关于真空技术在设备自动化中的实践分析

周冬阳

【摘  要】真空技术，在我国有着悠久的历史，早在铁器时代，我国就有了风箱鼓风法，而传统中医手里的火罐，也是真空技术在医学中的应用，在这一点上，比国外的研究早上好几百年。所以说，在早期的科学文明史上，是不能忽略祖先的杰出贡献的。到了现代，随着机电一体化、智能化和自动化的发展，真空技术的应用，也达到了一个崭新的阶段。本文将对真空技术在自动化中的实践，进行简要分析。

【关键词】真空技术;设备自动化;实践分析

在“真空”这一门特殊的科学里，对于这两个字的定义，就是在我们给的一个范围明确的空间里，比空间外面的大气压的压力状态低。也就是说，我们所说的“真空状态”，简单来讲就是瓶子里的空气特别特别少，可以忽略不计的状态。这种真空状态，基本上有这样两个特点：因为容器里的气压低于大气压，所以在地球表面上的真空容器，都会受到大气压力的作用，也就是说，瓶子里和瓶子外气压大小所差的数值，其實就是压强差的大小;因为真空状态下瓶子里几乎没有空气，所以气体分子密度，比外边的大气气体分子密度要小。为了保证真空系统能达到和保持工作需要的真空度，除了需要配备合适的、抽气性能良好的真空泵以外，真空系统和其零部件还必须经过严格的检漏。

一、真空技术的简单介绍

真空技术是依托于低于大气压力下的物理环境，进行科学实验、物理实验以及工艺制作等。真空获得、真空测量、真空检漏和真空应用，是真空技术的主要内容，他们之间，是相辅相成的关系。虽然我国很早以前就有了真空技术的应用，但是直到1940年以后，真空技术才开始成为一门独立的科学[1]。

二、真空技术的工作原理

（一）真空泵的工作原理

真空泵，是一种利用在吸入口的位置形成负压，而在对应的排气口位置通向大气，在吸入口和排气口的两端，就会得到较大的压力用于排出气体的装置。当遇到被吸住的物体时，处在真空切换阀位置上的电磁铁就会开始通电的状态，牢牢吸住物体。当达到开始时在真空压力开关上设定的真空度的时候，就会发出相应的电信号，开始下一步工序的实施。而当物体要被放开的时候，处在真空切换阀位置上的电磁铁就会自动断电，这时，真空破坏阀位置上的电磁铁就会开始通电，把被压缩的空气送入干燥器和真空吸盘、减压阀、和真空过滤器，此时，就会因为真空状态遭到破坏，达到放开物体的目的。[2]对于真空泵的工作来说，在一个真空管的线路上，最好是只放置一个真空吸附夹，因为如果在一个线路上，同时放置多个吸附夹，那么如果其中一个损坏或是故障，就会对造成整个线路的破坏。

（二）真空发生器的工作原理

真空发生器，就是利用流动的压缩空气，形成一定真空度的元件。根据流动气体的绝热气体状态方程、连续方程和能量方程，可得：马赫数M等于地声速c和流速u的比，即：M=u/c[3]。在流动状态下的M小于0.2至0.3时，可视为不可压缩流动;而当M小于1大于0.3时，叫做亚声速流动;当M等于1时，叫做声速流动;如果M大于1，就叫做超音速流动。也就是说，在马赫数M小于1时，气体处在亚声速流动状态，当气体顺着流动的方向管道流出，出现截面面积减小的情况，那么此时的流动速度就会增高，而相应的气体压力就会降低。如果马赫数M大于1，气体则处在超声速流动状态，当气体沿着流动方向管道流出时，出现截面面积减小的情况，此时的气流速度就会增高，那么相对应的气体压力就会降低。对于可以被压缩的流体来说，如果想要让亚音速气流提升成超音速气流，那么就需要先收缩后扩张，这种管叫做瓦尔管。真空发生器是由3个部分构成的，分别是接收管、负压腔和拉瓦尔管。当将压缩空气进入到入口后，拉瓦尔管就会先进行收缩之后再进行扩张，而在另一端的喷嘴，就会产生射流。合理的对喷管参数进行选择，就能促使通入进口处的，原本处在亚音速状态的压缩空气，提升至超音速状态，这个时候就会喷射出紊流射流。而高速射流可以把处在负压腔当中的气体全部卷走，使得此腔成为整个系统中的低压区，如果将真空吸附夹具放置在真空吸取口处，凭借真空状态的压力，就可以把物体牢固而又平稳的吸住。对于真空发生器系统来说，当系统成功的把物体吸住时，处在供给阀上的电磁铁就会通电，而形成的压缩空气经过消声器和真空发生器后，就会排入到大气之中。因为真空发生器所具有的特殊作用，所以真空吸盘的位置就会形成真空状态，把物体吸住。如果真空度已经达到开关所设定的相应压力，就会发出电信号，然后开始下一步的工序实施。当物体被放开的时候，处在真空切换阀位置上的电磁铁就会自动断电，而处在真空破坏阀处位置上所设置的电磁铁就会立即通电。经过压缩的空气通过干燥器及真空吸盘、节流阀、油雾分离器和真空过滤器时，真空系统就会遭到破坏，把物体放开，释放工件[4]。

