质量负载对气缸缓冲性能的影响分析

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· l6· 机床与液压 第41卷击动能不同，负载越大，活塞冲击动能越大，压缩缓冲腔气体越剧烈，缓冲腔压力上升得越快，缓冲腔最高压力越大。

3 缓冲性能计算与分析3.1 缓冲阶段各腔室的能量分析气缸各腔室的能量关系实际上决定了负载变化时气缸的缓冲性能。只有当气缸缓冲腔吸收的能量与冲击能量无限接近时，气缸才可达到无撞击、无爬行的缓冲状态。

根据动能定理的内容，气缸活塞在缓冲过程中应该遵循公式 (1)：- f.(p1A-pzA-p4A-F)dx-mv2-mvi 1 PZ2 /14 f - J，L - - - ，(1)其中：P。为气缸有杆侧压力即气源压力，MPa；P 为气缸排气腔的压力，MPa；P 为气缸缓冲腔的压力 ，MPa；F 为活塞做缩回运动时的摩擦阻力，N；L 为气缸活塞的缓冲套长度，13；s为气缸的总行程长度，m； 、 ，分别为活塞在缓冲过程中的末速度与初始速度，m/s； 为气缸活塞位移，m；m为活塞、滑块及负载的质量，kg；A 、A：、A 分别为P 、P：、P 相对应的各腔室的有效作用面积，m 。

理论上气缸到达行程终点时的速度应为零，即活塞在缓冲行程终点的末速度应为零。若将式 (1)中的P 看成推动活塞前进的推动力 ，而 P：、P，、 看成是阻碍活塞运动的制动力，则式 (1)可改写成 ：Lp A d L(ptA -p2Az-Ff) 寺m(2)式 (2)左侧可以看作是气缸缓冲腔气体受压缩所做的功，即气缸在缓冲阶段缓冲腔吸收的能量 E ；式子右侧包含两个部分：第-部分是进气腔的气体克服制动力对活塞所作的推动功 E ，第二部分是整个缓冲阶段的动能增量 ，两项之和可称作气缸的冲击能量。因此式 (2)也可分解为以下几个部分 ：E J P A dx (3) J，(plA -P2A：-F )dx (4)Ek 1删 (5)E E.Ek (6)理论上式 (6)代表了气缸在缓冲阶段的最佳缓冲状态，但由于气缸在实际运动过程中会受到各种工况变化的影响，因此式 (6)常以不等式的方式 出现 ：hE(E。-Ed-Ek)

计算方法：先将实验采集到的缓冲行程各腔室压力数据进行积分 ，再将得出的积分数据乘以气缸相应腔室的有效作用面积，其结果便是各腔室所作的功。

根据图10所示，以气缸缓冲腔为例 ，其缓 冲腔能量的计算公式为：E A - p ( )日 R出锚蹙82 0.788 0.794 0.8位移/m(8)图 10 进入缓冲行程后的缓冲腔压力积分图由于P ( )函数积分后得出的并不是解析解，而是-系列的离散数据，因此可以使用 MATLAB中的trapz函数对梯形积分法进行计算。计算公式如下：，4. -1E。 三(P p)hx厶 -Ax 1- i1，2，，n (9)其中：hx 为积分 的步长，m；P 为点 的压 力，MPa。

3.2 缓冲阶段能量计算不同质量负载下气缸的进气腔做功、排气腔做功、缓冲腔做功、动能增量如图 l1-14所示。

质量负载/kg图 11 负载变化对进气腔做功的影响质量负载/kg图 12 负载变化对排气腔做功的影响9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 -0 0 0 0 0 0 0 0 0 第 9期 王海涛 等 ：质量负载对气缸缓冲性能的影响分析 ·17·6.48 l1.48 16.48 21.48 2 48 31.48质量负载，kg图 l3 负载变化对缓冲腔做功的影响6.鹕 11.48 16.48 21.48 26A8 31.48质量负载，kg图 14 负载变化对动能增量的影响从以上图中可以看出：质量负载在 6.48～31.48kg内变动时，对进气腔做功几乎没有影响，进气腔做功只在 8～8.2 J内波动，这是因为进气腔的压力几乎不受质量负载的影响；而排气腔、缓冲腔做功及动能的增量则与负载变化有很好的线性关系，且成正比；但几种能量的变化斜率却明显不同，其中动能的变化斜率最大，即动能对冲击能量的影响占据主要地位。

根据实验分析，缓冲腔做功的增加是由于缓冲腔压力的波动导致的，即气缸缓冲腔的最高压力与质量负载呈良好的线性关系且为正比。

从上述实验结果可以看出：质量负载变化时，排气腔、缓冲腔、动能增量均与质量负载成正比。若想探讨质量负载变化破坏气缸缓冲性能的原因，需要对能量变化 (吸收能量与冲击能量 )的内在关系做进- 步的分析，如图l5及表 1所示。

6.48 1I.48 16.48 2I.48 26.48 31.48质量负载/kg图 15 负载变化对吸收能量与冲击能量的影响表 I 负载变化对缓冲气缸能量关系的影响通过气缸内在能量关系的图形及实验数据可以看出：质量负载波动时，冲击能量与吸收能量均与质量负载有良好的线性关系，且成正比。但吸收能量与冲击能量随质量负载变化的速率却明显不同，在质量负载变化的整个范围内，气缸冲击能量的变化速率高于吸收能量的变化速率，这是由于负载的变化对气缸的冲击动能影响很大，动能对冲击能量的影响占据主要地位。以负载16.48 kg作为缓冲状态的对比基准，即此时气缸的冲击能量与吸收能量的差值为最小，活塞会无撞击、无爬行地到达行程终点。当质量负载减少时，虽然冲击能量与吸收能量都会相应地减少，但吸收能量下降的速率高于冲击能量下降速率，气缸缓冲腔不再能完全吸收冲击能量，能量差值 AE比16.48 缓冲状态下的AE稍大，因此导致气缸出现爬行现象，最后以-定的速度撞击气缸端盖。当质量负载增加时，虽然冲击能量与吸收能量都会相应地增加，但冲击能量上升的速率明显高于吸收能量的上升速率，气缸缓冲腔不再能完全吸收冲击能量，能量差值△E比16.48 kg缓冲状态下的AE大很多，因此导致气缸出现严重的撞击现象，撞击后导致反弹，最后以较高的速度撞击气缸端盖。

4 结论质量负载改变后，原来良好的缓冲会遭到破坏，表现为撞击或者反弹，这对于实际应用是不利的。作者通过实验和理论分析，从能量平衡的观点解释了负载对于气缸缓冲的破坏机制，为气缸缓冲的选用和设计提供了依据。