气动执行器与电动执行器的运行能耗分析

气动执行器与电动执行器的运行能耗分析

21 0 0年 5月

第3卷第5 6期

北京航空航天大学学报 J un l fB in iest o eo a t sa dAsrn uis o ra ej gUnvri fA rn ui n to a t o i y c c

Ma 2 0 v 01

Vo . 6 No 5 13 .

气动执行器与电动执行器的运行能耗分析张业明 蔡茂林(京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，京 1 0 9 )北北 0 1 1

摘

要：分析了气动执行器和电动执行器能量消耗过程，立了气动执行器运行能建

耗计算模型，建了气动执行器和电动执行器的运行能耗实验系统.过实验数据分析，出搭通得

两种执行器运行能耗的结论：在长时间保持负载或作动不频繁的工况下，①气动执行器比电动执行器更节能，频繁作动的工况下，在电动执行器比气动执行器更节能；在各种工况下，动②气

执行器的运行功率波动不大，电动执行器的运行功率波动较大.关键词：气动执行器；电动执行器；运行能耗；比能量中图分类号： H 1 8 T 7 . T 3; P2 14

文献标识码： A

文章编号： 0 1 9 5 2 1 ) 50 6— 10— 6 ( 0 0 0—5 00 5 4

En g on u p i ay s f rp eu a i c u t d el ti c u t er y c s m t on an lsi o n m t a t a oran ec r a t a or c cZ a g Ye n h n mi g Ca a ln iM oi

( c o l f uo a o ce c n l tc l n ier g e igU i r t o eo a t s n s o a t s B i n 0 1 1 C ia S h o o A tm t nS i ea d E e r a E gn ei,B in nv s y f rn ui d A t n ui, e i 1 0 9, hn ) i n ci n j e i A ca r c jg

Ab tac:Th n ry c n u to r c se fp e ma i cu tra d e e tia c u trwe e a ay e sr t ee e g o s mp i n p o e s so n u tca t ao n lc rc la t ao r n lz d. A a c lto de ft e e e g o u p in frp e

m ai cu tr sp o o e c lu ain mo lo n r yc ns m t o n u tca t a o swa r p s d. An wos t fa t ao s h o d t eso c u tre p rm e t l s s e f r p e m a i c u t r a d l c rc l a t a o r u l u x e i n a y t m o n u tc a t a o n e e ti a c u t r we e b it p. Th a g u n i e o h e l re q a t is ft e t

e p rm e tld t r e ev d fo t e e e g o s mp in e p rme t ft y e fa t a o . Th i x e i n a aa wee r c ie r m h n r y c n u to x e i n so wo t p s o cu tr e man

rs l r an d tru h tea ayi e p r n a d t① T ep e mai at ao smoee eg—f ce t eut weeg ie ho g h n lss x ei tl aa: h n u t cu tri s me c r n ry e in ita he ee tia cu tro h o d to fman an n h o d fr a l n i r t e c n iin o n r - h n t lc rc la t ao n t e c n iin o i ti i g t e la o o g tme o h o d to fu fe qu n cu t n. Ho v r h l crc la t a o s mo e e e g e ce h n t e p u t c u tr o h e ta ta i o we e,t e ee tia cu tri r n ry—f intt a h ne ma i a t ao n te i c

c n i o f￣ q e t cu t n o dt n o e u n tai .② I ait o p rt gcn io s h u nn o e ftep e mai a— i a o nav r y f eai o dt n,tern igp w ro n u t c e o n i h ct ao u t ts sih l n h u ig p we ft e e e ti cuao s a g e tfu t a in. u t rf cuae l t a d t e r nnn o ro h lcrc a t trha r a

cu t l g y l o

Key wor s:p e ma i cu tr lcrc la t ao;o e a ig e e g o s mp in;r to e eg d n u tc a ta o;ee tia c u t r p r t n r y c n u to n ai n r y

气缸驱动系统自 2 0世纪 7 0年代以来就在工业化领域得到了迅速普及 .缸适用于作往复直气

在气动执行器和电动执行器的选择上，别特

是在工业自动化需求最多的 P P输送场合，直 T一没有充足的数据来论述两者选择标准.文从运本行能耗的角度探讨两种执行器的能量消耗问题 .

