Пневматический эжектор: принцип работы, типы, подбор для вакуумного захвата

Кратко: вакуумный эжектор создаёт разрежение без насоса и электропривода. Сжатый воздух разгоняется в сопле до очень большой скорости, струя увлекает воздух из боковой камеры, и там давление падает ниже атмосферного. К этой камере подключают присоску или вакуумный захват. Подвижных частей нет, поэтому обслуживание почти не требуется (чистка сопла, глушителя, фильтра), но расходует сжатый воздух всё время, пока включена подача.

Подобрать и купить вакуумную технику в каталоге →

В статье: определение, принцип работы по шагам, виды (одноступенчатые, многоступенчатые, с клапанами), как подобрать эжектор под деталь, расчёт на числах, отличие от вакуумного насоса, ошибки и ответы на вопросы. Каталог — вакуумные эжекторы WAALPC.

Что такое вакуумный эжектор?

Вакуумный эжектор (его называют также пневматическим эжектором, вакуумным генератором или генератором вакуума) — устройство, в котором энергия струи сжатого воздуха превращается в разрежение. В пневматике его применяют там, где нужно удержать деталь присоской: упаковка, перекладка листов, роботизированные захваты. Подробнее о захватах — пневматический захват для робота.

Эжектор состоит из четырёх частей: питающего сопла, камеры смешения с боковым вакуумным портом, диффузора и выхлопа. В вакуумных эжекторах питающее сопло часто делают сходяще-расходящимся (сопло Лаваля): в самом узком месте скорость воздуха достигает звуковой, а в расширяющейся части становится сверхзвуковой. Отдельно про эффект Вентури и сопло: сопло Вентури: принцип работы.

Как работает вакуумный эжектор по шагам?

Важное следствие: разрежение существует только пока воздух течёт через сопло. Пропал воздух в сети — пропало удержание. Что с этим делать, разобрано ниже, в разделе про ошибки.

Какие бывают вакуумные эжекторы?

Максимальный вакуум у одно- и многоступенчатых эжекторов сопоставим; преимущество многоступенчатого — в большем расходе откачиваемого воздуха на единицу расхода питающего, то есть в скорости набора вакуума и в работе с негерметичной присоской. Конкретные числа — только по паспорту модели.

В каталоге WAALPC: одноступенчатые эжекторы ZH (совместимый аналог SMC ZH, от 4 620 ₸), компактные эжекторы ZU (совместимый аналог SMC ZU, от 1 740 ₸) и многоступенчатый PM402B-A-D. Обозначение ZH05, ZH07, ZH10, ZH13 и ZU05, ZU07 содержит диаметр питающего сопла в десятых долях миллиметра: 0,5, 0,7, 1,0 и 1,3 мм.

О глубине вакуума. У эжекторов SMC серии ZH исполнения S максимальный вакуум по листу SMC — около −88 кПа (в зависимости от размера немного отличается), исполнения L — около −48 кПа: у исполнения L глубина вакуума меньше, расход откачки больше. У наших ZH исполнение S/L и вакуум в листе завода не указаны, у ZU буква S или L есть в коде, но вакуум и расход для неё завод не приводит, поэтому глубину вакуума и расход берите из паспорта на конкретный артикул, а не из таблицы SMC.

Как подобрать вакуумный эжектор?

1. Масса и положение детали. Горизонтальный подъём и вертикальное удержание за боковую грань — разные случаи. В каталоге Parker для присосок приведены минимальные коэффициенты запаса: 2 для горизонтального подъёма и 4 для вертикального; для неровных деталей, трудных поверхностей и резких движений запас увеличивают (каталог Parker 0802-E; у других изготовителей запасы иные).
2. Присоска. Удерживающая сила F = Δp × A, где Δp — разрежение под присоской (разница с атмосферным давлением), A — её площадь. Подробные расчёты с обратной задачей «груз → диаметр присоски» — на странице сопло Вентури: принцип работы.
3. Расход откачки. Чем хуже герметичность (пористый картон, шероховатая поверхность, сетка отверстий), тем больше воздуха эжектор должен откачивать при рабочем вакууме. Для гладких плотных деталей хватает малого расхода, для пористых нужен эжектор крупнее или многоступенчатый.
4. Расход питающего воздуха. Он определяет стоимость работы эжектора и требования к сети и фильтрации. Его берут из паспорта; оценку можно сделать по диаметру сопла.
5. Давление питания. Паспорт каждой модели указывает рабочее давление, при котором получается заявленный вакуум. При меньшем давлении вакуум падает. При большем расход воздуха продолжает расти, а прибавки вакуума может уже не быть: у SMC ZH исполнения S он выходит на полку около 0,45 МПа (графики в листе SMC, предел питания 0,6 МПа). Перед эжектором ставят регулятор давления, например AR2000-02 (5 400 ₸).

