Расчет вакуумных систем. Выбор присосок.

Вакуумные системы и оборудование предназначены для создания разреженного воздуха, распределения его потока и использования в качестве приводной среды по аналогии со сжатым воздухом. Такого типа системы применяются, как правило, в автоматизированных сборочных линиях для перемещения изделий в пределах от малых по размеру электронных компонентов до стеклянных пластин или для транспортирования и удержания изделий в определенном положении, например, кинескопов телевизоров.

В терминах пневматической технологии под вакуумом понимают область, свободную от окружающей атмосферы (давление в которой ниже атмосферного). Вакуум измеряют в Торрах или в стандарте СИ в барах и Паскалях.

Величина вакуума (или уровень разрежения) Pвак определяется как Pвак = P - Pатм, где P - абсолютное давление, Pатм - атмосферное давление. Таким образом, величина вакуума отрицательна и лежит в диапазоне от -103.3 кПа до 0.

Существует два основных метода получения вакуума: посредством вакуумного насоса, который откачивает воздух из резервуара или используя эжекторы, которые создают вакуум благодаря кинетической энергии сжатого воздуха.

Хотя создание вакуума с помощью вакуумного насоса объемного типа относительно дорого, этот способ все же используют для создания глубокого вакуума в больших объемах. Но в большинстве случаев вакуум создают при помощи эжекторов, так как этот способ более дешевый.

Основные положения

При проектировании и разработке вакуумных систем необходимо учитывать следующие основные положения.

1. При выборе между одной присоской с большим диаметром и эквивалентными ей по усилию присасывания несколькими присосками с малым диаметром, предпочтение следует отдавать, как правило, малым присоскам, чтобы распространить силу присасывания на максимально широкую область.

2. Не допускать выхода краев присоски за края изделия.

3. Использовать многоступенчатые присоски, чтобы предотвратить ослабление силы присасывания во время подъема.

4. Уменьшить время, необходимое для достижения рабочего вакуума, минимизируя длину соединительных трубопроводов между эжектором и присоской.

5. Использовать для каждой присоски индивидуальный эжектор. Несколько присосок, управляемых одним эжектором, перестанут удерживать изделие, если даже одна присоска разгерметизируется.

6. Следует учитывать, что использование в системе присоска-эжектор управляющего клапана гарантирует постоянный расход воздуха через присоску, даже в случае различных утечек вакуума.

7. Устанавливать дополнительные присоски так, чтобы в случае отказа нескольких присосок изделие всегда удерживалось в нужном положении.

8. Минимизировать диаметр соединительных трубопроводов, уменьшить сопротивление потоку, утечки и время, необходимое для создания вакуума.

9. Использовать и правильно обслуживать действующие фильтры, так как эффективная фильтрация предотвращает загрязнение эжекторов твердыми частицами и маслом. Для эффективной работы эжектора он должен быть защищен фильтрами в напорной и вакуумной линиях

10. Иногда бывает необходимо обеспечить и вакуум, и избыточное воздушное давление в присоске. Это достигается включением управляющего клапана питания между эжектором и присоской.
При использовании эжектора или вакуумного насоса в технологическом процессе для захвата изделия необходимо, чтобы продолжительность создания (сброса) разрежения и уровня самого разрежения в течение всей технологической операции находились в соответствии с характеристиками вакуумпроводов и типом изделия. То есть эффективное использование вакуумной системы может быть достигнуто путем выбора подходящего вакуумного оборудования.

Как выбрать вакуумное оборудование?

Процедура выбора вакуумного оборудования состоит из двух основных этапов.

