Исследование оптимальной глубины вакуума, создаваемой эжектором в зависимости от величины питающего давления

Введение. В настоящее время в различных отраслях промышленности технологическое перемещение изделий и деталей производится с применением промышленных роботов, оснащенных вакуумными присосками, работа которых осуществляется с помощью эжектора [1], основанного на принципе Вентури. Производителями предлагается большой ассортимент эжекторов [2][3], которые создают вакуум различной глубины в зависимости от питающего давления [4], что отвечает специфическим потребностям производства.

Оптимальную величину питающего давления воздуха на входе в эжектор, при котором достигается максимальная глубина вакуума, можно определить как оптимальное давление. Отклонение этого давления от заданного значения приводит к снижению глубины вакуума, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на производительности как эжектора, так и присоски, а также увеличивает энергетические затраты. Таким образом обеспечение оптимального питающего давления для эжектора с целью достижения максимальной производительности и снижения энергетических расходов становится весьма актуальной задачей.

При изучении эжекторов таких производителей, как Camozzi, Festo, Schmalz, SMC Pneumatics и других, было отмечено, что лишь небольшая часть производителей публикует в своих каталогах точные значения вакуума в зависимости от питающего давления для различных типов эжекторов. В основном информация представлена в виде общей диаграммы, соответствующей всей гамме выпускаемых эжекторов определенного типа, без учета диаметра их сопел.

Практический опыт авторов статьи, а также многолетнее сотрудничество с различными производственными участками, использующими вакуумные эжекторы, позволили выявить значительные расхождения между фактическими и табличными значениями питающих давлений и соответствующими значениями глубины вакуума. Поэтому исследования, направленные на определение точных зависимостей максимальной глубины вакуума, создаваемого эжектором от входного питающего давления, с целью достижения минимальных энергетических затрат представляют значительный интерес. Более глубокое изучение этих параметров возможно при использовании специально созданного экспериментального стенда, позволяющего с высокой степенью точности определять указанные параметры, что, в свою очередь, может способствовать повышению производительности всей системы.

Многочисленные исследования посвящены использованию вакуумных эжекторов [5] и вакуумной техники [6]. Авторы обращают внимание на теорию вакуума [7] и его физические основы [8], однако недостаточно акцентируют внимание на практической стороне его использования. В работе [9] рассматриваются конкретные случаи практического применения вакуума, в [10] представлены экспериментальные исследования с усовершенствованным соплом эжектора, а в [11] — моделирование потоков. Однако в современной научной литературе практически не уделяется внимания вопросам, касающимся зависимости величины получаемого вакуума от входного питающего давления и параметров вакуумных эжекторов. Описание характеристик вакуумных эжекторов можно найти преимущественно в справочной литературе, такой как каталоги производителей вакуумного оборудования, например, итальянской компании Camozzi или немецкой фирмы Schmalz.

В работе [12] предложено изменять геометрические размеры сопла эжекторов, что позволяет увеличивать их производительность. В экспериментальной работе [13] приведены результаты исследования, в котором изменялся угол наклона камеры смешения эжектора, что также способствовало повышению его производительности. В работе [14] автором предпринята попытка исследовать основные характеристики вакуумных эжекторов и была предложена методика экспериментальных исследований, что получило логическое продолжение в работе [15].

Учитывая все вышеизложенное, авторы поставили перед собой цель —проведение экспериментальных исследований для определения фактических значений максимальной глубины вакуума в зависимости от величины входного давления эжектора.

Материалы и методы. Для проведения натурных исследований вакуумных эжекторов был использован специальный стенд [15], разработанный авторами статьи и представленный на рис. 1.

В рамках исследования были изучены вакуумные эжекторы семейств VEB, VEBL, VED и VEDL, производимые компанией Camozzi [8], в диапазоне входного давления, питающего эжектор, от 2,0 до 6,5 бар. Основной задачей исследования стало установление фактических значений глубины вакуума в зависимости от величины входного питающего давления для каждого из эжекторов. Кроме того, было необходимо экспериментально определить максимальные значения глубины вакуума, которые способны достичь каждый из эжекторов, а также соответствующее этим значениям глубины вакуума входное питающее давление. Полученные параметры впоследствии будут необходимы для проведения следующих серий экспериментов, направленных на установление времени создания вакуума в объеме одного литра при различных заданных глубинах вакуума.

