阀体等真空吸取技术设计说明书.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 i 页 共i页 目次1 绪论11.1 课题的研究背景和意义11.2 国内外在真空失效遮断方面的研究现状11.3 本课题的研究内容42 真空失效遮断技术机理研究52.1 真空失效遮断器的功能需求分析52.2 真空失效遮断方案的确定52.3 流动压差失效遮断原理52.4 小结93 样机结构设计103.1 结构原理方案选择103.2 真空失效遮断器的总体结构113.3 失效遮断器的工作过程分析123.4 真空失效遮断器的主要性能参数134 真空失效遮断器的建模和仿真研究144.1 数学模型的建立144.1.1 能量方程式154.1.2 压力方程式154.1.3 流量方程174.1.4 膜片变形方程174.2 失效过程的仿真研究185 真空失效遮断器试验研究205.1 真空失效遮断阀的可行性试验205.1.1 实验装置205.1.2 实验结果及分析205.2 真空失效遮断阀基本性能测试235.2.1 实验装置235.2.2 试验结果及分析235.3 小结32结论34致谢35参考文献36附录 本科毕业设计说明书（论文） 第 37 页 共 35页 1 绪论1.1 课题的研究背景和意义目前，真空吸取技术已愈来愈广泛地应用于电子、锻压机械、轻工、印刷、塑料、建筑、食品机械、医疗器械等工业领域。任何具有较光滑表面的物体，都可以使用真空吸取技术进行搬运，尤其在搬运非金属且不适合夹紧的物体诸如薄的柔软的纸张、塑料膜、铝箔、易碎的玻璃及其制品、集成电路芯片等微型精密零件时，真空吸取技术显示了其独特的优势。实际工程应用中，出于成本和结构等因素的考虑，一个真空发生器常配备多个真空吸盘使用。此时，由于多个吸头之间是相互连通的，只要有一个或者几个吸头出现漏气，就会使整个真空吸取系统达不到预定的真空度，而导致整个真空系统失效。吸取系统一旦失效，不仅会导致作业失败，甚至可能引发安全事故，造成人身伤害和财产损失。此时，如果能够及时检测到失效的吸头，并且快速遮断失效吸头的支路，则可以消除失效吸头的影响，维持未失效吸头的正常真空度，使整个系统继续正常工作，从而能够很好地解决前述的单真空发生器吸取系统中多个吸头间相互干扰的问题，提高真空吸取系统的安全性。因此，一种适合于工程应用的多吸头失效遮断技术，即在吸头发生失效时能迅速可靠地隔离、封闭失效吸头，维持其他吸头正常真空度的遮断技术越来越引起国内外学者的重视。本课题拟研究开发一种适合于工程应用的低成本、快速响应的多吸头失效遮断装置，使用该装置能够在吸头发生失效时迅速可靠地遮断、封闭失效吸头，从而保护系统中其他吸头的正常真空度，保证整个系统处于正常工作状态，这样对提高多吸头真空发生器系统的工作安全性具有十分重大的意义。1.2 国内外在真空失效遮断方面的研究现状目前，在真空吸附研究领域中，针对真空泄漏失效这一工程问题的研究主要包括以下几个方面：(1)检测回路的泄露在吸附领域中，为保证吸附的可靠性，最直接的方法就是在每个吸盘上增加一个真空压力开关，如图1.1所示。当真空压力未达到设定值时，开关处于断开状态。当真空压力达到设定值时，开关处于接通状态，发出电信号，控制真空吸附机构动作。利用这种系统，一方面压力开关仅仅能够检测到系统是否失效，由于气路的连通性，该方案无法消除单吸头失效对整个系统的影响，另一方面，由于压力开关价格比较昂贵，当系统中的吸盘数较多时，系统的成本较高。1气源 2真空发生器 3消声器 4过滤器 5节流阀6真空压力开关 7真空吸盘 8工件图1.1 真空系统管路配置图四川的蒲如平利用波纹管作为检测元件设计了真空报警装置。这种仪器通过位移传感器来监视腔内的真空度变化，并能给出安全工作信号和报警信号。但该装置只能够检测到真空吸盘是否泄漏，同样也不能够提供遮断功能，而且该真空报警装置的价格昂贵。(2)保持系统真空度的稳定吸盘吸着工件时，如果压缩空气发生故障停止供气，可以在回路中加入单向阀。真空腔在单向阀的隔离作用下会保持真空管暂时不下降。真空度保持时间与真空腔的密封程度有关。对密封性优良的吸盘而言，操作者有足够的时间避免因制件脱落而造成伤害事故。