气缸疲劳破坏预测试验平台的设计与实现

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课题来源于 日本某公司的气缸疲劳破坏预测”研究项目，主要是对其公司生产的气缸产品进行疲劳破坏试验，记录疲劳破坏的次数和形式，分析疲劳破坏的原因。

气缸作为气动系统的主要执行元件，应用非常广泛，它的寿命直接影响到整个气动系统的可靠性与安全性H J。设计-个试验平台，用来对将要投入使用的气缸进行疲劳预测试验，在试验中对重要的性能参数进行监测，记录气缸出现疲劳破坏时的动作次数和破坏形式，这将对该气缸的使用和整个气动系统的可靠性有着指导性意义。

本文以某公司生产的MBF 32-250型气缸为例，设计了-套气缸试验破坏预测的试验平台，长达 3个月的不间断运行及测得的大量数据表明该平台稳定可靠。对于其他型号的气缸也可以在此基础上稍加改动，同样适用。

试验被测气缸-共 6个，3个水平安装，3个竖直安装，6个气缸同时工作，根据 ISO/FDIS 19973.3标准，试验条件要求如下表 1所示。

试验过程中，每周测量-次气缸特性参数，用于气缸疲劳破坏预测分析。包括泄漏量始动压和行程时问的测量。

表 1 试验条件 条，学方 负载 压力 频率 速度 备注1 3 kg 0.63 MPa 1.5 Hz >750 mm/s 速度可调 2 4 kg 0.63 MPa 1 Hz >500 ram/s 变3 5 kg 0.70 MPa 0.5 Hz >250 mm/s 化2 试验平台的设计2.1 试验回路的设计装置的试验回路如图 1所示，压缩空气净化处理后在四通处分为三条支路，-条支路给水平试验平台气缸供气，另-条支路给竖直试验平台气缸供气，第--条支路是负责气缸性能测试的支路，气缸正常运行时第三支路闭。

2.2 电气控制 系统的设计根据需求分析可以确定系统组成，试验系统采用可编程控制器控制方式。电气控制系统主要由 PLC、收稿 日期：2012-06.25作者简介：周泰(1989- )，男 ，四川成都人，硕士研究生，研究方向：状态监测与故障诊断。

2013年第1期 液压与气动 49AD拈、通信拈、显示屏、测试仪器、控制对象(气缸、电磁阀等)等组成。其中，测试仪器测得的模拟量通过通讯拈与AD拈及PLC主机实现通信，系统组成结构如图2所示。

D C B AA.气源 B.储气罐 c.冷却干燥机 D.精密过滤器E.精密调压阀 F.流量计 H数字压力开关 I.气动三联件J.电磁换向阀 K.速度调节阀 L.试验气缸图 1 试验回路圆 l黼 lI I辜 蓦 嘉通信拈l I电磁阀l l行程与位置开关I憋 垡 l I试验气缸J l传感器 L二二二-图2 气缸试验控制系统框图3 试验平台的实现3.1 气源气源装置的作用是为气动系统提供质量符合要求的压缩空气。其中包括压缩空气发生装置、存贮装置、净化装置。

1)发生装置空气压缩机即是空气压缩发生装置，空气压缩机的作用是将电能转换为压缩空气的压力能，供给气动设备使用≌压机的输出压力P ：P。P∑△p (1)式中，p 为空压机的输出压力，MPa；P为执行元件最高使用压力，MPa；∑△p为气动系统整体压力损失，MPa；- 般气动系统∑Ap0.15～0.2 MPa。根据公式(1)，代入气缸疲劳破坏试验系统参数值得：P。

O.7 0.2 0.9 MPa空压机的吸人流量 q 在设置储气罐的情况下：gbq (2)式中，gb为空压机向气动系统提供的流量，m /min(ANR)；g 为气动系统平均耗气量，m /rain(ANR)；其中平均耗气量是指气缸在气动系统中-个循环工作周期所消耗的空气量。计算公式如下：g 0.0157(D d fd)N(p0.102) (3)式中，Ⅳ为气缸工作频度，每分钟气缸往复的周数，周/min； 为气缸的行程，em；g 为气缸的平均耗气量，IMmin(ANR)；d为电磁换向阀与气缸问配管的内径，cm；/ 为配管的长度，em；p为使用压力，MPa。

