真空管路內壓力波動的建模與試驗

朱冬 詹長書

摘? 要：以真空系統中與真空壓力傳感器連接的氣管為研究對象，建立了管路的二維軸對稱模型，提出適當的邊界條件，利用有限體積法仿真得到了壓力波動結果，與相同參數條件的試驗結果較為一致，驗證了模型的正確性。真空管路中壓力波動是短暫的，但峰值大于大氣壓，會對壓力傳感器造成沖擊。本文提出的建模方法為進一步研究真空系統的壓力波動提供了技術參考。

關鍵詞：真空系統? 壓力波動? 氣動管路? 模型

中圖分類號：TH138? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0094-04

Abstract： A two-dimensional axisymmetric model of the gas pipe connected with the vacuum pressure sensor in the vacuum system is established， and the appropriate boundary conditions are proposed. The pressure fluctuation results are simulated by using the finite volume method， which are consistent with the test results under the same parameter conditions， and the correctness of the model is verified. The pressure fluctuation in vacuum pipeline is transient， but the peak value is larger than atmospheric pressure， which will impact the pressure sensor. The modeling method proposed in this paper provides a technical reference for further study of pressure fluctuation in vacuum system.

Key Words： Vacuum system; Pressure fluctuation; Pneumatic pipeline; Model

真空系統廣泛應用在電子半導體組裝、汽車生產線、食品[1-2]加工等多個行業，用于搬運芯片、汽車玻璃等易損易碎物件。通過真空發生元件（真空泵或真空發生器）產生真空，使系統內部壓力低于大氣壓[3-4]，在吸盤內外表面產生壓力差使其吸附于工件表面，以便對工件進行操作[5]。

操作結束后，真空系統與大氣環境接通，系統內部壓力迅速升高至大氣壓，真空條件被破壞，吸附力消失，吸盤與工件脫開。與真空壓力傳感器連通的管路內壓力也迅速回升，并在氣管中產生壓力波動。壓力波動會對壓力傳感器造成沖擊，多次沖擊可影響傳感器準確性和使用壽命，對真空系統的安全性和可靠性帶來隱患。許多學者對氣動系統中的壓力波動進行了研究。仇艷凱等[6]設計了一種液壓消聲器，分析了其吸收壓力波動的效果。劉威志[7]對管路內氣液兩相流中壓力波動特性進行了分析，根據不同位置的波動特性對流動形態進行了劃分。

以上研究多集中在正壓系統或兩相流中的壓力波動，本文以真空系統中與真空傳感器連接的管路為研究對象，通過仿真和試驗對其中的壓力波動進行研究，探尋壓力波動的規律。

1? 模型的建立

真空系統一般由真空發生元件、真空減壓閥、氣管、控制閥、真空壓力傳感器和吸盤等組成。本文研究重點是與壓力傳感器連接的管路內的壓力波動，因此以一端與壓力傳感器連接、另一端與真空系統連接的管路為研究對象，建立二維軸對稱模型，如圖1所示。為了流場計算的準確性，在模型中加入了大氣區域（或真空區域）。

在本文的研究中設定：

（1）系統中氣體為理想氣體;

（2）忽略重力的影響。

管路中氣體流動遵循質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律等。控制方程如下：

（1）連續性方程。

（2）軸向和徑向的動量守恒方程。

（3）能量守恒方程。

（4）狀態方程。

2? 邊界條件及初始條件

真空系統一個完整的工作過程包括抽真空、真空維持、壓力回復和常壓等4個階段。

抽真空階段時，圖1中區域2為大氣壓，區域4為真空，1為管路出口，氣體從管路中抽出使管路中壓力降低至設定真空值。真空維持階段時，系統內部壓力為某一真空值，吸盤處于吸附工件狀態，此時圖2中區域2和區域4均為真空狀態。

壓力回復階段時，圖1中區域2為真空，區域4為大氣壓，1為管路入口，氣體向管路充氣使管路內壓力迅速回升至大氣壓。常壓階段時，系統內部壓力為大氣壓，吸盤和工件脫開，處于不工作狀態，此時圖1中區域2和區域4的壓力均為大氣壓。

初始時管路中為真空壓力，先向管路中充氣使氣體壓力回復至大氣壓并進入常壓階段，然后將管內壓力抽至真空狀態并維持真空。

3? 數值結果及試驗驗證

為了驗證本方法的正確性，現給出一算例，主要參數為：管路長度1000mm，管路內徑4mm，真空壓力為10kPa（絕對壓力，下同），大氣壓為100kPa，壓力回復時間和抽真空時間均為1s。氣體溫度為300K。

