排气回收控制系统的研究与开发

论文摘要

气缸作为气动系统中最重要的执行元件在工厂、企业中得到了广泛的应用。但气缸完成一个工作行程后，原工作腔内的气体要排向大气，放掉的这部分有压空气仍然具备作功的能力，若能加以回收利用，对整个工业系统来说，具有重大的节能意义。但如果直接用一气罐与气缸排气腔相连进行排气回收，经过几个工作循环后，气罐压力逐渐升高，可能会对气缸活塞的运动特性产生不利影响。针对这些问题，论文研究了一种新的技术方案，既能对气缸排气腔压缩空气尽可能多的回收，又对气缸运动特性影响较小。为此，论文对所涉及的关键技术问题进行了深入的理论分析和实验研究。 论文提出了一种创新性的气缸排气能量回收技术途径：通过附加排气回收控制装置将气缸排气腔的有压空气回收到储气罐中，并作为中压空气源再利用，以实现节能。首先，研究了一种高效的、适合于工业应用的回收系统组成形式；然后建立了相应的系统数学模型；并通过仿真和实验，分析出了系统实现所要解决的关键性的控制技术问题。这为下一步研究排气回收控制判据及排气回收效率的评价方法奠定了基础。 为了获得关键的控制技术指标以控制排气回收过程的启、停切换，论文给出了气缸排气回收切换控制判据及控制策略。首先，在对排气回收控制过程理论分析的基础上，推导出了排气回收切换控制压差的理论表达式，分析表明，排气回收切换控制压差与气缸使用压力等参数有关，气缸使用压力为0.2MPa～0.5MPa排气回收时，其变化值约在0.02MPa～0.05MPa之间；另外，为了简化回收控制策略和控制装置，且使控制压差更加可靠、适用，在实际应用中，建议切换控制压差取一固定值0.05MPa，并将该值作为排气回收切换控制判据，这为排气回收控制装置的设计及工程实际应用打下了基础。 此外，为了实现排气回收切换控制过程，且使排气回收控制装置能够在实际中便于推广应用，根据气缸排气回收控制判据及控制策略的分析，分别设计了定差减压阀控制和差压开关控制的两种排气回收控制装置，实验结果表明，差压开关控制装置相对较好。 最后，为了分析排气回收控制系统的回收效果，提出了系统排气回收效率的评价方法。分析表明，系统排气回收效率与气罐初始回收压力等参数有关；然后应用该评价方法对排气回收系统的回收效率进行了实测计算，结果表明，排气回收系统可实现

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 注释表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 气缸排气节能研究现状
• 1.2.1 将排气能量转换成其他形式能量的节能研究状况
• 1.2.2 设计节能回路减少排气腔耗气量以实现节能的研究状况
• 1.2.3 气罐回收节能研究状况
• 1.3 有待研究解决的问题
• 1.3.1 排气回收控制判据的研究
• 1.3.2 排气回收控制装置的设计
• 1.3.3 系统排气回收效率的评价方法分析
• 1.4 本文的研究内容
• 2 排气回收控制系统的键合图建模及仿真研究
• 2.1 功率键合图法的基本思想及其在气动系统仿真领域的实现
• 2.2 排气回收控制系统键合图模型的建立
• 2.2.1 排气回收系统的工作原理
• 2.2.2 系统键图模型的建立
• 2.3 排气回收控制系统数学模型的建立
• 2.3.1 能量方程
• 2.3.2 气缸活塞的运动方程
• 2.3.3 流量方程
• 2.4 排气回收系统仿真模型的建立
• 2.4.1 仿真模型的建立
• 2.4.2 仿真模型的实验验证
• 2.5 本章小结
• 3 排气回收控制系统基本特性实验研究
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验内容及方法
• 3.2.1 实验内容
• 3.2.2 实验数据处理
• 3.3 附加排气回收装置后对气缸动态特性的影响
• 3.3.1 对气缸腔室压力的影响
• 3.3.2 对气缸活塞运动特性的影响
• 3.4 本章小结
• 4 排气回收控制判据及控制策略研究
• 4.1 排气回收切换控制压差的理论分析
• 4.1.1 数学模型的简化
• 4.1.2 回收系统中影响气缸动态性能的因素分析
• 4.1.3 排气回收切换控制压差的推导
• 4.2 排气回收切换控制压差的实验研究
• 4.2.1 实验内容及方法
• 4.2.2 实验结果及分析
• 4.3 气缸排气回收切换控制判据及控制策略分析
• 4.4 本章小结
• 5 排气回收控制装置的设计与实验研究
• 5.1 排气回收控制装置的设计
• 5.1.1 定差减压阀控制装置
• 5.1.2 差压开关控制装置
• 5.2 控制装置的比较分析
• 5.3 本章小结
• 6 排气回收系统回收效率的评价方法研究
• 6.1 排气回收系统的能量传递和转换过程分析
• 6.2 排气回收效率评价方法的理论分析
• 6.2.1 气缸排气腔初始能量分析
• 6.2.2 回收能量分析
• 6.2.3 气缸驱动腔能耗增加率的理论分析及实验研究
• 6.2.4 排气回收效率的评价方法
• 6.3 排气回收效率的实验研究
• 6.4 本章小结
• 7 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 附录 Matlab/Simulink仿真程序