气缸缓冲特性的研究

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1、气缸气缓冲特性的实验研究 摘要：研究气缸气缓冲特性，建立计算机辅助测试系统。通过调节气源压 力和缓冲针阀开度，测试不同工况下缓冲腔及主气路压力、气缸行程以及振动 加速度等参数，并分析过缓冲、欠缓冲及最佳缓冲等几种典型的气缓冲特性。 实验结果表明：气缸活塞与端盖的机械碰撞是造成振动冲击的主要因素；一些 过缓冲过程仍存在机械碰撞，从而造成缓冲效果变差；最佳气缓冲只存在于某 些工况。 关键词：气缸；气缓冲特性；计算机辅助测试 当气缸驱动较大质量且较快速度的工作部件,运动状态突然停止或换向时， 会产生很大的冲击和振动，因此必须设置缓冲装置。理想缓冲过程中，运动部 件应按等减速规律减速，并在到达行程终点

2、时速度刚好减到零 L 常用的气缸缓 冲方式有气缓冲、液压缓冲和橡胶垫缓冲等 1 ，它们有各自的特点和使用场 合 L 气缓冲气缸的结构如图 1 所示，如何调整缓冲针阀以适应不同工况的要求 是用户经常提出的问题。文献2 把气缓冲气缸的运动分为 4 个阶段：准备阶 段、启动阶段、快速运动阶段和缓冲阶段，并分析了影响气缓冲气缸动态性能 的几个主要因素。文献3 建立了气缓冲气缸运动模型，并进行了仿真计算和实 验验证。 图 1 气缓冲气缸示意图作者建立了气缸缓冲特性计算机辅助测试系统，使用该系统对气缸在不同 工况下的气缓冲特性进行了实验，总结出了几种典型的气缓冲特性，并分别进 行了分析。 1 计算机辅助测

3、试系统的构成 图 2 为测试系统的硬件构成示意图，它由气动系统、传感器和数据采集系统组 成 L 被测气缸为气缓冲型气缸，由二位五通电磁换向阀 SY524025LOU 控制气 缸的运动方向，用调速阀 A S2051F 调整气缸运动速度，并用导轨支撑的砝码 块模拟惯性负载，用气缸上的缓冲针阀调节气缓冲性能。用美国国家仪器公司 (National Instruments) 的多功能数据采集卡 PC I26024E 控制实验过程的电磁阀 动作并完成压力、拉 2 压力、位移、振动加速度的采集和测量。 1.1 压力测试 气缸内需要测量压力的 4 个腔是：气缸的右缓冲腔、右主气路、左缓冲腔 和左主气路，其压

4、力分别用 p1，p2，p3，p4 表示，如图 1 所示。将测量 p2 和 p4 的压力传感器与气缸两端的进排气口相连。在气缸两端各加上一个与缓冲 腔相通的测压接口，用来连接测量缓冲腔压力 p1，p3 的压力传感器。压力传感 器输出的弱电压信号经放大器变换成-55V 的电压信号，由数据采集卡 PC I26024E 进行采集。 1.2 输出力与振动加速度测试 为了测量气缸的输出力 F ，在气缸的活塞杆和加载砝码之间安装拉 2 压力 传感器，其测量范围为 0 1 960 N ，输出信号为 0 5 V。振动加速度是表 征气缓冲效果的重要指标，采用北京测振仪器厂生产的 YD 系列压电式加速度 传感器获得

5、气缸活塞的振动加速度 a，输出信号为 0 5 V ，由数据采集卡 PC I26024E 进行采集。 1.3 位移测试 采用北京昆仑海岸传感技术中心生产的 IWHR 型位移传感器测量气缸行程 信号，输出 0 5V 的电压信号，由数据采集卡 PC I26024E 进行采集。 1.4 电磁换向阀的控制 用 PC I26024E 的 2 路数字量输出控制双电控两位五通阀 SY524025LOU ，从而控制气缸运动的方向。PC I26024E 的数字量输出是 TTL 电平，考虑到 TTL 电平的驱动能力，自行设计了一块与接线端子板 CB268L P 相匹配的电磁 阀驱动接口板，用于控制电磁阀的通断。 1

6、.5 计算机辅助测试系统的软件结构 使用图形化编程语言 LabVIEW 设计气缸气缓冲特性测试系统的软件部分 4，5 。总共有 7 路模拟量需要采集：4 腔压力 p 1，p 2,p 3，p 4，气缸输出力 F ，振动加速度 a，位移 s，分别从数据采集卡的 ACH0ACH6 通道输入。采 集到的数据分别是 7 个传感器的电压值，对这些传感器进行标定，将标定结果 放到 LabVIEW 相应的函数中进行处理，得到实际物理量，实验数据存入文本 文档，并在 LabVIEW 的前面板实时显示实验结果的波形。为了抑制噪声干扰 信号，选频装置采用 4 阶巴特沃斯低通滤波器 6 。 用 LabVIEW 可以进