日本的smc公司研制出了带单向阀的真空吸盘，当吸盘没有吸着工件时，吸盘阀芯是关闭的，真空支路封闭；当吸盘接触工件表面时，柱销被上推，阀芯打开，则真空吸盘便吸着工件，从而提高了系统工作的安全可靠性并减少了耗气量，适用于一个真空发生器带多个吸盘、吸着面积不规则的工件等场合。但是如果吸盘在接触工件表面之后，也就是阀芯处于打开状态时，仍然存在泄漏，则它就无能为力了。(3)泄漏吸盘的遮断哈尔滨工业大学机器人研究所的昌先国等人设计了一种可用于沟槽壁面的“自适应式多真空室吸盘”。如图1.2所示。这种吸盘起吸附作用的吸附面由密封材料分割一组小真空室，小真空室和公共真空腔相连。每个小真空室都有一个控制开关，当部分真空室出现空气泄漏时，会自行封闭，而其他真空室仍正常工作，从而保证整个系统的正常工作。控制开关为一个圆盘形阀门，起自控节流作用，阀片上涂覆一层密封材料。但这种装置只能用在某些特定的环境，通用性不太好，而且该装置的尺寸较大，价格较昂贵。1小真空室 2公共腔 3控制开关 4吸附壁面图1.2 自适应式吸盘原理示意图德国的festo公司研制的真空安全阀以流量作为检测对象，能自动实现失效吸头的封闭隔离，并且和吸盘合为一体，集成了过滤功能，尺寸也较小。图1.3为真空安全阀的结构原理图。当吸盘与大气相通时，浮子被吸回壳体，在这个位置上气体只1 弹簧 2浮子 3过滤器 4保持螺钉 5吸盘图1.3 真空安全阀结构原理图能通过浮子末端小孔流动；当吸盘接触工件后，流量减小，浮子弹簧力向上，这样一来，密封被打开，真空得以在吸盘中快速产生。但是，由于结构上的原因，吸头在被隔离之后还是存在一定程度的泄漏，不能实现完全的遮断。1.3 本课题的研究内容由上面的介绍可以看出，目前针对真空泄漏失效问题的研究主要集中在对真空泄漏的检测上，而对失效遮断技术的研究仍处于起步阶段，至今仍没有一种能适合于工程应用的、简单快捷的进行真空失效遮断的技术。本课题拟研究一种适合于工程应用的、低成本、快响应的失效遮断装置，要求该装置结构简单、成本低、使用方便。为此要进行如下的研究：(1)机理分析根据对真空失效遮断器功能需求的分析，研究真空失效遮断器的机理，为真空失效遮断器的设计提供理论基础。(2)样机设计在真空失效遮断器的原理分析和功能需求分析的基础上，设计出真空失效遮断器的结构。(3)建模和仿真研究分析真空失效遮断器工作的物理过程，建立其数学模型，并在此基础上，进行仿真研究。(4)真空失效遮断器的性能测试对失效遮断器试验样机进行试验测试，研究该真空失效遮断器的原理可行性和性能指标。2 真空失效遮断技术机理研究2.1 真空失效遮断器的功能需求分析应用于单一真空发生器多吸头真空系统中的真空失效遮断器应具有以下的功能：(1)检测功能：自动化生产中生产的节拍比较快，因此要求能够迅速及时的检测到失效的吸头，并且要求检测方式简单方便，可靠易行。(2)遮断功能：遮断的目的是为了切断失效的吸头和真空发生器之间的气路，自动停止空气的流入。同时，当吸头处于正常工作状态时，要求真空失效器不影响系统的工作性能。(3)适合工程应用：要求所设计的真空失效遮断器结构简单，体积小，便于安装，成本低。2.2 真空失效遮断方案的确定在吸头泄漏时，正常工作的吸盘和泄漏的吸盘在建立真空的过程中，真空度的差异不是很明显，而流量的差异明显且方便易求。真空发生器的真空度和泄漏量成线性关系，一般而言，在设计吸取系统时，都已经给出了真空度要求，从而允许的泄漏流量也是已知的。因此把通过吸头支路的流量作为检测的参数较真空度差而言，更加合理。检测的功能实现方案有多种，诸如：流动差压法、容积法、速度法、流体振动法、流体阻力法、电磁感应法、超声波法等等。相比较其他的流量检测方法，流动差压法的优点在于：(1)检测方式简单，可靠易行。只要使流体流经节流件就能产生流动压差，根据节流件两侧的压力差就可以检测出相应的流量。(2)节流作用会在节流件的两侧产生压差，藉此可以作为遮断功能的动力源。相比较电磁力驱动而言，气动力驱动的方式更加经济。这是因为不同的工作介质信号之间的转换常需要在结构设计上和硬件上进行投资，这也将大大增加设备成本。(3)结构简单，便于集成化和小型化。以上已经确定了使用流量压差法检测吸盘是否失效，因此考虑使用压差产生的力作为遮断的动力源。使用一个阀板，在能够产生流动压差的同时，又能感受流体流动的压差，并且在特定的压差下阀板能够产生相应的位移量封堵住通路，实现遮断功能。