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【天富娱乐登陆app】设计高效气动系统的工具包可促进可持续生产 降低总体成本

在一个自然和社会挑战日益严峻的世界中,工业界日益提高的能源效率解决方案为协调经济竞争力与可持续发展提供了独特的机会。提高能源效率为更好地分配自然资源和福祉提供了巨大的机会;然而,一些工业部门仍在利用效率低下的系统。

气动系统就是这种情况,气动系统由于其坚固而灵活的设计而在工业领域得到广泛应用,但通常设计较差,因此能源效率极低。实际上,在设计气动系统时通常不考虑能耗(相反,将设计重点放在功能和价格上),使气动技术成为一种无效技术,通常用于对动态特性要求较低的简单任务。

·气动系统的高效设计可促进可持续生产,降低总体成本并提高机器的动态特性。

·系统的正确选择和设计是实现节能解决方案的第一步。

·免费的在线工具可为选择最具成本效益的系统提供经济的计算方法。

本文表明,气动系统的高效设计不仅可以促进可持续生产,而且还可以使系统更便宜,降低运营成本,提高机器的动态特性并减少潜在的故障。此外,本文简要介绍了节能措施,并提供了用于工程和经济计算的便捷工具,以选择最具成本效益的系统。

图1概述了所有可能的节能措施。执行器包括气缸,马达,喷嘴和真空应用。蓝点直接与实际流量的节省有关,绿点表示与机械相关的节省措施。

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1.节能措施概述。

气缸和控制技术

节能解决方案通常旨在减少驱动器对吸收质量流量的需求。这可以通过降低压力水平和填充量以及限制方向阀的打开时间来实现。一些节能解决方案借助回收回路从驱动器中回收压缩空气。反之,实施节能措施往往需要较高的投资和实施成本。但是,在许多情况下,当在特定的气动驱动器上使用特定的节能解决方案时,没有关于节省潜力的详细信息。

该信息对于全面的决策过程至关重要,也就是说,如果特定的节能驱动解决方案相对于额外的投资成本而言是经济的。只能通过比较原件和节能驱动结构的能量需求来确定节省潜力。在这种情况下,这些措施的成本效益和长期财务利益通常在设计机器时对机器制造商而言不是立即显而易见的。结果,往往不执行潜在的能效措施,因此最终用户最终要付出更多。

市场上有几种节能解决方案,从减压器到智能系统,可确保节省高达总能耗的50%。系统的正确选择(和设计)是实现节能解决方案的第一步。零部件供应商和制造商提供了用于工程计算的各种工具。

例如,过滤系统制造商SMC提供了一种效率工具来计算不同技术的能耗,而气动组件 制造商Aventics则提供了一种工程工具,可以计算气缸驱动器的压缩空气消耗量。压缩空气消耗量的计算是基于等温系统行为假设下的填充量和压力水平的总和。

要计算标准气缸驱动器两次行程的能耗,需要气缸耗气量以及死体积和管体积的方程式:

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其中V缸 是气缸压缩空气的消耗量,单位为Nm3,D活塞直径,d =活塞杆直径,x =行程,p =压力水平,p 0 =环境压力,V cyl =管道消耗,d t =内管直径,l =内管长度。

设计参数的优化是一种有效的方法,可以针对驱动任务来适应现有超大型和新设计的驱动轴的能量需求。开关和控制技术措施包括节能电路。这些回路概念通过空气弹簧原理来限制所提供的质量流量或将排气用于驱动器的返回冲程。

优化设计参数:一个例子

选定的应用:气压为5 bar的气动压力机,上下压力为500 N,质量为2 kg。

在以下决策矩阵中,可以总结出在气缸驱动装置上测得的节能效果:

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2.气缸选择的决策图。

缸径重新计算

第一步是检查是否可以更换气缸,如果可以,请检查气缸直径是否正确选择。通常,气缸尺寸过大,导致不必要的能源消耗和更大的死体积(例如,气缸和管道),进一步影响动力损失,系统质量更高和购置成本增加。

气缸的理想直径的定义对于实现与预期任务有关的最佳能耗确实至关重要。从这个意义上讲,重要的是要考虑一些参数,例如所需的力,气缸入口中的压力水平,所需的速度,时间,安装类型和摩擦力。

很少有公司提供用于评估气缸尺寸的工具。这些工具的示例包括Metal Works的Easy Sizer,该工具可以计算缸径和所需的流量;所述Aventics工程工具,其选择从用户定义的缸杆活塞直径范围的气缸驱动,并键入和预先定义的缓冲系统; 以及Direktin的品牌中立工具,可提供直径,体积流量,管径,压降的计算,以及仅需要机械数据的缓冲系统和输入参数的建议。