线运动，其适用于工件直线搬运的场合 .在，尤现气缸已成为工业生产领域中 P P P it oP i ) T ( o o t nt n

搬运的主流执行器… .0世纪 9 2 0年代开始，电机和微电子控制技术迅速发展，电动执行器的应使用迅速扩大 .而，然到现在来看，电动执行器在工

1两种执行器能量消耗 1 1气动执行器的能量消耗 .气动执行器的能量转换和空气状态变化如

业现场并未得到普及，而近几年，中国气缸销量在的年增长速度一直维持 2%以上 . 0

图 1 .动执行器运行消耗的是压缩空气.缩 气压空气输送过程中，经过节流阀、管道弯头等阻性元件后，会有一定的压力损失 .另外由于工厂普遍存

电动执行器主要用于旋转和摆动工况，于用直线工况的电动执行器逐渐增多 .电动执行器可

实现高精度多点定位，动执行器很难做到 .气收稿日期： 0 9 0 -3 2 0 -4 0

在接头、气缸或电磁阀处的空气泄露.管安装时尽

作者简介：业明( 9 9一)男，张 17,山东肥城人，士生， z a g e n@ g i c r博 t h n y mi a g ma . o l n

气动执行器与电动执行器的运行能耗分析

第 5期

张业明等：动执行器与电动执行器的运行能耗分析气

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的泄漏量标准低于 5,很多工厂的泄漏量高%但达 1%~4% .露也将导致一定的压力损 0 0泄失 .

如 V=d R m T

() 1

式中， P为压力 ( a; P ) V为气罐和管路的所有容积( ;为压缩空气的质量 ( g; m )m k ) T为

室温 (; K)

为气体常数，对空气 R= 8 / k K) 27 N m ( g .轰气扶态电动机.

Q=d/ t m dQ=Q/。 p

() 2( 3)

械力l动空气压缩装置

压缩状态压缩状态 (压力损失)

式中，为质量流量 ( g s;为体积流量 ( Q k/ ) Q m/s;为标准状况下空气的密度. ) 联立式 ( )~式 ( ) 1 3得流量计算公式：Q= ㈩

输送管道，门阀

动功率I气动执行器

辜

压缩状态

失气拣悉a能量转换 b空气状态变化

对式() 4积分得。,

:

R。

() 5、一

图 1气动执行器能量转换及空气状态变化

式中，为气动执行器的空气消耗量 ( ; . m ) P为气罐的初始压力 ( a;:为气罐的最终压力 P )P( a .动执行器单次往复的空气消耗量平均值 P)气

1 2电动执行器的能量消耗 .

电动执行器运行消耗的是电力 .通过电动它机 (服电动机、进电动机等 )动滑动丝杠或伺步驱滚珠丝杠旋转，动丝杠上的螺母转化为直线运带动，并推动滑台沿导轨做旋转或直线运动 . 电动执行器的系统结构如图 2所示 .由控制器发出运动指令给电动执行器，实现既定运动 .

可通过除以作动次数 n计算出来 . 2 2气动执行器的运行能耗计算模型 .设空压机组 (冷干机 )实际运行功率为含的 P ( )空压机组的输出流量为 Q ( l s,空 W, n/)则压机组的比能量为P

, )

则气动执行器每次往复作动耗气折算成压缩机的能耗和平均消耗功率 P为图 2电动执行器的系统构成

W=I— I )

() J

( 7)

2运行能耗评价标准气动执行器消耗的是压缩空气，要将消耗需压缩空气转化为压缩机的耗电.电动执行器可而

P=w ( ) f W 2 3运行能耗评价标准 .

() 8

式中，为空气泄漏率为执行器往复作动频率 . 1 )以两种执行器在相同工况下工作时的耗

采用直接测量得到耗电量，因此可将两种执行器在相同工况下的耗电量作为能耗评价依据 .2 1气动执

行器空气消耗量的测量 .