2.3 流动压差失效遮断原理本课题利用流动压差原理的遮断技术方案，其实质是利用平板缝隙的流动气体在平板正反两面产生压力差的原理来工作的，可实现检测和遮断。图2.1所示的是圆盘形开关阀板的模型，就所研究的模型的流道而言，可把它看成环形汇流通道。(a) (b) 图2.1 圆盘形开关阀板流体流动模型分析简图图中：吸头侧的压力 ，mpa；缝隙内的压力 ，mpa；真空发生器侧的压力 ，mpa；阀板上小孔的直径 ，mm； 真空发生器侧节流口直径 ，mm；阀板的直径 ，mm；开关阀板与壁面间的间隙 ，mm；假设开关阀板上均匀地分布有四个小孔。由于四个小孔是对称分布的，因此可以把它们等效为一截面积为的小孔，以此来计算流体流经小孔时气流量和产生的压差之间的关系。在工程应用中，当马赫数m0.3时，可以忽略密度变化的影响，即把密度看成是不变的9。本文中，由于小孔两侧的压差较小(小于0.1mpa)，所以把流动近似为不可压缩流动。不可压缩流体流经短孔的流量为10： 由上式可得小孔节流后的压力：(2.1)式中：流道中的体积流量，l/min；流量系数；开关阀板上小孔的有效面积，m2； 气体的密度，kg/ m3。气流体通过环形流道缝隙的流量为7：(2.2)而缝隙中的气体压力为：(2.3)图2.2描述的是缝隙内的压力分布。可见，从到的环形区域内，缝隙内的气压力的分布是逐渐从上升到的。图2.2 缝隙中压力分布图由式(2.3)，缝隙中的气流对圆盘形开关阀板的作用力为：那么由，和缝隙的压力共同作用在圆盘形开关阀板上的总作用力为：(2.4)式中：缝隙流动压差对开关阀板的作用力，n；压力对开关阀板的作用力，n；压力对开关阀板的作用力，n；缝隙中气流对开关阀板的作用力，n；小孔半径，mm；开关阀板半径，mm；开关阀板与壁面间的间隙，mm； 流道中的体积流量，l/min；空气的动力粘度，pas；在作用下，开关阀板就会产生向上的运动，使间隙值h减小直至为零，实现流道关闭。式(2.4)中，,都是随时间变化的，故压差对开关阀板的作用力也是时间的函数，即，式(2.4)是开关阀板的工作方程式。下面讨论开关阀板工作的各种状态:设在工作中的工作阻力为()时，开关阀板逐渐合上,失效的吸头被遮断。()时，开关阀板逐渐打开，整个真空系统处于一种动态过程。()时，则开关阀板总是打开的。如果吸头没有发生失效，开关经历()()的状态，在吸头处很快地建立起正常所需的真空度。而当吸头发生失效时，存在一定的泄漏流量。由式(2.4)可知，一定的泄漏流量对应一定的总作用力，因此在设计时考虑合适的工作阻力f1，使阀板逐渐向上运动直至关闭流道。当流道完全关闭后，缝隙中的气压力为0，总作用力，而此时(一个大气压)，(为正常真空度)，可见此时总压力，依靠此力的作用可以可靠地使开关阀板封堵住吸头和真空发生器间的气路，停止空气的流入，失效的吸头被遮断，从而消除失效的吸头对系统的影响。由式(2.4)可知，存在一个最小流量值使得开关阀板刚好将气路切断。称为最小遮断流量。只要泄漏流量，就能实现失效吸头的遮断，从而能维持未失效吸头内的真空度。2.4 小结本章对真空失效遮断技术的功能需求进行了分析，提出利用流动压差原理的方案解决失效泄漏的问题，通过分析得到参数,以及工作阻力对开关的性能有着直接的影响，协调相互之间的关系，就可以遮断泄漏的回路。3 样机结构设计 3.1 结构原理方案选择根据流动压差原理，设计如图3.1所示的结构。 (a) 缝隙截流结构原理图 （b）小孔截流结构原理图图3.1 利用流动压差原理设计的装置简图图3.1(a)所示的是缝隙截流结构的简图。它是利用一加工精度较高的圆盘形阀板作为控制开关。真空发生器抽取真空时，空气从下端盖流入阀内，经过圆盘形阀板与阀体之间的缝隙产生流动压差，并由阀板机构来感受此压差，产生遮断动作。其中，弹簧一方面用于复位，另一方面可以通过预压缩的办法来提供更大的弹簧力。这样，即使在间隙值不变时也可以获得较大的最小遮断流量。图3.1(b)所示的是小孔截流结构的简图。它是利用膜片作为开关阀板，并利用其上开有的小孔来产生流动压差，依靠膜片自身的变形完成遮断动作，而复位也是靠膜片自身的弹性来完成的。仔细比较和分析缝隙截流结构和小孔截流结构，缝隙截流结构主要是通过缝隙流动压差实现失效遮断，而小孔截流则主要通过小孔流动压差实现失效遮断。通过实验发现，缝隙截流结构的工作效果不理想。究其原因，在于很难找到合适的弹簧，使其弹簧力与气压力相配。