真空管路內(nèi)壓力波動(dòng)的建模與試驗(yàn)

朱冬 詹長(zhǎng)書(shū)

摘? 要：以真空系統(tǒng)中與真空壓力傳感器連接的氣管為研究對(duì)象，建立了管路的二維軸對(duì)稱(chēng)模型，提出適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，利用有限體積法仿真得到了壓力波動(dòng)結(jié)果，與相同參數(shù)條件的試驗(yàn)結(jié)果較為一致，驗(yàn)證了模型的正確性。真空管路中壓力波動(dòng)是短暫的，但峰值大于大氣壓，會(huì)對(duì)壓力傳感器造成沖擊。本文提出的建模方法為進(jìn)一步研究真空系統(tǒng)的壓力波動(dòng)提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：真空系統(tǒng)? 壓力波動(dòng)? 氣動(dòng)管路? 模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TH138? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（a）-0094-04

Abstract： A two-dimensional axisymmetric model of the gas pipe connected with the vacuum pressure sensor in the vacuum system is established， and the appropriate boundary conditions are proposed. The pressure fluctuation results are simulated by using the finite volume method， which are consistent with the test results under the same parameter conditions， and the correctness of the model is verified. The pressure fluctuation in vacuum pipeline is transient， but the peak value is larger than atmospheric pressure， which will impact the pressure sensor. The modeling method proposed in this paper provides a technical reference for further study of pressure fluctuation in vacuum system.

Key Words： Vacuum system; Pressure fluctuation; Pneumatic pipeline; Model

真空系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電子半導(dǎo)體組裝、汽車(chē)生產(chǎn)線、食品[1-2]加工等多個(gè)行業(yè)，用于搬運(yùn)芯片、汽車(chē)玻璃等易損易碎物件。通過(guò)真空發(fā)生元件（真空泵或真空發(fā)生器）產(chǎn)生真空，使系統(tǒng)內(nèi)部壓力低于大氣壓[3-4]，在吸盤(pán)內(nèi)外表面產(chǎn)生壓力差使其吸附于工件表面，以便對(duì)工件進(jìn)行操作[5]。

操作結(jié)束后，真空系統(tǒng)與大氣環(huán)境接通，系統(tǒng)內(nèi)部壓力迅速升高至大氣壓，真空條件被破壞，吸附力消失，吸盤(pán)與工件脫開(kāi)。與真空壓力傳感器連通的管路內(nèi)壓力也迅速回升，并在氣管中產(chǎn)生壓力波動(dòng)。壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)壓力傳感器造成沖擊，多次沖擊可影響傳感器準(zhǔn)確性和使用壽命，對(duì)真空系統(tǒng)的安全性和可靠性帶來(lái)隱患。許多學(xué)者對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)中的壓力波動(dòng)進(jìn)行了研究。仇艷凱等[6]設(shè)計(jì)了一種液壓消聲器，分析了其吸收壓力波動(dòng)的效果。劉威志[7]對(duì)管路內(nèi)氣液兩相流中壓力波動(dòng)特性進(jìn)行了分析，根據(jù)不同位置的波動(dòng)特性對(duì)流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了劃分。

以上研究多集中在正壓系統(tǒng)或兩相流中的壓力波動(dòng)，本文以真空系統(tǒng)中與真空傳感器連接的管路為研究對(duì)象，通過(guò)仿真和試驗(yàn)對(duì)其中的壓力波動(dòng)進(jìn)行研究，探尋壓力波動(dòng)的規(guī)律。

1? 模型的建立

真空系統(tǒng)一般由真空發(fā)生元件、真空減壓閥、氣管、控制閥、真空壓力傳感器和吸盤(pán)等組成。本文研究重點(diǎn)是與壓力傳感器連接的管路內(nèi)的壓力波動(dòng)，因此以一端與壓力傳感器連接、另一端與真空系統(tǒng)連接的管路為研究對(duì)象，建立二維軸對(duì)稱(chēng)模型，如圖1所示。為了流場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，在模型中加入了大氣區(qū)域（或真空區(qū)域）。