1. ВЫБОР ПРИСОСКИ
1.1. Определение теоретической подъемной силы
1.2. Расчет диаметра присоски

2. ВЫБОР ВАКУУМНОЙ АППАРАТУРЫ
2.1. Расчет продолжительности откачки
2.2. Определение величины утечек

2.3. Выбор эжектора и вакуумраспределителя

1. Выбор присоски

При использовании круглой присоски ее диаметр определяется из расчета величины подъемной силы. Расчетное значение должно быть использовано как рекомендуемое и подтверждено, в случае необходимости, экспериментально. При расчете подъемного усилия необходимо учитывать вес изделия, силы, действующие на него в процессе движения (в момент подъема, остановки, переноса и др.) и ограничения, обусловленные техникой безопасности. Дополнительные ограничения, определяемые в каждом конкретном случае отдельно, могут привести к необходимости использования дополнительного количества присосок и указания их места расположения на изделии.

Подъемная сила присоски может быть найдена путем расчета усилия подъема плоской поверхности:

p - уровень разрежения (кПа)
S - эффективная площадь присоски (см2)
t - коэффициент безопасности:
при работе горизонтально расположенной присоски t = 4
(присоска работает на отрыв)
при работе вертикально расположенной присоски t = 8
(присоска работает на сдвиг)

Теоретическая подъемная сила (без учета коэффициента безопасности) может быть найдена при заданных значениях диаметра присоски и уровня вакуума. Требуемая подъемная сила может быть затем определена путем деления теоретической силы на коэффициент безопасности.

Далее в таблице приведены значения теоретической подъемной силы в Ньютонах (Н).

1.2. Определение диаметра присоски

Для определения размеров присоски при заданном значении подъемной силы используется приведенная ниже формула и, например, для круглой присоски ее диаметр определяется следующим образом:

p - уровень разрежения (кПа) F - подъемная сила (Н)
n - количество присосок, используемых для поднятия изделия t - коэффициент безопасности:

при работе горизонтально расположенной присоски t 4 при работе вертикально расположенной присоски t 8.      

Рекомендации по выбору параметров разрежения и формы присоски

Целесообразно устанавливать начальный уровень разрежения несколько больше — этот уровень после присасывания стабилизируется. Диаметр присоски определяется в соответствии со значением начального уровня разрежения. При выборе присоски необходимо иметь в виду, что уровень вакуума
в процессе присасывания и удержания изделия из-за утечек снижается.

2. Выбор эжектора и распределителя
2.1. Продолжительность откачки

Приближенное значение продолжительности откачки, то есть времени, необходимого для достижения под присоской установившегося уровня разрежения, требуемого для присасывания после включения/выклю-чения распределителя, может быть получено расчетным путем или с помощью
диаграмм. Далее рассматривается только расчетный вариант.

Pv - установившийся уровень вакуума
Т1 - время, необходимое для достижения 63% уровня вакуума от
установившегося значения
Т2=3Т1 - время, необходимое для достижения 95% уровня вакуума от
установившегося значения


2.2. Определение величины утечек

Даже если присоска размещена на поверхности изделия, воздух все равно может протекать через изделие, как это показано на рисунке ниже. В результате уровень вакуума, необходимый для присасывания, не может быть достигнут. В таких случаях необходимо выбирать подходящий
эжектор и распределитель, способные обеспечить требуемые параметры разрежения, чтобы компенсировать утечку под присоску через неплотности в изделии.

V - емкость трубопровода (л)

Т1 - время, необходимое для достижения уровня разрежения, равного

63% от установившегося значения после присасывания (с)

Т2 - время, необходимое для достижения уровня разрежения, равного

95% от установившегося значения после присасывания (с)

QL - величина расхода утечек (нл/мин)

Величина максимального расхода определяется по формуле:

Qmax = (2...3) Q  (нл/мин)

Эжектор выбирается с расходом не менее величины Qmax. Вакуумраспределитель выбирается исходя из значения эффективной площади, которая должна быть не меньше следующего значения:

S=(Qmax /11.1)(мм )

Рекомендации по выбору типа эжектора

Имеется два типа расходных характеристик эжектора - с высоким  уровнем вакуума (тип S) и высоким уровнем расхода (тип L). При выборе типа эжектора необходимо уделить внимание уровню вакуума, особенно в тех случаях, когда присасываемое изделие имеет утечки.
Уровень разрежения изменяется в соответствии с уровнем утечек, как показано на диаграммах.

