新型流量自调式节能真空发生器的研究

摘要

真空吸取作为气动自动化作业的一种方式，已在气动系统中得到了广泛的应用。射流式真空发生器是局部配置、间歇工作的真空吸取装置的核心元件。但是，普通的射流式真空发生器由于在工作时需要持续定量供气，空气消耗量很大，相应的能量消耗也很大。因此，研究开发一种既能实现真空快速响应，又能降低耗气量的流量自调式真空发生器具有重要的学术意义和实际的应用需求。围绕这一目标，论文在新型流量自调式射流真空发生器的结构、调节元件驱动技术、流场物理模型和数值分析以及试验等关键技术方面进行了深入研究并取得了相应成果。 论文首次提出并实现了一种带可调锥的流量自调式射流真空发生器的新构想，通过调节可调锥的工作位置来调节真空喷管喉部的有效截面积，以实现对供气流量的调节，达到节能的目的。围绕着这一创新构想，研究并实现了流量自调式真空发生器的总体结构，包括可调锥部件、调节驱动部件、气-磁驱动部件等结构，在结构上满足了流量调节和耗气量降低的功能需求。 提出并实现了直接利用真空压力获得驱动力的真空反馈-压差致动的驱动力源技术方案以及分隔式共轴环芯气-磁驱动技术方案，解决了高压腔与常压腔之间因密封需求而带来的非接触式驱动的技术问题。为了合理地确定分隔式气-磁驱动结构的设计参数，建立了气-磁驱动结构的动力学模型，通过理论分析和试验获得了该结构主要设计参数及性能参数间的匹配关系。对分隔式气-磁驱动结构进行的性能测试结果表明，所设计的气-磁驱动结构的磁驱动起动时间约为0.06 s，可以满足流量调节元件对调节时间的要求。 为了获得设置可调锥后流道内流场参数，合理设计新型真空发生器的相关结构参数，对新结构真空发生器气动理论模型进行了研究，并利用计算流体力学的方法对该型真空发生器变截面流道的二维流场进行了深入的分析，获得了变截面流道结构参数以及可调锥工作状态参数对该型真空发生器流道内超音速流场的影响规律，在此基础上对变截面流道结构尺寸和可调锥工作参数进行了改进，仿真和试验结果显示出了理论分析和改进工作的相应成效。 对流量自调式真空发生器进行了原理性验证和基本特性测试，试验结果表明：与普通真空发生器相比在真空产生阶段流量自调式真空发生器具有基本相同的真空响应特性，在真空维持阶段其供气流量明显降低。以真空喷管直径为2mm的流量自调式真空发生器为例，当供气压力为0.55 MPa、被抽真空容积为1 L时，其真空响应时间约为1.25 s，真空维持阶段的供气流量比普通真空发生器节省约14.8％。试验的原型流量自调式真空发生器在真空响应时间和极限真空度方面与目前国际上具有代表性的真空发生器的相应参数大致相当，但耗气量比之有了显著降低，显示出了很好的发展应用前景。所研发的流量自调式射流真空发生器已申请了国家发明专利(专利申请号200610040832.1)。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：注释表

声明

1绪论

1.1研究背景和意义

1.2射流式真空发生器真空系统节能研究现状分析

1.2.1单一喷嘴射流式真空发生器内部流道的结构优化研究

1.2.2多喷嘴串联式真空发生器的研究

1.2.3设计节能的真空集成元件

1.2.4多喷嘴并联式真空发生器的研究

1.2.5复合喷嘴式真空发生器的研究

1.2.6容积式真空发生器的研究

1.3射流式真空发生器流场数值计算的研究现状分析

1.4非接触磁力驱动技术的研究现状

1.4.1磁力驱动的技术基础

1.4.2磁力驱动技术的典型应用

1.5面临的问题

1.6论文的主要研究内容

2流量自调式射流真空发生器总体技术及结构研究

2.1技术需求和难点分析

2.1.1技术需求分析

2.1.2流量调节的可行途径

2.1.3技术难点分析

2.2关键技术问题的研究

2.2.1真空检测-压差致动技术方案

2.2.2共轴环-芯结构气-磁驱动方案

2.3流量自调式射流真空发生器的总体结构研究

2.3.1流量自调式真空发生器的结构

2.3.2工作过程分析

2.4本章小结

3分隔式气-磁驱动技术研究

3.1共轴环芯分隔式气-磁驱动结构的动力学模型

3.2气-磁驱动的磁力分析

3.2.1无源恒定磁场分析基本方程

3.2.2共轴环芯结构磁耦合力分析

3.3气-磁驱动技术的基本要素试验

3.3.1磁环非接触式位移测量

3.3.2共轴环-芯磁驱动力的测试

3.3.3共轴环芯磁驱动结构基本特性试验及分析

3.4本章小结

4流量自调式真空发生器的数学建模及仿真研究

4.1 流量自调式真空发生器的数学模型

4.1.1理想气体流过收缩喷管的流量特性

4.1.2真空发生器气体流动的一维模型研究

4.1.3流量自调节部件的理论模型

4.1.4拉瓦尔喷管喉部的有效截面积

4.1.5真空腔内的真空响应分析

4.1.6真空发生器的空气消耗量

4.2仿真研究

4.3本章小结

5流量自调式真空发生器流场的数值模拟研究

5.1控制方程

5.2真空发生器变截面流道流场的数值模拟研究

5.2.1计算模型及网格划分

5.2.2无可调锥时内部流道流场的数值模拟分析

5.2.3真空产生阶段自调式真空发生器内部流道流场的数值模拟分析

5.2.4主要结构参数对流量自调式真空发生器性能的影响

5.3可调锥的调节策略研究

5.3.1 可调锥不同位置下真空发生器的流场分析

5.3.2流场中流动气体对可调锥的作用力

5.4本章小结

6流量自调式真空发生器的试验研究

6.1流量自调式真空发生器的样机及试验系统

6.2气-磁驱动结构主要设计参数的匹配关系试验研究

6.3可调锥调节策略的试验验证

6.4整机性能测试研究及结果分析

6.4.1工作性能分析

6.4.2节能效果

6.5本章小结

7结论和展望

7.1结论

7.2展望

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及申请的专利