气体的各种参数一般是连续变化的, 摩擦的影响较小, 可以忽略, 因而可近似地看作是可逆过程, 故该过程可近似地看作是等熵过程。整个热力学过程可用焓—熵状态变化图表示(图2)。图2 中各点符号与图1 相对应。N点为喷管进口状态点;O′为假想等熵过程喷管出口点;O为实际喷管出口状态点; 3′为扩张管假想等熵过程出口状态点; 3为扩张管实际出口状态点。如一次流体从进口压力Pn经绝热膨胀后在喷管出口处压力为P0, 则喷管出口流速v0可由式(2)求出
式中Gn为速度系数, 一般取0.94～0.96; R为气体常数, A= k/k-1。图2中喷管两端的焓差为
式中A 为热功当量。
假设真空口吸入压力PS与喷管出口压力P0相等, 则混合后的流速v1为
式中Gm为速度系数, 一般取Gm= 0.95～0.98; X=G′/C″ , 其中G′为喷管内的一次流量, G″为真空口处吸入的二次流量; 混合后的焓值i1为
扩张管出口处流速为v3, 状态点1至3过程近似可看成绝热过程, 则
式中Gd为扩张管的效率, 一般取Gd= 0.6～0.8;状态点1经等熵过程到达3′点, 对应焓值i3′为
通过3′点的等压线P3即为扩张管出口的压力, 实际出口状态点3的焓值为
图2状态变化图
2、真空发生器结构及性能参数
2.1、真空发生器的性能参数
真空发生器的主要性能参数有:
① 空气消耗量: 指从喷嘴流出的流量。用基准状态下的体积流量表示。
② 排气量: 指从真空口吸入的空气流量。当真空口向大气敞开时, 其排气量最大, 称最大排气量。
③ 到达真空度: 指大气压力与真空腔内的绝对压力之差。当吸入口被完全封闭, 即排气量为0时,真空腔的真空度称为最大到达真空度。
2.2、真空发生器的主要结构参数
真空发生器主要由喷嘴和扩张管组成, 由上述可知喷嘴的作用是将压缩空气的能量转换为动能,产生超音速气流; 扩张管的作用是使超音速气流减速以降低排出气体时的噪音。由气体动力学可知气流一元定常等熵流动时通流截面积与气流的速度间应满足公式
式中: f为通流截面积;M为马赫数,M=v/A; v为气流的速度; A为当地音速;
由上式可见, 当流速增加时, 通流截面积究竟扩大还是缩小, 要看(M2-1) 的正负,亦即M>1还是M<1。当流速小于当地音速加速时,M 小于1, (M2-1)为负, df符号与dv相反。故当流速增高时, 气流截面积应缩小。当流速等于音速时,M=1则M 2-1=0,即df=0,此时气流截面积达最小值。当流速大于当地音速即超音速时,M大于1, (M2-1)为正, df符号与dv同号, 故当流速增高时, 气流截面积应扩大。因此, 为了获得超音速气流, 喷嘴的截面形状应当是小于音速加速时先缩小, 当等于音速时为最小, 然后超音速时逐渐扩大, 即采用渐缩渐扩的拉伐尔喷管结构; 同理, 为了使超音速气流减速, 扩张管的截面形状应采用超音速减速时先缩小, 当流速等于音速时, 即M=1时截面为最小, 然后小于音速减速时截面逐渐扩大的渐缩渐扩结构。
图3真空发生器结构简图
图3 是真空发生器的喷嘴和扩张管结构简图, 喷嘴渐缩角度A建议取120°～140°, 渐扩角度B 建议取14°～16°;扩张管渐缩及渐扩角度C、H建议取6°～8°。
2.3、真空发生器结构及性能参数间关系分析
真空发生器的性能与喷嘴、扩张管的结构有关, 表1 推荐了五种不同真空发生器的喷嘴和扩张管结构的组合。表1不同的喷嘴和扩张管结构尺寸
 由表1 可知真空发生器1与2的喷嘴相同, 真空发生器2扩张管的最小直径比真空发生器1扩张管的最小直径大;真空发生器1与3的扩张管相同, 而真空发生器3 喷嘴的最小直径(喉口直径) 比真空发生器1 喷嘴的喉口直径最小直径大; 真空发生器3与4的喷嘴相同, 真空发生器4 扩张管的喉口直径比真空发生器3扩张管的喉口直径大; 真空发生器5的喷嘴与扩张管规格比其余的四种均大。图4为真空试验系统原理图, 图5为供气压力与排气量曲线, 图6 为供气压力与到达真空度曲线, 图7为供气压力与空气消耗量曲线。分析上述特性曲线图可得到下列结论。