三、两种真空系统的性能比较

真空发生器的流量及排气特性曲线所呈现出的，是供给压力与吸人流量、 空气消耗量及真空度之间的关系。从曲线中我们可以知道，在某个特定的攻击压力状态下，会达到极限值的最大真空度[5]。另外，在吸人流量方面也达到了极限值，达到最大吸入流量的极限值，与最大真空度的极限值，在具体的压力供给方面则不同。所以，空气的消耗量是与气源供给压力相关的，可以有效的对真空吸附夹具发生的泄漏状况予以避免，同时还可以减少泄露部分对其他的真空吸附夹具所造成的影响。在现实工作中，真空发生器所具有的供给压力维持在0.39～0.44Mpa是最为合适的，如果出现压力过低或过高的状况，都会造成真空发生器在性能上的降低。所以，在真空发生器的进气口处安装减压阀，可以保证供气压力的稳定性。由对比试验了解到，真空泵系统所具有的最大真空度为101.2kpa，所以说，它具有很大的最大吸入流量，但是真空泵系统安装不方便，体积大而且结构复杂;而对于真空发声器系统而言，其具有的最大真空度为83kpa，虽然不具有较大的真空的吸人流量，但是它价格低、安装方便、体积小而且结构简单。所以，如果对于真空吸取口处的最大真空度要求较低，还想保证工件与真空吸附夹具之间出现较少的泄漏，那么选用真空发生器系统是最合适的。

四、真空技术在设备中的应用

真空技术有着广泛的应用范围，从食品药品、建筑工程、到航空航天的很多工农业和科学研究中，都有真空技术的渗透，本文将选取几个代表性的例子，进行简要说明。

（一）真空技术在运输、起吊、吸引和真空造型等设备中的应用

真空运输、起吊和吸引设备，所利用的原理都是真空和大气之间的压力差[6]。因为这几种机械，都有着压强均匀的特点，所以可以保证在任何形状的平面上做到封闭式密接。多用于吸取粮食、煤粉、石灰、水泥、碎末等粉状物。以及水泥地板、公路、跑道的快速干燥，胸膜积水的治疗，和原子弹爆炸一类的辐射尘埃的吸收等等。因为这些设备的结构相对简单，操作和维护都比较方便，而且在整个起吊、吸引过程中没有污染，还具有高效率和安全性，所以发展前景极为广阔。

同样利用压差力的还有真空造型。在高级工艺品、军用地图、自动浮雕、文物，以及微波炉里的波導制作等方面，都运用了这项技术。

另外，在真空过滤和真空浸渍方面，也有真空力的应用。在很多工业制作上，使用连续的真空过滤，把粘度较大的悬浮液在差压力的作用下通过微细筛孔，达到固液分离的目的。而真空浸渍，则会把前卫物质进行抽空，然后在液体中填进新物质，这样的工艺可以节省大量棉布，并达到化劣质为优质的目的，而且已经达到了预期的效果。

