氣壓傳動系統排氣回收節能技術

第1章緒論1
11氣壓傳動系統節能的研究背景和意義1
12氣壓傳動系統排氣節能研究現狀3
121將排氣能量轉換成其他形式能量的節能研究狀況3
122設計節能回路減少排氣腔耗氣量以實現節能的研究狀況4
123氣罐式排氣回收節能研究狀況6
13有待研究解決的問題8
131氣罐式排氣回收節能技術8
132微型排氣回收高效節能渦輪發電再利用技術10
 
第2章排氣回收控制系統的數學建模及模擬11
21功率鍵合圖法的基本思想及其在氣動系統模擬領域的實現11
22氣罐式排氣回收控制系統鍵合圖模型的建立15
221排氣回收系統的工作原理16
222系統鍵圖模型的建立17
23氣罐式排氣回收控制系統數學模型的建立22
231能量方程23
232氣缸活塞的運動方程23
233流量方程24
24氣罐式排氣回收系統模擬模型的建立與實驗驗證26
241模擬模型的建立27
242模擬模型的實驗驗證27
25微型排氣回收渦輪發電系統相關數學模型的建立與實驗驗證30
251基於AMESim的氣動系統動態特性數學模型的建立30
252AMESim模擬模型的實驗驗證31
253渦輪葉片受力模型的建立32
254微型渦輪輸出轉矩分析34
26小結36
 
第3章排氣回收節能系統基本特性的實驗37
31實驗內容及方法37
311氣罐式排氣回收實驗台搭建37
312氣罐式排氣回收節能實驗內容39
313微型排氣回收渦輪發電系統實驗台搭建39
314微型排氣回收渦輪發電系統實驗內容41
315實驗資料處理41
32氣罐式排氣回收時對氣缸動態特性的影響44
321對氣缸兩腔壓力的影響44
322對氣缸活塞運動特性的影響47
33氣罐式排氣回收切換控制壓差的理論分析50
331數學模型的簡化51
332回收系統中影響氣缸動態特性的因素分析52
333排氣回收切換控制壓差的推導57
34氣罐式排氣回收切換控制壓差的實驗59
341實驗內容及方法59
342實驗結果及分析59
35氣罐式排氣回收切換控制判據及控制策略分析62
36微型渦輪發電系統對氣缸動態特性的影響62
361不同氣源壓力下對氣缸兩腔壓力的影響62
362不同氣源壓力下對氣缸活塞運動特性的影響64
37小結65
 
第4章排氣回收裝置的設計與實驗66
41氣罐式排氣回收控制裝置的設計與實驗66
411定差減壓閥控制裝置66
412差壓開關控制裝置70
413氣罐式排氣回收控制裝置的比較分析72
42微型排氣回收渦輪發電裝置的設計與實驗74
421氣缸排氣側衝擊能量的分析75
422微型渦輪發電系統的性能需求分析76
423微型渦輪發電系統的方案設計77
424微型渦輪發電裝置的詳細結構設計與優化78
425微型渦輪輸出特性數值模擬80
426微型蝸殼結構優化設計分析83
427微型渦輪系統發電的特性86
428微型渦輪發電系統結構優化設計89
43小結91
 
第5章排氣回收系統回收效率的評價方法93
51氣罐式排氣回收系統的能量傳遞和轉換過程分析93
52氣罐式排氣回收效率評價方法的理論分析94
521氣缸排氣腔初始能量分析94
522回收能量分析95
523氣缸驅動腔能耗增加率的理論分析及實驗97
524排氣回收效率的評價方法101
53氣罐式排氣回收效率的實驗101
54微型排氣回收渦輪發電系統轉換效率的分析103
541輸入能量分析103
542輸出能量分析104
543微型渦輪發電系統效率計算105
544效率實測分析105
55小結106
後記總結與展望108
 
