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硕士论文 变温环境下气缸静- 动低值摩擦力的测试方法研究 摘要 随着气动技术的迅速发展，气缸作为常用的气动执行元件有着非常广泛的应用。 气缸活塞和金属内壁之间摩擦力的不确定性，是影响其工作性能的重要因素之一。研 究气缸运动时的摩擦力特性，建立不同速度下气缸运动的摩擦力模型，进而有针对性 地采取有效措施，对于改善气缸运动性能起着重要作用。 过去在气缸摩擦力特性方面的研究对象均为橡胶密封气缸，本课题研究的是新型 的金属间隙密封气缸，针对这种气缸的微摩擦力的测量提出了一个实际的新课题。论 文完成的主要研究工作包括以下几个方面： ( 1 ) 根据金属间隙密封气缸摩擦力数值小的特性，设计和搭建了气压驱动和直 线电机驱动两种测量系统( 文中分别将其称为间测法和直测法) 。比较实验表明，直 测法测量精度高、数据一致性好、动摩擦力测量时可预设速度值，因此更适合于气缸 低摩擦力的测量。 ( 2 ) 采用直测法获得了金属间隙密封气缸的静摩擦力和不同速度下的动摩擦力。 结果表明，金属间隙密封气缸的摩擦力显著小于橡胶密封气缸，其数量级大约是橡胶 密封气缸的1 1 0 1 5 ；动摩擦力特性随速度的增加而增加，首先呈多次方多项式关 系，当增加到一定程度时，摩擦力与速度之间呈线性增加。静、动摩擦力均随缸径的 增大而增大。 ( 3 ) 为了通过实验手段测量不同温度条件下( o 5 0 。c ) 的摩擦力情况，本课 题自制冷热双向恒温箱，可实现0 5 0 c 的温度调节，并解决了采用普通恒温箱进 行实验时存在的多个问题。 ( 4 ) 采用上述变温系统进行摩擦力测量实验，结果表明：随着温度的升高，静 摩擦力总体呈下降趋势；动摩擦值随温度的变化过程比较复杂，在速度较低时，动摩 擦力受温度变化的影响不明显，当速度较高时，其值随温度的升高基本呈下降趋势。 通过对不同温度条件下低摩擦气缸的摩擦力测量方法的研究，获得了某新型气缸 的摩擦力特性数据，可为实际工程应用提供技术参考。 关键字：气缸，摩擦力，测量方法，变温 摘要硕士论文 硕士论文变温环境下气缸静一动低值摩擦力的测试方法研究 a b s t r a c t m mt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep n e u m a t i ct e c h n o l o g y , c y l i n d e r sa r ew i d e l yu s e da s t h ec o m m o np n e u m a t i ca c t u a t o r s t h eu n c e r t a i n t yo ft h ef r i c t i o nb e t w e e nc y l i n d e rp i s t o n a n dm e t a ls l e e v ei sc o n s i d e r e d 私o n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a th a v ee f f e c t so ni t s p e r f o r m a n c e r e s e a r c h i n go nt h ef r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，e s t a b l i s h i n gt h ef r i c t i o nm o d e l u n d e rd i f f e r e n t v e l o c i t y , a n dt h e nt a k i n g e f f e c t i v em e a s u r e s c o n t r a p u n t a l l yp l a ya n i m p o r t a n tr o l eo nt h em o t i o nf u n c t i o no ft h ec y l i n d e r s f o r m e r l yt h er e s e a r c ho b j e c t sa b o u tt h ef r i c t i o n a r er u b b e rs e a lc y l i n d e r s i nt h i s p r o j e c t ，t h en e w m e t a ls e a lp n e u m a t i cc y l i n d e r sa r es h o w e d an e wt o p i ci sp u tf o r w a r dt o t h em e a s u r e m e n to ft h em i c r o f r i c t i o nc y l i n d e r t h em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c ha r e s u m m a r i z e d 弱f o l l o w ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h