（二）真空技术在电器中的应用

利用电场和磁场来控制电子在空间的行为，来显示图像并且放大、振荡的过程，真空电器件的工作原理。所以要保证电子和气体分子不会碰撞到一起，保证电子沿着规定好的路线运动，不让电子发射热导致氧化中毒。所以我们要把电子器件里边的空气抽出来，按照规定的不同要求，抽出不同量的空气，才能保证电子器件的正常工作，这就是真空在电器件里的应用[7]。在这个行业里所生产的电真空器件，主要是各种电子管类，比如说：速调管、行波管、发射管等等;各种离子管：泵弧整流管、计数管、雷达电线开关等等;各种电子束管：摄象管、显象管、变象管等等;各种电光源管：照明灯，光谱灯、仪器用灯等等;以及中子管、电子衍射仪、x光显微镜;各种粒子加速器、核辐射谱仪、气体激光器。还有，真空里产生的电子束，可以进行除气、熔炼、提纯的工作，并且对难熔金属也可以进行切割、打孔、焊接等等。这这种工艺手段的运用，提升了很多工艺，对工厂生产和工业技术的进步奠定了坚实的基础。

（三）真空在食品技术中的应用

科技改革已经进行了很多年，在食品包装上，人类还是格外关注的[8]。因为我们发现，这样包装，不仅可以不受氧气影响而变质，昆虫也无法生长危害，而且病菌一类也没有生存空间，食物可以保存的很久。而且包装生产的设备价格便宜，使用也非常简单，装材料成本也非常低而且便于普及。真空包装的食品种类非常丰富，比如榨菜、酸菜、海带、水煮花生、咸蛋、豆制品、鸭脖等等。由于新鲜的产品从收获，到制作，再到出售的过程中所经过的中间环节时间较长，容易造成严重损失，而采用真空来包装，可以使产品的价格和冷藏费用降低，从而有效减少生产成本，降低售价。所以，真空保鲜一定能在市场上占有一席之地，活跃在人们的生活中。

至于真空冷冻干燥技术，最早出现于二十世纪初，但是最近几年发展的非常迅速。这是因为它与传统的屋顶晾晒、热风烘干，红外干燥，悬挂风干相比，具备很多的优点。由于冷冻干燥要先把食物原材料冷冻起来，然后把空气抽干，使原材料中的水分，直接升华消失。因此冻干后的制品还能保持原来的形状，方便加水后恢复原状。而且低温干燥还可以防止食物遇热分解或变质，从而保证了材料的洁净、新鲜和原味。同时，由于没有空气，干燥的食物不会氧化发霉，所以干燥后的食品，安全性非常高。现在，真空在食品方面的应用越来越多，还真是“民以食为天”。

（四）真空在航天工业中的应用

航天技术是最需要真空的，因为运载卫星、火箭、宇宙探测器等各种空间飞行器，在空间飞行的时候，都是在宇宙的自然环境中运行的。所以他们除了会受到太空环境的直接影响外，还会受到太阳辐射、太阳温度还有各种物质的影响。而这些影响都会对器材造成无法挽回的损害，以及仪器灵敏度的失灵，从而导致这些飞行器的工作遭到破坏，甚至会导致宇航员的严重伤亡[9]。所以，在地面上建立模拟宇宙空间模拟实验的装置，模拟空间飞行情况是十分有必要的。因为只有在各种飞行器通过了地面的模拟实验，掌握航天器会遇到的各种影响工作的条件和变化，消除飞行中可能存在的各种隐患，才能确保飞行器及宇航员的安全。航天事业是我们发展进步的一个重要部分，前提是保证航天员的安全。

（五）受控核聚变中真空的应用

加速器，就是一种对粒子加速，用来获得高能源的装置。打个比方，就好比是风扇，让扇叶在飞速运转的过程中形成风一样。在加速器中，能够产生各种能量的电子、质子以及其它重离子。而利用这些粒子与物质间会相互影响，发生变化，产生各种各样特征的次级粒子，如超子、中子、反粒子等。加速器产生的粒子和射线，可以用于核物理的研究，以及农林牧副渔等行业和部门。为里了保证粒子不和空气里的东西产生变化，所以空气剩余量必须能够让粒子按照规定好的方式来运动，否则不但会降低粒子能量，而且还会因为真空度不够，导致加速器被击穿，使其工作状态陷入瘫痪。