电量作为评价基准； 2 )承载能力要求相同或相近；3 )水平方向搬运工件时，相同频率下测量在

在气动实验系统中，用先储气后供气的方采式：启动压缩机向储气罐中充气，压缩空气达先待到一定压力后停止压缩机，由储气罐对外供气 . 气动执行器的空气消耗量测量流程：打开①截止阀，向储气罐中充满 0 7 a的压缩空气； . 5MP ②关闭截止阀，读取储气罐的压力，查是否压力检

搬运相同的工件移动相同位移、端位置保持相末同时间往复一次的能耗；

4 )垂直方向搬运工件时，由于工件借助自身重力的影响会向下运动，相同频率下测量向上在

提升相同工件、动相同位移、端位置保持一定移末时间、向下放回工件的能耗 .

下降，防空气泄露；设定减压阀的压力为以③0 5MP, . a气动执行器往复动作 2 0次；读取储气④

罐的最终压力，结束测量 .系统中压缩空气消耗是一个固定容腔充放气

3运行能耗实验3 1气动执行器 .

的过程，利用差压法来计算压缩空气的消耗量 .可将理想气体状态方程两边取微分得

气动执行器运行能耗的实验系统如图 3 .1 )实验条件 .缩机采用型号为 K b l n压 oei一 o

气动执行器与电动执行器的运行能耗分析

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北京航空航天大学学报

A 3 0 H的神钢压缩机 .功率 2 . W,定 G7A轴 2 5k额

排气量 3 2 m n储气罐为 S ./ i; m MC的两个 1 0 L气罐；电磁阀选用 S C的 S 5 2; M Y 10压力传感器采用日本长野计器的 K 1—2;编程控制器选用 H 58 4可O R N的 C M A;温为 3℃ . M O P 2室 0

,/次 mi- ( n )

图 4气动执行器

曲线

通过计算，气动执行器日在 P= . 0 a . 0 6 1 MP 3

时的空气消耗量为 0 3 76d 其中往复容积 . 7 m,0 2 4 m,路容积为 0 0 02 m,磁阀容 .9 d 管 4 .5 4d。电图 3气动执行器运行能耗实验系统

积 0 0 4 0 m,区容积为 0 0 8 0 m . . 0 9 死 6 d .2 4d 5 )气动执行器的能

量消耗 .用 ( )得利 6式P

2 )负荷以及作动条件.动执行器的实验内气容有水平搬运和垂直搬运 .负载和作动条件如其表 1~ 3所示 .表表 1气动执行器的试样与负荷类型内型号

r—=—2 v= p— 3 —c

:

:

.

/ 0 6

= 4 l 7 w// ) 2, I I s l Z 8 5(,m3S l 1 ^ W ( ) J:

…

…

、

( 0 1)

当取 5,为 1% -厂 5次/ i,用式 ( )式 mn利 7、( )气动执行器每一次往复平均能耗和平均消 8得

m m

1 1 l 日 配rm I负佃暑m 3/Kg耳 /g K 2 /

耗功率为= =

1—

:

0. 5 0

9 5 0 49( ) 7 .6 J…

( 1 1)注：平搬运负荷率为 10,直搬运负荷率 5% ( 水 0%垂 0 P0. 5MPa . )

P:=70× 2.6w 9.4蒜= 36() 56 47( 2 1) 32 .电动执行器

表 2气动执行器水平作动条件

电动执行器运行能耗实验系统如图 5所示 .

表 3气动执行器垂直作动条件

3 )实验数据 .

曲线如图 4从图中可以看 .图 5电动执行器运行能耗实验系统

出，几乎不依赖于-近似成直线状.有时有大 厂，但的倾斜，这是因为/过高，到达执行器末端就返未回，成减少的缘故.造 4 )实验结果分析.以气动执行器 B为例，在水平方向/为 l 5次/ i a r n时曰往复作动一次为

1 )实验条件. c主机采用 I M的 T ik a P B hn p dA D板卡采用 It fc/ ne ae株式会社 G I 24 6电 r S一 0 1; 3力测量采用日置电机株式会社的 3 6 1 8型电力计 . 2 )测定方法 .用电力计测量电动执行器和利

2 15 m . . 9 d 由理性气体状态方程得 7=

控制器在工作时每秒钟的功率 .量结果通过测A D卡传送到 P并保存起来，用积分的方/板 C利法，工作时间内的功率曲线进行积分就得到电将

23 9

:

× 0. 013 6

0 37 d ) ( . 7 m 6( 9)、…… 、

动执行器工作这段时问所消耗的电量 .

