第1章 绪论

1.1 气压传动系统节能的研究背景和意义

自20世纪70年代世界性能源危机以来，节能问题日益为世人所重视。在防止地球温室化的《京都议定书》中，也明确了今后“环保节能”的重要性。在我国，能源一直是国民经济发展的一个制约因素，节能研究更具有紧迫性和现实意义，现已成为工业中各行业的一个重要的基本课题。

在现代化国家中，由于使用压缩空气为工作介质的气动系统具有节能、无污染、高效、低成本、结构相对简单、安全可靠、可用于易燃易爆和有辐射危险场合等优点，因而被广泛应用于各行业，尤其是工业自动化领域，成为各个工业部门中提高生产效率的重要手段，在国民经济建设中起着越来越重要的作用。据统计，在工业发达国家中，随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大，全部自动化设备中约有30%使用了气动系统，90%的包装机，70%的铸造和焊接设备，50%的自动操纵机，40%的锻压设备和洗衣店设备，30%的采煤机械，20%的纺织机、制鞋机、木材加工和食品机械使用气动系统；43%的工业机器人采用气压传动^[1-22]。

然而，作为传递动力的空气介质虽然取之不尽，但将空气压缩成压缩空气，并处理成实际使用的洁净干燥的压缩空气，是需要消耗能量的，因为压缩空气不同于一次能源和二次能源，压缩空气是一种耗能工作介质，它是由一次能源或二次能源（如电或蒸汽等）经空气压缩机转换而来的载能工作介质。生产压缩空气是在工业生产中的重要耗能环节之一，在我国，空气压缩机的耗电量占全国发电量的10%左右。从节能角度来看，气动系统要比液压系统和电气系统的效率低很多。1988年，Mitsuoka从能量转换的角度对气压传动、液压传动以及电气传动这三种方式驱动系统的效率进行了研究^[14]，认为当时气动系统的效率约为20%，并估计将来能够达到的可能值为40%。由此可见，气动系统中产生压缩空气的动力费用是最大的费用，而且气动系统的效率较低，也就是说，能量损失较大。从这个结果可以看出，气动系统从节能的角度来说是较差的，但同时也说明了气动系统节能还有很大的改善空间。国内外很多学者相信，气动系统的节能还有很大的改善空间，在气动系统中应用节能技术，至少可节能10%，甚至有可能节能20%～35%^[17]。

以上这些数据，已经充分显示了气动系统的节能对我国现代化经济建设的重要性，而且在气动系统中应用节能技术可以取得很大的经济效益和社会效益，对缓解我国能源供求的矛盾，将起重要的作用。

要想达到节能，首先要知道气动系统的能量是在何处损失的，气动系统能量损失如图1-1所示。考虑气动系统的能量损失，要从空气压缩机（后称空压机）开始直到气动执行元件做功为止，主要体现在以下三个方面^[6，17]。

图1-1 气动系统能量损失图示

1）空气压缩机输出空气冷却产生的能量损失。

2）管道阻尼和泄漏以及节流减压等造成的能量损失。

3）气缸等用气设备的耗气：作为气动系统中应用最广泛的执行元件——气缸来说，其完成一个工作行程后，气缸原工作腔内的压缩空气一般直接排向大气，对长期运转的生产设备来说，造成了很大的能量损失。

以现代化的机械类企业为例，其能源消耗比例中，压缩空气的使用占整体能源消耗的20%，其中气缸往复动作的排气占整体能耗的12%^[18]。因此，气缸排气回收节能的研究，具有重大的节能意义和工程应用价值。

本书介绍了以下两种气缸排气能量回收的方法。

一是基于利用蓄能气罐回收气缸排气腔的部分能量再做功的节能思想出发，提出了一种新的气缸排气回收节能思路，即通过设置排气回收装置将气缸排气腔的压缩空气集中回收起来，当气罐压力达到期望压力值时，把回收气罐作为中压空气源再利用。该节能系统不仅可实现气缸排气腔压缩空气的回收，而且回收到气罐内的压缩空气可不经任何处理直接在气动系统中应用。

二是通过在执行元件排气侧设置微型涡轮发电装置（可作为气动附件进行连接），将排气腔能量进行回收储存，以供工厂弱电系统等场合使用。

由于本课题的研究可望达到气缸排气回收节能的目的，并具有较高的学术价值和广泛的应用前景，因而获得了日本SMC筑波技术中心以及山东省自然科学基金（ZR2014EEQ024）的资助^[1，2]。