質(zhì)量負(fù)載對(duì)氣缸緩沖性能的影響分析

王海濤，孫長(zhǎng)樂(lè)，關(guān)廣豐，熊偉

(大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院，遼寧大連 116026)

質(zhì)量負(fù)載對(duì)氣缸緩沖性能的影響分析

王海濤，孫長(zhǎng)樂(lè)，關(guān)廣豐，熊偉

(大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院，遼寧大連 116026)

為了減小行程終點(diǎn)撞擊，一般氣缸內(nèi)部都設(shè)有氣緩沖裝置。改變質(zhì)量負(fù)載，會(huì)破壞已調(diào)定的良好緩沖，因此研究質(zhì)量負(fù)載破壞緩沖的機(jī)制有重要的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)建立緩沖實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在不同負(fù)載下，測(cè)量位移、速度、加速度及各個(gè)腔室的壓力，闡明緩沖效果的變化;通過(guò)計(jì)算緩沖過(guò)程各能量，分析了質(zhì)量負(fù)載變化破壞緩沖的機(jī)制。

質(zhì)量負(fù)載;緩沖性能;影響;氣缸

氣缸是氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)中使用最為廣泛的一種執(zhí)行元件，是一種將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。當(dāng)氣缸活塞接近行程終點(diǎn)時(shí)，為了避免活塞撞擊氣缸端蓋，一般氣缸內(nèi)部都設(shè)有氣緩沖［1－2］。氣缸背壓腔密閉一定容積的氣體，使其通過(guò)很小的節(jié)流面積排出，活塞繼續(xù)前進(jìn)，壓縮這部分氣體，使其壓力升高形成氣墊吸收沖擊動(dòng)能。所密閉氣體部分氣缸的行程稱為緩沖行程，它由安裝在活塞上的緩沖柱塞長(zhǎng)度決定，通常緩沖行程為15～30 mm。排氣節(jié)流方式有多種，例如，氣缸端蓋內(nèi)設(shè)置緩沖閥，緩沖柱塞上按一定規(guī)律開溝槽等等。氣缸的緩沖原理和構(gòu)成如圖1所示［3－4］。

在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，氣缸的負(fù)載主要是質(zhì)量負(fù)載。當(dāng)在某一質(zhì)量負(fù)載調(diào)整好合適的緩沖后，一旦負(fù)載發(fā)生變化，原來(lái)良好的緩沖就會(huì)被破壞［5］。作者將通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分析質(zhì)量負(fù)載破壞緩沖的機(jī)制，這對(duì)于氣缸的使用和自動(dòng)緩沖的設(shè)計(jì)有重要的意義。

圖1 氣缸的緩沖原理

1 氣缸緩沖性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

氣缸緩沖性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)由氣動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2和圖3所示。氣動(dòng)系統(tǒng)主要包括:氣源、減壓閥、換向閥、單向節(jié)流閥、氣缸、質(zhì)量負(fù)載及管路。測(cè)試系統(tǒng)主要包括:位移傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī)［6］。

圖2 氣缸緩沖性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)回路原理圖

圖3 氣缸緩沖性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片

2 質(zhì)量負(fù)載對(duì)緩沖性能影響的實(shí)驗(yàn)

在相同的供氣壓力 (0.5 MPa)及調(diào)速閥開度(排氣節(jié)流開度1.5圈)下，改變質(zhì)量負(fù)載，記錄位移、速度、氣缸各腔壓力緩沖。實(shí)驗(yàn)中，在質(zhì)量負(fù)載為16.48 kg下將氣缸調(diào)整為行程終點(diǎn)無(wú)反彈、無(wú)爬行、無(wú)撞擊的良好緩沖狀態(tài)，然后將負(fù)載每隔5 kg減小到6.48 kg，再每間隔5 kg增加到31.48 kg。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為SMC公司的氣缸，型號(hào)CDA2L40-800-M9BW，缸徑40 mm，行程800 mm。