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张业明等：动执行器与电动执行器的运行能耗分析气

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3 )负荷与作动条件 .电动执行器的负荷和作动条件如表 4~表 6表 4电动执行器和气动执行器对照表 \

1 . 512,

0. 9

06 .

03 .

0

1 2 3 5 6 1 l l 1 l l 2 0 5 6 0 0 1 2 5 7 9 0 3 0 01 o

f ( i一、/次 v n 1 a

图 7电动执行器

曲线

注： hB B,分别为电动执行器的水平、直类型垂

4两种执行器的运行能耗分析通过计算就可以得出两种执行器每次往复的能耗对比曲线，图 8图 9所示.如、\

表 5电动执行器水平方向负载和作动条件

H

%¨

o

{越；类型

:实k g

一mm出 s J ( -… 1 r次 mi )//时/“ n_ I ' q￣1 2 5 1 0 1 5 2 O 5 O l0 o

一

定 g测值 /

/设 k

:

f ( - n / mi一1次

图 8气动和电动执行器水平方向作动时曲线

4 )实验数据 .电动执行器水平和垂直的功率曲线如图 6豹 . 4 O

喜2 02 0 2 5 3 O 3 5 4 0

时间/ s

a B 水平作动频率为 5次/ i a rn8 0

f( n 1/ mi一1次

芝4 o0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0

图 9气动和电动执行器垂直方向作动时曲线

从图 8图 9中可以看出，水平和垂直方、在向，动执行器搬运工件时，几乎不依赖于，气 各测试点的连线接近水平直线.由于它的能耗只与有关，在待机或保持压力时除少许泄露外它

时间/ s

b B 垂直作动频率为 5次/ i a rn

图 6电动执行器 B 和 B功率曲线

没有消耗，每次消耗量近似相等，因此，动执行气电动执行器水平或垂直方向作动过程包含作动阶段和保持阶段 (待机阶段 )电动执行器在或 .作动阶段， P成尖峰脉冲状态；在保持阶段存在一定的消耗.例如图 6 a中，水平作动时，在保持阶段消耗的功率为 1 w左右. O 器每次往复能耗在各种频

率下近似相等. 电动执行器在水平和垂直方向受.影响很厂大，测试点的连线成倾斜向下曲线 .各随着，的增

加，减少.图 6可知， 从电动执行器在待机状态也有消耗，高，机能耗越少，,越待电动执行器的效率就越高.(下转第 5 9页 ) 6

数据传送到 P C机后，过数值积分方法就通可以得到电动执行器每次往复能耗，图 7所示 .如

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第 5期

李树锋等，全互补序列在 MI O雷达中的应用完 M1 2~l 3 27 2 8

59 6

本文仅从模糊函数角度初步研究了完全互补序列用于 MI MO雷达的可行性，在此基础上，如何解决完全互补序列的多普勒容限问题，以及基于完全互补序列的 MI MO雷达信号检测、数估计以及参成像等关键技术还需开展进一步的研究工作 .参考文献 ( eee c s R frn e )[] D JR bd a, ak r D R b d a . bq i u MO dg a 1 a ie u P P r e, a ie u U iut s MI i tl o i

h r N.A i n l d sg t o t Co c a n li t re e c o sg a e i n wi u - h n e n ef r n e f r h[] Sue io 6

apoi tl snhoi dC p rx ey yc rnz DMA Ss msJ .E E Jun l f ma e yt[] IE ora o eS lc dAe si C mm nct n 1 9, 2 5:3 e t r n o u ia o,9 4 1 ( ) 8 7—8 1 ee a i 4h r Ku o a g I t e 1 r e i tfe i n [] Sue io N, r y na iN,m oo T, ta .Vey f cen r que cy 7 u a e s se s g y tm u i g c nv l t n l s r a t e in l b s d n sn o ou i a p e d i sg a s a e o o m

cm lt cmpe nay cd C]/ rce ig f PMR o pee o lmet oe[/ Poedns o I C. rL n o:EEE, 0 0: 5 7— 1 7 odn I 2 0 16 5 2