7、行多线程编程，电磁阀换向控制、模拟量采集程序模 块是平行结构。程序开始运行时，一方面 PC 机立即采集数据；另一方面，执 行电磁阀换向控制结构，即等待 20 m s，然后根据前面板的左右选择开关，控 制电磁阀向左或向右驱动气缸。令电磁阀在采集开始 20m s 后动作，是为了使 系统有充分的准备时间，可以获得更完整的数据。 2 实验结果及分析 2.1 典型的缓冲情况 实验条件为：被试气缸采用某公司生产的气缓冲型单出杆双作用气缸 CDG1BA 40-200，其活塞直径为 40 mm ，活塞杆直径为 16 mm ，总行程 H =200 mm ，缓冲柱塞的长度(即缓冲腔的长度) h0 =10 mm；气

8、源压力 p s= 0175M Pa，排气节流阀的开度为 1015 圈，负载质量为 32154 kgL 对不同缓冲 针阀开度下活塞杆伸出方向的气缓冲特性进行了若干组实验。 2.1.1 过缓冲 当缓冲针阀开度为 0 圈时，为典型的过缓冲，实验结果如图 3 所示。当活塞行 程 s 达到 H - h0=190 mm 时进入缓冲阶段。由于缓冲针阀关死，缓冲柱塞将柱 塞孔堵死后，形成一个准密闭的气室，而活塞继续右行，缓冲腔容积变小，气 体绝热压缩，压力迅速升高到约 2.1M Pa，如此大的背压产生的过缓冲使活塞 在行程为 198 mm 处急剧向左反弹。由于缓冲过大，反弹距离超过了缓冲腔范 围。从图 3 位

9、移曲线可以看出，位移最低值为 188 mm ，此时缓冲柱塞与柱塞 孔脱离，缓冲腔与排气主流道瞬间接通，缓冲腔向排气主流道排气。这可从排 气主流道压力 p 2 有所升高看出，此时压力 p 1 陡然降到约 0.2M Pa,则左侧的 压力推动活塞向右运动，再次进入缓冲阶 段，背压产生的缓冲使活塞第二次向左反弹。由压力曲线可知，第二次气缓冲 作用比第一次要弱 L 很快左侧的压力推动活塞再次向右运动，并在行程终点 200 mm 处与端盖发生机械撞击，由图 3 可知，撞击产生的振动加速度高达 10.8g。左侧压力与机械撞击交替作用，最终气缸停止在终点。 2.1.2 最佳缓冲 当缓冲针阀开度为 1/6 圈时

10、，缓冲适中，实验结果如图 4 所示。活塞运动到缓 冲阶段后，缓冲腔里的一部分气体从缓冲针阀排出，另一部分气体绝热压缩，p 1 升高到约 1.9M Pa，于是活塞反弹。但反弹距离没有超过缓冲腔范围(此时位 移 s 约为 192 mm ) ,即缓冲腔与主流道仍然隔离。缓冲腔容积增大，p 1 下降， 活塞继续右行，气体继续从缓冲针阀排出。经过两次气缓冲导致的反弹后，活 塞运动到行程终点,此时速度正好为零。由于没有机械撞击，振动加速度的峰值 只有 0.67g。 2.1.3 欠缓冲 当缓冲针阀开度为 4 圈时，为典型的欠缓冲，实验结果如图 5 所示。由于缓冲 针阀开度大，缓冲能力小，所以活塞撞到了端盖上

11、，经过两次机械撞击，活塞 停止在终点。振动加速度的峰值高达 10.5g。 2.2 振动加速度随缓冲针阀开度的变化趋势 气源压力 p s 分别为 0108，0140，0160，0175M Pa 时，振动加速度随缓冲针阀 开度的变化趋势如图 6 所示。由图 6 可以看出，对于 ps= 0.40M Pa 和 ps=0.75M Pa 工况，缓冲针阀开度存在最佳气缓冲点,但是如果缓冲针阀开度偏 离最佳点时，缓冲针阀开度过大和过小都会有机械撞击，产生很大的振动加速 度。如何寻找并建立最佳气缓冲与工况的关系模型有待通过大量实验来探索。 对于 p s= 0.60M Pa 工况，不存在最佳气缓冲点，这就需要寻求

12、或换用其他缓冲 方式。对于 p s= 0.08M Pa 的极低供气压力工况，气缸运动速度很低，虽然振动 加速度较小，但由于气缸到达行程终点很慢或很困难，而使得缓冲在此时无实 用价值。 3 结束语 作者建立了气缸气缓冲特性计算机辅助测试系统，通过实验，分析了过缓冲、 欠缓冲及最佳缓冲的运动过程，得到如下几点结论: 气缸活塞与端盖的机械碰撞是造成振动冲击的主要因素; 在有些过缓冲过程中，仍存在机械碰撞，因此，认为过缓冲的缓冲效果就 一定好的观点是错误的; 在有些工况下存在最佳气缓冲，在有些工况下不存在最佳气缓冲，因此， 如何对气缓冲不适合的工况提出筛选建议，以及如何寻找并建立最佳气缓冲与 工况的关系模型有待进一步研究。