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水平振動(dòng)對氣缸壽命影響的試驗(yàn)研究
水平振動(dòng)對氣缸壽命影響的試驗(yàn)研究（技術(shù)）
氣壓傳動(dòng)和控制是生產(chǎn)自動(dòng)化和機(jī)械化zui手段之一。氣缸作為將壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的氣動(dòng)執(zhí)行元件，具有結(jié)構(gòu)相對簡單輕便，使用介質(zhì)為空氣較為環(huán)保。相較于液壓、電機(jī)等其他傳動(dòng)方式，氣缸的輸出力及運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)相對簡單，具有耐高溫、防爆、防潮，能遠(yuǎn)距離輸送氣體運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)[1]，因此其廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。當(dāng)前，氣缸在汽車、高鐵等軌道交通設(shè)備上的應(yīng)用越來越多，這些交通設(shè)備在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高速振動(dòng)對氣缸使用會(huì)產(chǎn)生影響，因此研究振動(dòng)對氣缸使用壽命的影響，進(jìn)而提升氣缸在振動(dòng)情況下安全使用壽命是有必要的。本文通過對氣缸施加水平振動(dòng)試驗(yàn)來研究振動(dòng)對氣缸使用壽命的影響，并與常規(guī)試驗(yàn)情況下壽命試驗(yàn)進(jìn)行比較分析，探討采用此類方法進(jìn)行氣缸加速壽命試驗(yàn)的可行性。
1 國內(nèi)外氣缸壽命的研究
隨著氣缸使用范圍的擴(kuò)大和要求的提高，氣缸的可靠性愈來愈受到企業(yè)和顧客的重視，為適應(yīng)此種發(fā)展，我國一些企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和高校都在開展各種氣缸可靠性專題研究。影響氣缸壽命的主要因素有溫度、壓力和動(dòng)作頻率[2]。國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)對氣缸使用壽命的研究主要集中在通過改變氣缸工作環(huán)境加速氣缸及其零部件的使用壽命，例如在在高低溫環(huán)境下、增加負(fù)載或加快動(dòng)作頻率等。例如北京航空航天大學(xué)對包括氣缸在內(nèi)的氣動(dòng)元件使用壽命進(jìn)行了長期的試驗(yàn)研究，提出了一些氣動(dòng)元件壽命預(yù)測模型。上海交通大學(xué)對氣缸帶負(fù)載運(yùn)行一段時(shí)間后壁面溫度冷熱變化提出了氣缸壁面溫度預(yù)測，通過減少氣缸運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的能量損耗提出延長氣缸使用壽命的方法等[3]。但是到目前為止相關(guān)的氣缸壽命試驗(yàn)的周期都相對較長多為1-2年。這些試驗(yàn)中對交通設(shè)備上使用的氣缸的壽命試驗(yàn)研究較少，例如沒有開展振動(dòng)對交通設(shè)備上氣缸使用壽命影響的研究
2 施加水平振動(dòng)對氣缸壽命影響的試驗(yàn)
2.1 試驗(yàn)?zāi)康?br /> 本項(xiàng)試驗(yàn)的目的有兩點(diǎn)：一是希望通過對氣缸施加水平方向的振動(dòng)，提高氣缸缸筒和活塞之間的運(yùn)動(dòng)方向變換頻率，起到加快氣缸使用速率的作用，從而實(shí)現(xiàn)縮短氣缸壽命試驗(yàn)時(shí)間的目的。二是氣缸在汽車、高鐵等交通設(shè)備上的使用越來越多，氣缸在振動(dòng)情況下能否正常使用會(huì)影響到這些設(shè)備的使用安全，因此對氣缸在振動(dòng)情況下進(jìn)行長時(shí)間的壽命試驗(yàn)是有必要的。本項(xiàng)試驗(yàn)即是通過對氣缸施加水平方向的振動(dòng)來研究振動(dòng)對氣缸壽命的影響。
2.2 試驗(yàn)設(shè)備選取
本項(xiàng)試驗(yàn)選取的氣缸型號(hào)為SU50×75，試驗(yàn)的樣品數(shù)量為七件，受振動(dòng)臺(tái)面積所限，七件樣品分二組進(jìn)行試驗(yàn)。選取的振動(dòng)臺(tái)型號(hào)為DCS-1000-15-05。用電磁閥動(dòng)態(tài)性能測試裝置控制電磁閥換向頻率
2.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)選取
本項(xiàng)試驗(yàn)選取的標(biāo)準(zhǔn)有ISO 19973-3:2007、GB/T 21563-2008 中Ι類B級(jí)車體安裝。標(biāo)準(zhǔn)ISO 19973-3:2007作為本項(xiàng)試驗(yàn)氣缸失效與否的判斷依據(jù)，主要檢測項(xiàng)目有功能檢測、zui小工作壓力、泄漏流量、行程時(shí)間[4]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 19973-3：2007，選取zui小工作壓力應(yīng)≤130kPa，泄漏流量：在工作壓力0.63MPa壓力下泄漏量≤18dm3/h(ANR)a，行程時(shí)間1/2tTST根據(jù)公式1計(jì)算，試驗(yàn)氣缸為帶緩沖氣缸。
1/2tTST=S/Vm?1.4 （1）
式中 S——氣缸的行程長度；
Vm——氣缸的平均行程速度。
標(biāo)準(zhǔn)ISO 19973-3:2007推薦所有氣缸的平均行程速度Vm為500±50%mm/s。氣缸動(dòng)作頻率為2Hz，平均行程速度為300 mm/s，氣缸的行程長度為75mm。
有公式1 本項(xiàng)試驗(yàn)行程時(shí)間1/2tTST=0.35s
標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21563-2008作為本項(xiàng)試驗(yàn)選取的相關(guān)振動(dòng)參數(shù)依據(jù)。根據(jù)GB/T 21563-2008.9[5]提高隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)的模擬長壽命試驗(yàn)選取振動(dòng)試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)：橫向r.m.s/(m/s2)值為3.5；ASD量級(jí)/ [(m/s2)2/Hz]為0.366，頻率為5～150 Hz。
2.4 試驗(yàn)運(yùn)行
本項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)為氣缸活塞桿上施加4kg的徑向負(fù)載。氣缸通入0.63MPa氣壓，以2Hz的頻率控制電磁閥換向從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在這過程中施加水平方向的振動(dòng)。改變氣缸活塞和缸筒相對運(yùn)動(dòng)時(shí)間，加快密封圈的磨損速度，從而實(shí)現(xiàn)縮短氣缸壽命試驗(yàn)時(shí)間的目的。在運(yùn)動(dòng)一定次數(shù)后對氣缸進(jìn)行檢測。將失效氣缸退出試驗(yàn)并對其進(jìn)行拆解，研究氣缸零部件的磨損情況。