2.1 速度及位移變化曲線

實(shí)驗(yàn)測(cè)得速度與位移變化曲線如圖4—6所示。

圖4 m=6.48 kg時(shí)速度與位移曲線

圖5 m=16.48 kg時(shí)速度與位移曲線

圖6 m=26.48 kg時(shí)速度與位移曲線

從曲線可以看出:氣缸在進(jìn)入緩沖行程之前的速度變化趨勢(shì)幾乎不受質(zhì)量負(fù)載的影響。這是由于氣缸進(jìn)入緩沖行程前各腔室的壓力都比較穩(wěn)定，腔室間的相互作用力比較平衡造成的。但是當(dāng)氣缸進(jìn)入緩沖行程后，其緩沖性能受負(fù)載變化影響較大，這是由于氣缸進(jìn)入緩沖行程后，負(fù)載的變化影響緩沖腔壓力的波動(dòng)，腔室間的相互作用力出現(xiàn)不平衡造成的。當(dāng)緩沖腔的作用力大于進(jìn)氣腔的推動(dòng)力及摩擦力之和時(shí)，活塞反彈且速度為負(fù)。質(zhì)量負(fù)載越大，氣缸進(jìn)入緩沖行程后緩沖腔的作用力就越大，而進(jìn)氣腔推動(dòng)力的變化率小于緩沖腔作用力的變化率，從而導(dǎo)致活塞的反彈量與質(zhì)量負(fù)載成正比。

2.2 各腔室壓力變化曲線

實(shí)驗(yàn)測(cè)得速度與位移變化曲線如圖7—9所示。

圖7 m=6.48 kg時(shí)各腔室壓力曲線線

圖8 m=16.48 kg時(shí)各腔室壓力曲線曲線

圖9 m=26.48 kg時(shí)各腔室壓力曲線

從各腔室壓力曲線及數(shù)據(jù)中可以看出:負(fù)載變化時(shí)，對(duì)氣缸進(jìn)氣腔、排氣腔壓力的影響很小，這是由于進(jìn)氣腔的壓力主要由氣源壓力決定，而排氣腔的壓力主要由調(diào)速閥的開度決定;但當(dāng)負(fù)載變化后，氣缸進(jìn)入緩沖行程后的緩沖腔壓力變化明顯，這是由于當(dāng)氣缸進(jìn)入緩沖行程后，負(fù)載的變化使得氣缸活塞的沖擊動(dòng)能不同，負(fù)載越大，活塞沖擊動(dòng)能越大，壓縮緩沖腔氣體越劇烈，緩沖腔壓力上升得越快，緩沖腔最高壓力越大。

3 緩沖性能計(jì)算與分析

3.1 緩沖階段各腔室的能量分析

氣缸各腔室的能量關(guān)系實(shí)際上決定了負(fù)載變化時(shí)氣缸的緩沖性能。只有當(dāng)氣缸緩沖腔吸收的能量與沖擊能量無(wú)限接近時(shí)，氣缸才可達(dá)到無(wú)撞擊、無(wú)爬行的緩沖狀態(tài)。

根據(jù)動(dòng)能定理的內(nèi)容，氣缸活塞在緩沖過(guò)程中應(yīng)該遵循公式 (1):

其中:p1為氣缸有桿側(cè)壓力即氣源壓力，MPa;p2為氣缸排氣腔的壓力，MPa;p4為氣缸緩沖腔的壓力，MPa;Ff為活塞做縮回運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力，N;Lc為氣缸活塞的緩沖套長(zhǎng)度，m;s為氣缸的總行程長(zhǎng)度，m;v1、v2分別為活塞在緩沖過(guò)程中的末速度與初始速度，m/s;x為氣缸活塞位移，m;m為活塞、滑塊及負(fù)載的質(zhì)量，kg;A1、A2、A4分別為p1、p2、p4相對(duì)應(yīng)的各腔室的有效作用面積，m2。

理論上氣缸到達(dá)行程終點(diǎn)時(shí)的速度應(yīng)為零，即活塞在緩沖行程終點(diǎn)的末速度應(yīng)為零。若將式 (1)中的p1看成推動(dòng)活塞前進(jìn)的推動(dòng)力，而p2、p3、Ff看成是阻礙活塞運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)力，則式 (1)可改寫成:

