氣動系統技術發展和應用

氣動系統

氣動系統

 提高氣動系統使用 經濟性，已成為當前應該重視 問題。對氣動系統來說，減少耗氣量就是節能。氣動系統節能可以從幾個方面著手：
（1） 完善氣源系統 要解決氣動系統節能問題，應從完善氣源系統入手，即從壓縮空氣 生產、處理、輸送、分配 整個氣源系統全盤考慮，采取綜合措施。
 結構型式不同 空氣壓縮機生產同樣多 壓縮空氣， 其效率不一，消耗 能量就有差異。速度型 透平式空壓機 效率低，如把10m3自由空氣壓縮成0.6MPa 壓縮空氣，由排量為1000 m3/h 透平式空壓機生產，耗能1.77kW•h。而生產同樣數量和壓力 壓縮空氣，如用同樣排量 活塞式空壓機生產，僅耗能0.83kW•h。 從節能角度出發，空壓機 節能與空壓機 結構型式有關。
選擇空壓機時，采用具有完善級間冷卻 多極壓縮機可節省能量、提高效率。例如二級壓縮比單級壓縮節能15%以上，三級壓縮比二級壓縮又節能5%~10%。
改變傳統 設計觀念，將全廠集中 由大型空壓機供氣 空壓站，轉變為由 氣動系統附近 分布 廠區內 多臺較小型空壓機供氣更為經濟。例如，由一個空壓站集中供氣，壓縮空氣輸送管道長，沿程壓力損失大，為保證用氣設備有足夠 工作壓力，空壓機出口壓力較高。而用多臺空壓機 供氣系統，空壓機 耗氣車間附近安裝，沿程損失小，可以降低出口壓力。試驗證明僅此一項可節能20%。
空壓機吸入空氣 溫度每增加3℃，就要增加壓縮功約1%。因空壓機房室內溫度均高于室外溫度， ，空壓機進氣管道應接到室外溫度較低，環境干凈，干燥  方。 冬季室外比室內溫度低15℃，可節能約5.1%。
使空壓機 生產壓縮空氣時，氣體流 濾設備 壓力損失小，是氣源系統減少損失 又一個節能因素。 過濾設備必須保持良好 工作狀態。消除氣動系統 泄漏，是氣動系統節能 另一個重要措施。泄漏使壓縮空氣 能量白白消耗掉，而使生產成本上升。
（2） 采用氣—電或氣—液復合傳動控制系統，實現節能  微電子技術 飛速發展，計算機 應用也進入了氣動控制技術 領域。用于控制氣動執行元件 ，由普通氣動元件組成 ，復雜 氣動邏輯控制回路，現 已可由微型計算機或可編程序控制器代替。 編制不同 程序便能實現氣動裝置生產自動化 不同過程。目前，氣動電磁閥 電磁鐵消耗功率大多 1.8W以下，小型閥也有功率僅為0.45W ，直動型閥 功率一般也都小于4W。電磁鐵低功耗 意義 僅 節約電能，提高電磁鐵 可靠性，另 也為氣動技術與微電子技術相結合，創造了必要條件。低功耗 氣動元件，作為可編程序控制器直接驅動 元件，實現復雜 大規模程序控制，可獲 很好 節能效果。
（3） 開發節能氣動元件 開發氣動節能元件，可從以下幾方面進行：
 減少漏氣，降低能源消耗。開發防泄漏、耐磨性能好 、無給油 材料制成軟密封件。
 開發低功耗氣動元件，降低能量消耗。
采用無給油潤滑，使潤滑油消耗減少，改善環境污染。無給油潤滑氣動系統是由過濾器、減壓閥何不供油潤滑 閥類、氣缸組成 系統。無給油潤滑氣動系統所用 工作介質——空氣中不含油霧，排出 廢氣中 含油霧。無給油潤滑氣動元件是一種 元件中預先注入潤滑脂，可長時間工作而不需補充潤滑脂 氣動元件。無給油潤滑氣動系統中可不設油霧器。無給油潤滑氣動系統簡單、成本低、維修方便，國外設備普遍采用這種系統。這種系統 工作過程中潤滑條件基本不變， 受外界條件變化 干擾， 性能穩定，壽命長。
無潤滑氣動系統中 無潤滑氣缸是一種構造特殊，并選用有自潤滑性材料制造 元件， 材料和制造困難，目前也有應用。
（4） 合理設計氣動系統、擇優選取和合理使用氣動元件，減少耗氣量 把氣動流體力學、氣動系統動力學 理論與實驗相結合，運用計算機仿真技術，可對氣動系統進行優化設計，擇優選取最佳參數。例如氣缸 公稱直徑是按公比1.25 等比級數分檔 ，如把氣缸直徑隨意 擴大一個檔次，則耗氣量要增大56%。若行程再增加，耗氣量還將增加。 參數 擇優選取對節能是十分重要 。合理使用元件也是節能 措施，例如對短行程 氣缸，使用單作用彈簧復位 氣缸，顯然較雙作用氣缸節省壓縮空氣，減少了耗氣量。
（5）  氣動系統中使用不同 工作壓力 氣動系統重要 節能途徑之一是對系統 不同部分 不同情況使用不同 工作壓力。例如，對氣壓傳動系統供給高壓氣源，對氣動控制系統供給低壓氣源； 氣缸克服外負載 工作行程供給高壓氣源，無外負載 行程供給低壓氣源，可獲 可觀 節能效益。有關資料介紹使正行程用高壓氣源，回程用低壓氣源（0.1~0.2MPa表壓），可節能25%~35%。
（6） 重復利用無桿腔中 有壓空氣使活塞返回，變雙程耗氣為單程耗氣。
生產實踐中廣泛使用 氣缸，許多是正行程有外加負載，回程只需克服自身 摩擦力。對這種系統把活塞桿伸出后無桿腔中 有壓氣體用于活塞 退回，使原雙程耗氣改為單程耗氣，可達到節能近50% 效果。

