射流式真空發(fā)生器需持續(xù)供氣以維持真空，需消耗大量壓縮空氣。針對這一問題，提出了一種基于容積擴(kuò)張產(chǎn)生真空原理的活塞式氣動真空發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)方案。為了提高系統(tǒng)極限真空度、縮短真空響應(yīng)時間、減少耗氣量，該方案中采用了兩個不等徑活塞的設(shè)計(jì)方案和由抽氣換向閥控制真空腔室氣體流動并在真空維持階段進(jìn)行流量控制的方法來提高性能指標(biāo)。活塞式真空發(fā)生器原型樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果表明，其極限真空度可達(dá)93kPa，真空響應(yīng)時間約為3.70s，在60s工作時間內(nèi)的耗氣量較同級別射流式真空發(fā)生器的耗氣量減少了約71.3%。

　　氣動真空吸取技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化的各個領(lǐng)域，主要用于吸取易碎、難以夾持的工件，進(jìn)行搬運(yùn)、夾緊或包裝等作業(yè)。其中，射流式真空發(fā)生器是真空吸取單元的關(guān)鍵元件，如果要在真空口處維持一定的真空度，必須對它持續(xù)定量供氣。在一個具有一定規(guī)模的氣動控制系統(tǒng)中，真空發(fā)生器的數(shù)量往往是可觀的，由此造成的耗能也是巨大的。因此，如何減少真空吸取過程的耗氣量，對實(shí)現(xiàn)氣動系統(tǒng)的節(jié)能具有重要的研究意義和經(jīng)濟(jì)價值。

　　近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對氣動真空吸取技術(shù)的節(jié)能問題進(jìn)行了深入研究，例如，設(shè)計(jì)了采用串聯(lián)式、并聯(lián)式等結(jié)構(gòu)形式的射流式真空發(fā)生器，或?qū)⑸淞魇秸婵瞻l(fā)生器和單向閥、控制閥等組合構(gòu)成真空發(fā)生器組件。雖然這些改進(jìn)可在某些特定的場合下減少耗氣量，但是并沒有從根本上克服射流式真空發(fā)生器需要持續(xù)供氣且耗氣量大的缺點(diǎn)，在節(jié)能效果或成本上并不十分理想。鑒于這樣的情況，筆者提出了一種新型的雙活塞式小型氣動真空發(fā)生器的技術(shù)方案。該技術(shù)方案利用壓縮空氣驅(qū)動真空發(fā)生器的一側(cè)活塞運(yùn)動，通過連桿帶動另一側(cè)活塞運(yùn)動，從而在真空腔室內(nèi)通過局部容積擴(kuò)張產(chǎn)生真空，這雖然與一般的往復(fù)式活塞真空泵有相似之處，但在驅(qū)動方式和結(jié)構(gòu)上卻有顯著不同。該方案的活塞式真空發(fā)生器體積小、結(jié)構(gòu)簡單，采用氣壓驅(qū)動方式，能作為獨(dú)立的氣動元件在局部使用。

1、活塞式真空發(fā)生器的技術(shù)方案

　　1.1、活塞式真空發(fā)生器工作原理

　　根據(jù)局部容積擴(kuò)張產(chǎn)生真空的原理，雙活塞式真空發(fā)生器包括驅(qū)動腔室和真空發(fā)生腔室。由于總體外形結(jié)構(gòu)尺寸的限制，不可能只通過一次抽取過程就使被抽取的密閉真空容器或連接管路達(dá)到所需的真空度，而是需要通過活塞的往復(fù)運(yùn)動，持續(xù)不斷地產(chǎn)生真空。因此，在結(jié)構(gòu)上需要有能夠控制活塞往復(fù)運(yùn)動的控制閥以及控制真空腔室抽氣、排氣過程的控制閥。經(jīng)反復(fù)設(shè)計(jì)，最終得到的活塞式真空發(fā)生器(piston vacuum generator，PVG)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.驅(qū)動腔 2.活塞組件 3.驅(qū)動腔  4.流量控制閥 5.抽氣換向閥 6.真空腔 7.真空腔  8.平衡氣道 9.排氣單向閥 10.進(jìn)氣換向閥

圖1 PVG總體結(jié)構(gòu)示意圖

　　如圖1所示，工作時，氣源氣體通過進(jìn)氣換向閥進(jìn)入驅(qū)動腔，推動活塞組件向左運(yùn)動，驅(qū)動腔中的氣體通過進(jìn)氣換向閥排向大氣;同時，真空腔容積擴(kuò)張，真空腔此時與真空口相連，在真空口處形成一定的真空，真空腔中的氣體被壓縮后通過排氣單向閥排出。當(dāng)活塞運(yùn)動到行程端時，觸發(fā)進(jìn)氣換向閥和抽氣換向閥換向，氣源氣體進(jìn)入驅(qū)動腔，驅(qū)動活塞向右運(yùn)動，驅(qū)動腔中的氣體排出;此時，真空腔與真空口相連，繼續(xù)產(chǎn)生一定真空，真空腔中上次抽出的氣體通過排氣單向閥排出。當(dāng)活塞運(yùn)動到行程另一終點(diǎn)時再次觸發(fā)兩個換向閥換向，如此反復(fù)循環(huán)，即可在真空口處持續(xù)產(chǎn)生一定的真空。

　　1.2、活塞式真空發(fā)生器的關(guān)鍵部件

　　1.2.1、抽氣控制閥

　　抽氣控制閥的主要作用是切換真空腔室與真空口處的連接。在研究過程中曾經(jīng)研究了如圖2所示的抽氣單向閥和抽氣換向閥兩種結(jié)構(gòu)方案,它們都可滿足基本的功能需求，但是在極限真空度的性能指標(biāo)上有一定差異，對此分析說明如下。

(a)抽氣單向閥 (b)抽氣換向閥

圖2 兩種抽氣控制閥結(jié)構(gòu)方案

4、結(jié)論

　　(1)為了滿足快速響應(yīng)和低耗氣的雙重需求，采用抽氣單向閥、不等徑活塞、平衡氣道和階梯式流量控制閥，得到了活塞式真空發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)方案。

　　(2)建立了活塞式真空發(fā)生器的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了仿真研究，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和供給壓力對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的影響。仿真和試驗(yàn)結(jié)果對比表明建立的數(shù)學(xué)模型是正確可信的。

　　(3)活塞式真空發(fā)生器原型樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，其主要性能指標(biāo)均超過同級別射流式真空發(fā)生器，尤其在真空維持階段可極大地減少供給流量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。下一步的工作還需在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝上改進(jìn)，控制整體重量和成本，盡可能符合應(yīng)用要求。