式 (2)左側(cè)可以看作是氣缸緩沖腔氣體受壓縮所做的功，即氣缸在緩沖階段緩沖腔吸收的能量Ec;式子右側(cè)包含兩個(gè)部分:第一部分是進(jìn)氣腔的氣體克服制動(dòng)力對(duì)活塞所作的推動(dòng)功Ed，第二部分是整個(gè)緩沖階段的動(dòng)能增量Ek，兩項(xiàng)之和可稱作氣缸的沖擊能量。因此式 (2)也可分解為以下幾個(gè)部分:

理論上式 (6)代表了氣缸在緩沖階段的最佳緩沖狀態(tài)，但由于氣缸在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到各種工況變化的影響，因此式 (6)常以不等式的方式出現(xiàn):

實(shí)際中ΔE越小，則氣缸在緩沖行程中的緩沖狀態(tài)就越好;若ΔE較大，說(shuō)明氣缸在緩沖階段緩沖腔吸收的能量Ec已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣缸的沖擊能量，若仍有部分沖擊能量未被吸收，則此部分的能量便會(huì)導(dǎo)致氣缸出現(xiàn)撞擊、反彈的現(xiàn)象。若要深入分析負(fù)載變化對(duì)緩沖性能破壞的機(jī)制，首先應(yīng)計(jì)算出氣缸在緩沖階段各腔室壓力所作的功及動(dòng)能的變化量，從而分析出氣缸在整個(gè)緩沖階段吸收能量與沖擊能量的關(guān)系。

計(jì)算方法:先將實(shí)驗(yàn)采集到的緩沖行程各腔室壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，再將得出的積分?jǐn)?shù)據(jù)乘以氣缸相應(yīng)腔室的有效作用面積，其結(jié)果便是各腔室所作的功。根據(jù)圖10所示，以氣缸緩沖腔為例，其緩沖腔能量的計(jì)算公式為:

圖10 進(jìn)入緩沖行程后的緩沖腔壓力積分圖

其中:Δxi為積分的步長(zhǎng)，m;pi為點(diǎn) xi的壓力，MPa。

3.2 緩沖階段能量計(jì)算

不同質(zhì)量負(fù)載下氣缸的進(jìn)氣腔做功、排氣腔做功、緩沖腔做功、動(dòng)能增量如圖11—14所示。

由于p3(x)函數(shù)積分后得出的并不是解析解，而是一系列的離散數(shù)據(jù)，因此可以使用MATLAB中的trapz函數(shù)對(duì)梯形積分法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下:

圖11 負(fù)載變化對(duì)進(jìn)氣腔做功的影響

圖12 負(fù)載變化對(duì)排氣腔做功的影響

圖13 負(fù)載變化對(duì)緩沖腔做功的影響

圖14 負(fù)載變化對(duì)動(dòng)能增量的影響

從以上圖中可以看出:質(zhì)量負(fù)載在6.48～31.48 kg內(nèi)變動(dòng)時(shí)，對(duì)進(jìn)氣腔做功幾乎沒(méi)有影響，進(jìn)氣腔做功只在8～8.2 J內(nèi)波動(dòng)，這是因?yàn)檫M(jìn)氣腔的壓力幾乎不受質(zhì)量負(fù)載的影響;而排氣腔、緩沖腔做功及動(dòng)能的增量則與負(fù)載變化有很好的線性關(guān)系，且成正比;但幾種能量的變化斜率卻明顯不同，其中動(dòng)能的變化斜率最大，即動(dòng)能對(duì)沖擊能量的影響占據(jù)主要地位。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，緩沖腔做功的增加是由于緩沖腔壓力的波動(dòng)導(dǎo)致的，即氣缸緩沖腔的最高壓力與質(zhì)量負(fù)載呈良好的線性關(guān)系且為正比。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出:質(zhì)量負(fù)載變化時(shí)，排氣腔、緩沖腔、動(dòng)能增量均與質(zhì)量負(fù)載成正比。若想探討質(zhì)量負(fù)載變化破壞氣缸緩沖性能的原因，需要對(duì)能量變化 (吸收能量與沖擊能量)的內(nèi)在關(guān)系做進(jìn)一步的分析，如圖15及表1所示。