el o wf r i c t i o nc h a r a c t e ro ft h eo b j e c t s ，t w om e a s u r i n gs y s t e m sa l e d e s i g n e da n db u i l t t h et w om e t h o d sa l ei n d i r e c tm e a s u r e m e n tt h a tt h ec y l i n d e rw a sd r i v e n b yt h ea i rp r e s s u r ea n dd i r e c tm e a s u r e m e n tt h a tt h ec y l i n d e rw a sd r i v e nb yt h el i n e a r m o t i o na c t u a t o r b yt h ee x p e r i m e n t , i ts h o w st h a tw i t l lt h ed i r e c tm e a s u r e m e n t , t h eh i g h e r a c c u r a c ya n dc o n s i s t e n c yo ft h ed a t aa r eo b t a i n e d ，a n dt h i sm e t h o dc a l lp r e i n s t a l lv e l o c i t y s ot h ed i r e c tm e t h o di sm o r ea p p l i c a b l et om e a s u r el o wv a l u ef r i c t i o n ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h ea b o v em e n t i o n e d , t h es t a t i cf r i c t i o na n dt h ek i n e t i cf r i c t i o n u n d e rd i f f e r e n tv e l o c i t ya r eo b t a i n e db yt h ed i r e c tm e a s u r e m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f r i c t i o no ft h em e t a ls e a lc y l i n d e r si ss i g n i f i c a n t l yl e s st h a nt h ec o l n _ m o nr u b b e rs e a l c y l i n d e r s ，a n di t sm a g n i t u d ei sa r o u n d1 10t o1 5o ft h er u b b e rs e a l a st h es p e e di n c r e a s e s ， t h ed y n a m i cf r i c t i o ni n c r e a s e sr a p i d l y , f i r s tt h ef r i c t i o na n dt h ev e l o c i t ye x h i b i t e da p o l y n o m i a lm u l t i p l er e l a t i o n s h i p a st oac e r t a i ne x t e n t , r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r i c t i o n a n ds p e e di n c r e a s e dl i n e a r l y b e s i d e st h a t , b o t ht h es t a t i ca n dt h ed y n a m i cf r i c t i o ni n c r e a s e o w i n gt ot h ei n c r e a s eo ft h eb o r e ( 3 ) i nv i e wo ft h ep h e n o m e n o nt h a tt h ef r i c t i o no ft h er u b b e rs e a lc y l i n d e r sc h a n g e s s i g n i f i c a n t l yu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dt h em e t a li sm o r es e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e ，t h e f r i c t i o nv a l u e so ft h em e t a ls e a lc y l i n d e r sm a yc h a n g ew o r k i n gi nt h