而且，缝隙截流结构要求要有较高的加工和装配精度，否则由于装置泄漏影响工作效果。另外，通过试验还发现只有在很小的间隙下才能获得较大的流动压差，这无疑对加工和装配提出了更高的要求。与缝隙截流结构相比较而言，小孔截流结构的优点在于：(1)只用一个膜片就可以实现检测功能和完成遮断动作。在膜片上开适当大小的小孔，以及调节适当的间隙，就可以实现流动压差检测流量，检测方式简单易行。另外，小孔与间隙的双重节流作用更有利于开关阀板两侧压差的形成。(2)具有信号放大作用：可将作用在膜片两面的压力差信号放大,提高阀对微小压差的敏感性,从而提高阀的响应速度，满足自动化生产节拍快的要求。(3)膜片本身柔软而具有弹性，在流动压差的作用下发生弹性变形直至堵住通气口，它本身就具有良好的密封作用。而当真空解除后，在弹力作用下膜片复位，保证新一轮工作的顺利进行。(4)整体构造简单，结构紧凑，非常适合集成在狭小空间内，对加工、装配精度的要求较缝隙截流结构低。可见，小孔截流结构在结构和功能上都比缝隙截流结构具有优势，所以采用小孔截流结构更合适。根据小孔截流结构进行了失效遮断阀样机结构的具体设计。3.2 真空失效遮断器的总体结构真空失效遮断器的外形设计尺寸要求直径为20mm，高为20mm；根据对真空失效遮断器功能需求的分析，利用流动压差失效遮断原理，所设计的真空失效遮断器的具体结构如图3.2所示。本文中采用solidworks软件进行三维设计14,15。1调节件 2压紧圈 3阀体 4垫圈 5膜片图3.2 利用小孔截流原理设计的真空失效遮断器的结构图该样机有两个管螺纹机械接口，便于和吸头以及快换接头的连接。调节件用来调节膜片和壁面的间隙。压紧件和垫圈用来固定膜片。流动压差遮断工作原理要求在设计时要协调初始间隙、膜片的弹性模量k以及小孔直径(对应于流动压差)之间的关系。为了便于能够得到不同的最小遮断流量，需要初始间隙h能够在一定范围内连续可调。初始间隙可调节的功能是通过调节件实现的，如图3.2中1所示。调节件头部加工有外螺纹，通过与阀体上的内螺纹相互配合可旋入或旋出阀体，从而实现初始间隙h 连续可调。样机的检测功能和遮断功能是通过膜片两侧的压差来实现的。样机本身的泄漏会影响压差的形成。因此，保证样机良好的气密性是样机可靠工作的重要方面。如图3.3所示，样机中可能发生漏气的地方有c、d、e三处。实际上，我们选择的橡胶平膜片，本身就是一种很好的密封材料。因此，在e处，设计时就省略了其它密封装置，直接用膜片本身密封。通过压紧圈2和垫圈4的旋紧作用压缩膜片保证样机气密性。设计时可以对这个压缩距离进行合适的设计，既保证密封的可靠性，又不至于压缩量太大，使膜片老化。d处也是可能发生漏气的地方，此处是膜片卡圈与垫圈连接的地方，通过在垫圈表面粘贴一环状密封垫加以密封。调节件与压紧圈内壁的连接处，也是可能发生漏气的地方(图中c处)。这个位置的气密性是靠机械加工精度和密封圈保证的。在设计时，与密封圈配合的轴和腔都给予了较高的精度要求，以保证密封的可靠性。图3.3所示的是真空失效遮断器的实物图。图3.3 真空失效遮断器的实物图真空失效遮断器的装配图及各零件图见附录。3.3 失效遮断器的工作过程分析当给真空发生器供给压缩空气后，真空发生器开始抽取真空，使得真空发生器真空口处压力降低。真空失效遮断器上腔中的气体在此压差作用下形成了向扩展口的流动，腔中压力逐渐降低。当上腔中气体的压力小于下腔气体的压力时，下腔中气体经过膜片向上腔流动。同时，膜片在上、下腔压力差作用下产生变形，随着压力差的增大，膜片的变形相应的增大。如果泄漏流量没有超出允许的范围，由于上下腔中的气体被不断的抽走，而外界的气体又来不及补充，这样就使得上下腔的压力差不足以使膜片发生遮断所需的变形。真空失效遮断器正常工作。如果泄漏流量超过允许的范围，在真空失效遮断器遮断之前，外界的大气通过下腔、膜片、上腔，流至真空口处，形成泄漏流量。由于泄漏流量较大，虽然下腔的气体被抽走，但是由于下腔的气体可以得到快速的补充，因此上下腔的压差较大，膜片变形较大，膜片遮断。这样上腔又逐渐的建立起合适的真空度，而下腔的压力则保持大气压。3.4 真空失效遮断器的主要性能参数根据失效遮断阀的功能需求，其主要性能参数有：(1) 响应时间在相同供给压力下，以从供给阀动作后到吸头内的真空度达到极限真空度63的时间作为系统的响应时间，即=。