在本文的研究中設(shè)定：

（1）系統(tǒng)中氣體為理想氣體;

（2）忽略重力的影響。

管路中氣體流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律等?？刂品匠倘缦拢?/p>

（1）連續(xù)性方程。

（2）軸向和徑向的動(dòng)量守恒方程。

（3）能量守恒方程。

（4）狀態(tài)方程。

2? 邊界條件及初始條件

真空系統(tǒng)一個(gè)完整的工作過(guò)程包括抽真空、真空維持、壓力回復(fù)和常壓等4個(gè)階段。

抽真空階段時(shí)，圖1中區(qū)域2為大氣壓，區(qū)域4為真空，1為管路出口，氣體從管路中抽出使管路中壓力降低至設(shè)定真空值。真空維持階段時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部壓力為某一真空值，吸盤(pán)處于吸附工件狀態(tài)，此時(shí)圖2中區(qū)域2和區(qū)域4均為真空狀態(tài)。

壓力回復(fù)階段時(shí)，圖1中區(qū)域2為真空，區(qū)域4為大氣壓，1為管路入口，氣體向管路充氣使管路內(nèi)壓力迅速回升至大氣壓。常壓階段時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部壓力為大氣壓，吸盤(pán)和工件脫開(kāi)，處于不工作狀態(tài)，此時(shí)圖1中區(qū)域2和區(qū)域4的壓力均為大氣壓。

初始時(shí)管路中為真空壓力，先向管路中充氣使氣體壓力回復(fù)至大氣壓并進(jìn)入常壓階段，然后將管內(nèi)壓力抽至真空狀態(tài)并維持真空。

3? 數(shù)值結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本方法的正確性，現(xiàn)給出一算例，主要參數(shù)為：管路長(zhǎng)度1000mm，管路內(nèi)徑4mm，真空壓力為10kPa（絕對(duì)壓力，下同），大氣壓為100kPa，壓力回復(fù)時(shí)間和抽真空時(shí)間均為1s。氣體溫度為300K。

3.1 管路中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)定

分別在管路中設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示，分別為位于管路與真空壓力傳感器的連接處即管路末端的A點(diǎn)、位于管路中間的B點(diǎn)和位于管路入口處的C點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

建立真空試驗(yàn)系統(tǒng)，氣動(dòng)回路如圖3所示。通過(guò)真空泵抽取系統(tǒng)內(nèi)空氣，利用真空減壓閥調(diào)整系統(tǒng)的真空壓力。氣罐用于穩(wěn)定管路中的真空壓力。通過(guò)計(jì)時(shí)器控制電磁閥的通斷電，使被試氣管按設(shè)定時(shí)間與大氣環(huán)境及真空系統(tǒng)聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)氣管中大氣壓和真空壓的更替。

真空泵為旋片式泵，抽速為9L/s。真空減壓閥的最低設(shè)定壓力為5kPa。氣罐容積為5L，電磁閥為二位三通閥，實(shí)現(xiàn)被試管路壓力在真空和大氣壓之間切換。管路長(zhǎng)度1000mm，管路內(nèi)徑4mm，材質(zhì)為聚氨酯。

3.3 數(shù)值結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值仿真得到管路末端A點(diǎn)的壓力值，相同條件下試驗(yàn)測(cè)量的管路末端壓力如圖4所示。