现在，像煤炭、石油这种资源越来越少，和大量能源过度消耗所引起的环境污染，所以我们迫切需要开发新能源来进行生产，其中受控核聚变所能产生的巨大能源，就是对我们最合适的一种。

现阶段这种新能源的创造主要有两种，一是把重原子核分开为两个轻原子核的过程。利用其裂变反应过程中所产生的巨大的能量，建立原子能发电站;另一种是利用两个轻原子二合一，如氘、氚，聚合成一个重原子核能释放出来的巨大能量，这就是我们说的核聚变反应。如果想要利用这种反应来产生能量，那我们必须要对反应过程加以控制，所以这种反应叫做受控核聚变。由于这种聚变的原料可以从海水中提取，所以它的发展前途是很宽广的。

但是核聚变反应对于温度的要求很高，只有达到2亿度才行，而这样超高的温度，只有像太阳那样的恒星内部才能达到。而且如果氘氚中含有杂质，就很难达到这样的超高温。就像酒精的燃点一样，所以，将核聚变装置空气抽干，抽到十分清洁的超高度真空状态，是最为基本的条件。而真空度的一般要求，是在10-7～10-9Pa范围内[10]。

五、真空技术的发展前景分析

随着我国经济的进步，特别是近年来表面科学、微电子学、材料科学、航天工业等高科学技术的发展，和与国际接壤程度的提高，对真空技术的要求越来越高。真空科学作为这些高技术发展里的核心内容，它的作用是不能被忽视的。比如说，在现在兴起的微电子学和元器件的制作要求里，不仅要求抽取到超高真空和真空气氛清洁无油，而且要求其对于腐蚀和粉尘有较强的耐受性。在真空测量方面，我国与发达国家之间的技术差距也还很大，主要表现在真空规管的结构，集成电路、数字显示和自动换挡等新技术的采用，以及超高空测量的准度上。所以尽快的促进真空技术的成熟度，用途向多用化、自动化及外观体积小、外形美观等方面发展，也是一个重要的问题。另外，为了鞥跟上国际发展的脚步，达到在极高真空测量，和特殊条件下的真空测量，保证做到如何在超高、和困难环境下的测量结果精准，达到真空技术领域中的先进水平，也是我国真空技术工作者面临的一项艰巨挑战。

结束语

综上所述，真空技术在我国，还属于发展阶段，在前景上还有很大的发展空间，而如果想使用这项技术，达到经济的全面发展，我们面临的困难还很多，要学习的东西也很多。所以，我们要加强对科学技术的重视，培养更多优秀的人才，学习发达国家的先进经验，坚持“科学技术是第一生产力”的方针，让我国的发展，步入新的阶段。

参考文献：

[1]李鹏，赵维贤，宁超，等.真空技术在设备自动化中的应用[J].山东工业技术，2016（19）：284-284.

[2]张群生，黄诚，李华川.真空技术在设备自动化中的应用[J].装备制造技术，2018（1）：116-117.

[3]李鹏飞.真空吸附技术自动化设备中的应用[J].内燃机与配件，2018（4）.：1-1.

[4]宋卓伟.机械设备自动化技术的实践应用研究[J].现代职业教育，2018（7）：233-233.

[5]白雪原，孙东明，周通，等.真空吸盘技术在剥离始极片中的应用[J].起重运输机械，2017（1）：78-81.

[6]郑用武.真空技术在激光中的應用[J].真空科学与技术学报，2016（a10）：23-27.

[7]吴兴会.真空技术在制药机械工业中的应用[J].黑龙江科学，2017，8（12）：168-169.

[8]杨乃恒.真空技术及应用系列讲座[J].真空，2017（1）：85-87.

[9]葛婉贞，陈仙春，罗根松.真空技术一些创新问题的探讨[J].真空，2017，54（2）：25-30.

[10]全国真空技术标准化技术委员会.2018年发布的真空技术标准[J].真空，2018，55（2）：82-82.