ev a r i a b l et e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，i nt h ep r o j e c tw ep l a nt om e a s u r et h ef r i c t i o no ft h ec y l i n d e r s u n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ( 0 c - 5 0 c ) b ye x p e r i m e n ta n de x p e c tt of i n do u tt h e t r e n d sa n dp a t t e r n so ft h ec h a n g e s ac o o l e d h e a t e dt h e r m o s t a tw h i c hh a v et h ev i r t u eo fn o v i b r a t i o ni sm a d et oa c h i e v et h e0 t o5 0 ct e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ( 4 ) u s i n gt h i s t h e r m o s t a ts y s t e mf o r t h e f r i c t i o nm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t s ，t h e a b s t r a c t硕士论文 e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es m i l ef r i c t i o na n dt h ed y n a m i c f r i c t i o na r ea f f e c t e db y t h e t e m p e r a t u r es o m e h o w t h ef r i c t i o no fs o m et e s t e dm e t a l s e a lc y l i n d e r sb a s i c a l l y a p p e a r st h ed e c r e a s et r e n da st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e k e y w o r d s p n e u m a t i cc y l i n d e r , f r i c t i o n , m e a s u r e m e n t , t h e r m o s t a t i v 硕士论文 变温环境下气缸静动低值摩擦力的测试方法研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 气压传动与控制技术简称气动控制技术，它是指以压缩空气为工作介质来进行能 量与信号的传递，以实现生产过程机械化与自动化的- f l 技术，它也是流体传动与控 制学科的一个重要组成部分【1 1 。相对于机械传动、电传动及液压传动，气动技术具有 能源简单易得、控制系统中元件结构相对简单、执行元件运行速度快、清洁环保、无 爆炸危险等许多突出优点【2 3 】。正因为如此，近年来气动控制技术已得到了迅速发展。 气动技术又结合了液压、机械、电气和电子技术的众多优点，并与它们相互补充。另 外，由于近年来的不断创新，使气动技术在高精度、小型化、复合化、集成化等方面 取得了长足的进步，在许多场合甚至替代了过去液压控制、机械控制及电器控制的方 式【4 】，已成为实现生产过程自动化的一个重要手段，并在越来越多的工业部门得到了 广泛的应用。 气缸作为常用的气动执行元件有着非常广泛的应用，如在机械、化工、工程设备、 交通设备、医疗设备、汽车生产流水线等自动化控制领域。且随着工业生产的快速发 展，它将充分发挥其新型性、经济性和先进性，从而产生更广泛的应用前景【习。 在常用的气动系统中，气缸运动的平稳性常常直接影响到驱动机构能否正常工 作。而气缸活塞和金属内壁之间摩擦力的不确定性，是影响其工作性能的重要因素之 一，当气缸处于低速运动状态下，这种影响更大【6 】。因此，研究气缸运动时的摩擦力 特性，建立不同速度下气缸运动的摩擦力模型，进而有针对性地采取有效措施，对于 改善气缸运动性能起着重要作用。 本课题研究对象为某新型金属间隙密封气缸，它是通过加工工艺保证气缸密封处 的微小间隙来达到密封的目的，从而大大减小了气缸的摩擦力。根据前期试验及相关 资料显示，该种气缸的摩擦力数量级极小。如何准确地把握该种气缸的摩擦力特性， 对合理地选用和优化设计该型气缸十分重要。同时，通过以往的实验发现，金属间隙 密封气缸的摩擦力受温度的影响也是不可忽视的。测试不同温度条件下该型气缸的摩 擦力以获得其变温条件下的摩擦力特性数据，将其加入到气缸产品选型程序的数据 库，可以为实际工程应用提供技术参考。 1 2 气缸摩擦力研究现状及分析 1 2 1 气缸摩擦力理论模型研究现状分析 摩擦是一个比较复杂的现象，不同状态下其特性有很大的差异，人们至今也未完 1 绪论 硕士论文 全洞悉其机理。