真空發生器的工作原理
真空發生器的工作原理
真空發生器就是利用正壓氣源產生負壓的一種新型，高效，清潔，經濟，小型的真空元器件，這使得在有壓縮空氣的地方，或在一個氣動系統中同時需要正負壓的地方獲得負壓變得十分容易和方便。真空發生器廣泛應用在工業自動化中機械，電子，包裝，印刷，塑料及機器人等領域。真空發生器的傳統用途是吸盤配合，進行各種物料的吸附，搬運，尤其適合于吸附易碎，柔軟，薄的非鐵，非金屬材料或球型物體。在這類應用中，一個共同特點是所需的抽氣量小，真空度要求不高且為間歇工作。筆者認為對真空發生器的抽吸機理和影響其工作性能因素的分析研究，對正負壓氣路的設計和選用有著不可忽視的實際意義。
1 真空發生器的工作原理
真空發生器的工作原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產生卷吸流動。在卷吸作用下，使得噴管出口周圍的空氣不斷地被抽吸走，使吸附腔內的壓力降至大氣壓以下，形成一定真空度。
由流體力學可知，對于不可壓縮空氣氣體(氣體在低速進，可近似認為是不可壓縮空氣)的連續性方程
A1v1= A2v2
式中A1，A2----管道的截面面積，m2
v1，v2----氣流流速，m/s
由上式可知，截面增大，流速減小；截面減小，流速增大。
對于水平管路，按不可壓縮空氣的伯努里理想能量方程為
P1+1/2ρv12=P2+1/2ρv22
式中P1，P2----截面A1，A2處相應的壓力，Pa
v1，v2----截面A1，A2處相應的流速，m/s
ρ----空氣的密度，kg/m2
由上式可知，流速增大，壓力降低，當v2>>v1時，P1>>P2。當v2增加到一定值，P2將小于一個大氣壓務，即產生負壓。故可用增大流速來獲得負壓，產生吸力。
按噴管出口馬赫數M1(出口流速與當地聲速之比)分類，真空發生器可分為亞聲速器管型(M1<1)，聲速噴管型(M1=1)和超聲速噴管型 (M1>1)。亞聲速噴管和聲速噴管都是收縮噴管，而超聲速噴管型必須是先收縮后擴張形噴管(即Laval噴嘴)。為了得到z*大吸入流量或z*高吸入口處壓力，真空發生器都設計成超聲速噴管型。
2 真空發生器的抽吸性能分析
2.1 真空發生器的主要性能參數
?、倏諝庀牧浚褐笍膰姽芰鞒龅牧髁縬v1。
?、谖肓髁浚褐笍奈谖氲目諝饬髁縬v2。當吸入口向大氣敞開時，其吸入流量z*大，稱為z*大吸入流量qv2max。
?、畚肟谔帀毫Γ河洖镻v。當吸入口被完全封閉(如吸盤吸著工件)，即吸入流量為零時，吸入口內的壓力z*低，記作Pvmin。
?、芪憫獣r間：吸著響應時間是表明真空發生器工作性能的一個重要參數，它是指從換向閥打開到系統回路中達到一個必要的真空度的時間。
2.2 影響真空發生器性能的主要因素
真空發生器的性能與噴管的z*小直徑，收縮和擴散管的形狀，通徑及其相應位置和氣源壓力大小等諸多因素有關。圖2為某真空發生器的吸入口處壓力，吸入流量，空氣消耗量與供給壓力之間的關系曲線。圖中表明，供給壓力達到一定值時，吸入口處壓力較低，這時吸入流量達到z*大，當供給壓力繼續增加時，吸入口處壓力增加，這時吸入流量減小。
?、賨*大吸入流量qv2max的特性分析：較為理想的真空發生器的qv2max特性，要求在常用供給壓力范圍內(P01=0.4---0.5MPa)，qv2max處于z*大值，且隨著P01的變化平緩。
