恒壓式氣動儲氣裝置設計與仿真分析

王 虎， 王志文， 童鄭人， 董 欣， 熊 偉

(大連海事大學船舶機電裝備研究所，遼寧大連 116026)

引言

近年來，由于經(jīng)濟、環(huán)保、響應快和易維護等優(yōu)點，氣動技術在綠色、智能制造業(yè)和高端裝備業(yè)領域有著廣泛的應用和日益增長的需求[1]。但相比于液壓和電氣系統(tǒng)，氣動系統(tǒng)的低能效缺陷十分顯著，其能效僅有5%～17%[2-3]。氣動技術使用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，空氣廉價，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[4]。在不同國家，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)壓縮空氣花費的電能成本約占壓縮空氣系統(tǒng)全生命周期總成本的70%～80%；因此，氣動節(jié)能研究意義重大。

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

為了解決這些問題，設計了恒壓式氣動儲氣裝置，其排出的氣體壓力始終保持與用氣側壓力相等，使氣動系統(tǒng)中最高壓力區(qū)壓力大大降低，實現(xiàn)降壓節(jié)能。

1 恒壓式儲氣裝置結構原理

恒壓式氣動儲氣裝置主要由三部分組成：恒壓儲氣單元、異形凸輪變換單元以及儲能單元，原理圖如圖1所示。恒壓儲氣單元無桿腔側有2個氣路通道口，一個氣路通道口接收來自空壓機的壓縮空氣，另一個氣路通道口用來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，恒壓儲氣單元的有桿腔一側(活塞側)與大氣相通。儲能單元無桿腔側的出氣口應可被密封，密封前通入帶有一定壓力的壓縮氣體，有桿腔側(活塞側)與大氣相通。儲能單元的作用是儲存能量并為恒壓儲氣單元提供抵抗力，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構，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氣單元與儲能單元。儲氣裝置充氣時，恒壓儲氣單元內(nèi)氣體體積增大，推動活塞向上運動，促使異形凸輪機構發(fā)生轉動，進而推動儲能單元中的活塞向上運動，儲存能量，儲氣裝置排氣時，運動過程相反。儲氣裝置充放氣的過程中，通過異形凸輪的轉動，始終能夠找到合適的位置使得恒壓儲氣單元中活塞的推力保持恒定；恒壓儲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能單元中，通過異形凸輪變換單元的變換作用，恒壓儲氣單元中無桿腔側的壓力能夠始終保持穩(wěn)定[12]。

圖1 恒壓式氣動儲氣裝置原理圖

2 數(shù)學建模

恒壓式儲氣裝置的關鍵結構為異形凸輪變換單元，其兩側的外輪廓曲線的設計對整個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的斜線輪廓完成的：儲能單元側的輪廓L1及恒壓儲氣單元側輪廓L2。當壓縮空氣進出恒壓式氣動儲氣裝置時，忽略摩擦效應，恒壓儲氣單元儲存的能量等于儲能單元儲存的能量，由能量守恒定律可得：

(1)

式中，popen—— 恒壓儲氣單元中的壓力，即恒壓值

pclose0—— 儲能單元在某一狀態(tài)時的壓力

A—— 活塞的橫截面積，恒壓儲氣單元的活塞面積與儲能單元的活塞面積相同

r1，r2—— 沿L1和L2的弧長

能量方程的物理意義是沿外輪廓的第二曲線積分，且兩個外輪廓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角

k1—— 外輪廓L1在某點處的斜率

k2—— 外輪廓L2在某點處的斜率

R—— 異形凸輪變換單元的旋轉半徑

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

(3)

式中，pclose0與pclose1分別表示不同時刻下氣體的壓力；vclose0與vclose1分別表示不同時刻下氣體的體積；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處的儲能單元活塞位移，表達式為：

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氣單元側外輪廓L1的表達式，為簡化設計，可將輪廓線L2設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。假設新的預充壓力為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，新的恒壓值popen1與新的預充壓力pclose2成正比；因此，一旦設計的輪廓線固定，可以通過改變預充氣壓大小來得到新的恒壓值。

