第22卷　第3期2002年6月北京理工大学学报Jou rnal of Beijing In stitu te of T echno logyV o l .22　N o.3Jun .2002 文章编号:100120645(2002)0320321204气缸气缓冲特性的实验研究张百海,　贾媛媛,　柴森春,　江泽民(北京理工大学自动控制系,北京　100081)摘　要:研究气缸气缓冲特性,建立计算机辅助测试系统Ζ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Ζ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Ζ关键词:气缸;气缓冲特性;计算机辅助测试中图分类号:T P 274;TH 138151 文献标识码:AExper i m en tal I nvestigation of A ir Cush ion Character isticsi n Pneu matic Cyli ndersZHAN G B ai 2hai ,　J I A Yuan 2yuan ,　CHA I Sen 2chun ,　J I AN G Ze 2m in(D ep t .of A u tom atic Con tro l ,Beijing In stitu te of T echno logy ,Beijing 100081,Ch ina )Abstract :A ir cu sh i on characteristics of p neum atic cylinders are studied exp eri m en tally .A com 2p u ter aided p neum atic cylinder testing system w as develop ed .P ressu res in the cu sh i on cham bers ,in in let and ou tlet p i p elines ,cylinder disp lacem en t and shock accelerati on w ere tested under dif 2feren t w o rk ing conditi on s by tun ing the sou rce p ressu re and op en ing of the cu sh i on needle valve .T yp ical air cu sh i on characteristics including over 2cu sh i on ing ,deficien t cu sh i on ing and op ti m um cu sh i on ing w ere analysed .It w as p roved that the m echan ical co llisi on betw een the p iston and the end cap w as the m ain cau se of shock ,and there ex isted m echan ical co llisi on s that w o rsen the cu sh i on p erfo rm ance in som e deficien t cu sh i on ings ,and air cu sh i on is on ly app licab le under cer 2tain w o rk ing conditi on s.Key words :p neum atic cylinder ;air cu sh i on characteristics ;CA T收稿日期:20020117基金项目:日本S M C 株式会社合作项目作者简介:张百海(1966-),男,博士,副教授Ζ 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Λ理想缓冲过程中,运动部件应按等减速规律减速,并在到达行程终点时速度刚好减到零Λ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Λ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Λ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Λ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Λ图1　气缓冲气缸示意图F ig .1　Structure of pneum atic cylinder w ith air cush i on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Λ1　计算机辅助测试系统的构成图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Λ被测气缸为气缓冲型气缸,由二位五通电磁换向阀SY 524025LOU 控制气缸的运动方向,用调速阀A S 2051F 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Λ用美国国家仪器公司(N ati onal In strum en ts )的多功能数据采集卡PC I 26024E 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Λ111　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,其压力分别用p 1,p 2,p 3,p 4表示,如图1所示Λ将测量p 2和p 4的压力传感器与气缸两端的进排气口相连Λ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p 1,p 3的压力传感器Λ压力传感器输出的弱电压信号经放大器变换成-5～5V 的电压信号,由数据采集卡PC I 26024E 进行采集Λ112　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0～1960N ,输出信号为0～5V Λ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气缸活塞的振动加速度a ,输出信号为0～5V ,由数据采集卡PC I 26024E 进行采集Λ113　位移测试采用北京昆仑海岸传感技术中心生产的I W HR 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 I 26024E 进行采集Λ114　电磁换向阀的控制用PC I 26024E 的2路数字量输出控制双电控两位五通阀SY 524025LOU ,从而控制气缸运动的方向ΛPC I 26024E 的数字量输出是T TL 电平,考虑到T TL 电平的驱动能力,自行设计了一块与接线端子板CB 268L P 相匹配的电磁阀驱动接口板,用于控制电磁阀的通断Λ115　计算机辅助测试系统的软件结构使用图形化编程语言L abV IE W 设计气缸气缓冲特性测试系统的软件部分[4,5]Λ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A CH 0～A CH 6通道输入Λ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L abV IE W 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L abV IE W 的前面板实时显示实验结果的波形Λ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]Λ用L abV IE W 可以进行多线程编程,电磁阀换向控制、模拟量采集程序模块是平行结构Λ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20m 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Λ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Λ2　实验结果及分析211　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223北京理工大学学报第22卷　冲型单出杆双作用气缸CD G 1BA 402200,其活塞直径为40mm ,活塞杆直径为16mm ,总行程H =200mm ,缓冲柱塞的长度(即缓冲腔的长度)h 0=10mm ;气源压力p s =0175M Pa ,排气节流阀的开度为1015圈,负载质量为32154kg Λ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Λ21111　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Λ当活塞行程s 达到H -h 0=190mm 时进入缓冲阶段Λ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211M Pa ,如此大的背压产生的过缓冲使活塞在行程为198mm 处急剧向左反弹Λ由于缓冲过大,反弹距离超过了缓冲腔范围Λ从图3位移曲线可以看出,位移最低值为188mm ,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Λ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012M 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Λ由压力曲线可知,第二次气缓冲作用比第一次要弱Λ很快左侧的压力推动活塞再次向右运动,并在行程终点200mm 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1018g Λ左侧压力与机械撞击交替作用,最终气缸停止在终点Λ图3　过缓冲实验结果F ig .3　Experi m ental results of over 2cush i oning21112　最佳缓冲当缓冲针阀开度为1 6圈时,缓冲适中,实验结果如图4所示Λ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119M Pa ,于是活塞反弹Λ但反弹距离没有超过缓冲腔范围(此时位移s 约为192mm ),即缓冲腔与主流道仍然隔离Λ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Λ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Λ由于没有机械撞击,振动加速度的峰值只有0167gΛ图4　最佳缓冲实验结果F ig .4　Experi m ental results of op ti m um cush i oning21113　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Λ由于缓冲针阀开度大,缓冲能力小,所以活塞撞到了端盖上,经过两次机械撞击,活塞停止在终点Λ振动加速度的峰值高达1015gΛ图5　欠缓冲实验结果F ig .5　Experi m ental results of deficient cush i oning323　第3期张百海等:气缸气缓冲特性的实验研究212　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Λ由图6可以看出,对于p s =0140M Pa 和p s =0175M 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Λ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Λ对于p s =0160M Pa 工况,不存在最佳气缓冲点,这就需要寻求或换用其他缓冲方式Λ对于p s =0108M 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Λ图6　振动加速度随缓冲针阀开度的变化趋势F ig .6　Shock accelerati on vs opening of cush i on valve3　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:①气缸活塞与端盖的机械碰撞是造成振动冲击的主要因素;②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;③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Λ参考文献:[1]　S M C (中国)有限公司.现代实用气动技术[M ].北京:机械工业出版社,1998.S M C (Ch ina )Co .L td .M odern p ractical pneum atic techno logy [M ].Beijing :M ach ine Indu stry P ress ,1998.(in Ch inese )[2]　刘汉钧.影响缓冲气缸动态性能的因素[J ].液压与气动,1987(1):33-37.L iu H an jun .Facto rs influencing the dynam ic charac 2teristics of the cu sh i on cylinder [J ].H ydrau lics and Pneum atics ,1987(1):33-37.(in Ch inese )[3]　江泽民.缓冲气缸缓冲特性分析与实验研究[D ].北京:北京理工大学自动控制系,2002.J iang Zem in .A nalysis and experi m en tal study of cu sh i on characteristics of pnem atic cu sh i on cylinders [D ].Beijing :D ep t of A u tom atic Con tro l ,Beijing In 2stitu te of T echno logy ,2002.(in Ch 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