圖4表明，管路內(nèi)氣體依次經(jīng)歷了壓力回復(fù)、常壓、抽真空和真空維持等階段。圖4（b）為局部放大的A點(diǎn)壓力曲線，仿真結(jié)果表明A點(diǎn)的第一個(gè)波峰出現(xiàn)在0.008s，最高可達(dá)125.5kPa;第一個(gè)壓力波谷出現(xiàn)在0.014s，最低可達(dá)88.4kPa，壓力波動(dòng)經(jīng)歷了5次振蕩，歷經(jīng)約0.07s。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的A點(diǎn)第一個(gè)波峰出現(xiàn)在0.024s，其值為107.8kPa，第一個(gè)波谷出現(xiàn)在0.038s，壓力為92.8kPa，壓力波動(dòng)經(jīng)歷了5次振蕩，歷經(jīng)約0.14s。與仿真結(jié)果相比，試驗(yàn)得到的壓力波動(dòng)峰值要低于仿真結(jié)果，且波峰出現(xiàn)的時(shí)刻也晚于仿真曲線。這是因?yàn)榉抡嬗?jì)算時(shí)管路壁面為固體材質(zhì)，不具有彈性，試驗(yàn)用氣管為聚氨酯材質(zhì)，具有一定的彈性。當(dāng)管內(nèi)壓力高于大氣壓時(shí)，氣管在徑向方向會(huì)有一定的膨脹，在此過(guò)程中會(huì)吸收氣體的部分壓力能，降低了壓力波的峰值，并延后壓力波的出現(xiàn)。從整體上看，試驗(yàn)壓力與仿真得到的壓力曲線是一致的，表明所建立模型和采用的計(jì)算方法是可行的。壓力波動(dòng)僅在壓力回復(fù)階段出現(xiàn)，整個(gè)過(guò)程很短暫，隨著時(shí)間的推移逐漸衰減并維持在大氣壓。

初始時(shí)，管路內(nèi)壓力為真空壓10kPa，管路入口氣體壓力為100kPa，在壓差作用下氣體以一定初速度向氣管充氣。當(dāng)氣體到達(dá)氣管末端即氣管與壓力傳感器連接處時(shí)，緊靠壓力傳感器的流體首先停止流動(dòng)，相鄰的流體依次停止流動(dòng)，最終管路入口處流體也停止流動(dòng)。在各處流體依次停止流動(dòng)的同時(shí)，流動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，致使已停止流動(dòng)的氣體產(chǎn)生壓力升高的現(xiàn)象，這是壓力峰值出現(xiàn)的原因。

圖5為仿真得到的管路末端（A點(diǎn)）、中點(diǎn)（B點(diǎn)）和入口（C點(diǎn)）的壓力曲線。由圖5可以得到，由于B點(diǎn)的速度小于A點(diǎn)的速度，所以B點(diǎn)的第一個(gè)壓力波峰小于A點(diǎn)的壓力波峰值。管路入口C點(diǎn)和大氣區(qū)域連通，大氣區(qū)域的壓力恒為大氣壓，因此C點(diǎn)壓力幾乎無(wú)升高和波動(dòng)。

管路內(nèi)氣體壓力的第一個(gè)波峰值高于大氣壓，在壓差作用下，氣體向大氣區(qū)域反向流動(dòng)，使氣體離開(kāi)管路，導(dǎo)致管路中的壓力在達(dá)到波峰值后開(kāi)始降低，最低可至大氣壓以下，從而出現(xiàn)壓力波谷。圖5中B點(diǎn)的第一個(gè)壓力波谷高于A點(diǎn)的壓力波谷值。

當(dāng)管路內(nèi)壓力均達(dá)到波谷值，壓力低于大氣壓，氣體再次向管中充氣，重復(fù)上述過(guò)程。由于波谷值高于初始?jí)毫?0kPa，因此壓力的第二波峰低于第一個(gè)波峰值，波谷值高于第一個(gè)波谷值。隨著時(shí)間的推移，管路內(nèi)壓力波動(dòng)逐漸消失，最終穩(wěn)定在大氣壓。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文研究了與真空壓力傳感器連接的氣管中的壓力波動(dòng)，建立了仿真模型并進(jìn)行了計(jì)算，得到了以下結(jié)論：

（1）仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好，表明所采用的二維軸對(duì)稱(chēng)模型和方法是可行的;

（2）管路中的壓力波動(dòng)存在于從真空向大氣壓回復(fù)的階段，整個(gè)過(guò)程很短暫，但壓力峰值可達(dá)125.5kPa，會(huì)對(duì)真空壓力傳感器造成一定的沖擊;

（3）管路的膨脹性可降低壓力波動(dòng)的峰值，延遲壓力波動(dòng)的出現(xiàn)，對(duì)壓力波動(dòng)有一定的抑制作用。

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