为了更精确地进行伺服控制，很多学者进行过大量的摩擦力方面的研 究，希望建立较为全面的摩擦力模型 7 1 。 气缸的摩擦力受滑动摩擦副的材料、表面粗糙度、润滑条件、外部负载、密封形 式、活塞形状及温度等因素的影响嗍。国内外很多国家的学者都对气缸的摩擦力测量 进行了大量的研究，通过对实验数据的拟合得到气缸的摩擦力模型。 七十年代初，g w h a l l i d a y 和k s o u t 9 在第五届国际流体密封会议上提出了o 形 密封圈的静摩擦力和低速滑动下的动摩擦力。 八十年代末期意大利的c t b e l f o r t e f l 0 】等人从实验的角度测试了气缸的摩擦力并给 出了摩擦力的拟合关系式，采用液压缸作为气动缸的负载，用来提供恒定的速度，测 试了在气缸伸出和缩回下的不同速度和不同气源压力下的摩擦力，并分别给出了气缸 静、动摩擦力的拟合公式。 静摩擦力拟合公式为： 尼- 篙篇 麓； m t ， 动摩擦力拟合公式为： f = e + ( 1 + 墨1 ，口) 【如i 互一昱+ 坞昱】 ( 1 2 ) 其中乃为静摩擦力；局，k 2 ，玛为实验参数；p 1 ，p 2 为气缸两腔压力；研，& 为气缸活塞两腔压力；v 为气缸运动速度；a 为实验指数。 d a h l 模型【1 l 】的建立类似于应力一应变曲线，采用微分方程表示如下 d f f ， 子= 盯( 1 一 s g n v ) a ( 1 3 ) a xr c 其中，e 为摩擦力；e 为库仑摩擦力；仃为刚度系数；g 为系数，一般取a = 1 。 近年来，日本的香川利春教授等人【1 2 】对气缸的摩擦力和爬行现象作了深入的研 究。其研究对象为对称气缸，分析了在不同速度时气缸活塞和缸壁的润滑状态，分为 边界润滑、混合润滑和滑动摩擦三个状态。通过实验给出了混合润滑和滑动摩擦分界 点的速度。测试是在出口节流调速下进行的，通过对实验数据的拟合给出了气缸摩擦 力拟合关系式如下： 卜等警( u - - t e r ) 2 + f o 慨坯 ( 1 4 ) 【1 4 ) i f ：e + c u 盼 另外，c c a n u d a s 等人【1 3 】提出的摩擦力模型与香川教授提出的摩擦力拟合式相似。 它较为全面地反映了润滑条件下的系统接触表面间的摩擦特性。该模型由静摩擦项、 库伦摩擦项、粘滞摩擦项及s t r i b e c k 摩擦项组成。s t r i b e c k 模型表达式如下： 2 硕士论文交温环境下气缸静- 动低值摩擦力的测试方法研究 1 4 t k ， b ( “) = f , u + cs g n ( u ) + ( c - f c ) e 。一7 j ( 1 5 ) 式中，u 为相对运动速度，r 为库伦摩擦力，凡为粘滞摩擦力，只为静摩擦力， u ，为s t r i b e c k 特性速度，c 为常值系数，一般取0 1 2 。 图1 1 反映了由式( 1 5 ) 得到的动摩擦力的拟合曲线。在低速阶段摩擦力首先呈 非线性的降落趋势，当降落到s t r i b e c k 速度时，曲线出现转折，摩擦力开始上升。 图1 1 气缸摩擦力和速度的关系曲线 另外，一些气动元件生产商在他们的产品中提供了相关的摩擦力数据表达式【1 4 1 ： 乃= i u p a ( 1 6 ) 其中，e 为摩擦力；p 为工作压力：p 为摩擦因数：彳为气缸活塞面积。 1 9 9 6 年f e s t o 公司仅在它内部评估的资料取p - n ) 1 ，也有不少学者得出了不同的 的范围。与此同时s m c 公司也公布了以这种形式表示的摩擦力因数，但需要根 据缸径和工作压力通过查图表获得。 目前，气缸摩擦力特性的研究对象多为橡胶密封气缸。在对该型气缸进行建模中 应用较为广泛的是s t r i b e e k 模型。该模型能够很好地描述气缸在低速运动时的摩擦力 行为，用一个衰减指数项体现了负斜率摩擦现象。实验已证明此模型能以较高的精度 近似拟合低速运动下的摩擦力【1 5 1 。 1 2 2 气缸摩擦力特性测量方法现状分析 在研究气缸的摩擦力特性中，确定适合子研究对象的测量方法，从而能够精确地 测量摩擦力值，是一项重要的任务。 东京工业大学的小奇贵弘博士【l6 】在气缸摩擦力特性也有较多的研究。他从微观 的角度研究摩擦现象，发现在低速条件下，由于润滑状态的变化会导致速度出现非线 性和不确定性。另外，在动特性实验中，建立了低速特性的摩擦力近似模型，并提出 针对气动伺服系统的防振方法。 l 绪论 硕士论文 l 一工控机2 一数据采集卡3 一放大器4 一电磁阀驱动板5 气源6 一减压阀 7 - - 换向阀8 一调速阀9 恒温箱l d 一被测气缸11 一压力传感器1 2 位移传感器 图1 2 气缸摩擦力测试系统方案原理图 南京理工大学的黄俊博士【1 7 】采用进气节流的方式研究不同压力和负载下的气缸 摩擦力，得出的摩擦力模型可以较好地描述气缸低速运动时摩擦力。北京理工大学的 马延峰【1 引、程海峰【1 9 】以标准气缸和低速气缸作为研究对象，采用出气节流调速的方 法搭建了气缸摩擦力测试实验台。图1 2 中的系统测试了气缸在不同供气压力，不同 速度和两腔压差下的动摩擦特性。