Для каждого эжектора из рассматриваемых семейств было проведено не менее 17 экспериментов. При этом для каждого отдельного эксперимента устанавливалась своя фиксированная скорость вращения маховика основного регулятора давления 5. Цель этих установок заключалась в обеспечении максимальной плавности изменения параметров, а также в исключении пропусков каких-либо значимых событий в ходе эксперимента.

Результаты исследования. Ниже представлены полученные в результате эксперимента графики зависимости изменения глубины вакуума от величины питающего давления по сериям эжекторов (рис. 2–5), а также проведено сравнение полученных данных с аналогичными параметрами эжекторов, предоставленными в каталоге Camozzi.

Что касается эжектора VEB-07H, то экспериментальные данные показали, что его глубина вакуума достигает 89,34 % (остаточное давление 108 мбар) при питающем давлении в диапазоне 4,07–4,08 бара. Сопоставив с данными, предоставленными производителем для эжектора VEB-07H, обнаружили, что оптимальное питающее давление для этого устройства также составляет 4,5 бара, при котором глубина вакуума должна составлять 85 % (остаточное давление 152 мбар). Это значение не соответствует значениям, представленным в каталоге компании, где показана зависимость изменения глубины вакуума от величины питающего давления для эжекторов семейства VEB. Установлено, что при питающем давлении 4,5 бара (рекомендованном значении для эксплуатации эжектора VEB-07H) глубина вакуума достигает 88,65 % (остаточное давление 115 мбар). Таким образом, существующие расхождения между экспериментальными данными и сведениями, предоставленными производителем, требуют дополнительного анализа и могут свидетельствовать о необходимости пересмотра рекомендуемых параметров эксплуатации эжекторов.

Экспериментально установлено, что для эжектора VEB-10H глубина вакуума достигает величины 86,9 % (остаточное давление 132,6 мбар) при питающем давлении 4,9 бара. Данные, предоставленные производителем эжектора VEB-10H, указывают на то, что оптимальное питающее давление составляет 5 бар, при этом глубина вакуума должна достигать 85 % (остаточное давление 152 мбар). Это значение соответствует диаграмме зависимости, представленному в каталоге производителя, которая демонстрирует изменение глубины вакуума в зависимости от величины питающего давления для эжекторов семейства VEB. В процессе исследования авторами установлено, что для эжектора VEB-10H при питающем давлении 5 бар (величине, рекомендованной как оптимальная для эксплуатации этого устройства) глубина вакуума достигает 86,8 % (остаточное давление 133,5 мбар).

Особый интерес представляет необычное поведение графика зависимости в диапазоне питающего давления от 4 до 4,2 бар (рис. 3).

Для эжектора VEB-15H экспериментально установлено, что глубина вакуума достигает величины 89,24 % (остаточное давление 109 мбар) при питающем давлении 4,75 бара. Данные, предоставленные производителем эжектора VEB-15H, указывают на то, что оптимальное питающее давление составляет 4,5 бар при условии, что глубина вакуума достигает 85 % (остаточное давление 152 мбар). Это значение, вероятно, соответствует диаграмме, представленной в каталоге фирмы, которая демонстрирует зависимость изменения глубины вакуума от величины питающего давления для эжекторов семейства VEB. В ходе проведенных исследований было установлено, что для эжектора VEB-15H при питающем давлении 4,5 бара, рекомендованном производителем как оптимальное для его эксплуатации, глубина вакуума достигла 85,69 % (остаточное давление 145 мбар).

Особое внимание следует уделить резкому падению значений вакуума в диапазоне питающего давления от 2,95 до 3,0 бара (рис. 2). Причины данного поведения графика предполагается изучить в будущем в рамках разработки математической модели эжектора.