氣動系統

隨著生產自動化程度的不斷提高，氣動技術應用面迅速擴大、氣動產品品種規格持續增多，性能、質量不斷提高，市場銷售產值穩步增長。氣動產品的發展趨勢主要在下述方面：
 1、小型化、集成化
有限的空間要求氣動元件的外形尺寸盡量小，小型化是主要發展趨勢�，F在最小氣缸內徑僅為f2.5，并配制開關；電磁閥寬度僅10mm，有效截面積達5mm2；接口f4的減壓閥也已開發。據調查，小型化元件的需求量，大約每5年增加一倍。
氣閥的集成化不僅僅將幾只閥合裝,還包含了傳感器、可編程序控制器等功能。集成化的目的不單是節省空間，還有利于安裝、維修和工作的可靠性。
2、組合化、智能化
最簡單的元件組合是帶閥、帶開關氣缸。在物料搬運中，已使用了氣缸、擺動氣缸、氣動夾頭和真空吸盤的組合體；還有一種移動小件物品的組合體，是將帶導向器的兩只氣缸分別按X和Y軸組合而成，還配有電磁閥、程控器，結構緊湊，占用空間小，行程可調。
 日本精器（株）開發的智能閥帶有傳感器和邏輯回路，是氣動和光電技術的結合。不需外部執行器，可直接讀取傳感器的信號，并由邏輯回路判斷以決定智能閥和后續執行元件的工作。開發功能模塊已有十多年歷史，現在正在不斷地完善。這些通用化的模塊可以進行多種方案的組合，以實現不同的機械功能，經濟、實用、方便。
3、精密化
為了使氣缸的定位更精確，使用了傳感器、比例閥等實現反饋控制，定位精度達0.01mm。 在氣缸精密方面還開發了0.3mm/s低速氣缸和0.01N微小載荷氣缸。在氣源處理中，過濾精度0.01mm,過濾效率為99.9999%的過濾器和靈敏度0.001MPa的減壓閥已開發出來.
4、高速化
為了提高生產率，自動化的節拍正在加快，高速化是必然趨勢。
目前氣缸的活塞速度范圍為50-750mm/s。要求氣缸的活塞速度提高到5m/s，最高達10m/s。據調查，五年后，速度2-5m/s，的氣缸需求量將增加2.5倍,5m/s以上的氣缸需求量將增加3倍。與此相應，閥的響應速度將加快，要求由現在的1/100秒級提高到1/1000秒級。
5、無油、無味、無菌化
人類對環境的要求越來越高， 因此無油潤滑的氣動元件將普及化。還有些特殊行業，如食品、飲料、制藥、電子等，對空氣的要求更為嚴格，除無油外，還要求無味、無菌等，這類特殊要求的過濾器將被不斷開發。
6、高壽命、高可靠性和自診斷功能
5000萬次壽命的氣閥和3000km的氣缸已商品化，但在紡織機械上有一種高頻閥壽命要求1億次以上，最好達2億次。這個要求，現有的彈性密封閥很難達到，這使間隙密封元件重新獲得重視。美國紐曼帝克（Numatics)公司有一種氣閥，采用間隙密封，通氣后閥芯在閥體內呈懸浮狀態，形成無摩擦運動，還有自防塵功能，閥的壽命可超過2億次，這雖然是個老產品，還是值得借鑒。
氣動元件大多用于自動生產線上，元件的故障往往會影響全線的運行，生產線的突然停止，造成的損失嚴重，為此，對氣動元件的工作可靠性提出了高要求。江蘇某化纖公司要求供應的氣動元件在設定壽命內絕對可靠，到期不管能否繼續使用，全部更換。這里又提出了各類元件壽命的平衡問題，即所謂等壽命設計。有時為了保證工作可靠，不得不犧牲壽命指標，因此，氣動系統的自診斷功能提到了議事日程上，附加預測壽命等自診斷功能的元件和系統正在開發之中。
隨著機械裝置的多功能化，接線數量越來越多，不僅增加了安裝、維修的工作量，也容易出現故障，影響工作可靠性，因此配線系統的改進也為氣動元件和系統設計人員所重視。
7、節能、低功耗
節能是企業永久的課題，并將規定在建立ISO14000環保體系標準中。氣動元件的低功耗不僅僅為了節能，更主要的是能與微電子技術相結合。功耗0.5W的電磁閥早已商品化,0.4W、0.3W的氣閥也已開發,可由PC直接控制。