其中程海峰还做了o c 至6 0 之间温度对气缸摩擦 力特性的影响实验，得出的结论为：温度升高，静摩擦力减小，粘性摩擦力系数随着 温度的温度升高呈指数衰减变化。 浙江大学在气缸摩擦力特性上也有过相应的研究。谢祖刚【2 0 】改变了以往气缸摩 擦力测量中常用的气压驱动方式，采用伺服电机驱动系统带动丝杠杆产生往复运动以 及进行速度控制，利用连接部件把丝杠杆和被测气缸连接起来，在丝杠杆和被测气缸 之间装上拉压力传感器来测量摩擦力的大小。其实验装置如图1 3 所示。 4 l 伺服控制器2 伺服电机3 一减速器4 一拉压力传感器 5 位移传感6 一压力传感器7 储气罐8 一被测气缸9 电动丝杠杆 图1 3 摩擦力测试实验台原理图 硕士论文变温环境下气缸静动低值摩擦力的测试方法研究 哈尔滨工业大学的崔宗伟【2 l 】首先从理论上分析了气缸摩擦和爬行机理。在测量 实验中搭建了气缸摩擦力测试试验台和微位移试验台，根据实验要求实现被测气缸主 动和被动运动两种实验。实验结果验证了气缸摩擦力与速度为非线性关系，在气缸的 工作压力、缸径和负载等因素影响下，摩擦力会明显增大，且爬行现象随着上述因素 的增大也显著增强。 总之，摩擦是一个非常复杂的过程，它和实验材料及实验条件都密切相关。对低 摩擦力的测量更是一个难点圈。由于影响摩擦力的因素的不确定性，一直以来只是对 一定工作条件下的某类特定气缸进行研究，以大量的实验基础为依据结合仿真模型得 出气缸摩擦力特性。 综合过去对气缸摩擦力特性测定的研究，概括其测量方法可分为两种：一种采用 气压驱动，实时测量活塞两端的压力，根据摩擦力和活塞上气压力的平衡方程来间接 计算出静、动摩擦力，本文将此称为气缸摩擦力的间接测量法，简称间测法。另一种 采用外部牵引驱动，外部驱动元件与气缸之间通过力传感器连接，采集力传感器的输 出，结合运动方程获得气缸的静、动摩擦力，可将该方法称为直测法。由于采用气压 驱动的间测法比较简单，因此目前较多地采用间测法进行气缸摩擦力测量。 对于具体的测量要求和对象，在气缸摩擦力测试中需要详尽分析不同测量方法的 优缺点，设计合理的测试方案，使测试系统更优化。 1 2 3 温度对摩擦力特性的影响研究 温度是影响摩擦力的一个重要参数，这种影响主要是因为温度对材料本身属性的 影响产生的。当摩擦副相互滑动时，如果温度发生变化，那么表面材料的性质相应的 就会发生变化，从而影响摩擦系数。而材料的摩擦系数作为最常用的一项力学指标， 同样也受温度影响。一般来讲，随着环境温度的升高，材料表面的摩擦系数会有一定 的变化，但变化的大小会因材料而异【2 3 】。 对于大多数金属材料而言，其硬度随温度的升高而降低，从而降低了摩擦界面的 微凸体节点的黏着剪切阻力。此时，摩擦系数随着温度的增加而减小( 少数金属的摩 擦系数随温度的升高而增加) 1 2 4 - 2 6 。 图1 4 是在不同温度条件下m 5 0 高速钢的摩擦系数随着滑动距离变化的关系曲 线 2 7 1 。由图可以看出：在1 0 0 时，摩擦系数随着滑动距离的增加而上升，直至滑动 9 6 0 m 时才开始稳定；在2 0 0 和3 0 0 时，虽然摩擦系数都很快趋于稳定，但其值却 都很高；而当温度分别达到4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 时，摩擦系数都明显地降低，而且 都很快进入稳定阶段；尤其在6 0 0 时摩擦系数达到最低值。显然，温度影响了高温 摩擦界面膜的形成过程，只有在稳定的周期内对其摩擦系数进行评价才能获得理想的 评价结果。 l 绪论 硕士论文 图1 4m 5 0 高速钢的摩擦系数随温度和滑动距离变化的关系曲线 常用气缸均添加润滑介质，而润滑剂的黏度随着温度、压力等工况参数的变化较 显著。人们对润滑剂的黏度温度特性做了大量的研究，并提出了许多关系式： r e y n o l d s ： 7 7 = 7 7 0 e 一肛蜀( 1 7 ) a n d r a d e e r y i n g ： ! 叩= e r ( 1 8 ) s l o t t e ： 栌亩帚 ( 1 9 ) v o g e l ： r = r o e 6 r 撕( 1 1 0 ) 式中，珈为温度在乃时的黏度；r 为温度在r 时的黏度；夕为黏温系数，可近似 取作0 0 3 c ；m = l ，2q i o ；p 表示“无限黏度”温度，对于标准矿物油，可取9 5 ：a 、 s 、b 均为常数。 在这些黏温方程中，r e y n o l d s 黏温方程在数值计算中使用起来较方便，而v o g e l 黏温方程描述黏温关系更为准确嘲。 a s 聊( 美国材料试验协会) 用黏度指数来表示黏温关系，并给出相应的黏温线 图，如图1 5 所示。其关系式为： + 口) = b d l 7 r ( 1 1 1 ) 式中，v 为运动黏度；a 、b 、c ! d 均为常数；丁为绝对温度。 6 硕士论文变温环境下气缸静动低值摩擦力的测试方法研究 i n 7 图1 5a s n l 黏温线图示意图 目前国内外研究温度对气缸摩擦力影响的资料较少，北京理工大学的张百海、彭 光正等人【2 9 】对某型号低速脂润滑气缸进行摩擦力实验研究，将气缸和传感器设备至于 温控箱，其他条件一定时，最大静摩擦力随着温度的升高而减小，并且综合考虑了工 作压力和温度影响下的最大静摩擦力可拟合成： 旦 c = 6 8 6 1 0 1 5 t 一5 2 3 4 e n 胡加0 0 “ ( 1 1 2 ) 其中，p 为工作压力，m p a ：f 为温度，。 