CN117094092A - 一种气动频率比节能设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于频率比的气动系统节能设计方法，包括：结合固有频率思想，定义气动系统频率比；从系统共振的角度出发，得到气动频率比选型出的气缸选型特征方程和换向阀选型特征方程，使得气动元件的气缸和阀最具节能特性。本发明的技术方案解决了现有技术中的气动系统元件设计与选型存在冗余，导致系统能耗较大的问题。本发明的优点是：已知气动系统的任务参数和供气压力Ps、负载质量m、动作行程L和全行程时间Tf，给定气动功率比Ω，即可确定气缸及换向阀的尺寸，使得气动元件选型更利于节能需求。

Description

一种气动频率比节能设计方法
技术领域
本发明涉及气动系统选型设计技术领域，具体而言，尤其涉及一种气动频率比节能设计方法。
背景技术
随着全球气候变化对人类社会构成严重威胁，目前越来越多的国家提出了无碳未来的愿景。气动技术是当前机械，尤其是自动化领域中开发速度最高的关键技术之一。由于气动系统具有构造简易、应用维修简单、产品成本低、运行寿命长等优势，在制造业、机械、冶金、石油、农业机械等行业的各领域中已获得了广泛应用，但由于气体存在泄露、可压缩性等特点，往往造成能源浪费。
气缸被广泛用作工业自动化过程中点对点运动的执行器，在进行系统设计时，由于气缸的缸径是按照公比为1.25的等比级数分档的，当选取的气缸缸径增大一档，耗气量会随之增加；当行程再增加时，耗气量也会增大，所以对于气动元件合理选择，对节能是非常有意义的。然而，对于典型双作用点对点动作回路在给定任务需求时，来确定气动系统元件尺寸的现有技术非常有限，气动系统选型节能设计，并没有得到应有的重视。气动系统元件的选型不仅要求执行元件到达行程终点无冲击现象和撞击噪声，并且为了保证所需的速度并避免过多的动作时间，气缸直径和管道系统元件尺寸往往选择过大，这增加了执行元件、控制元件和管道的尺寸，增加了成本，也增加了机器的气体消耗和操作成本。从气动系统设计的角度来看，在给定运动任务下，确定气缸、阀的尺寸方面已经取得了一定的成果，但是缺少较为精确的选型计算公式。
发明内容
根据上述提出的技术问题，提供一种气动频率比节能设计方法。本发明能够根据任务需求即可选型出气缸和阀，使得气动系统更具节能特性。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于频率比的气动系统节能设计方法，包括：
结合固有频率思想，定义气动系统频率比；
从系统共振的角度出发，得到气动频率比选型出的气缸选型特征方程和换向阀选型特征方程，使得气动元件的气缸和阀最具节能特性。
进一步地，所述结合固有频率思想，定义气动系统频率比，包括：
将水平放置的典型气动系统的气缸两腔室均等效为一个弹簧，则气动系统转化成一个弹簧振子系统，根据气动系统固有频率和运行频率的比例关系定义气动频率比。
进一步地，所述根据气动系统固有频率和运行频率的比例关系定义气动频率比，具体公式如下：
其中，Ω表示气动频率比，ω表示气动系统固有频率，ωf表示气动系统运行频率，Tf表示气缸动作的全行程时间。
进一步地，所述气缸选型特征方程，具体如下：
其中，Ak表示双作用气缸的等效作用面积，m表示负载质量，L表示动作行程，ps表示供气压力。
进一步地，所述换向阀选型特征方程，具体如下：
其中，HC表示计算系数。
进一步地，所述计算系数HC，具体设置如下：
对于进气腔a，计算系数其中，HCa表示进气腔a的计算系数，p0表示外界环境压力，/>表示流函数，pa表示a腔室的压力，b表示腔室名称；
对于进气腔b，计算系数其中，HCb表示进气腔b的计算系数，H(t)表示排气腔压力pb的大小跟进气腔压力pa的大小的相关系数。
所述从系统共振的角度出发，具体包括：
让新的输入频率即运行频率等于原有气动系统的固有频率，其中：
运行频率为：原有气动系统的固有频率为：/>
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的基于频率比的气动系统节能设计方法，根据任务需求，给定气动频率比，在满足气动动作系统稳定性要求的前提下，采用元件尺度优化的气动系统节能设计方法，不仅能够最大限度的降低气动企业生产运行成本，也对实现无碳未来工作具有明显的促进意义。
基于上述理由本发明可在气动系统选型设计等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明实施例提供的一种气动系统气动回路原理图。
图3为本发明实施例提供的另一种气动系统气动回路原理图。
图中：1、气源；2、过滤器；3、减压阀；4、三位五通阀；5、第一单向节流阀；6、第二单向节流阀；7、气缸；8、负载。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明提供了一种基于频率比的气动系统节能设计方法，包括：
S1、结合固有频率思想，定义气动系统频率比；
S2、从系统共振的角度出发，得到气动频率比选型出的气缸选型特征方程和换向阀选型特征方程，使得气动元件的气缸和阀最具节能特性。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中，结合固有频率思想，定义气动系统频率比，包括：
将水平放置的典型气动系统的气缸两腔室均等效为一个弹簧，则气动系统转化成一个弹簧振子系统，根据气动系统固有频率和运行频率的比例关系定义气动频率比。