8、機電一體化
為了精確達到預先設定的控制目標（如開關、速度、輸出力、位置等），應采用閉路反饋控制方式。 氣-電信號之間轉換，成了實現閉路控制的關鍵，比例控制閥可成為這種轉換的接口。在今后相當長的時期內開發各種形式的比例控制閥和電-氣比例/伺服系統，并且使其性能好、工作可靠、價格便宜是氣動技術發展的一個重大課題。
現在比例/伺服系統的應用例子已不少，如氣缸的精確定位；用于車輛的懸掛系統以實現良好的減振性能；纜車轉彎時自動傾斜裝置；服侍病人的機器人等。如何將以上實例更實用、更經濟還有待進一步完善。
9、滿足某些行業的特殊要求
在激烈的市場競爭中，為某些行業的特定要求開發專用的氣動元件是開拓市場的一個重要方面，各廠都十分關注。國內氣動行業近期開發的如鋁業專用氣缸（耐高溫、自鎖），鐵路專用氣缸（抗震、高可靠性），鐵軌潤滑專用氣閥（抗低溫、自過濾能力），環保型汽車燃氣系統（多介質、性能優良）等。
10、應用新技術、新工藝、新材料
型材擠壓、鑄件浸滲和模塊拼裝等技術十多年前在國內已廣泛應用；壓鑄新技術（液壓抽芯、真空壓鑄等）、去毛刺新工藝（爆炸法、電解法等）已在國內逐步推廣；壓電技術、總線技術，新型軟磁材料、透析濾膜等正在被應用；超精加工、納米技術也將被移植。
 氣動行業的科技人員特別關注密封件發展的新動向,一旦新結構和新材料的密封件出現,就會被采用。
11、標準化
貫徹標準，尤其是ISO國際標準是企業必須遵守的原則。它有兩個方面工作要做：第一是氣動產品應貫徹與氣動有關的現行標準，如術語、技術參數、試驗方法、安裝尺寸和安全指標等。第二是企業要建立標準規定的保證體系，現有3個：質量（ISO9000）、環保（ISO14000）和安全（ISO18000）。標準在不斷增添和修訂，企業及其產品也將隨之持續發展和更新，只有這樣才能推動氣動技術穩步發展。
12、安全性
從近期頒布的有關氣動的ISO國際標準可知，對氣動元件和系統的安全性要求甚嚴。   ISO4414氣動通則中將危險要素分成14類，主要有機械強度、電器、噪聲、控制失靈等。ISO國際組織又頒布了ISO18000標準，要求企業建立安全保證體系，將安全問題放在特別重要的議程上。為此，產品開發和系統設計切實考慮安全指標也是氣動技術發展的總趨勢。對國內企業而言，由于過去的行業標準忽視了安全問題，有必要對已投入市場的產品重新考核和修正。
在2001年PTC展覽會上，日本 1、由于氣體的可壓縮性，氣動產品可實現軟接觸，動作柔和。氣動技術的這個特性，是其他機電產品望塵莫及的。
氣動彈簧和日本福岡球場可移動屋頂的氣壓密封是一小一大兩個典型例子�，F有的例子還甚多：自動擠牛奶機器人，仿真推拿按摩，抬移病人的機器人，中醫搭脈模擬示教裝置，飛機駕駛訓練用的模擬加速度座椅等等。以上這些事例，一旦成為氣動產品，不可能被其他產品所代替。 
2、有些特定的環境，如防火、防爆、高溫、高濕等場合，氣動元件有其獨有的適應性，若用其他機電產品替代，會使費用增加很多，用戶不會接受。
3、氣動系統可以在間隙工作狀態下輸出較大能量，抗過載能力強，這正是電機的薄弱環節，難于替代。
4、真空、射流技術已與傳統的氣動技術融為一體，它們的產品已成為氣動產品的一部分，結合這兩種技術的應用實例，也是其他機電裝置不能替代的。例如粉塵物的管道輸送，超小、輕薄物品的搬運，懸浮式的滑移，機械加工中薄板型工件的定位和氣流紡紗等。
除此之外，肯定還有許多實例能說明氣動技術有其獨特的優勢，決不是"夕陽工業"，將與其他機電工業共同、持續地發展氣壓傳動和控制是生產過程自動化和機械化最有效手段之一，但其工作介質（壓縮空氣）制造成本高，能量利用率又相當低。提高氣動系統使用經濟性，已成為當前應該重視問題。