气缸低速爬行特性及其特征判据的研究

论文摘要

气缸低速运动时有时会出现爬行现象，这会影响气缸的运动平稳性，严重的还会造成作业失误和设备损坏。气缸的爬行现象不可能完全地消除，只能通过预测爬行工况区并设定合适的气缸工作参数，使气缸避免出现爬行。然而气缸爬行是一种涉及多种因素的复杂现象，到底在怎样的工况参数下气缸不出现爬行，如何事先预测爬行出现以便能够避开爬行区，确定气缸正常工作范围，保持平稳运动状态，这是气缸设计和使用过程中一个国内外长期尚未解决的问题。 论文针对气缸低速爬行现象特征判据的课题，进行了深入的理论分析和试验研究。首先，深入地分析了气缸产生爬行现象的机理和影响因素。然后，以工业应用中常用的气缸为研究对象，对气缸摩擦力模型、判定气缸爬行的评价基准、气缸爬行工况参数判定式等内容进行了研究。 为了建立正确描述气缸爬行运动的数学模型和仿真模型，通过试验数据拟合，对常用的摩擦力模型进行了比较分析，指出了目前描述气缸爬行的摩擦力模型的局限性，建立了表征气缸爬行运动的摩擦力模型——Stribeck指数函数模型。与其它摩擦力模型相比较，Stribeck指数函数模型最能代表气缸出现爬行时的摩擦力变化情况，可以显著提高气缸动力学模型的精度。 通过试验指出了目前国际上使用的首次波幅判据存在的误判问题。在对气缸运动特性和爬行特性试验数据分析归纳的基础上，提出了气缸爬行速度二次波幅判据：当速度波动的二次波幅大于气缸平均运行速度的一半时，气缸出现爬行现象。此判据能够避免爬行现象的误判，为气缸爬行判定提供了一个评价基准。 在测试、分析比较多种气缸摩擦力模型的基础上，通过理论分析首次导出了气缸爬行理论判定式：当速度波幅系数λ＞1时，气缸出现爬行；反之，气缸不出现爬行。这一判定式可用于进气节流和排气节流两种回路中气缸爬行现象的预测，两者临界条件的表达式形式相同。综合考虑摩擦力、温度等因素，利用量纲分析方法，通过试验数据拟合和回归分析，首次提出了包含多个工况参数的气缸爬行综合回归判定式。通过对多种气缸进行试验测试分析，验证了此判定式的正确性和实用性，对气缸爬行理论判定式进行了修正。这是迄今为止获得的最简便实用的气缸爬行判定式，解决了由工况参数直接预测气缸爬行现象的问题，获得了日本SMC筑波技术中心相关研究人

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 注释表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 气缸爬行机理研究状况
• 1.2.2 气缸爬行运动摩擦力模型研究状况
• 1.2.3 气缸爬行特征判据研究状况
• 1.3 主要研究内容
• 1.3.1 气缸爬行运动摩擦力模型
• 1.3.2 气缸爬行现象评价基准
• 1.3.3 气缸爬行判定式
• 2 气缸爬行的原因及影响因素分析
• 2.1 气缸出现爬行现象的原因分析
• 2.1.1 摩擦理论概述
• 2.1.2 气缸爬行现象的力学模型
• 2.2 气缸爬行现象的影响因素
• 2.3 本章小结
• 3 气缸摩擦力特性的研究
• 3.1 摩擦力数学模型综述
• 3.2 CBX气缸摩擦力模型的建立
• 3.2.1 摩擦力模型分析
• 3.2.2 CBX系列气缸结构
• 3.3 气缸摩擦力特性测试与分析
• 3.3.1 气缸摩擦力特性测试方法
• 3.3.2 气缸摩擦力特性的影响因素
• 3.3.3 气缸摩擦力模型的确定
• 3.4 本章小结
• 4 气缸爬行过程的动力学仿真与试验研究
• 4.1 气缸爬行运动数学模型的建立
• 4.1.1 两腔室气体能量方程
• 4.1.2 气缸的运动方程
• 4.1.3 气体流量方程
• 4.2 气缸爬行过程动力学仿真模型的建立
• 4.2.1 气缸爬行运动仿真模型框图
• 4.2.2 气缸爬行运动仿真模型的试验验证
• 4.2.3 摩擦力模型对仿真结果的影响
• 4.3 气缸爬行影响因素试验研究
• 4.3.1 试验测试装置及试验参数设定
• 4.3.2 试验内容及测试方法
• 4.3.3 试验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 气缸爬行工况参数判定式的研究
• 5.1 气缸爬行速度波幅判据的研究
• 5.1.1 速度首次波幅判据
• 5.1.2 速度二次波幅判据
• 5.2 气缸爬行理论判定式的推导
• 5.2.1 气缸出现爬行现象的临界条件
• 5.2.2 气缸爬行现象判定参数的确定
• 5.2.3 气缸爬行现象判定曲线
• 5.3 气缸爬行综合回归判定式的研究
• 5.3.1 量纲分析方法
• 5.3.2 量纲分析法拟合爬行判定式
• 5.3.3 温度对爬行判定式的影响
• 5.3.4 节流方式对爬行判定式的影响
• 5.3.5 不同工作参数下气缸爬行临界状态曲线
• 5.4 本章小结
• 6 基于爬行机理的气缸起动冲击现象分析
• 6.1 气缸起动冲击现象产生的原因
• 6.2 气缸起动冲击现象影响因素试验研究
• 6.2.1 试验测试内容
• 6.2.2 试验结果及分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 附录 气缸爬行运动过程 Matlab/Silmulink仿真程序