3.1 管路中監測點的設定

分別在管路中設置3個監測點，如圖2所示，分別為位于管路與真空壓力傳感器的連接處即管路末端的A點、位于管路中間的B點和位于管路入口處的C點。

3.2 試驗系統的建立

建立真空試驗系統，氣動回路如圖3所示。通過真空泵抽取系統內空氣，利用真空減壓閥調整系統的真空壓力。氣罐用于穩定管路中的真空壓力。通過計時器控制電磁閥的通斷電，使被試氣管按設定時間與大氣環境及真空系統聯通，實現氣管中大氣壓和真空壓的更替。

真空泵為旋片式泵，抽速為9L/s。真空減壓閥的最低設定壓力為5kPa。氣罐容積為5L，電磁閥為二位三通閥，實現被試管路壓力在真空和大氣壓之間切換。管路長度1000mm，管路內徑4mm，材質為聚氨酯。

3.3 數值結果分析

通過數值仿真得到管路末端A點的壓力值，相同條件下試驗測量的管路末端壓力如圖4所示。

圖4表明，管路內氣體依次經歷了壓力回復、常壓、抽真空和真空維持等階段。圖4（b）為局部放大的A點壓力曲線，仿真結果表明A點的第一個波峰出現在0.008s，最高可達125.5kPa;第一個壓力波谷出現在0.014s，最低可達88.4kPa，壓力波動經歷了5次振蕩，歷經約0.07s。通過試驗測得的A點第一個波峰出現在0.024s，其值為107.8kPa，第一個波谷出現在0.038s，壓力為92.8kPa，壓力波動經歷了5次振蕩，歷經約0.14s。與仿真結果相比，試驗得到的壓力波動峰值要低于仿真結果，且波峰出現的時刻也晚于仿真曲線。這是因為仿真計算時管路壁面為固體材質，不具有彈性，試驗用氣管為聚氨酯材質，具有一定的彈性。當管內壓力高于大氣壓時，氣管在徑向方向會有一定的膨脹，在此過程中會吸收氣體的部分壓力能，降低了壓力波的峰值，并延后壓力波的出現。從整體上看，試驗壓力與仿真得到的壓力曲線是一致的，表明所建立模型和采用的計算方法是可行的。壓力波動僅在壓力回復階段出現，整個過程很短暫，隨著時間的推移逐漸衰減并維持在大氣壓。

初始時，管路內壓力為真空壓10kPa，管路入口氣體壓力為100kPa，在壓差作用下氣體以一定初速度向氣管充氣。當氣體到達氣管末端即氣管與壓力傳感器連接處時，緊靠壓力傳感器的流體首先停止流動，相鄰的流體依次停止流動，最終管路入口處流體也停止流動。在各處流體依次停止流動的同時，流動的動能轉化為壓力能，致使已停止流動的氣體產生壓力升高的現象，這是壓力峰值出現的原因。

圖5為仿真得到的管路末端（A點）、中點（B點）和入口（C點）的壓力曲線。由圖5可以得到，由于B點的速度小于A點的速度，所以B點的第一個壓力波峰小于A點的壓力波峰值。管路入口C點和大氣區域連通，大氣區域的壓力恒為大氣壓，因此C點壓力幾乎無升高和波動。

管路內氣體壓力的第一個波峰值高于大氣壓，在壓差作用下，氣體向大氣區域反向流動，使氣體離開管路，導致管路中的壓力在達到波峰值后開始降低，最低可至大氣壓以下，從而出現壓力波谷。圖5中B點的第一個壓力波谷高于A點的壓力波谷值。

當管路內壓力均達到波谷值，壓力低于大氣壓，氣體再次向管中充氣，重復上述過程。由于波谷值高于初始壓力10kPa，因此壓力的第二波峰低于第一個波峰值，波谷值高于第一個波谷值。隨著時間的推移，管路內壓力波動逐漸消失，最終穩定在大氣壓。

4? 結語

本文研究了與真空壓力傳感器連接的氣管中的壓力波動，建立了仿真模型并進行了計算，得到了以下結論：

（1）仿真結果與試驗結果的一致性較好，表明所采用的二維軸對稱模型和方法是可行的;

（2）管路中的壓力波動存在于從真空向大氣壓回復的階段，整個過程很短暫，但壓力峰值可達125.5kPa，會對真空壓力傳感器造成一定的沖擊;

（3）管路的膨脹性可降低壓力波動的峰值，延遲壓力波動的出現，對壓力波動有一定的抑制作用。

參考文獻

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[7] 劉威志，徐強，郭烈錦.集輸立管氣液兩相流壓力波動特性及小波分析[J].工程熱物理學報，2019， 40（8）：1820-1825.