氣動執(zhí)行器與電動執(zhí)行器的運行能耗分析

氣動執(zhí)行器與電動執(zhí)行器的運行能耗分析分析了氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器能量消耗過程，建立了氣動執(zhí)行器運行能耗計算模型，搭建了氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的運行能耗實驗系統(tǒng)。通過實驗數(shù)據(jù)分析，得出兩種執(zhí)行器運行能耗的結(jié)論：在長時間保持負(fù)載或作動不頻繁的工況下，氣動執(zhí)行器比電動執(zhí)行器更節(jié)能，在頻繁作動的工況下，電動執(zhí)行器比氣動執(zhí)行器更節(jié)能;在各種工況下，氣動執(zhí)行器的運行功率波動不大，電動執(zhí)行器的運行功率波動較大。

氣缸驅(qū)動系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代以來就在工業(yè)化領(lǐng)域得到了迅速普及。氣缸適用于作往復(fù)直線運動，尤其適用于工件直線搬運的場合?，F(xiàn)在，氣缸已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中PTP(PointtoPoint)搬運的主流執(zhí)行器。20世紀(jì)90年代開始，電機和微電子控制技術(shù)迅速發(fā)展，使電動執(zhí)行器的應(yīng)用迅速擴大。然而，到現(xiàn)在來看，電動執(zhí)行器在工業(yè)現(xiàn)場并未得到普及，而近幾年，在中國氣缸銷量的年增長速度一直維持20%以上。

電動執(zhí)行器主要用于旋轉(zhuǎn)和擺開工況，用于直線工況的電動執(zhí)行器逐漸增多。電動執(zhí)行器可實現(xiàn)高精度多點定位，氣動執(zhí)行器很難做到。

在氣動執(zhí)行器和電動執(zhí)行器的選擇上，特別是在工業(yè)自動化需求最多的PTP輸送場合，一直沒有充足的數(shù)據(jù)來論述兩者選擇標(biāo)準(zhǔn)。本文從運行能耗的角度探討兩種執(zhí)行器的能量消耗問題。1、兩種執(zhí)行器能量消耗

1.1、氣動執(zhí)行器的能量消耗

氣動執(zhí)行器的能量轉(zhuǎn)換和空氣狀態(tài)變化如圖1。氣動執(zhí)行器運行消耗的是壓縮空氣。壓縮空氣輸送過程中，經(jīng)過節(jié)流閥、管道彎頭等阻性元件后，會有一定的壓力損失。另外由于工廠普遍存在接頭、氣缸或電磁閥處的空氣泄露。盡管安裝時的泄漏量標(biāo)準(zhǔn)低于5%，但很多工廠的泄漏量高達(dá)10%~40%。泄露也將導(dǎo)致一定的壓力損失。

A能量轉(zhuǎn)換b空氣狀態(tài)變化

圖1氣動執(zhí)行器能量轉(zhuǎn)換及空氣狀態(tài)變化

1.2、電動執(zhí)行器的能量消耗

電動執(zhí)行器運行消耗的是電力。它通過電動機(伺服電動機、步進電動機等)驅(qū)動滑動絲杠或滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，帶動絲杠上的螺母轉(zhuǎn)化為直線運動，并推動滑臺沿導(dǎo)軌做旋轉(zhuǎn)或直線運動。

電動執(zhí)行器的系統(tǒng)構(gòu)造如圖2所示。由控制器發(fā)出運動指令給電動執(zhí)行器，實現(xiàn)既定運動。

圖2電動執(zhí)行器的系統(tǒng)構(gòu)成2、運行能耗評價標(biāo)準(zhǔn)

氣動執(zhí)行器消耗的是壓縮空氣，需要將消耗壓縮空氣轉(zhuǎn)化為壓縮機的耗電。而電動執(zhí)行器可采用直接測量得到耗電量，因此可將兩種執(zhí)行器在相同工況下的耗電量作為能耗評價依據(jù)。

