1.3 有待研究解决的问题

1.3.1 气罐式排气回收节能技术

由前述国内外气缸排气回收节能的研究状况可见，利用气罐回收节能的思想得到了国内外许多学者的重视，与其他节能方式相比，主要是因为回收到气罐中的压缩空气不用经过净化过滤等处理即可直接使用，节能效果显著。有学者利用蓄能气罐将活塞杆伸出后无杆腔中的部分能量回收起来，直接驱动活塞返回，从而变双程耗气为单程耗气的节能方式作了较深入的研究，可获得近50%的节能效果^[17]。但是，该节能回路中气罐大小的选取等较复杂，较难在工程实际中得以推广应用。

而本书通过将气缸排气腔的压缩空气回收到一气罐中，并作为中压空气源再利用的节能方法与其他节能方式相比，该节能方法不仅安装方便，而且适用范围较广，但若直接将气缸排气腔与一回收气罐相连，使气缸排气腔内的有压空气回收到气罐内，再加以利用。如图1-10所示，经过几个工作循环后，随着气罐内回收压缩空气的增加，气罐压力会越来越高，可能会对气缸活塞的速度特性产生影响。又因标准气缸的使用速度范围大多是（50～500）mm/s^[26]，当气缸活塞速度小于50mm/s时，由于气体摩擦阻力的影响增大，加上气体的可压缩性，气缸活塞可能会出现时走时停的“爬行”现象，且当气缸进气腔与排气腔压力所产生的输出力不足以克服系统外加负载时，气缸活塞还会停止。也就是说，当气缸活塞速度接近或低于50mm/s时，排气腔内的余气不能再回收到气罐中，必须排向大气，即有必要控制好气缸排气腔与回收气罐的连接和气缸排气腔气体向大气的排放，而且需要根据气缸的不同使用条件，给出关键的控制指标并控制排气回收过程的起、停切换，同时排气回收控制装置还必须简单、经济、实用。

图1-10 直接回收气压传动系统

综合以上国内外研究状况的分析以及节能研究的预期目标，主要针对以下几个问题进行研究。

1.排气回收控制判据的研究

为了既能使气罐回收能量尽可能多，又对气缸活塞的运动特性影响小，有必要合理控制气缸排气腔与气罐间的连接和切换，并对排气回收系统的切换控制判据进行深入的研究。首先，需要建立排气回收控制系统的数学模型，为排气回收切换控制压差表达式的推导奠定理论基础；其次，通过理论分析和实验研究，获得附加排气回收装置后对气缸动态特性的影响规律；最后，在对排气回收切换控制过程理论分析和实验研究的基础上，推导出气缸排气回收切换控制压差的表达式，并给出排气回收实际切换控制判据和控制策略。

2.排气回收控制装置的设计

为了能够在实际应用中使用该气缸排气回收节能方法，需要对排气回收控制装置进行设计，而且所设计的排气回收控制装置必须具备两个功能：一是能够实时检测气缸排气腔与气罐间的压差的变化，二是当排气腔与气罐间的压差达到切换控制判据时发出信号使控制装置切换。同时，所设计的排气回收控制装置还必须简单、经济、实用。

3.系统排气回收效率的评价方法分析

为了研究排气回收控制系统的回收效果，需要对排气回收过程中气缸排气腔初始能量及气罐内回收压缩空气的能量进行定性分析，并给出排气回收效率的评价方法。因此，如何评价排气回收系统的回收效率或回收效果，也是本书节能方法的研究内容。

1.3.2 微型排气回收高效节能涡轮发电再利用技术

气动系统在工业生产中占工厂总耗电量的10%～20%，有些工厂甚至高达35%。但气动系统能效偏低、浪费严重。气缸及气动马达是气动系统中应用最广泛的执行元件，消耗掉了气动系统中的大部分压缩空气，而这部分压缩空气在做功后仍具有一定的能量，如何实现对这部分能量的转换和回收具有重要的意义。

根据气动系统的特点，主要进行了以下几个方面的研究。

1.涡轮发电装置的微型化设计，附加微型涡轮发电装置后对原气动系统特性的影响分析

采用双费马曲线设计一盘状超能微型涡轮机进行气动系统排气回收发电，进而揭示微型涡轮发电系统的性能，探寻附加微型涡轮发电系统后对原系统动态特性的影响规律；微型涡轮和蜗壳是微型涡轮发电系统的核心部件，其结构直接影响能量转换回收的效率，结合理论分析和数值模拟，对涡轮和蜗壳进行了微型化设计，以便作为气动附件进行使用。

2.从能量转换的角度出发，探究微型排气回收高效节能发电系统能量转换效率的评价方法

探究附加该微型涡轮发电系统后气动系统的能量消耗评价体系及能量损失分析等。该研究旨在有效促进气动系统排气节能技术的广泛应用，并为该研究技术的产业化奠定基础。