。 如图1 6 所示，粘性摩擦力系数随着温度的升高呈指数衰减变化。 棚椭 ( a ) 最大静摩擦力实验结果( b ) 粘性摩擦力系数实验结果 图1 6 温度对摩擦力影响实验结果 1 3 本课题的研究内容 近年来，随着低摩擦气缸的研发和应用，如何精确地测定该种气缸的低摩擦力数 值成为一项重要的任务。 过去针对的测量对象均是橡胶密封气缸，摩擦力数值比较大，一般在1 0 n 以上， 多采用间接测量法。本课题中研究对象为新型的金属间隙密封气缸，其摩擦力数量级 为普通气缸的1 1 0 ，因此需要构建更优化的测量系统，得到精确的摩擦力特性数据。 在以往的测量中，发现温度对气缸的摩擦力有一定的影响，而目前关于温度对气 缸摩擦力的影响的资料较少。因此希望通过实验手段测量不同温度条件下的摩擦力情 况，期望找出变化趋势和规律。另外，文献 1 2 1 中采用的恒温箱存在一定的振动及噪 声，对于摩擦力数值较大的气缸进行实验其影响可能相对较小，但是对于本课题中的 微摩擦气缸的影响则较大，且实验仪器的大小规格可能对于恒温箱内部的空间及承载 7 1 绪论硕士论文 有一定的困难。所以还需要设计一个合理的变温方案。 因此，本课题主要工作包含以下几个方面： ( 1 ) 针对金属间隙密封气缸的特点，设计和搭建以间测法和直测法为基础的测量 系统。结合测量结果，从多个角度全面对两种测试方法进行分析比较，确定最终的测 量方案； ( 2 ) 基于上述测量方法的分析比较，最终采用较优的测量系统进行摩擦力测量实 验，并实验结果进行数据处理，得出金属间隙密封气缸的静摩擦力和不同速度下的动 摩擦特性； ( 3 ) 针对金属间隙密封气缸特性，基于摩擦力测试系统，设计一个合理的变温方 案，模拟气缸在o c 、1 0 、2 0 、3 0 、4 0 ( 2 、5 0 的环境，获得气缸在变温条件 下的摩擦力特性数据。 硕士论文变温环境下气缸静动低值摩擦力的测试方法研究 2 金属间隙密封气缸运动的理论分析 2 1 测量对象简介 气缸作为常用的执行元件，其性能受多种因素的影响。其中，气缸的密封性能除 了影响泄漏量，也决定了气缸的摩擦力大小。通常，气缸摩擦力主要发生于活塞与缸 筒之间，由于它们的密封接触较长、密封压差较大等方面的原因，密封方式对气缸摩 擦力的影响主要体现在以下几个因素上：速度、润滑剂、残余润滑膜厚度、温度、密 封圈形状、材料等【3 0 】。 流体的动密封主要分成接触式、非接触式、组合式和封闭式四大类【3 l 】。常用的 气缸密封方式采用接触式密封，如o 形圈和唇形圈等橡胶弹性密封，它依靠初始弹 性密封件装配过盈建立的弹性密封接触力及工作流体作用于弹性体材料上的流体密 封力改变其形状来进行密封工作的【3 2 1 。这种密封方式使得气缸在运动时，活塞杆和气 缸壁之间不可避免地会产生较大的摩擦力。且在这种密封形式下，低的空气泄漏量要 求与低的摩擦力要求及长的使用寿命要求是相互矛盾的。和液压缸上比较严格的避免 泄漏发生的往复式密封方式不同，为了满足气缸的低摩擦要求，在气缸的密封设计上 一般可适当放松对泄漏的要求，在弹性密封圈上体现为适当减小密封圈压缩过盈量及 自紧密封力。 由于低摩擦气缸能够提供比较平稳的起动和运动，对气缸伺服系统的控制性能具 有重要意义，因此近年来在工业中越来越受青睐，对低摩擦气缸的研发也备受重视。 在适当保证低的空气泄漏量要求下，通过合理设计气缸密封，提供具有低摩擦力的气 缸是现代气缸密封设计的新观点。 2 1 1 传统的低摩擦气缸 传统的低摩擦气缸除提高气缸的加工精度、采用特殊润滑脂和使用摩擦系数很小 的材质外，活塞上只装单向密封圈，其滑动阻力小，只随气压的增大略有增加，其结 构如图2 1 所示。低摩擦气缸的最低工作压力很小，可至o 0 1 m p a 。 l 一活塞密封圈2 一支撑o 型圈3 一活塞4 一活塞静密封圈5 耐磨环 图2 1 传统低摩擦气缸结构图 9 2 金属间隙密封气缸运动的理论分析 硕士论文 2 1 2 新型的金属间隙密封气缸 间隙密封属于非接触密封的一种，又叫硬质密封，是指依靠密封零件之间的配合 间隙来保证相邻通道的密封。它的原理是当流体流经间隙很小的流道时会产生一个较 大的气阻，从而保证很小的泄漏损失来达到密封的目的，因此也被称为“流动密封 。 但是，间隙密封对零件的配合尺寸和制造精度要求高，对材质的要求也很高。应用非 接触间隙密封最突出的优点在于摩擦损耗小【3 3 1 。 新型金属间隙密封的低摩擦气缸采用间隙密封结构、滚珠导向套等新技术，克服 了传统低摩擦气缸在匀速、低摩擦、高速、高频动作场合使用受限制的弱点。图2 2 为金属间隙密封气缸结构图。气缸的活塞、衬套及套筒均采用了特殊不锈钢材料，与 套筒接触的活塞杆使用碳钢镀铬材料。根据分析，材料的特殊性及精密加工等因素保 证了活塞与缸筒之间合适的间隙尺寸，在满足低的空气泄漏量要求下，还能实现气缸 的低摩擦性。而采用浮动接头机构，可以提高滑动的稳定性。 