2.1、氣動執(zhí)行器空氣消耗量的測量

在氣動實驗系統(tǒng)中，采用先儲氣后供氣的方式：先啟動壓縮機向儲氣罐中充氣，待壓縮空氣到達(dá)一定壓力后停止壓縮機，由儲氣罐對外供氣。

氣動執(zhí)行器的空氣消耗量測量流程：打開截止閥，向儲氣罐中充滿0.75MPa的壓縮空氣;關(guān)閉截止閥，讀取儲氣罐的壓力，檢查是否壓力下降，以防空氣泄露;設(shè)定減壓閥的壓力為0.5MPa，氣動執(zhí)行器往復(fù)動作20次;讀取儲氣罐的最終壓力，結(jié)束測量。

系統(tǒng)中壓縮空氣消耗是一個固定容腔充放氣的過程，可利用差壓法來計算壓縮空氣的消耗量。

將理想氣體狀態(tài)方程兩邊取微分得

式中p為壓力(Pa);V為氣罐和管路的所有容積(m3);m為壓縮空氣的質(zhì)量(kg);T為室溫(K);R為氣體常數(shù)，對空氣R=287N.m/(kg.K)。

式中Qm為質(zhì)量流量(kg/s);Q為體積流量(m3/s);Q0為標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣的密度。

聯(lián)立式(1)～式(3)得流量計算公式：

對式(4)積分得

式中V'為氣動執(zhí)行器的空氣消耗量(m3);p1為氣罐的初始壓力(Pa);p2為氣罐的最終壓力(Pa)。

氣動執(zhí)行器單次往復(fù)的空氣消耗量平均值可通過V'除以作動次數(shù)n計算出來。

2.2、氣動執(zhí)行器的運行能耗計算模型

設(shè)空壓機組(含冷干機)的實際運行功率為Pc(W)，空壓機組的輸出流量為Qc(m3/s)，則空壓機組的比能量為

則氣動執(zhí)行器每次往復(fù)作動耗氣折算成壓縮機的能耗W和平均消耗功率P為

式中：B為空氣泄漏率;f為執(zhí)行器往復(fù)作動頻率。

2.3、運行能耗評價標(biāo)準(zhǔn)

1)以兩種執(zhí)行器在相同工況下工作時的耗電量作為評價基準(zhǔn);

2)承載能力要求相同或相近;

3)水平方向搬運工件時，在相同頻率下測量搬運相同的工件移動相同位移、末端位置保持相同時間往復(fù)一次的能耗;

4)垂直方向搬運工件時，由于工件借助自身重力的影響會向下運動，在相同頻率下測量向上提升相同工件、移動相同位移、末端位置保持一定時間、向下放回工件的能耗。3、運行能耗實驗

3.1、氣動執(zhí)行器

氣動執(zhí)行器運行能耗的實驗系統(tǒng)如圖3。

圖3氣動執(zhí)行器運行能耗實驗系統(tǒng)

1)實驗條件。壓縮機采用型號為Kobelion-AG370AH的神鋼壓縮機。軸功率22.5kW，額定排氣量3.2m3/min;儲氣罐為SMC的兩個10L氣罐;電磁閥選用SMC的SY5120;壓力傳感器采用日本長野計器的KH15-824;可編程控制器選用OMRON的CPM2A;室溫為30℃。

2)負(fù)荷以及作動條件。氣動執(zhí)行器的實驗內(nèi)容有水平搬運和垂直搬運。其負(fù)載和作動條件如下表1～表3所示。

表1氣動執(zhí)行器的試樣與負(fù)荷

注：水平搬運負(fù)荷率為100%，垂直搬運負(fù)荷率50%(p=0.5MPa)。

表2氣動執(zhí)行器水平作動條件

表3氣動執(zhí)行器垂直作動條件

3)實驗數(shù)據(jù)。V'-f曲線如圖4。從圖中可以看出，V'幾乎不依賴于f，近似成直線狀。但有時有大的傾斜，這是因為f過高，未到達(dá)執(zhí)行器末端就返回，造成Vc減少的緣故。