(2) 最小遮断流量根据2.3节中流动压差失效遮断工作原理的分析可知，失效遮断阀样机存在一个临界的总作用力f使得刚好能够遮断，此时通过膜片的流量称为最小遮断流量。(3) 遮断响应时间从失效吸头开始泄漏到系统的真空度上升到极限真空度时的时间为遮断响应时间。4 真空失效遮断器的建模和仿真研究4.1 数学模型的建立对所设计的真空失效遮断器进行建模时，为简化模型，特作如下假定9,16,17：（1） 气体为理想气体,满足理想气体状态方程；（2） 气体流动过程为等熵过程；（3） 气源压力恒定，气源温度为环境温度；（4） 各腔室中的气体热力过程为准静态过程；（5） 不计吸、排气管中的压力波动。鉴于失效遮断阀的安装位置(处于吸头和真空发生器之间)及其结构形式，可以把在真空发生器开始工作抽取真空后，等效为如图4.1所示的模型。模型中，将吸头至失效遮断阀膜片间的被抽容积等效为相同容积的开口真空容器(称为下腔)，其开口等效截面积等于吸头侧的总有效截面积(包括泄漏开口)。将带有小孔的膜片等效为一节流孔口，其有效截面积随着膜片的运动情况而变化。同样地，将失效遮断阀膜片间至真空发生器吸入口间的被抽容积等效为相同容积的开口真空容器(称为上腔)，其开口等效截面积等于真空发生器侧的总有效截面积。 (a)真空失效遮断器简图 （b）真空失效遮断器等效模型1阀上腔 2膜片 3阀下腔 4吸头侧等效节流孔口5膜片等效节流孔口 6真空发生器侧等效节流孔口图4.1 真空失效遮断器等效模型原理图4.1.1 能量方程式把上腔和下腔分别看成是一变质量开口系统，其过程为变容积容器充排气过程：具有恒定滞止参数、的大气经下腔节流口流至下腔，再通过小孔流至上腔，然后经过上腔节流口流至具有恒定参数，容积无限大的容器中。根据热力学第一定律，有方程式： 式中：从气源流进腔室1kg气体所带进的能量（即气源气体的比焓）；从腔室流出1kg气体所带出的能量（即腔室内气体的比焓）；从气源流进腔室的气体的质量；同一时间内从腔室流出的气体的质量；腔室内气体的内能变量；腔室内气体所做的膨胀功；室内气体通过器壁与外界交换的热量；若气体充放气的时间很短，室内气体来不及与外界进行热交换，其过程可以看成是绝热的过程。在绝热过程中，交换的热量 ，带进能量，内能，容积变化功，带出能量。将，联立以上各式，则有(4.1)即为绝热充排气过程的能量方程式。4.1.2 压力方程式(1)容器下腔的压力方程式设定大气源的温度为，腔内气体的温度；排气的质量为充气的质量；将上式带入绝热充排气过程的能量方程式，得到(4.2)式中：下腔内气体绝对压力，pa；膜片等效作用面积，m2；吸头至失效遮断阀膜片间(吸头侧)等效初始容积，m3；膜片的相当变形量，m；气体比热比；气体常数，对空气n.m/(kg./k)；大气温度，k；下腔中气体温度，k； 大气从吸头侧进入下腔的质量流量，kg/s；下腔流出气体的质量流量，kg/s。(2)容器上腔的压力变化方程式同理可得到容器上腔的压力变化方程式 (4.3)式中：上腔内气体绝对压力，pa；膜片等效作用面积，m2；吸头至失效遮断阀膜片间(吸头侧)等效初始容积，m3 ；膜片的变形量，m；气体比热比；气体常数，对空气n.m/(kg./k)；下腔中气体温度，k； 上腔中气体温度，k； 从下腔流入上腔的质量流量，kg/s；从上腔流出的质量流量，kg/s。4.1.3 流量方程(4.4)其中： (4.5 )式中：节流孔口1，2，3的有效流通面积，mm2；临界压力比；各截流孔口上游压力和下游压力，mpa。4.1.4 膜片变形方程当膜片的变形较小时，对于固定方式为四周紧固式的平膜片，弹性力f1为： (4.6)式中：膜片的弹性力，n；弹性模数，mpa；膜片半径，mm；膜片厚度，mm；泊松比膜片中心位移，mm。图4.2是膜片变形分析图。当真空发生器开始工作后，在和的作用下，膜片产生弧形变形。由于初始间隙较小(小于2mm)，因此可以把膜片的变形看成是一直径为d1的圆盘沿x方向的移动。当膜片变形到如图(a)中虚线所示位置时，上通口被堵住。此时气压等效作用面积的直径由原来的d1减小到d2，而随着膜片的变形量(a) 膜片变形示意图 (b) 膜片受力分析图图4.2 膜片变形分析图的增大而增大，膜片可能出现振荡现象。根据牛顿第二运动定律以及式(2.4)，膜片的受力方程为：(4.7)式中：初始间隙，mm；阀上通孔直径，mm；膜片等效直径，mm；膜片的刚度，n/mm；膜片中心的变形量，mm。