附錄Matlab/Simulink模擬程式110
參考文獻114

氣缸作為氣動系統中最重要的執行元件在工廠、企業中得到了廣泛的應用。但氣缸完成一個工作行程後，原工作腔內的氣體要排向大氣，放掉的這部分有壓空氣仍然具備做功的能力，若能加以回收利用，對整個工業系統來說，具有重大的節能意義。但若直接用一氣罐與氣缸排氣腔相連進行排氣回收，經過幾個工作迴圈後，氣罐內壓力逐漸升高，可能會對執行元件的運動特性產生不利影響；而若在氣缸等執行元件排氣側直接接一微型渦輪發電裝置進行能量回收再利用，亦可能會對執行元件的原有動態特性產生影響。針對這些問題，本書給出了兩種技術方案，既能對執行元件排氣側壓縮空氣的壓力能盡可能多地回收利用，又對原有系統的動態特性影響較小。為此，本書對氣壓傳動系統排氣回收節能所涉及的關鍵技術問題的深度理論分析和實驗研究成果進行了全面闡述，提出了兩種創新性的氣缸排氣能量回收技術途徑。
 
是通過附加排氣回收控制裝置將氣缸排氣腔的有壓空氣回收到氣罐中，並作為中壓氣源再利用，以實現節能。首先，研究了一種高效的、適合於工業應用的回收系統組成形式；然後建立了相應的系統數學模型；並通過模擬和實驗，分析了系統實現所要解決的關鍵性控制技術問題。為了獲得關鍵性的控制技術指標以控制排氣回收過程的起、停切換，給出了氣缸排氣回收切換控制判據及控制策略。首先，在對排氣回收控制過程進行理論分析的基礎上，推導出了排氣回收切換控制壓差的理論運算式。分析表明，排氣回收切換控制壓差與氣源壓力等參數有關，氣源壓力為 0.2~0.5 MPa 排氣回收時，其變化值約為 0.02~0.05 MPa；另外，為了簡化回收控制策略和控制裝置，且使控制壓差更加可靠、適用，在實際應用中，建議切換控制壓差取一固定值 0.05 MPa，並將該值作為排氣回收切換控制判據，這為排氣回收控制裝置的設計及工程實際應用打下了基礎。此外，為了實現排氣回收切換控制過程，且使排氣回收控制裝置能夠在實際中便於推廣應用，根據氣缸排氣回收控制判據及控制策略的分析，分別設計了定羞減壓閥控制和差壓開關控制兩種排氣回收控制裝置。實驗結果表明，差壓開關控制裝置相對較好。最後，為了分析排氣回收控制系統的回收效果，提出了系統排氣回收效率的評價方法。分析表明，系統排氣回收效率與氣罐內的初始回收壓力等參數有關；然後應用該評價方法對排氣回收系統的回收效率進行了實測計算。實測計算結果表明，排氣回收系統可實現較高的回收效率，如氣源壓力為 0.5 MPa，回收氣罐內的初始壓力在 0~0.3 MPa 排氣回收時，系統排氣回收效率可達 80%以上。
 
二是設計了微型排氣回收高效節能渦輪發電系統，將執行元件排氣腔的壓力能轉換為電能進行儲存、利用。首先，分析了常規氣壓傳動系統的充排氣特性，建立了氣動系統數學模型以及 AMESIM 模擬模型：通過理論分析以及大量的實驗驗證，利用 Solidworks 設計了微型渦輪排氣回收裝置的三維結構以及該裝置與原氣動系統的連接通用介面；為了分析渦輪發電裝置的發電特性以及對其進行改進優化設計，利用 ANSYS/ FLUENT 對微型渦輪及蝸殼進行了流場分析和強度校核，分析了不同渦輪結構、葉片數量以及入口導流形式等對渦輪輸出轉矩的影響規律，定量給出了渦輪葉片數量與輸出轉矩之間的對應關係；對附加微型渦輪發電裝置的氣動系統進行實驗，驗證了所建立的數學模型及模擬模型的有效性，揭示了在不同工作壓力下氣缸運動特性及微型渦輪發電裝置的起動特性和發電特性，為微型排氣回收高效節能渦輪發電裝置作為節能附件應用到氣動系統中打下了基礎。
 
綜上，上述兩種氣缸排氣能量回收裝置不僅節能效果顯著，且具有良好的應用前景
 
由於時間倉促，作者水準有限，書中錯誤在所難免，敬請批評指導。
 
石運序