由上式可计算试验用气缸的平均耗气量为：q 0.0157((3.2) 25(0.6) ×100)40 x0.802147.07(L/rain)其中，气缸的具体数据为：缸径为3.2 cm，行程为25 cm，动作频度取 40周/min，配管长度 100 cm，配管内径为0.6 cm。

空压机的吸人流量：q。 吼 (4)式中，g。为空压机吸入的流量，m /min(ANR)； 为修正系数；主要考虑的因素是气动元件、管路接头等处的泄漏，气动系统耗气量估算误差等。-般情况下，k1.5- 2.0。

由上述公式，那么系统总的平均耗气量可得为：∑gb6×147.07882.42 L/min0.88242 m /min (5)q ∑qb2×0.882421.76484 nl /min (6)2)存贮装置储气罐是气缸试验系统的压缩气体存贮装置。其作用是：消除压力脉动；根据气体绝热膨胀及 自然冷却降温原理，分离压缩空气中的油份、水分等杂质；存贮部分压缩空气，可以缓解短时间内耗气量大于空压机输出量的矛盾，同时在空压机意外停机后，可以短时间供气 J。其技术参数为：容积 1000 L，最高使用压力1.0 MPa，使用流体温度0℃ -100C。

3)净化装置冷冻式干燥机通过将压缩空气中气态的水、油、杂质等混合物冷却到临界温度(即结露温度-露点)，并通过旋风分离器将水和气体分离而自动排出，从而达到洁净压缩空气的目的l3 J。

50 液压与气动 2013年第 l期3.2 气缸安装架根据 MBF 32-250型气缸的实际安装方式和动作时的冲击力，设计了两套气缸安装平台，分别用于气缸的竖直安装和水平安装，如图 3所示。选用 45#角钢作为主要结构材料，设计连接孔、安装孔等，委托工厂加工后，使用螺栓自行组装，方便调整和运输。在安装架下须垫有减震橡胶和沙袋，以减小试验过程中的振动图 3 竖直和水平气缸实际安装平台4 试验平台的数据测量方法气缸疲劳破坏试验控制系统分为手动和自动控制两部分，自动部分是气缸按设定频率带负载运行，手动控制是人工依靠测试仪器进行点动测控。自动运行部分通过编写 PLC程序及可实现，这里主要介绍测量气缸性能参数的方法。

1)泄漏量的测量以活塞杆伸出为例说明，压缩气体经过精密调压阀进入无杆侧腔体，活塞伸出，调节精密调压阀，使得压力为额定值，保持-段时间，等待气流稳定后，采集质量流量计数值，即为活塞杆伸出方向泄漏量。质量流量计的模拟输出通过 4AD拈转换为数字量传送给 PLC的特定寄存器，再通过程序进行-定的数值计算，转换成对应的实际值，显示在液晶显示屏上。这样就完成了泄漏量的测量、存储、显示。

2)始动压的测量始动压的测量方法如图4所示。以活塞杆伸出始动压力测试示意，气源经过精密调压阀和压力传感器接入无杆侧进气口，有杆侧进气口直接与大气相通，精密调压阀人工调节，压力从零开始，缓慢增加，同时激光位移传感器以设定时间间隔采样，并且采样值与标准值不断进行做差比较。当达到设定比较条件时，即可认为活塞杆已经开始动作，与此同时，AD拈采集到的此时压力传感器的值，即为活塞杆伸出方向的最小始动压力值。

气源图 4 气缸始动压力测试方法示意图3)行程时间的测量行程时间的测量方法如图5所示。以活塞杆伸行程时间测定为例，PLC输出触点触发电磁阀换向，气缸无杆侧腔开始供气，同时 PLC内部定时器设定开始计时，激光位移传感器以设定时间间隔采样，采样值即当前值，采样值与标准值做差比较，使用 CMP指令，二者差值小于设定值时，即认为气缸到达行程最远似置，计时器计 时结束 ，所测 时 间即为伸 出的行程时间图 5 气缸行程时间测试 方法示意图5 结论本文分析了表征气缸疲劳破坏的主要参数，设汁了合适的试验平台与测试方法。通过这些措施，能够监测气缸在运动过程中主要参数变化。通过对这些参数的后期处理，对气缸的疲劳破坏的分析 与预测有着指导性作用，同时对气动系统的设计和优化提供了重要信息。