压缩空气动力应用的发展现状及展望

压缩空气动力应用的发展现状及展望

贾光政　副教授

贾光政1,2　王宣银1　吴根茂1

1.浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州,310027

2.大庆石油学院机械科学与工程学院,大庆,163318

摘要:提出压缩空气不仅可以作为工作介质,而且可以储存能量作为一

种动力源。阐述了常规气动伺服控制系统研究的现状,认为以PW M 和PC M 调制方式为主的开关伺服控制技术仍然是研究的热点。说明了气动系统节能必须重视压缩空气生产、处理、储存、分配与控制等各个环节,并需根据具

体情况采取合适的节能技术和方法。综述了高压气动系统和元件的研究概

况,指出高压化是气动系统发展的一个方向。提出绿色气动动力系统,并展望其良好的发展前景。

关键词:压缩空气;气动伺服控制;节能气动系统;高压气动系统;绿色气动动力系统中图分类号:TH138 文章编号:1004-132Ⅹ(2004)13-1190-05Viewing on Applications and Developments of the Compressed Air Pow er

Jia G uangzheng Wang Xuanyin Wu G enmao 1.Zhejiang University ,Hangzhou ,3100272.Daqing Petroleum Institute ,Daqing ,163318

Abstract :C om pressed air is not only a w ork medium ,but a kind of power s ource stored pressure energy.Based on the development situations of the pneumatic serv o control technique ,the main research was als o aimed at the PW M and PC M on -off serv o control system.In energy saving pneumatic systems ,the investigations needed pay great attention to the corresponding techniques and methods according to the com pressed air production ,processing ,storing ,distributing and control units respectively.By summarized the researches and development status of high -pressure pneumatic system and its control elements ,the high pressure pneumatic technique will be a trend in the fu 2ture.According to the power properties of the com pressed air ,the green pneumatic power systems were put forward ,and its prospects were predicted as a g ood trend.

K ey w ords :com pressed air ;pneumatic serv o control ;energy saving pneumatic system ;high -pressure pneu 2matic system ;green pneumatic power system

收稿日期:2003-07-04

基金项目:国家自然科学基金-福特基金资助项目(50122115)

1　气动伺服控制技术的发展现状

气动伺服控制是常规气动技术发展水平的标志,可分为气动比例伺服控制和气动开关伺服控制。气动比例伺服控制采用模拟信号控制的比例阀或伺服阀作为电-气转换元件,控制精度高、响应较快,适合于尖端技术的精密控制[1]。气动开关伺服控制采用数字信号控制的开关阀作为电-气转换元件,制造成本相对较低,对工作环境要求不高,且易于实现计算机控制。

文献[2]成功地将气动伺服机构应用于航天飞行器、导弹的姿态和飞行稳定控制中。Burrows 等[3]首先将开关伺服控制应用于气动伺服机构

中,实现点到点的控制。据文献[4]介绍,1979年,Backe 教授研制出第一个气动伺服阀,大大推进了气动伺服控制的发展,使气动控制系统从基于可编程控制器的位置和速度的简单开关控制,发展到基于喷嘴挡板气动伺服阀和气动比例电磁阀的精确比例伺服控制。20世纪90年代后,气动比例伺服控制技术已经成功应用于多种工业自动化控制过程中,从点到点的控制发展到精确的轨迹跟踪控制。气动伺服控制系统的精度越高,对传感器和构成反馈控制回路的电子元件要求亦越高,制造成本亦越高。

为了弥补气动比例伺服阀造价昂贵和开关阀逻辑控制精度低的不足,20世纪80年代以来,兴起了应用价格较低的开关阀通过脉冲调制技术实现精确伺服控制的研究。目前出现的脉冲调制方式,主要有脉冲宽度调制(PW M )、脉冲编码调制(PC M )、脉冲数调制(PNM )及脉冲频率调制(PFM )

等。N oritsugu[5]首先将PW M开关伺服控制成功地应用于机械手、机器人手臂和气马达转角等位置、速度和力的精度控制中。我国对气动PW M 控制和PC M控制的研究开始于20世纪90年代初。王宣银[6]提出了广义PC M控制方法,解决了控制精度与控制范围、稳定性与快速性相矛盾的难题。许宏[7]提出气液联控PW M调制方法提高了气动伺服控制系统的定位刚度和阻尼特性。