】432 l 一活塞杆( 碳钢镀铬) 2 一活塞( 特殊不锈钢材料) 3 一衬套( 特殊不锈钢材料) 4 套筒( 特殊不锈钢材料) 图2 2 金属间隙密封气缸结构图 金属间隙密封气缸主要具有以下几个特点： ( 1 ) 低驱动压力：最低使用压力可达0 0 0 5 m p a ； ( 2 ) 使用寿命长：可实现1 0 ，0 0 0 k m 或1 亿次的往复运动； ( 3 ) 低速等速驱动：稳定的低速匀速运动可低至0 3 m m s ； ( 4 ) 低摩擦：低摩擦阻力和高稳定性使得输出力控制精度可达0 0 5 n ，且放置一段 时间后，滑动阻力不会变化； ( 5 ) 高速度、高频率：高频高速型号气缸能够实现3 0 0 0 m m s 的高速驱动，在短行 程的场合，可实现5 0 次秒的连续往复驱动。 由于该类型气缸具体以上的优点，及其经济方便的特点，在工业上可用于以下场 合：要求低速稳定的驱动条件下传送精密零部件；在稳定的驱动力下切削玻璃及晶体； 1 0 硕士论文变温环境下气缸静- 动低值摩擦力的测试方法研究 驱动磨刀研磨晶品、次品片；快速去除生产线上废。 因此，建立一个能精确测量该低摩擦气缸的实验系统，获得其摩擦力特性数据， 将其加入到气缸产品选型程序的数据库，对实际工业生产中的伺服系统有着重要的参 考意义。 本课题中研究对象为a 、b 两个型号的金属间隙密封气缸。其中a 型号有缸径 为0 6 、西1 0 、0 1 6 、西2 0 、0 2 5 的气缸，b 型号有0 1 0 、1 6 、0 2 0 、0 2 5 、0 3 0 、m 4 0 的气缸。 a ) a 型号气缸示意图 b ) b 型号气缸示意图 图2 3 金属间隙密封气缸外形 2 2 气缸运动的数学模型 研究气缸运动时的摩擦力特性，首先从理论上认识和分析其运动时的数学模型。 在气动执行元件中，使用最多的是直线运动的气缸，本课题中的研究对象就属于该类。 直线气缸结构复杂多样，但其基本规律和数学描述基本一致，由于气动本身的可压缩 性等原因，要对气缸建立精确的模型存在较大的困难。但可通过一些合理的简化和假 设，运用气压传动动力学的理论推理运动模型。为了简化计算，现做如下假设： ( 1 ) 气体为理想气体； ( 2 ) 在活塞动作中，气缸两腔内气体与外界无热交换； ( 3 ) 气源压力恒定，气源温度为环境温度； ( 4 ) 气缸的内外泄露均忽略不计； ( 5 ) 气体流过小孔为等熵流动。 2 2 1 气缸活塞运动方程 将气缸的结构简化如图2 4 所示。 p ：2 v , l 图2 4 气缸结构示意图 根据牛顿第二运动定律，气缸活塞运动方程如下： 2 金属间隙密封气缸运动的理论分析 硕士论文 m 鱼d t l 2 = f + ( b 只) 4 一( 一p o ) 彳2 一弓 ( 2 1 ) 式中： 产_ 缸活塞及活塞杆质量和，k g ； r 活塞位移，m ； 气缸的摩擦力，n ； 卜活塞所受外力，n ； 彳j ，彳厂瑚气、出气腔的面积，m z ； 尸，p 广进气、出气腔的压力，p a ； p d 一一标准大气压，p a 。 2 2 2 气缸运动的两腔压力方程 气缸腔室的充、放气过程为一变质量系统的热力过程。在已有的假设条件下，得 到气缸两腔压力微分方程为： 式中： 乃，瞻一进气、出气腔的体积，m 3 ； 乃一常温下的环境温度，k ； 卜比热比，1 4 ； 肛_ 体常数，2 8 7 1 n m 0 c g k ) ； 1 p 活塞速度，m s ； q 研，鳊厂进气腔、出气腔的质量流量，k g s 。 2 2 3 气缸两腔的流量方程 在气动技术中，经常将气流所通过的各种气动元件抽象成气体通过收缩喷嘴或节 流小孔的流动。图2 5 显示的是将气缸腔室与外界环境简化为上、下游腔，气缸的进、 出气口即为中间段的节流小孔。在计算时，由于收缩喷嘴中气流的速度远大于气体与 外界进行热交换的速度，气体流过喷嘴时的能量损失远小于它具有的总能量，可以忽 略。因此，喷嘴中的流动可视为等熵流动【蚓。 1 2 2 q 螋k毗一k 一 编 懈一巧碱一匕 堡出堡出 硕士论文 变温环境下气缸静动低值摩擦力的测试方法研究 图2 5 将气缸进、出气腔抽象为通过节流小孔图 根据蒯t t 3 4 j ，对工程计算中的体积流量进行换算，得到质量流量方程如下： 级= ! 9 6 x l o - 3 ，a c p o 絮竺 “矾 ( 2 3 ) 工：j ，l ，r 一 一7 ， 1 4 0 5 x 1 0 司4 。岛e ( 一g ) 2 9 3 i 仃 仃 。 式中： 彳。小孔的面积，n 1 2 ； p 广常温下空气密度，1 1 8 5 k g m 3 ： 只，p 广上、下游的绝对压力，p a ； 野一上游滞止温度，k ； 口下上游压力比； 口一临界压力比，0 5 2 8 。 3 气缸摩擦力测量系统的实验平台设计 硕士论文 3 气缸摩擦力测量系统的实验平台设计 本章主要从实验的角度分析气缸的摩擦力，针对金属间隙密封气缸的低摩擦特 性，设计和搭建摩擦力测量系统。 3 1 间测法测量低摩擦气缸摩擦力的分析 本实验室曾采用间测法对普通橡胶密封气缸进行过摩擦力测量【3 5 3 6 1 ，考虑到简 单方便的因素，首先采用问测法对实验对象进行摩擦力测量，其测试原理见图3 1 1 3 6 3 。 l 气源2 过滤器3 一减压阀4 一精密减压阀5 一消音器6 手动阀 7 。