[] D n Plp aecd einf r ooa nt drdrss 8 egH. oyhs oeds rot g

nl ee aa y- g o h t tms J .I E rn a t n n Sg a rc sig 2 0, 2 e[] E E T a s c o s o in l P oe s, 0 4 5 i n( 1: 1 6— 1 5 1 ) 32 3 3nh i n r sq e t o d a o o r lto l[ De g H .Sy t essofbi ay e uenc s wih g o ut e rea ii 9] n

aryrd rC]/ ofrneReodo e3 t so a o r aa[/ C neec cr fh 7h A i m rC n a t lf r n e o S g a, y t ms n C mp t r . cfc Gr v CA: e e c n in l S se a d o u e s Pa ii o e, I E, 0 3: 0 7— 1 6 EE 2 0 15 0 4

[] Fslr H ioihA, lm R A,ta. MO rd ra d a 2 i e E, am v Bu e 1M1 aa:nie h c w oet eh s o[/ Poedn s fh E E C neec hs i a me C]/ rceig eIE of n e m c ot ro a a . h l d l h a, e n y v n a, A: EE, 00:—7 n R d r P i ep i P n s l a i US I E 2 4 71 a 8

ad COS orlt n poe isb s uae anaig[] n RS— r ao rp￣e y i l d n el c e i m t n J.I EEE T a s c in o r s c n e to i y tm s 1 9 3 r n a t n Ae o pa e a d El cr n c S se, 9 6, 2 o

( 1): 98—1 7 0

[] Soc,i, i Y O rbn inl ei o I aa 3 ti P L Xe . npo i s a d s nfrM MO rd r a J g g g[] IE rnatn l Sga Poes g 2 0 5 8) J .E E Tasci so i l rcsi,0 7,5(: o l n n4 51~4l l 61

[0] T S F C e . h n C n t ci fq a r p ae e m 1 | 。 h n J Z a g L Q. o s u t n o u di h s o - i r o -p e e o l me t r p is p l d n l t c mp e n a y ar a p i

i MI r d r y tms e MO a a s se

[/ T e 9 h I t n t n lC nee c n Sg a rc s n C]/ h t ne a o a o fr e o i lP oe s g r i n n iPo e dn s B i n:E E, 0 8 2 9 rc e ig. e ig I E 2 0:2 8—2 0 j 31

[] Y n a g Bu . MO rd rw vfr ei ae n 4 a g Y n, lm R S MI a a a eom d s n b sd o gmu u l i fr ai n a i i m me n s u r er r e t a in t a n o m t nd m n mu o a - q a e ro si to m

[ 1林茂庸，有安 .达信号理论[]北京：防工业出版 1]柯雷 M .国社，9 4 18

[] IE rnat n nA rsaea deet ncSs m, J .E E Ta sco so eopc n l r i yt s i co e2 0 5 1 3 0—3 3 0 7, 2( ): 3 4

Ln M o o g K o a . a a i a te r[ . e ig Na i a y n, eY u n R d r g l h oy M] B i n:— sn jt n l ee s n u t rs,9 4 i C ie e i a D fne Id s P e s 1 8 (n hn s ) o y r

[ 5] Fi lne . vf m ds n frMI aas[] IE r da drB Waeo ei o e r g MO rd r J . E ET a sci nA rsa ea dE e t ncS s m,0 7,3 3: rn a t n o eop c n lc o i yt s 2 0 4 ( ) o r e

(编

辑：海容 )赵

(接第 5 3页 )上 6Ba n o g, iXi o i g S u y o — u z o to r p e— iYa h n L a n n . t d n T S f z y c n r lf n u o

5结论 通过对两种执行器的能耗分析，出结论：得

mai ps i ev yt[] C ieeMehnclE gne- t oio sre ss m J . hns c aia nier c tn e ig 2 0 ( ) 1 0—1 4 i C i ee n,0 8 2:5 5 (n h n s )