Расчёт на числах: сила присоски и расход воздуха сопла

Сила присоски. Присоска Ø30 мм: площадь A = π·15² ≈ 707 мм² = 7,07·10⁻⁴ м². При разрежении 60 кПа: F = 60 000 Па × 7,07·10⁻⁴ м² ≈ 42 Н. С запасом 2 (горизонтальный подъём) допустимая масса m = 42 / (9,81 × 2) ≈ 2,2 кг, с запасом 4 (вертикальное удержание) — около 1,1 кг. Это теоретическая сила: трение при боковом удержании в формуле не учтено. Деталь тяжелее — берут присоску большего диаметра или несколько присосок.

Расход питающего воздуха сопла (оценка). Для звукового режима расход воздуха через сопло ориентировочно Qn ≈ 6,9 × d² × p₁, где Qn — нл/мин, d — диаметр сопла в мм, p₁ — абсолютное давление в барах (коэффициент расхода около 0,8, температура около 20 °C). При избыточном давлении 5 бар, то есть 6 бар абсолютных, для сопла Ø1,3 мм (ZH13): 6,9 × 1,69 × 6 ≈ 70 нл/мин; для Ø0,5 мм (ZH05): 6,9 × 0,25 × 6 ≈ 10 нл/мин. Это заниженная оценка по диаметру сопла: по листу SMC при 0,45 МПа ZH13 расходует 78 л/мин (ANR), ZH05 13 л/мин (ANR). Расход конкретного эжектора определяют по паспорту. Пересчёт единиц — на странице что такое нл/мин.

Что это даёт в деньгах. Если эжектор с расходом 70 нл/мин включён всю смену и держит деталь, за 8 часов он расходует 70 × 60 × 8 = 33 600 нл, то есть около 34 м³ свободного воздуха (приведённого к нормальным условиям); по каталожному расходу ZH13 выйдет около 37 м³. Поэтому на удержании в паузах подачу выключают, а в быстрых циклах используют клапаны подачи и сброса.

Общий расход воздуха линии считают калькулятором: калькулятор расхода воздуха.

Чем эжектор отличается от вакуумного насоса?

Эжектор хорош в роботизированных упаковочных линиях: он ставится рядом с присоской, линия короткая, цикл быстрый. Для непрерывной откачки больших объёмов (дегазация, вакуумные камеры) подходят насосы.

Типичные ошибки при выборе и установке

• Подача воздуха не подготовлена. Масло, вода и пыль забивают сопло и снижают вакуум. Перед эжектором ставят фильтр и регулятор давления, например фильтр-регулятор серии AW (AW2000-02, 8 000 ₸), он совмещает оба узла.
• Нет глушителя на выхлопе. Эжектор шумит. У PM402B-A-D глушитель встроенный, у ZH…B тоже (по формату SMC, сверьте по паспорту), отдельный на них не ставят. На резьбовой выхлопной порт ставят пневмоглушитель с той же резьбой: PSLB (например PSLB-02, 300 ₸) или PST. Загрязнённый глушитель, в том числе встроенный, создаёт противодавление и снижает вакуум; его чистят или меняют.
• Длинная линия и мелкие трубки. Чем длиннее вакуумная линия и меньше её сечение, тем медленнее набирается вакуум. Эжектор ставят как можно ближе к присоске.
• Давление питания ниже паспортного. Вакуум падает, деталь может сорваться.
• Нет защиты на случай отказа воздуха. Если воздух в сети пропадёт, эжектор перестанет создавать вакуум, и деталь упадёт. Для опасных грузов нужны обратный клапан в вакуумной линии, ресивер вакуума или вакуумное реле с сигнализацией, а также ограждение зоны под грузом. Решение по безопасности принимают по оценке рисков конкретной установки.
• Один эжектор на несколько присосок без проверки. При срыве одной присоски вакуум падает у всех.

Часто задаваемые вопросы

Какой вакуум создаёт вакуумный эжектор?

Зависит от модели. Например, у SMC ZH исполнения S максимальный вакуум около −88 кПа, исполнения L около −48 кПа (по листу SMC, зависит от размера). Для эжекторов WAALPC значение смотрите в паспорте на артикул.

Нужно ли электричество для вакуумного эжектора?

Для создания вакуума нет, нужен только сжатый воздух. Электричество требуется для электромагнитных клапанов подачи и сброса, если они есть в эжекторе.

Можно ли регулировать глубину вакуума эжектора?

Глубину задаёт конструкция сопла и давление питания. Давление снижают регулятором, но при этом падает и вакуум, и скорость откачки. Для точной уставки применяют вакуумный регулятор или вакуумное реле.

Чем многоступенчатый эжектор отличается от одноступенчатого?

Несколько сопел и камер работают последовательно. Многоступенчатый откачивает воздух быстрее и лучше работает с негерметичными присосками; максимальный вакуум сопоставим.

Что будет, если пропадёт воздух в сети?

Вакуум исчезнет, деталь отпустится. Для опасных грузов предусматривают обратный клапан в вакуумной линии, вакуумное реле и ограждение.

Можно ли использовать эжектор для перекачки воды?

Нет, воздушный вакуумный эжектор рассчитан на откачку воздуха из присоски, не жидкости. Жидкость из вакуумной линии попадает в камеру смешения, диффузор и глушитель и загрязняет их.