8 速度控制阀9 一被测气缸1 0 ，11 一压力传感器1 2 一激光位移传感器1 3 数据采集仪 图3 1 问测法测试原理图 气缸的动作通过换向阀来实现，调节速度控制阀改变活塞的速度。压力传感器采 集气缸两腔的压力变化，气缸活塞的位移通过位移传感器测量，各传感器的数据通过 数据采集卡采集。由于被测气缸的驱动压力很小，需使用小量程、高精度的压力传感 器，实验中选用量程为o 1 3 7 9 k p a ，测量精度为0 2 5 e s 的压力传感器。 气缸活塞的运动方程为： ，2 m 号手= 4 ( 丑一昂) 一4 ( 最一昂) 一弓 ( 3 1 ) 3 1 1间测法中静摩擦力的测量分析 在静摩擦力测量中，为了减小出口压力波动对测量产生的影响，首先去掉有杆腔 节流阀，使之与大气相通。调定精密减压阀的出口压力，进气口节流阀开启一个很小 1 4 硕士论文变温环境下气缸静动低值摩擦力的测试方法研究 的入口。由于节流阀开口很小，气缸与节流阀又存在一定的管道容积，气缸容腔内压 力的建立需要一个过程，气缸不会马上运动。当气缸内的压力逐渐增加至克服气缸静 摩擦力值的时候，气缸开始运动。通过采集仪可以得到活塞运动的全程位移及进气腔 压力的变化情况。 时同，i 图3 2 间测法中静摩擦力测量的进气腔压力曲线 时同t 图3 3 间测法中静摩擦力测量的位移曲线 间测法中压力传感器安装于气缸的进气口端，对气缸两腔的压力测量有一定误 差。从图3 2 可以看出，金属间隙密封气缸的驱动压力值数量级很小，压力值的测量 精确度更加不能保证，因此测量值并不能真正反映活塞端面的压力值。 3 1 2 问测法中动摩擦力的测量分析 从对摩擦力模型的研究中可以发现，在相同条件下气缸摩擦力主要和运动速度有 关，因此气缸动摩擦力的测量需要在不同运动速度下进行。 按照图3 1 的测试原理，将进气腔的节流阀去掉，采用排气节流的方式进行调速。 3 气缸摩擦力测量系统的实验平台设计 硕士论文 通过调节节流阀的不同开度可以使气缸在不同速度下运动。采集两腔压力变化曲线和 位移曲线如图3 4 和图3 5 所示。 e e 、 x 稔 翠 时间t io 图3 4 间测法中动摩擦力测量的两腔压力曲线 时n t ，o 图3 5 间测法中动摩擦力测量的位移曲线 观察图3 5 可以发现，采用气压驱动得到的位移曲线行程各处存在着较明显的加 速和减速变化。将图3 5 中位移曲线中转折变化较明显的a 、b 、c 三处进行局部放 大，对应得到图3 6 中a 、b 、c 三图。从放大的图中可以更清楚看出，a 、c 图的曲线 在中间段拱起，存在一个减速的趋势；b 图的曲线在约5 5 s 和7 8 s 处存在凹点，中间 部分有略微拱起，直线性也较差。因此，在间测法中气缸整个运动行程的匀速性不佳。 1 6 硕士论文变温环境下气缸静动低值摩擦力的测试方法研究 a ) 位移曲线中a 处局部放大图 l ： 沸 秘 害 ； 镩 捌 b ) 位移曲线中b 处局部放大图 c ) 位移曲线中c 处局部放大图 图3 6 间测法位移曲线中的局部放大图 因为气缸的运动速度是通过调节气压的大小而改变，预先无法得知，需将位移曲 线微分得到速度曲线，如图3 7 所示。 图3 7 间测法中动摩擦力测量的速度曲线 1 7 善x诤单 一_毫s：谜嚣确蜒 3 气缸摩擦力测量系统的实验平台设计 硕士论文 根据图3 7 中的速度曲线可以更直观地进行气缸的运动状况分析。如图所示，行 程中速度波动较大，运动时的匀速性不理想。1 4 s 1 8 s 之间气缸的运动较为平稳，因 此实验中只能取该段的平均速度作为气缸运动的速度，选取对应时间段的两腔压力 值，由式3 1 计算得出气缸在此速度下的动摩擦力。该方法测试动摩擦力时还存在一 个问题，因为实验中气缸运动的匀速段并不总能出现在相同位置段，所得数据的重复 性很低。 综合上述分析内容，采用间测法对低摩擦气缸进行摩擦力测试时存在如下问题： ( a ) 压力传感器不能安装在活塞端面位置，压力测量有一定的误差。由于低摩擦 气缸的供气压力很小，将会增大测量误差。此外，供气端升压的快慢、不同位置的内 泄露等因素对测量值均有影响； ( b ) 在测量动摩擦时，在很小供气压力下以及气体驱动固有的压缩性波动因素影 响下，使得气缸不易实现理想的匀速运动。即使运动中有一段是匀速的，但其匀速运 动的速度值也不能事先设定，其匀速段对应的气缸位置点也不固定。而且通过调节节 流阀很难使多次实验中气缸的运动速度一致，数据的重复性不好。因此，在实验时获 得动摩擦力数据很困难，耗费时间多，测得的动摩擦力数据精度还不高； ( c ) 这些问题不是提高目前采用的测试传感器精度就可以解决的。实质上对于低 摩擦气缸，这种测量方法本身具有局限，必须采用更好的方法才可以克服。 3 2 直测法气缸摩擦力测试系统 3 2 1 直测法的系统设计方案 基于上述内容，对这种微摩擦气缸设计更精确的测量方式。在新系统中，活塞的 运动不再采用气压驱动方式，而是采用运动速度平稳和可调的直线电机，直线电机和 活塞杆之间采用微拉力传感器连接( 力传感器安装在直线电机滑台上) ，通过采集力 传感器的输出可以直接获得气缸的静摩擦力和整个行程的动摩擦力变化曲线。同时， 位移传感器采集对应的活塞运动情况。在此将该方法简称为直测法，其原理如图3 8 所示。 1 8 硕士论文变温环境下气缸静动低值摩擦力的测试方法研究 l 一被测气缸2 一压力传感器3