Предельный вакуум безмасляного насоса составляет всего 90 kPa — почему он всё же удерживает заготовку

В таблице подбора для V3, V8, V10 и V16 предельный вакуум указан как 90 kPa. Многие, увидев это число, сначала сомневаются: меньше одного атмосферного давления — неужели удержит? Присоски на линиях электронной сборки, головки захвата и установки в лентоукладочных машинах, концевые звенья манипуляторов — множество движений как раз обеспечивается насосами этого уровня. Проблема не в насосе, а в том, как рассчитывать удерживающую силу.

90 kPa — это вакуумметрическое давление, а не удаление 90% воздуха

Указанные в таблице 90 kPa означают вакуумметрическое давление относительно атмосферного. Если пересчитать по стандартному атмосферному давлению 101.3 kPa, давление на входе насоса, отсчитанное от нуля, составит около 11 kPa. На странице продукта также указано «рабочее разрежение 85 kPa»: это означает, что при непрерывной работе давление на входе насоса примерно поддерживается на уровне 16 kPa давления, отсчитанного от нуля. Разница между двумя числами — 5 kPa; это потери давления в трубопроводе и утечки через присоски. Номинальное предельное значение можно получить только при полностью перекрытом впускном отверстии.

Сила, действующая на присоску, зависит только от перепада давления и площади воздействия:

F = ΔP × A

Площадь присоски φ50 составляет 19.63 cm². При разрежении 60 kPa перепад давления принимаем за 60 kPa: F = 0.001963 m² × 60000 Pa ≈ 118 N, около 12 kgf. Это теоретическое значение; ниже приведены значения по диаметрам:

Диаметр присоски	Эффективная площадь	При разрежении 60 kPa	При разрежении 85 kPa
φ20	3.14 cm²	18.8 N / 1.9 kgf	26.7 N / 2.7 kgf
φ30	7.07 cm²	42.4 N / 4.3 kgf	60.1 N / 6.1 kgf
φ40	12.57 cm²	75.4 N / 7.7 kgf	106.8 N / 10.9 kgf
φ50	19.63 cm²	117.8 N / 12.0 kgf	166.9 N / 17.0 kgf
φ80	50.27 cm²	301.6 N / 30.7 kgf	427.3 N / 43.6 kgf
φ100	78.54 cm²	471.2 N / 48.0 kgf	667.6 N / 68.1 kgf

Если пересчитать ту же таблицу по 85 kPa, значения умножаются на 1.42. При удвоении перепада давления сила также удваивается; с мощностью насоса это напрямую не связано.

Коэффициент запаса: теоретическое значение нужно уменьшить вдвое

Присоска не является жёстким телом; на поверхности заготовки могут быть масляная плёнка, текстура, деформация, а уплотнительная кромка не может прилегать полностью. В инженерной практике коэффициент выбирают в зависимости от направления захвата: при горизонтальном захвате вверх без ускорения — 2; при боковом захвате, наличии ускорения или шероховатой поверхности заготовки — 3 и более.

Пример: алюминиевая пластина 2 kg, 4 присоски φ30, разрежение 60 kPa. На каждую присоску приходится 4.3 kgf, всего 17.2 kgf; при коэффициенте запаса 2 допускается 8.6 kgf, то есть запас более чем в 4 раза. Если для той же заготовки использовать 2 присоски φ20, суммарно получится 3.8 kgf; после уменьшения вдвое остаётся только 1.9 kgf, что ниже веса заготовки — именно так и возникают редкие случайные отрывы детали.

Скорость откачки определяет, как быстро произойдёт захват, а не сам факт захвата

Достаточна ли удерживающая сила — это вопрос перепада давления; то, насколько быстро происходит захват, — вопрос скорости откачки. Скорость откачки V8 составляет 6.8 m³/h (50 Hz), то есть 1.89 L/s. На стороне оборудования имеется буферный ресивер объёмом 20 L; откачка от атмосферного давления до 40 kPa давления, отсчитанного от нуля:

t = V / S × ln(P₁/P₂) = 20 / 1.89 × ln(101.3 / 40) ≈ 9.8 s

Эти 9.8 s учитывают только откачку и не включают утечки до прилегания заготовки. При тех же условиях с V16 (16 m³/h, 4.44 L/s) и объёмом ресивера 50 L получится около 10.5 s. Если по такту требуется захват за 3 s, увеличение насоса часто менее эффективно, чем уменьшение буферного ресивера: при снижении объёма ресивера с 20 L до 5 L время откачки для V8 уменьшается примерно до 2.5 s.

Способность удерживать вакуум зависит от утечек, а не от предельного вакуума

Пористые детали (картон, пеноматериал, ткань, спечённые изделия), соединения шлангов и вращающиеся соединения дают утечки. Номинальная скорость откачки V8 составляет 133 L/min. Если система при перепаде давления 60 kPa теряет 20 L/min, эффективная скорость откачки остаётся 113 L/min, и рабочая точка ещё удерживается; однако насос длительно работает на полной нагрузке, из-за чего растут температура и шум. Когда утечка приближается к номинальной скорости откачки, насос уже не удерживает заданную точку, что проявляется в периодическом отрыве деталей с присосок.

Когда 90 kPa действительно недостаточно

Три типа условий:

Первый — откачка, при которой давление в камере, отсчитанное от нуля, должно быть ниже 10 kPa, например вакуумная упаковка, пропитка, дегазация; разрежения 90 kPa физически недостаточно для этого; Второй — создание предварительного вакуума для напыления и термообработки, где требуется уровень порядка 0.1 mbar; здесь нужен маслозаполненный пластинчато-роторный насос: предельный вакуум V0025A составляет 0.5 mbar, а для V0040A–V0100 — 0.1 mbar; Третий — удалённые посты с длинными трубопроводами и большим числом отводов, где потери давления составляют десять с лишним kPa; в этом случае сначала рассчитывают диаметр труб, и замена насоса может не потребоваться.

Три вопроса при подборе

Какой перепад давления нужен для удержания заготовки. Его определяют обратным расчётом по весу заготовки, количеству присосок и коэффициенту запаса, после чего решают, вести расчёт по 60 kPa или по 85 kPa.
За сколько секунд нужно создать вакуум. t = V/S·ln(P₁/P₂); в V следует включать суммарный объём присосок, шлангов и буферного ресивера, а не только объём ресивера.
Каков объём утечек. Для пористых деталей его измеряют, а для обычных листовых металлических деталей закладывают запас 20–30 L/min.

После ответов на эти три вопроса обычно можно определиться с диапазоном между V3 (3.4 m³/h), V8 (6.8 m³/h), V10 (10 m³/h) и V16 (16 m³/h); если ответ на первый вопрос требует «давления ниже 10 kPa, отсчитанного от нуля», проще сразу перейти к маслозаполненному насосу.

Часть моделей не подходит для регионов с 60 Hz, а скорость откачки также зависит от частоты вращения (V8 — 6.8/8.6 m³/h, V10 — 10/12 m³/h, V16 — 16/18.2 m³/h, все значения приведены для 50/60 Hz). Перед заказом для зарубежных проектов просьба согласовать с нами конфигурацию напряжения и частоты.