4.2 失效过程的仿真研究根据以上的数学模型，建立仿真模型。设定仿真参数=1.013kpa，=6.325kpa，=0.8mm，=3.42n/mm，=1.5mm，=14mm，=4mm，=293k。如图4.3所示的是真空失效遮断器刚好遮断过程的上腔真空度曲线、膜片变形量曲线以及泄漏流量曲线。从图4.3中的膜片变形量曲线可以看出，真空发生器工作后，膜片的变形量逐渐增大。当膜片变形量初次等于时，膜片开始振荡。随着时间的推移，膜片振荡的频率和幅度都由所减小，在0.53s时振荡结束，变形量。从上腔真空度曲线来看，上腔内的真空度逐渐上升达到最大真空度，过程中存在振荡现象。而从上腔流量曲线来看，上腔流量是逐渐上升至最大值，在0.53s流量开始下降。膜片之所以在变形量初次等于时开始振荡，这是因为此时膜片瞬时封堵住阀上通孔(直径为的孔)，如图4.2中虚线所示。在膜片封堵住上通孔(称为遮断)后，膜片的受压面积突然减小，膜片受力失去平衡，在弹性力作用下，膜片变形减小。当膜片不再封堵时，受压面积再次增大，膜片所受的压差作用力变大，使得膜片变形又增大，如此反复，膜片产生振荡。由于膜片的振荡，造成上腔入口的时大时小，导致上腔的真空度在上升过程中存在振荡现象。随着膜片两侧压差的不断增大，膜片振荡的频率和幅度越来越小，当压差增大到某值时，膜片可靠地遮断，变形量等于初始间隙，且振荡现象消失。在膜片遮断后，上腔的真空度继续上升达到最大真空度，而流量则开始下降到0。图4.3 失效遮断过程仿真曲线按照最小遮断流量及遮断响应时间的定义，从图4.3可知，=9.4l/min，=0.71s。5 真空失效遮断器试验研究5.1 真空失效遮断阀的可行性试验为了验证真空失效遮断器的原理可行性，即能否快速的检测并遮断失效的吸盘以保证其他吸盘的正常真空度，首先进行真空失效遮断阀的原理可行性实验，即在吸头失效时可以快速的遮断。5.1.1 实验装置图5.1所示的是机理实验的装置图。1干燥器 2空气过滤器 3油雾分离器 4减压阀 5电磁阀 6真空发生器7消声器 8真空过滤器 9流量计 10、13真空压力传感器 11真空吸盘12、16节流阀 14分析仪 15真空解除阀图5.1 机理试验装置原理图实验时供给压力为0.53mpa，真空发生器的极限真空度为95kpa。在失效遮断阀的前后分别安装有一个真空压力传感器，用以测量失效遮断阀样机上、下腔的压力。通过调节节流阀口大小，可调节泄漏流量的大小。5.1.2 实验结果及分析5.1.2.1 正常工作时，真空失效遮断器的压力变化图5.2是在常温常压下，采用硅橡胶膜片，初始间隙为1.1mm，吸头无泄漏情况下得到的真空失效遮断器上、下腔真空度曲线。图5.2 阀正常工作时上下腔的真空度曲线从图5.2看出，真空失效遮断器上、下腔的真空度曲线基本重合，真空度较快的从0上升到极限真空度95kpa。这说明此时真空失效遮断器没有遮断，吸头内能产生正常的真空度。5.1.2.2 吸盘泄漏，真空失效遮断器的压力变化 (1)通气之初，系统泄漏图5.3所示的是在常温常压下，真空失效遮断器通气之初泄漏流量大于允许值，上、下腔真空度曲线以及泄漏流量曲线。从图5.3中可以看出，真空失效遮断器在这种情况下的遮断过程可以分为三个阶段:(1)第阶段：真空发生器工作，上、下腔真空度都迅速上升，上腔中流量也从0不断增大，同时泄漏气体进入下腔，使得阀上、下腔内真空度上升的趋势减缓，这说明泄漏气体的流入，导致真空发生器的真空度的上升受到影响。在上、下压差作用下，膜片开始变形。(2)第段：上腔真空度上升，而下腔的真空度则迅速下降，膜片出现振荡现象，泄漏流量仍继续增大至最大值。这说明在这个阶段，膜片已遮断，但由于膜片瞬间封堵住流道时，膜片的受力面积突然减小，而压差变化不大，因此力减小到小于膜片的弹性力，膜片反向运动，然后又正向运动。如此反复导致膜片发生振荡，最终实现遮断。(3)第段：此时真空失效遮断器已经遮断，上腔真空度又迅速上升达到极限真空度，下腔真空度则迅速减小到0。上腔流量也逐渐减小到0。这说明真空失效遮断器完全遮断泄漏气路。图5.3真空失效遮断器初始泄漏时真空度曲线和泄漏流量曲线图按照遮断响应时间定义可知这段响应时间为0.91s。按照遮断流量的定义由图中可以看出当流量达到15.7l/min时实现遮断。