【气动技术】气动真空系统及其选型计算

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本文从气动真空系统的定义出发，介绍了真空系统的组成，包括气源、执行元件、其他元件，最后结合实际案例对真空发生器及真空吸盘的选型计算进行了分析。

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一、真空系统的定义

在气动真空系统中，真空系统指的是低于大气压力的压力系统
大气压：101.3Kpa
正压系统：大于大气压（0.5-0.7MPa）
负压系统：小于大气压（-50Kpa）
真空系统和正压系统的工作原理都是按照压力差进行工作

在气动控制中，我们一般以大气压为参考，即认为大气压为0，如0.1MPa指的是比大气压力高0.1Mpa,那么绝对压力就是201.3KPa,-50KPa指的是比大气压力低50KPa，也就是-51.3KPa

二、气动真空系统的组成

1.气源

产生真空的元件有真空泵和真空发生器。
真空泵：在吸入口形成负压，排气口直通大气，最大真空负压可达-101.3KPa(因为大气压力只有101.3KPa)；
真空发生器：利用告诉流动的压缩空气产生真空的元器件，一般真空度可达-88KPa

2.执行元件

执行元件一般就是真空吸盘，其材料主要分为四种：
丁腈橡胶（NBR）：使用温度为120℃，耐磨性好，耐老化性差，耐油耐酸碱耐水，是行业上使用最为广泛的一款真空吸盘材质；
聚氨酯橡胶（U）：韧性较好，运用温度为60℃，耐磨性好，耐老化性好，耐油性好，耐酸碱耐水性差；
氟橡胶（FKM）：韧性不如上述两种，但是运用温度可高达250℃，用于药品行业；
硅胶（S）：韧性好，适合于转移半导体元件、薄工件、金属成型制品、食品类，十分适于外表粗糙的制品，并且可以保护易碎易坏的产品。

3.其他元件

（1）真空过滤器

真空过滤器：真空过滤器是将从大气吸入的污染物（主要是灰尘）收集起来，防止系统污染，用在吸盘和真空发生器之间

（2）真空压力开关

当实际工作中所产生的真空度达到规定要求时，自动开闭控制电路，发出电信号，指令真空吸附机构正常动作。

（3）单向阀、供给阀、破坏阀

单向阀：防止气体回流，气体只能单向流动，用于维持真空系统的稳定性
供给阀：控制真空发生器，调节系统中的流量、压力和工作位置等参数的阀门。当系统需要增加流量、降低压力时，供给阀会打开，允许介质通过。当系统需要减小流量、增加压力时，供给阀会关闭，阻止介质流过。
破坏阀：破坏真空系统。当系统中介质压力超过安全值时，破坏阀会打开，将多余的流量导向安全区域，以减少系统压力。

应用案例

如上图所示，如果不安装破坏阀，那么由于单向阀的存在，工件不能从真空吸盘中放下，但是如果直接将气源与单向阀下面的线路连接，不安装节流阀增压放下工件，由于气源的压力很大，达到了0.5Mpa,这时工件就会像炮弹一样被轰出去，非常危险，因此需要添加节流阀，与电磁阀共同组成破坏阀来破真空，达到放下工件的目的，由于只需要一点空气就可以，因此节流阀不用开的很大

4.真空发生器及吸盘的选型计算

（1）吸盘的吸附力计算公式

吸盘的吸附力大小主要由吸盘的直径决定，其吸附力计算公式为：

F=P×S×0.1×1/T

1.F：吸附力（N）
2.S:吸盘面积（cm^2）
3.P：真空度（KPa）
4.1/T：安全系数.水平吸附取1/4，垂直吸附取1/8

（2）真空发生器主要参数及选型

①主要参数

最大真空度：指在吸入口被完全封闭（吸盘吸住工件的状态），吸入流量为零，经过一段时间后，达到稳定状态下的真空度，一般真空发生器能达到-88KPa左右的最大真空度，但是需要的时间比较长；
最大吸入流量：指吸入口向大气敞开时，吸入的流量最大。吸入的流量越大，说明吸着的响应时间越短；
吸着响应时间：是指从供给阀（或真空切换阀）切换开始，到吸盘内达到吸着工件所必须的真空度的时间。

真空系统的两个重要的指标是吸附力和吸着响应时间。吸附力关系系统吸取并移动负载的能力，吸着响应时间直接体现设备的效率。吸附力与吸入流量无关

真空度和吸入流量之间的关系：吸入流量与真空度之间的关系即真空发生器的流量特性。利用流量特性可将真空发生器分高真空型和大流量型。一般情况选择高真空型，当真空度要求不高时，可选大流量型以获得更小的吸着响应时间。

②选型计算公式

③案例分析

1.计算吸盘直径
（1）先预选真空度，如果按照最大真空度计算的话，响应时间会很长，因此一般选择最大真空度的63%，让其响应时间在T1范围内进而提高效率：预选真空度为P=63%×88=55Kpa
（2）计算吸盘直径：

经计算需要一个直径为117mm的吸盘，但是吸盘的面积不可能这么大，因此需要多个吸盘共同吸附，假设需要5个吸盘，每个吸盘的面积S5=S/5=21.82cm2
单个吸盘的直径:

取整选择5个直径为50mm的吸盘
2.计算单个吸盘需要的真空压力大小

3.计算真空发生器的平均吸入流量（已知其最大真空度为-88Kpa）
单个吸盘所需真空压力大小占最大真空度为61.15/88=70%，查表可知

4.计算真空发生器的最大吸入流量

5、选型
查询CKD样册可得，采用型号VSC-H10-6A6S，这款最大吸入流量为28L/min

6、实际响应时间