3 恒壓儲氣系統(tǒng)仿真

3.1 系統(tǒng)建模

為了驗證恒壓式氣動儲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)定容式儲氣罐的氣動系統(tǒng)進行比較。

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

圖2 使用定容式儲氣罐的氣動系統(tǒng)

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

圖3 使用恒壓式儲氣裝置的氣動系統(tǒng)

3.2 仿真結果分析

通過分析恒壓式儲氣裝置內(nèi)壓力以及傳統(tǒng)定容式儲氣罐內(nèi)壓力變化，研究恒壓式儲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下恒壓式儲氣裝置儲氣區(qū)內(nèi)氣體壓力隨工作時間的變化，圖5為執(zhí)行器氣缸帶動負載位移曲線，雙位控制目標是使得恒壓儲氣單元中活塞位移處于0～200 mm之間。可以看出，

圖4 恒壓儲氣單元儲氣區(qū)壓力變化

圖5 負載位移變化

儲氣區(qū)壓力保持在所設定的恒壓值0.42 MPa 附近，最大壓力值為0.421 MPa，最小壓力值為0.412 MPa，波動率約為2%，穩(wěn)壓效果較好；隨著活塞往復直線運動和異形凸輪變換單元的旋轉運動，氣體壓力在0.42 MPa 上下微小波動，恒壓式儲氣裝置向用氣回路輸出的恒壓壓縮空氣能夠使氣動執(zhí)行器氣缸良好地工作，實現(xiàn)了氣動系統(tǒng)中產(chǎn)氣側和用氣側的動態(tài)平衡。

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

圖6 pr=0.4 MPa時儲氣裝置內(nèi)壓力變化

圖7 pr=0.4 MPa時壓縮機功率

圖8為額定壓力為4 MPa下采用不同儲氣裝置時壓縮機的總耗電量。其中，使用恒壓式儲氣裝置的氣動系統(tǒng)壓縮機總耗電量為0.03131 kW·h；使用定容式儲氣罐的氣動系統(tǒng)壓縮機總耗電量為0.03739 kW·h，節(jié)能率約為16.3%，并且隨著系統(tǒng)工作時間的增加，節(jié)能效果將進一步提高，降壓節(jié)能效果顯著。

除系統(tǒng)工作時間可影響節(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時的壓縮機總耗電量對比圖，使用恒壓式儲氣裝置的氣動系統(tǒng)壓縮機總耗電量為0.03381 kW·h；使用定容式儲氣罐的氣動系統(tǒng)壓縮機總耗電量為0.04160 kW·h，經(jīng)計算可得，節(jié)能率約為18.7%，與系統(tǒng)額定壓力為0.4 MPa時相比，節(jié)能率得到了提高。隨著系統(tǒng)額定工作壓力的增大，恒壓式儲氣裝置的節(jié)能效果也將更加顯著。

圖8 pr=0.4 MPa時壓縮機總耗電量

圖9 pr=0.5 MPa時壓縮機總耗電量

系統(tǒng)節(jié)能效果的影響因素是多樣的，節(jié)能率的大小還與負載的行程長短及負載的運動頻率有關系。負載的行程越長，運動頻率越高，恒壓式儲氣裝置的節(jié)能效果越顯著。總而言之，當氣動系統(tǒng)的用氣量增加或用氣量加快或者用氣壓力升高時，恒壓式儲氣裝置的節(jié)能效果就越明顯。

4 結論

本研究應用AMESim建模仿真軟件對設計的新型儲氣裝置進行了建模仿真，結果表明，恒壓式氣動儲氣裝置具有良好的恒壓輸出壓縮空氣特性，與傳統(tǒng)儲氣罐相比，節(jié)能效果顯著，為氣動系統(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，加入摩擦模型、傳熱模型進行深入優(yōu)化分析，并搭建系統(tǒng)實驗平臺，進行進一步的設計優(yōu)化。