通过与仿真曲线的比较，发现在初始泄漏的情况下，真空失效遮断器的实际压力曲线以及流量曲线与仿真曲线的趋势相同。在泄漏一段时间以后，压力曲线都出现了振荡现象。(2)系统在工作过程中有泄漏图5.4所示的是真空失效遮断器遮断过程中上、下腔真空度曲线以及泄漏流量曲线。从图中可以看出，真空失效遮断器的工作过程也分为三个阶段。(1)第 阶段：吸头处突然发生泄漏，大气流入阀上、下腔，腔中真空度下降，上腔流量增大。这说明真空失效遮断器未遮断，泄漏导致真空发生器的真空度上升受到影响。(2) 第阶段：在阀上、下腔的压力差作用下，膜片变形至瞬间封堵住流道，膜片出现振荡现象。随着间隙的减小，使得气流流动的阻尼增大，阀上腔的真空度在真空发生器的抽吸作用下，真空度下降的趋势变缓，甚至还有所上升。而下腔中真空度在真空发生器的抽吸和外界大气不断涌入的共同作用下，下降的趋势也变缓。不断增大的压差使得上腔流量在阀遮断时达到最大值。图5.4 系统在工作中有泄漏的真空度曲线（3）第段：此时阀已经遮断，上腔真空度继续上升达到最大真空度，下腔真空度则迅速减小到0。作用在膜片上的压力差达到最大值(等于极限真空度)，可以保证可靠地遮断。按照遮断响应时间的定义，由图中可以看出，此时遮断响应时间为0.4s，最小遮断为1.84l/min。5.2 真空失效遮断阀基本性能测试5.2.1 实验装置实验装置如图5.1所示。实验中，更换不同的膜片，调节膜片上小孔的直径和初始间隙值。真空发生器的供给压力设定为0.53mpa。5.2.2 试验结果及分析5.2.2.1 影响真空失效遮断器响应时间的因素(1)小孔直径对响应时间的影响图5.5是在常温常压下，采用膜片a，初始间隙为1.1mm时，改变小孔直径得到的真空发生器响应时间曲线。图5.5 不同小孔直径下吸头处真空度变化曲线按照响应时间的定义，可以求得采用膜片a，初始间隙为1.1mm时，不同的小孔直径下的响应时间。从图5.5可以看出，没有真空失效遮断器时，系统响应时间为0.152s。在安装了真空失效遮断器之后，响应时间分别为0.225，0.177，0.156，0.152s,响应时间有所增长，同时吸头处所能达到的最大真空度有稍微的下降。随着小孔直径的增大，响应时间差值减小。当小孔直径增大到1.5mm时，有、无真空失效遮断器时的响应时间相差已经很小(相对差值约为3%)，两条曲线基本重合。这是因为安装失效遮断器后，与没有安装失效遮断器时相比，吸头处的气流要流经膜片上小孔。当小孔的直径越小时，气流流经小孔受到的阻力越大。这样就使得响应时间有所增长，最大真空度有稍微的下降。小孔直径越小，响应时间越长，稳态时最大真空度下降的幅度也越大。(2)初始间隙对响应时间的影响图5.6是在常温常压下采用膜片a，小孔直径为1mm时，改变初始间隙得到的真空遮断器的响应时间曲线。从图5.6可以看出，在初始容积不遮断的情况下，四个初始间隙下对应的真空度曲线基本上重合，响应时间约为0.18s，初始间隙的大小对响应时间增长的影响程度较小。图5.6 不同初始间隙下的吸头处真空度变化曲线(3)膜片刚度对响应时间的影响从图5.7可以看出，三种膜片下的真空度曲线基本上重合，响应时间也比较接近，约为0.183s。也就是说，在保证初始容积不遮断情况下，膜片刚度的大小对响应时间增长的影响程度较小。图5.7不同膜片下的吸头处真空度变化曲线5.2.2.2 影响真空失效遮断器最小遮断流量的因素(1)小孔直径对最小遮断流量的影响图5.8表示分别使用膜片a、b、c的情况下，不同初始间隙值下，最下遮断流量随小孔直径的变化关系。由图5.8(a)可以看出，对膜片a ,当初始间隙大于0.8mm时，随着小孔直径的增加，最小遮断流量增加。当初始间隙小于0.8mm时，膜片的最小遮断流量随着小孔直径的增加先增大后减小。分析其原因，主要是增加小孔直径，膜片的等效弹性模量在减小。在小孔直径较小时，增加小孔直径，膜片的等效弹性模量只是有很微小的减少。当小孔直径较大时，增加小孔直径，膜片的等效弹性模量减小很大。由式4.6知膜片的弹性力正比于弹性模量，所以在小孔直径较小时，由等效弹性模量减小而导致遮断需要的力减小很小，在小孔直径较大时，由等效弹性模量减小而导致遮断需要的力减小较大。又由式2.4知一定的力对应于一定的流量，所以由等效弹性模量而导致的遮断流量减小的趋势在增大。