1.工件2.吸盘3.真空压力开关 4.真空过滤器5.消声器6.换向阀7.真空发生器8.调压阀 9.过滤器
图4真空试验系统图
图5供气压力与排气量曲线
① 由图5可见, 真空发生器的排气量并非一直随供气压力提高而增大, 而是有一最大值, 过了该最大值,进一步提高供气力, 排气量反而下降; 真空发生器扩张管结构不变, 增大喷嘴直径, 排气量最大值点左移, 而喷嘴结构不变, 增大扩张管喉口直径, 则排气量最大值点右移; 如真空发生器1、5 的排气量最大值点在供气压力为0.35～0.4MPa 处,真空发生器3 的排气量最大值点在供气压力为0.3～0.35MPa 处, 真空发生器2、4 的排气量最大值在图的右方, 由于供气压力到0.6MPa 止, 故图中排气量最大值没出现;
图6供气压力与到达真空度曲线
② 由图6可见, 真空发生器的到达真空度并非一直随供气压力提高而提高, 而是有一最大值, 过了该最大值, 进一步提高供气压力, 到达真空度反而下降; 真空发生器扩张管结构不变, 增大喷嘴直径, 到达真空度最大值点左移,而喷嘴结构不变, 增大扩张管喉口直径, 则到达真空度最大值点右移; 如真空发生器1、5 的到达真空度最大值点在供气压力为0.5MPa 左右出现, 真空发生器3 的到达真空度最大值点在供气压力为0.35MPa左右出现, 真空发生器2、4的到达真空度最大值在图的右方, 由于供气压力到0.7MPa 止,故图中到达真空度最大值没出现;
图7空气消耗量与供气压力曲线
③ 由图7可见, 空气消耗量随供气压力的增加而增加, 且仅与喷嘴结构有关, 喷嘴结构相同, 空气消耗量与供气压力特性相同, 喷嘴喉口直径越大, 空气消耗量与供气压力曲线斜率越大;
④ 由图5、6、7可知, 真空发生器1、5的特点是在供气压力为0.5MPa时, 最高到达真空度约为-92kPa, 排气量分别为27L/min、63L/min(ANR),空气消耗量分别为44L/min、100L/min(ANR) , 真空发生器3的特点是在供气压力为0.35MPa时,最高到达真空度约为-90.7kPa, 排气量为25 L/min(ANR), 空气消耗量为44 L/min(ANR), 属高真空度、低排气量型; 真空发生器2、4的特点是到达真空度低、排气量大,真空发生器2 在供气压力为0.5MPa时, 到达真空度约为-46.7kPa, 排气量为54 L/min(ANR ), 空气消耗量为44L/min(ANR ) , 真空发生器4在供气压力为0.35MPa时, 到达真空度约为-46.7kPa, 排气量为50L/min(ANR), 空气消耗量为44 L/min (ANR) ; 高真空小排气量真空发生器适用于密封性能好的场合, 低真空大排气量真空发生器适用于密封性不好的场合;
⑤ 真空发生器的排气量由喷嘴、扩张管结构共同确定, 喷嘴喉口直径越大, 排气量越大(见图5 真空发生器1、5 曲线) ; 喷嘴相同, 扩张管喉口直径增大, 则排气量增大(见图5 真空发生器1、2, 真空发生器3、4 曲线) ;
⑥ 由上述分析可知, 设计或使用中在选用真空发生器时, 为了经济地获得所需的排气量和真空度, 必须对真空发生器的特性曲线进行研究, 要根据真空发生器的特点, 在满足使用要求的前提下, 减少空气消耗量; 空气消耗量、排气量、到达真空度均与供气压力关, 通过设计合理的喷嘴、扩张管结构组合, 即可在满足最小空气消耗量的前提下, 在气源允许采用的供气压力下得到满意的所需排气量与到达真空度。
3、结束语
从真空发生器的工作原理分析可知, 真空发生器的性能参数与喷嘴、扩张管的结构参数有关, 真空发生器的排气量、到达真空度、空气消耗量均与供气压力有关, 空气消耗量随供气压力的增加而增加, 且仅与喷嘴喉口直径有关, 喉口直径越大, 空气消耗量越大; 真空发生器的排气量、到达真空度随供气压力增大有一极大值, 该值出现位置随喷嘴及扩张管喉口直径尺寸变化而有规律变化, 掌握该变化规律, 对设计真空发生器及经济地选用真空发生器有一定的指导意义。(end)
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