?、谖肟谔帀毫v的特性分析：較為理想的真空發生器的Pv特性，要求在常用供給壓力范圍內(P01=0.4---0.5MPa)，Pv處于z*小值，且隨著Pv1的變化平緩。
?、墼谖肟诔惩耆忾]的條件下，對特定條件下吸入口處壓力Pv與吸入流量之間的關系如圖3所示。為獲得較為理想的吸入口處壓務與吸入流量的匹配關系，可設計成多級真空發生器串聯組合在一起。
?、軘U散管的長度應保證噴管出口的各種波系充分發展，使擴散管道出口截面上能獲得近似的均勻流動。但管道過長，管壁摩擦損失增大。一般管工為管徑的6---10倍較為合理。為了減少能量損失，可在擴散管直管道的出口加一個擴張角為6°---8°的擴張段。
?、菸憫獣r間與吸附腔的容積有關(包括擴散腔，吸附管道及吸盤或密閉艙容積等)，吸附表面的泄漏量與所需吸入口處壓力的大小有關。對一定吸入口處壓力要求來說，若吸附腔的容積越小，響應時間越短；若吸入口處壓力越高，吸附容積越小，表面泄漏量越小，則吸著響應時間亦越短；若吸附容積大，且吸著速度要快，則真空發生器的噴嘴直徑應越大。
⑥真空發生器在滿足使用要求的前提下應減小其耗氣量(L/min)，耗氣量與壓縮空氣的供給壓力有關，壓力越大，則真空發生器的耗氣量越大。因此在確定吸入口處壓務值勤的大小時要注意系統的供給壓力與耗氣量的關系，一般真空發生器所產生的吸入口處壓力在20kPa到10kPa之間。此時供華表壓力再增加，吸入口處壓力也不會再降低了，而耗氣量卻增加了。因此降低吸入口處壓力應從控制流速方面考慮。
?、哂袝r由于工件的形狀或材料的影響，很難獲得較低的吸入口處壓力，由于從吸盤邊緣或通過工件吸入空氣，而造成吸入口處壓力升高。在這種情況下，就需要正確選擇真空發生器的尺寸，使其能夠補償泄漏造成的吸入口處壓力升高。由于很難知道泄漏時的有效截面積，可以通過一個簡單的試驗來確定泄漏造成的吸入口處壓力升高。由于很難知道泄漏時的有效截面積，可以通過一個簡單的試驗來確定泄漏量。試驗回路由工件，真空發生器，吸盤和真空表組成，由真空表的顯示讀數，再查真空發生器的性能曲線，可很容易知道泄漏量的大小。
當考慮泄漏時，真空發生器的特性曲線對正確確定真空發生器非常重要。泄有時是不可避免的，當有泄漏時確定真空發生器的大小的方法如下：把名義吸入流量與泄漏流量相加，可查出真空發生器的大小。
3 提高真空發生器吸入流量的方法
3.1 真空發生器分高真空型和高抽吸流量型，前者曲線斜率大，后者平坦。在噴管喉部直徑一定的情況下，要獲得高真空，必然降低抽吸流量，而為獲得大吸入流量，必然增加其吸入口處壓力。
3.2為增大真空發生器吸入流量，可采取設計多級擴大壓管方式。如采取兩個三級擴壓管式真空發生器并聯，如圖所示，吸入流量將再增加一倍。
4 結束語
4.1 真空發生器是一種小巧而經濟的真空產生元件，應用在有正壓氣源的地方，使真空回路極大簡化。因此，有利于降低機器的制造成本，有利于提高機器的可靠性，有利于實現機械的高速化和自動化，具有廣闊的應用前景。
4.2系統設計過程中，應綜合考慮真空發生器的各種性能參數，選擇與系統相匹配的性能指標。一般較佳的供氣供給壓力為：0.4---0.5MPa，吸入口處壓力一般為：20kPa---10kPa。