实际上,正确选择气缸直径不会影响其功能,但会影响能耗。Direktin工具表明,圆柱直径的大小不正确会导致能耗增加多达40%。

ISO气缸是用标准数字表示的行;数字越大,当前尺寸和下一个尺寸(例如40、50、63、80、100)之间的差距越大。SMC在其效率程序中提供了中等非标准直径(例如45毫米)的气缸,可以节省多达25%的能耗。Direktin的计算工具从SMC的有效程序中提出了下一个可能的直径,并显示了计算出的直径。

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降低供应压力

当已经安装了气缸时,用户可以始终使用上述工具检查系统是否过大。在这种情况下,用户可以通过降低压力水平来节省系统能源。

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3.计算标准气缸,减压选项和“超大型”驱动器的能耗。

但是,该解决方案并不是最佳解决方案,因为它需要进一步降低压力,并且与正确尺寸的气缸相比,节能效果更低。此外,死体积会影响所研究应用的速度性能(图5);压力降低时,较大的驱动器的速度较低。主要原因是死体积,约为活塞体积的10%。死体积的值随着每个气缸尺寸的增加而增加填充时间,从而增加运动周期。

管的直径也起作用。通常,它是根据供气压力和总气缸容积来选择的。在这些情况下,选择直径为8 mm的管,以使圆柱体尺寸最大为40 mm。对于较大的气瓶,使用直径为10毫米的管道。在所有情况下,管道的长度均为1.5 m。提出的结果表明,在概念阶段正确调整执行器尺寸非常重要,在这种情况下,压力水平较高的较小气缸比供气压力水平较低的较大气缸消耗更少的能量。

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4.气缸40 mm的回路在5 bar下压力降低了4 bar,但气缸直径更大的50 mm的电路的仿真结果。

但是,这种方法适用于一台机器内甚至是生产车间一级的多轴系统。压力水平的匹配也可用于执行器组,从而创建多压力水平网络。

压力调节的另一个机会是仅在一个运动方向上减小压力。许多应用只需要一个方向的力即可。

减压返回

在许多应用中,气缸无需花费任何精力即可返回行程。通常,较低的压力足以确保位移。在已证明的应用中,仅需举起重物即可,同时降低所需的较低压力。降低压力水平以确保降低高达28%的能耗。

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5.减压返回的能耗。

节能控制

除了优化参数(例如直径和压力水平)外,还有一些方法可以重新利用排气能量并为运动使用膨胀能量。本文着眼于桥梁电路和储气罐。

与标准回路相比,桥式回路的使用以及压缩空气源与气动执行器的过早断开使得节能潜力特别明显。与标准回路相比,桥接回路每两次冲程消耗的压缩空气量不到50%。腔室压力的曲线表明,在当前情况下,气缸腔室的短期通风时间将压力水平限制在大约4 bar。运动开始后,伸展过程中腔室压力下降。

发生此现象的原因是活塞的运动增加了腔室的容积,但是压缩空气的供应中断了。终端位置的压力明显低于标准回路中的压力,因此不确定该位置的牢固保持。

排气回收系统将简单的空气弹簧设定为一定水平,最多可节省40%的能源。对于此应用程序,必须为每种应用程序确定并重新计算储气罐的大小,并且需要额外的安装空间。

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6.标准电路(左侧)的测试结果,替代控制和能耗计算。

工业制造商Festo和Cy.Pag在商业解决方案中实现了桥电路的优势,它们提供了具有显着节能效果,嵌入式监控和其他选项的不同解决方案。

Festo的FMT代表具有各种功能的阀门控制块,用于操作气缸,而Cy.Pag的Cy4.O是智能执行器,旨在监控和优化气缸室的填充,有效地将传统的气动执行器转变为符合工业4.0原理的气动执行器。

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7.市场上提供的智能节能解决方案。

智能控制系统可以减少能耗,但可以增加组件内的投资。决定性因素是经济评估和投资回收期。它取决于机器的运行数据,例如每年的小时数,周期,能源成本和组件的采购成本。此外,每种解决方案都提供其他功能,例如能量监测或更好的缓冲性能。

Direktin的免费工具可经济地计算机器的生命周期。它提出了上述品牌中立的适当节能措施,并利用提供的有关额外投资的数据,可以计算建议解决方案的投资回收期。

在这种特殊情况下,借助桥接电路(CROV)的替代控制策略可实现更高的节省。但是,最低的投资回报率表明使用了降低的压力返回。在这种情况下,可以使用45毫米的替代直径,并保证节省25%的能源,并且不到一年的投资回报。减小管长始终是获得更详细的管尺寸的一个不错的选择。(压力损失的计算超出了本文的范围。)

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8.在Direktin平台上计算出的节能措施。

总而言之,气缸驱动解决方案的经济高效选择受到在线上可用的许多免费工具的支持。新的解决方案有望节省多达50%的成本,再加上其他功能,可以使机器更快,更便宜,更好。

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