圖4氣動執(zhí)行器V'-f曲線

4)實驗結(jié)果分析。以氣動執(zhí)行器B為例，在水平方向f為15次/min時B往復(fù)作動一次V'為2.1957dm3。由理性氣體狀態(tài)方程得

通過計算，氣動執(zhí)行器B在P1=0.6013MPa時的空氣消耗量為0.3776dm3，其中往復(fù)容積0.2944dm3，管路容積為0.05024dm3，電磁閥容積0.004609dm3，死區(qū)容積為0.02840dm3。

5)氣動執(zhí)行器的能量消耗。利用(6)式得

當(dāng)B取5%，f為15次/min，利用式(7)、式(8)得氣動執(zhí)行器每一次往復(fù)平均能耗和平均消耗功率為

3.2、電動執(zhí)行器

電動執(zhí)行器運行能耗實驗系統(tǒng)如圖5所示。

圖5電動執(zhí)行器運行能耗實驗系統(tǒng)

1)實驗條件。PC主機采用IBM的Thinkpad;A/D板卡采用Interface株式會社GSI-320416;電力測量采用日置電機株式會社的3168型電力計。

2)測定方法。利用電力計測量電動執(zhí)行器和控制器在工作時每秒鐘的功率。測量結(jié)果通過A/D板卡傳送到PC并保存起來，利用積分的方法，將工作時間內(nèi)的功率曲線開展積分就得到電動執(zhí)行器工作這段時間所消耗的電量。

3)負(fù)荷與作動條件。電動執(zhí)行器的負(fù)荷和作動條件如下表4～表6。

表4電動執(zhí)行器和氣動執(zhí)行器對照表

注：Bh，Bv分別為電動執(zhí)行器B的水平、垂直類型。

表5電動執(zhí)行器水平方向負(fù)載和作動條件

表6電動執(zhí)行器垂直方向負(fù)載和作動條件

4)實驗數(shù)據(jù)。電動執(zhí)行器B水平和垂直的功率曲線如圖6。

aBh水平作動頻率為5次/min

bBv垂直作動頻率為5次/min

圖6電動執(zhí)行器Bh和Bv功率曲線

電動執(zhí)行器水平或垂直方向作動過程包含作動階段和保持階段(或待機階段)。電動執(zhí)行器在作動階段，P成尖峰脈沖狀態(tài);在保持階段存在一定的消耗。例如圖6a中，在水平作動時，保持階段消耗的功率為10W左右。

數(shù)據(jù)傳送到PC機后，通過數(shù)值積分方法就可以得到電動執(zhí)行器每次往復(fù)能耗，如圖7所示。

圖7電動執(zhí)行器W-f曲線4、兩種執(zhí)行器的運行能耗分析

通過計算就可以得出兩種執(zhí)行器每次往復(fù)的能耗比照曲線，如圖8、圖9所示。

圖8氣動和電動執(zhí)行器水平方向作動時W曲線

圖9氣動和電動執(zhí)行器垂直方向作動時W曲線從圖8、圖9中可以看出，在水平和垂直方向，氣動執(zhí)行器搬運工件時，W幾乎不依賴于f，各測試點的連線接近水平直線。由于它的能耗只與Vc有關(guān)，它在待機或保持壓力時除少許泄露外沒有消耗，每次消耗量近似相等，因此，氣動執(zhí)行器每次往復(fù)能耗在各種頻率下近似相等。

電動執(zhí)行器在水平和垂直方向W受f影響很大，各測試點的連線成傾斜向下曲線。隨著f的增加，W減少。從圖6可知，電動執(zhí)行器在待機狀態(tài)也有消耗，f越高，待機能耗越少，電