氣動系統節能設計及應用

氣壓傳動和控制是生產過程自動化和機械化的最有效手段之一，但其工作介質（壓縮空氣）的制造成本高，能量的利用率又相當低。提高氣動系統使用的經濟性，已成為當前應該重視的問題。
對氣動系統來說，減少耗氣量就是節能。氣動系統的節能可以從幾個方面著手：
（1） 完善氣源系統 要解決氣動系統的節能問題，應從完善氣源系統入手，即從壓縮空氣的生產、處理、輸送、分配的整個氣源系統全盤考慮，采取綜合措施。
結構型式不同的空氣壓縮機生產同樣多的壓縮空氣，由于其效率不一，消耗的能量就有差異。速度型的透平式空壓機的效率低，如把10m3自由空氣壓縮成0.6MPa的壓縮空氣，由排量為1000 m3/h的透平式空壓機生產，耗能1.77kW•h。而生產同樣數量和壓力的壓縮空氣，如用同樣排量的活塞式空壓機生產，僅耗能0.83kW•h。因此，從節能角度出發，空壓機的節能與空壓機的結構型式有關。
在選擇空壓機時，采用具有完善級間冷卻的多極壓縮機可節省能量、提高效率。例如二級壓縮比單級壓縮節能15%以上，三級壓縮比二級壓縮又節能5%~10%。
改變傳統的設計觀念，將全廠集中的由大型空壓機供氣的空壓站，轉變為由在氣動系統附近的分布在廠區內的多臺較小型空壓機供氣更為經濟。例如，由一個空壓站集中供氣，壓縮空氣輸送管道長，沿程壓力損失大，為保證用氣設備有足夠的工作壓力，空壓機出口壓力較高。而用多臺空壓機的供氣系統，空壓機在耗氣車間附近安裝，沿程損失小，可以降低出口壓力。試驗證明僅此一項可節能20%。
空壓機吸入空氣的溫度每增加3℃，就要增加壓縮功約1%。因空壓機房室內溫度均高于室外溫度，因此，空壓機進氣管道應接到室外溫度較低，環境干凈，干燥的地方。在冬季室外比室內溫度低15℃，可節能約5.1%。
使空壓機在生產壓縮空氣時，氣體流經過濾設備的壓力損失小，是氣源系統減少損失的又一個節能因素。所以過濾設備必須保持良好的工作狀態。
消除氣動系統的泄漏，是氣動系統節能的另一個重要措施。泄漏使壓縮空氣的能量白白消耗掉，而使生產成本上升。
（2） 采用氣—電或氣—液復合傳動控制系統，實現節能 由于微電子技術的飛速發展，計算機的應用也進入了氣動控制技術的領域。用于控制氣動執行元件的，由普通氣動元件組成的，復雜的氣動邏輯控制回路，現在已可由微型計算機或可編程序控制器代替。只要編制不同的程序便能實現氣動裝置生產自動化的不同過程。目前，氣動電磁閥的電磁鐵消耗功率大多在1.8W以下，小型閥也有功率僅為0.45W的，直動型閥的功率一般也都小于4W。電磁鐵低功耗的意義不僅僅在于節約電能，提高電磁鐵的可靠性，另一方面也為氣動技術與微電子技術相結合，創造了必要條件。低功耗的氣動元件，作為可編程序控制器直接驅動的元件，實現復雜的大規模程序控制，可獲得很好的節能效果。
（3） 開發節能氣動元件 開發氣動節能元件，可從以下幾方面進行：
減少漏氣，降低能源消耗。開發防泄漏、耐磨性能好的、無給油的材料制成軟密封件。
開發低功耗氣動元件，降低能量消耗。
采用無給油潤滑，使潤滑油消耗減少，改善環境污染。無給油潤滑氣動系統是由過濾器、減壓閥何不供油潤滑的閥類、氣缸組成的系統。無給油潤滑氣動系統所用的工作介質——空氣中不含油霧，排出的廢氣中也不含油霧。無給油潤滑氣動元件是一種在元件中預先注入潤滑脂，可長時間工作而不需補充潤滑脂的氣動元件。無給油潤滑氣動系統中可不設油霧器。無給油潤滑氣動系統簡單、成本低、維修方便，國外設備普遍采用這種系統。這種系統在工作過程中潤滑條件基本不變，也不受外界條件變化的干擾，因而性能穩定，壽命長。
無潤滑氣動系統中的無潤滑氣缸是一種構造特殊，并選用有自潤滑性材料制造的元件，由于材料和制造困難，目前也有應用。
（4） 合理設計氣動系統、擇優選取和合理使用氣動元件，減少耗氣量 把氣動流體力學、氣動系統動力學的理論與實驗相結合，運用計算機仿真技術，可對氣動系統進行優化設計，擇優選取最佳參數。例如氣缸的公稱直徑是按公比1.25的等比級數分檔的，如把氣缸直徑隨意的擴大一個檔次，則耗氣量要增大56%。若行程再增加，耗氣量還將增加。所以參數的擇優選取對節能是十分重要的。合理使用元件也是節能的措施，例如對短行程的氣缸，使用單作用彈簧復位的氣缸，顯然較雙作用氣缸節省壓縮空氣，減少了耗氣量。