圖15 負(fù)載變化對(duì)吸收能量與沖擊能量的影響

表1 負(fù)載變化對(duì)緩沖氣缸能量關(guān)系的影響

通過(guò)氣缸內(nèi)在能量關(guān)系的圖形及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:質(zhì)量負(fù)載波動(dòng)時(shí)，沖擊能量與吸收能量均與質(zhì)量負(fù)載有良好的線性關(guān)系，且成正比。但吸收能量與沖擊能量隨質(zhì)量負(fù)載變化的速率卻明顯不同，在質(zhì)量負(fù)載變化的整個(gè)范圍內(nèi)，氣缸沖擊能量的變化速率高于吸收能量的變化速率，這是由于負(fù)載的變化對(duì)氣缸的沖擊動(dòng)能影響很大，動(dòng)能對(duì)沖擊能量的影響占據(jù)主要地位。以負(fù)載16.48 kg作為緩沖狀態(tài)的對(duì)比基準(zhǔn)，即此時(shí)氣缸的沖擊能量與吸收能量的差值為最小，活塞會(huì)無(wú)撞擊、無(wú)爬行地到達(dá)行程終點(diǎn)。當(dāng)質(zhì)量負(fù)載減少時(shí)，雖然沖擊能量與吸收能量都會(huì)相應(yīng)地減少，但吸收能量下降的速率高于沖擊能量下降速率，氣缸緩沖腔不再能完全吸收沖擊能量，能量差值 ΔE比16.48 kg緩沖狀態(tài)下的ΔE稍大，因此導(dǎo)致氣缸出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，最后以一定的速度撞擊氣缸端蓋。當(dāng)質(zhì)量負(fù)載增加時(shí)，雖然沖擊能量與吸收能量都會(huì)相應(yīng)地增加，但沖擊能量上升的速率明顯高于吸收能量的上升速率，氣缸緩沖腔不再能完全吸收沖擊能量，能量差值ΔE比16.48 kg緩沖狀態(tài)下的ΔE大很多，因此導(dǎo)致氣缸出現(xiàn)嚴(yán)重的撞擊現(xiàn)象，撞擊后導(dǎo)致反彈，最后以較高的速度撞擊氣缸端蓋。

4 結(jié)論

質(zhì)量負(fù)載改變后，原來(lái)良好的緩沖會(huì)遭到破壞，表現(xiàn)為撞擊或者反彈，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是不利的。作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，從能量平衡的觀點(diǎn)解釋了負(fù)載對(duì)于氣缸緩沖的破壞機(jī)制，為氣缸緩沖的選用和設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

【1】吳振順.氣壓傳動(dòng)與控制［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

【2】KAWAKAMIY，SATOH K，NAKANO K.Study on Built-in Cushion with Relief Valve for Pneumatic Cylinder［C］//Proceedings of the 3rd International Symposium on Fluid Power Transmission and Control(ISFP’1999)，Harbin，China，1999:359 －364.

【3】王海濤.供氣壓力波動(dòng)自調(diào)整緩沖高速氣缸的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

【4】SMC(中國(guó))有限公司.現(xiàn)代實(shí)用氣動(dòng)技術(shù)［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

【5】李建潘，鄧曉星.慣性負(fù)載對(duì)氣缸動(dòng)態(tài)特性的影響［J］.液壓與氣動(dòng)，1987(4):6－9.

【6】張百海，賈媛媛，柴森春，等.氣缸氣緩沖特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(3):321 －324.

Influence of Mass Load on Pneumatic Cylinder Cushion Performance

WANG Haitao，SUN Changle，GUAN Guangfeng，XIONGWei
(College of Transportation Equipments and Ocean Engineering，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116026，China)

In order to avoid impact on the stroke end，some cushion devices are generally set inside the pneumatic cylinder.Mass load change will destroy the good cushion，so study on the destroymechanism has practical value.The cylinder cushion experiments system was set up.Under differentmass load，displacement，speed，acceleration and pressure in the different chambers were measured，which showed the change of cushion performance.With the computation of differentenergy in cushion process，the destroy mechanism was analyzed.

Mass load;Cushion performance;Influence;Pneumatic cylinder

TH137

A

1001－3881(2013)9－014－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.09.004

2012－02－05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51175053，50175048);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目 (3132013058)

王海濤 (1973—)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闅鈮簜鲃?dòng)與控制。E－mail:wht810@vip.sina.com。