[ 4]蔡茂林 .现代气动技术理论与实践第四讲：缩空气的能量压[]液

压气动与密封，0 7 5:4—5 J. 20 ( )5 9Ca a ln Th o n r ci e o o e n p e m ai s f u t iM o i . e r a d p a t f m d r n u t o rh y c c

①气动执行器每一次往复的能耗与作动频率几乎无关，电动执行器由于其内部的电机性质，一而每

次往复的能耗与作动频率成反比；气动执行器②和电动执行器的能耗与工况有关 .动频率要求作越高，用电动执行器更节能，之，动执行器采反气

lcue cmpesda’ nry J . yruisP ema c etr:o rs i seeg[] H dal n u t s& e r c iS a, 0 7 5: 4—5 ( nC iee el 2 0 ( ) 5 s 9 i hn s )

[ 5]Duc ai a T a C mpesda:aig f 0 aeq i t N t nl em. o rs i svnso% r ut h o e r 3 e n r lJ . A D T E e yE c ny N wltr 19 3: o[] C D E n r f i c, e s t,9 9( ) ma g i e ee1—1 4 6

更节能；气动执行器更适合于长时间保持负载③的场合，电动执行器更适合于频繁作动的场合 .参考文献 ( eee cs R frn e )[]蔡茂林，川利春 .动系统的能量消耗评价体系及能量损 1香气失分析[]机械工程学报，07,3 9:9— 4 J. 20 4 ( )6 7Ca a l Ka a En r y c n u t n a s s me ta d e e - iM o i n, g wa T. e g o s mp i se s n n n r o

[ 6]蔡茂林，田寄意，川利春 .氪压驱勤灭于厶括 c 藤香空于为 -, - r丰一消费奄鲆俩[] E本油空压学会渝文集， J .t

2 0,2 5: 1 0 1 3 ( ) 1 8—1 3 2 C i oi, i siK n V j a K gw . n ryc n u pin a Ma l H s h e ii, a a a T E e o s m t n a lt g o

assm n fcm rse i die yt J . r ednso ses e t o pesdar r n ss m[] Po e ig f o v e ct eJ p n Hy rui n n u t s S ce

, 0 1 3 5) h a a d a l s a d P e ma c o i y 2 0, 2(: c i t 1 8—1 3 i hn s ) 1 2 ( nC iee

g osaa s nu t yt J . hns ora f Yl n l i i p ema css m[] C iee un l s y sn i e J o Mec a i l n ier g 2 0,3 9:9— 4 i hn s ) h nc g ei, 0 7 4 ( ) 6 7 (n C iee aE n n

[ 7]徐文灿 .电动缸与气缸[]液压气动与密封，0 6 2:9— J. 20 ( )12 4

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X na. l tcatao n yidrJ . dalsP e- uWecn Ee r cut adcl e[] Hyrui nu ci r n cma c t s& S as2 0 ( ) 1 2 (n C iee i e l,0 6 2:9— 4 i hn s )

补[]现代制造，0 9 4:4— 7 J, 20 ()2 2Ca o i C e a g u, a g Xi n y o, ta .Cyi d r a d iMa l n, h n Xi n y W n o g a e 1 l e n n

[] C i oi, a ahmaK, aa aT P w rassmet f o— 8 a Mal K w si K gw . o e ses n w n of l

eetcauao’ o et nadcm l nat[] Moe lcr ctt s mpti n o pe try J . d r i r c io me i nMa ua tr g 2 0 ( ) 2 2 ( nC iee n fc i, 0 9 4:4— 7 i hn s ) un

igcm rse i[] Junlo lisE gne n, r sc n o pesda J . ora f ud nier g Ta a— r F i nt n f h S i so teA ME,0 6,2 ( ) 4 2— 0 o 2 0 1 8 2:0 4 5

[]柏艳红，小宁 .动位置伺服系统的 TS型模糊控制研究 3李气 []中国机械工程，0 8 2:5 J. 20 ( ) 10—14 5

(编

辑：刘登敏 )

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vjs4.html