Для определения значений на диаграммах с помощью цифр и стрелок приведены последовательность и направление выполнения операций нахождения величин. На горизонтальной оси определяется заданная величина утечек, из нее перемещаются до пересечения с характеристикой и из точки пересечения перемещаются далее по перпендикуляру к вертикальной оси. Точка пересечения на
вертикальной оси показывает значение вакуума при заданном уровне утечек.
Если уровень утечек составляет, например, 30 л/мин, то уровень разрежения для эжекторов типа S составляет -20 кПа, а для эжекторов типа L -33 кПа. Если уровень утечек составляет 5 л/мин, то уровень разрежения для эжекторов типа S составляет -80 кПа, а для эжекторов типа L -47 кПа.

Согласно диаграммам, для получения наибольшего уровня разрежения необходимо при уровнях утечек больше 25 л/мин использовать эжекторы типа L, а при меньших значениях утечек целесообразно использовать эжекторы типа S.Таким образом, в процессе выбора необходимо рассматривать обе расходные характеристики S-типа и L-типа для того, чтобы выбрать именно тот тип эжектора, который наиболее подходит для конкретного применения.

Рекомендации по выбору диаметра сопла эжектора. Если уровень утечек, имеющих место между присоской и рабочим изделием, является значительным по причине, например, неплотного
прилегания или недостаточного времени откачки воздуха, необходимо выбирать сопло с большим диаметром в эжекторах серий ZH, ZM, ZR, ZL.

Рекомендации по выбору коллектора Индивидуальный выхлоп

Если используется большое число эжекторов, которые соединены на коллекторе и работают одновременно, то целесообразно использовать или встроенный глушитель, или выхлопное отверстие.

Если используется большое число эжекторов и они установлены на коллекторе с общим выхлопом, то целесообразно установить глушитель на коллектор с обоих концов, чтобы уменьшить сопротивление выхлопу. Если же выхлоп должен осуществляться через трубопровод, необходимо убедиться, что диаметр трубопровода достаточно большой, чтобы противодавление не повлияло на нормальное функционирование эжекторов.

Рекомендации по выбору вакуумных элементов

Характеристики фильтра и эффективной площади распределителя необходимо определять в соответствии с уровнем максимального расхода эжектора и вакуумного насоса. Следует убедиться, что эффективная площадь больше значения, полученного по формуле:

S= Qmax / 11.1 , где  Qmax - наибольший расход.

Выбор реле вакуума (серии типа ZS), вакуумных манометров (серии типа GZ)

В процессе присасывания и транспортирования изделия необходимо контролировать работу вакуумных распределителей (дополнительно процесс контролируется также визуально с помощью вакуумметров, особенно при работе с тяжелыми или опасными для окружающей среды изделиями).
В условиях, при которых используются малые диаметры вакуумного сопла, равные приблизительно 1 мм, например, при работе с электронными или прецизионными комплектующими, разница в разрежении между уровнями ВКЛ (включено) и ВЫКЛ (выключено) становится незначительной (хотя это зависит от мощности эжектора или вакуумного насоса). В таких случаях необходимо использовать вакуумный датчик давления ZSP1(по запросу), который имеет малый гистерезис и высокую точность. К тому же его использование позволяет стабилизировать уровень давления эжектора и вакуумного насоса.

Выбор вакуумных фильтров серии ZFA, ZFB, ZFC

Для защиты распределителей и эжекторов от засорения рекомендуется применять в вакуумных сетях фильтр.
При использовании эжекторов ZX, ZR и ZM серий в пыльных условиях их фильтры быстро засоряются. Поэтому в качестве дополнительных могут быть рекомендованы фильтры серии ZFA, ZFB, ZFC.

Leave a Reply

You must be logged in to post a comment.