（5） 在氣動系統中使用不同的工作壓力 氣動系統重要的節能途徑之一是對系統的不同部分根據不同情況使用不同的工作壓力。例如，對氣壓傳動系統供給高壓氣源，對氣動控制系統供給低壓氣源；在氣缸克服外負載的工作行程供給高壓氣源，無外負載的行程供給低壓氣源，可獲得可觀的節能效益。有關資料介紹使正行程用高壓氣源，回程用低壓氣源（0.1~0.2MPa表壓），可節能25%~35%。
（6） 重復利用無桿腔中的有壓空氣使活塞返回，變雙程耗氣為單程耗氣。
生產實踐中廣泛使用的氣缸，許多是正行程有外加負載，回程只需克服自身的摩擦力。對這種系統把活塞桿伸出后無桿腔中的有壓氣體用于活塞的退回，使原雙程耗氣改為單程耗氣，可達到節能近50%的效果。
氣動技術的應用
氣動執行元件主要用于作直線往復運動。在工程實際中，這種運動形式應用最多，如許多機器或設備上的傳送裝置、產品加工時工件的進給、工件定位和夾緊、工件裝配以及材料成形加工等都是直線運動形式。但有些氣動執行元件也可以作旋轉運動，如擺動氣缸（擺動角度可達360°）。在氣動技術應用范圍內，除個別情況外，對完成直線運動形式來說，無論是從技術還是從成本角度看，全機械涉筆都無法與氣動設備相比。
（從技術和成本角度看，氣缸作為執行元件是完成直線運動的最佳形式，如同用電動機來完成旋轉運動一樣。）
在氣動技術中，控制元件與執行元件之間的相互作用是建立在一些簡單元件基礎上的。根據任務要求，這些元件可以組合成多種系統方案。由于氣動控制使機構或設備的機械化程度大大提高，并能夠實現完全自動化，因此，氣動技術在“廉價”自動化方面做出了重大貢獻。實際上，單個氣動元件（如各種類型氣缸和控制閥）都可以看成是模塊式元件，這是因為氣動元件必須進行組合，才能形成一個用于完成某一特定作業的控制回路。廣義上講，氣動設備可以應用于任何工程領域。氣動設備常常是由少量氣動元件和若干個氣動基本回路組合而成的。
氣動控制系統的組成具有可復制性，這為組合氣動元件的產生與應用打下了基礎。一般來說，組合氣動元件內帶有許多預定功能，如具有12步的氣-機械步進開關，雖然被裝配成一個控制單元，但卻可用來控制幾個氣動執行元件。間歇式進料器也常作為整個機器的一個部件來提供。這樣就大大簡化了氣動系統的設計，減少了設計人員和現場安裝調試人員的工作量，使氣動系統成本大大降低。
采用氣動技術解決工業生產中的問題時，其特征是靈活性強，既適用于解決某種問題的氣動技術方案，也適用于解決其它場合的相同或相似的問題。
既然空氣動力在氣源與完成各種操作的工位之間不需要安裝復雜的機械設備，因此，在各工位相距較遠的場合應用氣動技術是再合適不過了。對于需要高速驅動情況，優先選擇全氣動設備是合適的。氣-液進給裝置作為特殊元件可以應用在機床上。在各種材料的操作過程中，很少要求各順序動作具有較高的進給精度，且在這些操作中設計的力也較小，因此，采用氣動技術不僅可以完成這些操作，而且進給精度不會超越其技術允許范圍，當然個別情況應除外。
為完成生產加工中的多種作業，除了在標準設備上應用外，氣動技術還應用于一些輔助設備和專用機床上。在工程實際中往往有許多基本設備，這些設備或者直接用于生產，或者作為一種必不可少的輔助設備。從技術和經濟角度來看，實現這些設備機械化需要一些簡捷的元件，而氣動技術恰好能夠滿足這個要求。
除了通過機械化來達到降低成本、提高生產率的目的外，在實際工程中，決定采用氣動技術主要是由于其具有結構簡單、事故少、可用于易燃易爆和有輻射危險場合等特點?？v觀整個生產加工過程，有許多要掌握的技術問題，但這些技術問題在不同工程領域中是相似或相同的。同樣，對相同或相似的技術問題，若采用氣動技術作為其解決方案，也存在著不同領域技術上的重復問題。因此，若給出各種合理應用準則，那么，在工業部門的許多領域中，就可以廣泛應用氣動技術，以提供功能強大、成本低、效率高的控制和驅動。
在應用氣動技術時，首先應考慮從信號輸入到最后動力輸出的整個系統，盡管其中某個環節采用某項技術更合適，但最終決定選擇哪項技術完全是基于所有相關因素的總體考慮。例如，雖然產生壓縮空氣的成本較高，但在最后分析論證技術方案時，其并不是主要的決定因素。有時對于要完成的任務來說，力和速度的無級控制才是更重要的因素。另外，系統掌握容易、結構簡單或操作方便以及綜合考慮整個系統的可靠性和安全性有時是更重要的決定因素。除此之外，系統維護保養也是決不可忽視的決定因素。