在本实施例中，系统的刚度是空气可压缩产生的，弹簧的刚度k由有杆气缸所受合力的刚度计算，刚度表达式为：假设采用无杆气缸，死区长度相等。由于研究无杆气缸系统为动力自由度数1的气动系统，因此，该系统的固有频率可表示/>系统频率与周期的关系ω＝2π/T，得到无杆气缸气动系统的固有频率为：/>同理，得到有杆气缸的固有频率为：又由于/>与/>大约相差0.061，差值不大，故有杆气缸系统的固有频率表达式可近似用无杆气缸系统的固有频率表示。由于无杆气缸的尺寸存在以下关系Vc+Vd＝Ak(lc+2ld)，lc+2ld＝L，故气动系统的固有频率为：/>
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述根据气动系统固有频率和运行频率的比例关系定义气动频率比，具体公式如下：
其中，Ω表示气动频率比，ω表示气动系统固有频率，ωf表示气动系统运行频率，Tf表示气缸动作的全行程时间。
在本实施例中，由于气动系统周期和全行程时间同大同小，故所述气动频率比可表示为：将此关系式用符号Ω表示固有系统和运行系统的频率比，定义此关系为一个新名称—气动频率比，用来表达加入新元器件后的输入频率与气动系统原有固有频率的关系，并得到包含所有的气动系统应用参数和选型参数的特征方程为：
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，在所述步骤S2中，所述从系统共振的角度出发，具体包括：
让新的输入频率即运行频率等于原有气动系统的固有频率，其亲和性好，更具节能特性，其中：
运行频率为：原有气动系统的固有频率为：/>
在本实施例中，气动系统的运行频率，气动系统的固有频率和周期的关系为ω＝2π/T，当周期减小时，一方面，说明气动系统的固有频率是提高的；另一方面，说明气动系统的运行时间减小。假设该系统动作频率与全行程时间也存在如下关系：其中，ωf为气动系统的运行频率，Tf为气缸动作的全行程时间。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2中，所述气缸选型特征方程，具体如下：
其中，Ak表示双作用气缸的等效作用面积，m表示负载质量，L表示动作行程，ps表示供气压力。
在本实施例中，如果已知任务参数，给定气动频率比Ω，就可以根据等效作用面积选型出气缸。具体对无杆气缸对有杆气缸/>0.12D2＝d2；D为气缸缸径，d为活塞杆直径。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述换向阀选型特征方程，具体如下：
其中，HC表示计算系数。
在本实施例中，所述计算系数HC，具体设置如下：
对于进气腔a，计算系数其中，HCa表示进气腔a的计算系数，p0表示外界环境压力，/>表示流函数，pa表示a腔室的压力，b表示腔室名称；
对于进气腔b，计算系数其中，HCb表示进气腔b的计算系数，H(t)表示排气腔压力pb的大小跟进气腔压力pa的大小的相关系数。
实施例
本发明基于搭建的气动回路实验台，进行了气动频率比的实验验证，通过LabVIEW软件进行数据采集和控制程序的设计。对于不同任务需求，验证了相同气动频率比和基于整数的气动频率比，气动系统的动力学特性相似，说明气动频率比是影响系统动力学的特征因子。对于相同的任务需求，验证了基于最佳气动频率比选型方法比传统选型方法更节能，大约节省25.96％的压缩空气。
本发明的目的是提供一种气动频率比的节能设计方法，用于气动系统选型设计，以解决气动系统元件设计与选型存在冗余，导致系统能耗较大问题。本发明方法的提出用于典型气动回路，如图2、3所示，为典型气动回路原理图，包括有杆气缸和无杆气缸两个气动系统。该气动回路中，标号7表示无杆气缸和有杆气缸，两个气缸均水平固定放置；第一单向节流阀5和第二单向节流阀6控制活塞速度快慢。
综上，应用本发明的技术方案，在给定任务需求即可选型出气缸和阀，使得气动系统更具节能特性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于频率比的气动系统节能设计方法，其特征在于，包括：
结合固有频率思想，定义气动系统频率比；
从系统共振的角度出发，得到气动频率比选型出的气缸选型特征方程和换向阀选型特征方程，使得气动元件的气缸和阀最具节能特性。
2.根据权利要求1所述的基于频率比的气动系统节能设计方法，其特征在于，所述结合固有频率思想，定义气动系统频率比，包括：
将水平放置的典型气动系统的气缸两腔室均等效为一个弹簧，则气动系统转化成一个弹簧振子系统，根据气动系统固有频率和运行频率的比例关系定义气动频率比。
3.根据权利要求2所述的基于频率比的气动系统节能设计方法，其特征在于，所述根据气动系统固有频率和运行频率的比例关系定义气动频率比，具体公式如下：
其中，Ω表示气动频率比，ω表示气动系统固有频率，ωf表示气动系统运行频率，Tf表示气缸动作的全行程时间。
4.根据权利要求1所述的基于频率比的气动系统节能设计方法，其特征在于，所述气缸选型特征方程，具体如下：
其中，Ak表示双作用气缸的等效作用面积，m表示负载质量，L表示动作行程，ps表示供气压力。
5.根据权利要求1所述的基于频率比的气动系统节能设计方法，其特征在于，所述换向阀选型特征方程，具体如下：
其中，HC表示计算系数。
6.根据权利要求5所述的基于频率比的气动系统节能设计方法，其特征在于，所述计算系数HC，具体设置如下：
对于进气腔a，计算系数
其中，HCa表示进气腔a的计算系数，p0表示外界环境压力，表示流函数，pa表示a腔室的压力，b表示腔室名称；
对于进气腔b，计算系数
其中，HCb表示进气腔b的计算系数，H(t)表示排气腔压力pb的大小跟进气腔压力pa的大小的相关系数。
7.根据权利要求1所述的基于频率比的气动系统节能设计方法，其特征在于，所述从系统共振的角度出发，具体包括：
让新的输入频率即运行频率等于原有气动系统的固有频率，其中：
运行频率为：原有气动系统的固有频率为：/>
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