综合考虑等效弹性模量和小孔直径的影响，可知最小遮断流量在初始间隙较小时先增大后减小。当初始间隙大于某一个值时，遮断需要的流量随着小孔直径的增加而增加。图5.8(c)也有相同的情况。当小孔直径为0.5mm时，实验结果表明在这种情况下，当初始间隙较小时(如0.5mm，0.8mm)，最小遮断流量很小(可近似看为0)，仅在初始容积下就已经遮断，不能满足初始容积不遮断的要求。当小孔直径为2mm时，膜片的等效弹性模量被大为削弱，造成的影响较为明显，如膜片(a)在初始间隙为0.5mm时，初始容积就遮断。因(a) 膜片a(b) 膜片b(c) 膜片c图5.8 小孔直径对最小遮断流量的影响此，小孔直径小于0.5mm和大于2.0mm时，不能满足要求。当小孔直径为在1mm到1.5mm之间时，在相同的初始间隙、膜片下，最小遮断流量基本上都是随着孔径的增大而增大。这是由于此时，膜片的等效刚度被削弱的程度较小的缘故。（2）初始间隙对最小遮断流量的影响图5.9表示分别使用膜片a、b、c的情况下，不同直径下，最下遮断流量随初始间隙变化关系。由图5.9(b)可以看出，对膜片b ,直径分别为1.0mm和1.5mm时，随着小孔直径的增加，最小遮断流量随着初始间隙的增加而变大。膜片a、c也有相同的规律。分析其原因主要由于膜片的初始间隙增加，遮断时膜片的弹性力增加，所以遮断需要的流量增加。(3) 膜片弹性模量对最小遮断流量的影响实验中，膜片b刚度最大，膜片c次之，膜片a刚度最小。在相同的小孔直径和初始间隙下，由图5.8和图5.9可以看出可知，较大的膜片等效弹性模量对应的最小遮断流量也较大。当小孔直径或初始间隙变大时，在较大的膜片等效弹性模量下，最小遮断流量增加的幅度比较小的膜片等效弹性模量而言要大。但是膜片等效弹性模量又不能过大，否则难以得到较小的遮断流量。如果膜片的弹性模量过小，则有可能使得吸头初始就遮断。从上述的试验结果及分析来看，结构参数小孔直径、初始间隙、膜片等效刚度对最小遮断流量的影响是相互作用的。通过它们之间的相互协调可以得到不同的最小遮断流量，可以满足不同的使用需求。在设计时，需要综合考虑它们之间的相互协调。5.2.2.3 遮断响应时间的影响影响因素（1）小孔直径对遮断响应时间的影响图5.10表示分别使用膜片a、b、c的情况下，不同初始间隙下，遮断响应时间随小孔直径的变化关系。由图5.10(b)可以看出，对膜片b ,随着小孔直径的增加，遮断响应时间随着初始间隙的增加先增大后减小。分析其原因主要是当小孔直径过大时，由于膜片的刚度被削弱的原因导致遮断响应时间反而减小。膜片a、c也有相同的规律。另外，从图中还可以看出，通过协调小孔直径、初始间隙、膜片等效刚度之间的关系可以获得不同的遮断响应时间。试验中所获得的遮断响应时间处于2s之内。 (a) 膜片a(b) 膜片b(c) 膜片c图5.9 初始间隙对最小遮断流量的影响(a) 膜片a(b) 膜片b(c) 膜片c图5.10 小孔直径对遮断响应时间的影响（2）初始间隙对遮断响应时间的影响图5.11表示分别使用膜片a、b、c的情况下，不同小孔直径下，遮断响应时间随着初始间隙的变化关系。 (a)膜片a(b)膜片b(c)膜片c图5.11 初始间隙对遮断响应时间的影响由图5.11(a)可以看出，对膜片a ,在小孔直径分别为1.0mm和1.5mm时，随着初始间隙的增加，遮断响应时间变大。分析其原因主要是由于初始间隙的增加，遮断时膜片运动的距离增加，从而使遮断响应时间增加。对于膜片b和c也有相同的规律。(3) 膜片刚度对遮断响应时间的影响由图5.10和5.11可知，遮断响应时间随着膜片刚度的增加而增加。刚度增加，膜片变形困难，所以遮断响应时间会增加。(4) 泄漏流量对遮断响应时间的影响图5.12是在常温常压下，采用膜片b、初始间隙为1.1mm、小孔直径为1.5mm的情况下，对工作过程中泄漏给定不同的泄漏流量得到的真空失效遮断器上腔真空度试验曲线。图5.12 不同泄漏流量下阀上腔真空度变化曲线按照遮断响应时间的定义，可以得到图中各种情况下的遮断时间以及遮断响应时间，如图5.12所示。从图5.12可以看出，在泄漏流量大于最小遮断流量的情况下，随着泄漏流量的增加，遮断响应时间减小。另外，随着泄漏流量的增加，临界遮断过程变短，振荡幅值也减小。这是因为泄漏流量大，则膜片两侧压差建立就快，达到遮断所需的压差的时间就会减小，振荡幅值也减小。5.3