综上所述,虽然气动比例伺服控制元件和系统的价格比较高,但在要求系统结构轻巧、控制精度很高的情况下,与其他方式的伺服技术相比,其性价比还是非常有竞争力的。而且以PW M和PC M调制方式为主的开关伺服控制技术仍然是研究的热点。

2　气动系统节能应用与发展现状

据统计,在一个自动化水平较高的企业中,气动系统的能源消耗约占总能源消耗的20%,因此,气动系统节能具有重要的意义。实现气动系统的节能,需要考虑从气源开始到放气终端的所有用气设备和环节,包括压缩空气的产生、处理、储存、分配、控制、泄漏、做功和热交换等各个方面。在临时性、周期性和连续性等工作模式的气动系统中,压缩空气有被动消耗和主动消耗两种形式,因此,要明确每一个环节的能量消耗特性,才能使压缩空气的节能应用有的放矢。

2.1　压缩空气生产环节

空气压缩机是气源系统的主要装置。19世纪80年代,伴随着蒸汽涡轮机的研制成功,往复式空气压缩机走上了历史舞台。20世纪30～40年代,出现了离心式和轴流式空气压缩机,满足了市场对大容量压缩机的需要。20世纪60年代以来,多种类型的空气压缩机出现在市场上,给用户提供了更广泛的选择空间[8]。

空气压缩机的选型和运行控制方式对系统的能耗有重大影响,对于中小流量的气动系统,选用螺杆式空气压缩机较为合适,对于高压小流量的系统,应选用往复活塞式空气压缩机,生产高压压缩空气,应采用多级压缩机,它比单级压缩机可节能10%～20%[9]。目前压缩机运行控制方式主要有两极控制、多级控制、连续控制及变频调速控制等。要保证压缩机系统高效运行,必须做到压缩空气的供求相匹配,将系统的过压消除或降到最低值,保持系统正常操作所必须的最小压力[10]。

2.2　压缩空气处理环节

空气压缩机排出的压缩空气中存在的主要污染物是水、油、固体杂质和微生物等。这些污染物会对气动系统造成严重伤害,如堵塞气流通道,卡住控制阀,损坏密封造成泄漏,致使执行机构运动迟缓、仪器仪表工作失效,导致润滑失效,加剧元件磨损等。实践表明,压缩空气的处理费用要远远少于对压缩空气不处理所导致设备损坏造成的经济损失[11]。

压缩空气的主要处理设备和用途是后冷却器、干燥器、分离器和集水排水器用于清除水分;过滤器和分离器用于清除固体颗粒、油雾等。如果过滤器堵塞,产生的压力降过大,将造成气体压力能的损失。若干燥器运行效率降低,同样会增加能耗和运行费用。因此,压缩空气处理过程中的设备工况监测和及时维护,是压缩空气处理装置高效节能运行的保证[12]。

2.3　压缩空气储存、分配与控制环节

压缩空气储存可分为控制性储气、负载适应性储气、通用性储气、缓冲性储气和定点专用性储气等。控制性储气实质是动力系统的气源,其容量大小决定了系统做功能力的大小,应根据系统设计要求来确定。负载适应性储气是一种压力较高、容量较大的离线储气装置。只有当系统的压力或流量变化超过设定值范围时,才被接入系统,使系统压力和流量稳定在工作点,从而减少辅助压缩机的数量,降低投资和运行费用。通用性储气、缓冲性储气以及定点专用性储气容量的大小,可根据所要完成任务的用气量的变化率来确定[13]。

气动系统的储存、分配和控制参数的设计和调整,必须建立在对用气设备的精确计算、定期测量和实时监控的基础上,从而把气体压力控制在执行元件的工作压力点。控制系统的压力调节一般采用减压阀实现,这种调节方式会产生较大的节流损失。若采用容积膨胀减压方法进行压力调节,则可以减少5%～10%的能量损失。容积膨胀减压的工作元件是膨胀容器,通过自动控制调节容积膨胀减压系统,可以精确控制气动系统的输出压力,控制精度可在1.0kPa之内[14]。

尽力减少压缩气体的泄漏量,也是气动系统重要的节能方法。

2.4　气动节能系统的发展

气动系统的能源消耗主要是压缩空气的消耗。因为驱动执行机构做功是气动系统的工作目的,所以执行机构消耗的气体量将决定着气动系统的总耗气量。单向负载气缸的一种节能设计方