Анализ экспериментальных данных показывает, что для эжектора VEBL-05Н-T1 глубина вакуума достигает величины 88,06 % (остаточное давление 121 мбар) при питающем давлении 4,2 бара.

Информация от производителя по эжектору VEBL-05Н-T1 указывает на то, что оптимальное питающее давление составляет 4,5 бара, при этом остаточное давление в линии вакуума должно достигать значения 160 мбар. Данные соответствуют графикам, представленным в каталоге производителя, которые демонстрируют зависимость изменения глубины вакуума от величины питающего давления для эжекторов семейства VEBL. В ходе проведённых исследований было установлено, что для эжектора VEBL-05Н-T1 при рекомендуемом питающем давлении 4,5 бара остаточное давление в линии вакуума составляет 127 мбар, что соответствует глубине вакуума 87,47 %.

Для эжектора VEBL-07Н-T1 экспериментально установлено, что минимальное остаточное давление в линии вакуума достигает величины 133 мбара (86,87 %) при питающем давлении 4,1 бара.

Данные, представленные производителем по эжектору VEBL-07Н-T1, указывают на оптимальное питающее давление в 4,5 бара. При этом остаточное давление в линии вакуума должно достигать величины 150 мбар. Это значение подтверждается диаграммой, приведенной в каталоге производителя, которая иллюстрирует зависимость изменений глубины вакуума от величины питающего давления для эжекторов семейства VEBL. Результаты проведенных исследований показывают, что для эжектора VEBL-07Н-T1, при питающем давлении 4,5 бара, рекомендованном производителем как оптимальное для его эксплуатации, остаточное давление в линии вакуума составляет 142 мбара, что соответствует глубине вакуума 85,99 %.

Что касается эжектора VEBL-10Н-T2, то экспериментально установлено, что минимальное остаточное давление в линии вакуума достигает величины 133 мбар, что соответствует глубине вакуума 86,87 %, при питающем давлении 4,22 бара. Данные, предоставленные производителем для эжектора VEBL-10Н-T2, указывают на оптимальное питающее давление в 4,5 бара, при этом остаточное давление в линии вакуума должно достигать величины 150 мбар. Это значение соответствует диаграмме, представленной в каталоге изготовителя, которая иллюстрирует зависимость изменений глубины вакуума от величины питающего давления для эжекторов семейства VEBL. Проведенные исследования показывают, что для эжектора VEBL-10Н-T2 при рекомендуемом производителем питающем давлении в 4,5 бара остаточное давление в линии вакуума составляет 138 мбар, что переводится в глубину вакуума 86,38 %.

Анализ экспериментальных данных показывает, что для эжектора VEDL-05Н-T1 минимальное остаточное давление в линии вакуума достигает величины 130 мбар (глубина вакуума 87,17 %) при питающем давлении 4,0 бара. Данные, приведенные фирмой изготовителем по эжектору VEDL-05Н-T1, указывают на оптимальное питающее давление 4,5 бар, при этом в линии вакуума должно быть достигнуто остаточное давление 170 мбар. Это значение соответствует приведенной в каталоге фирмы изготовителя диаграмме зависимости изменения глубины вакуума от величины питающего давления для эжекторов семейства VEDL. Проведенные исследования показывают, что для эжектора VEDL-05Н-T1 при питающем давлении 4,5 бара (величина, рекомендуемая фирмой изготовителем как оптимальная при эксплуатации эжектора VEDL-05Н-T1), остаточное давление в линии вакуума составляет 142,6 мбар, что соответствует глубине вакуума 85,9 %.

Экспериментально установлено, что для эжектора VEDL-07Н-T1 минимальное остаточное давление в линии вакуума достигает величины 207 мбар (79,57 %) при питающем давлении 3,4 бара. Данные, представленные фирмой изготовителем по эжектору VEDL-07Н-T1, указывают на оптимальное питающее давление 4,5 бар, при этом остаточное давление в линии вакуума должно достигнуто 150 мбар. Это значение соответствует приведенной в каталоге фирмы изготовителя диаграмме зависимости изменения глубины вакуума от величины питающего давления для эжекторов семейства VEDL. Проведенные исследования показывают, что для эжектора VEDL-07Н-T1 при питающем давлении 4,5 бара (величина, рекомендуемая фирмой изготовителем как оптимальная при эксплуатации эжектора VEDL-07Н-T1) остаточное давление в линии вакуума составляет 256 мбар, что соответствует глубине вакуума 74,73 %.

Анализ экспериментальных данных показывает, что для эжектора VED-07 минимальное остаточное давление в линии вакуума достигает величины 98 мбар (90 %) при питающем давлении 3,63 бара. Данные, приведенные фирмой изготовителем по эжектору VED-07, указывают на оптимальное питающее давление 5 бар, при этом должен быть достигнут вакуум глубиной 90 % (остаточное давление 101 мбар). Это значение не соответствует приведенной в каталоге фирмой изготовителем диаграмме зависимости изменения глубины вакуума от величины питающего давления для эжекторов семейства VED. Проведенные исследования показывают, что для эжектора VED-07 при питающем давлении 5 бар (величина, рекомендуемая фирмой изготовителем как оптимальная при эксплуатации эжектора VED-07), остаточное давление в линии вакуума составляет 124 мбар, что соответствует глубине вакуума 87,76 %.

Экспериментально установлено, что для эжектора VED-09 минимальное остаточное давление в линии вакуума достигает величины 90 мбар (91,12 %) при питающем давлении 4,34 бара. Данные, приведенные фирмой изготовителем по эжектору VED-09, указывают на оптимальное питающее давление 5 бар, при этом должен быть достигнут вакуум глубиной 89 % (остаточное давление 111,5 мбар). Это значение не соответствует приведенной в каталоге фирмы изготовителя диаграмме зависимости изменения глубины вакуума от величины питающего давления для эжекторов семейства VED. Проведенные исследования показывают, что для эжектора VED-09 при питающем давлении 5 бар (величина, рекомендуемая фирмой изготовителем как оптимальная при эксплуатации эжектора VED-09) остаточное давление в линии вакуума составляет 98 мбар, что соответствует глубине вакуума 90,33 %.

Представляет интерес резкое падение значения глубины вакуума и возникновение колебаний показаний глубины вакуума в интервале значений питающего давление от 3,95 до 4,4 бара (рис. 6).

Обсуждение и заключение. Момент появления колебаний, зафиксированный в ходе всех экспериментов, сопровождался заметными изменениями звука выхлопа. Считаем, что такой характер поведения может быть связан с резким изменением характера течения воздуха, что может указывать на наличие производственного дефекта в данном эжекторе. Для подтверждения этого вывода необходимо провести дополнительные эксперименты с другими эжекторами из данной серии. Дополнительно стоит рассмотреть возможность исследования поверхности канала эжектора с целью оценки точности геометрических форм и качества обработки поверхности.

Согласно результатам проведенных экспериментальных исследований вакуумных эжекторов, можно сделать вывод о том, что фактические значения глубины вакуума варьируются в зависимости от величины входного питающего давления и отличаются от значений, представленных производителем. Кроме того, характер графиков также имеет свои отличия. Например, поведение графика на рис. 3 указывает на возможное наличие производственного дефекта в канале эжектора. Актуальным в этой связи является построение математической модели эжекторов, позволяющей на уровне модели изучить факторы, обуславливающие столь специфическое поведение графика. Понимание этих факторов поможет выработать рекомендации по улучшению технологических процессов производства вакуумных эжекторов.

В связи с этим необходимо вводить корректировку величины входного питающего давления для достижения максимальной глубины вакуума для каждого типа эжектора, что будет влиять на производительность как самих эжекторов, так и автоматизированных вакуумных систем.

Полученные результаты исследований могут быть полезны для всех производителей эжекторов с целью корректировки их базовых каталогов и соответствующих рекомендаций по применению этих изделий. В дальнейшем авторы планируют продолжить серию экспериментов, направленных на определение времени создания вакуума в одном литре объема при различных заданных глубинах вакуума.