***作者簡介：李武杰(1987-)，男，浙江寧波人，學(xué)士，******氣動(dòng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心工作，主要研究方向?yàn)闅鈩?dòng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測及標(biāo)準(zhǔn)的研究。

　　0 引言

　　氣壓傳動(dòng)和控制是生產(chǎn)自動(dòng)化和機(jī)械化******效手段之一。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***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、***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***速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的***速振動(dòng)對氣缸使用會產(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 ***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***，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***一些企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和***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]。***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***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?/h3>

　　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***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、***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)選取的氣缸型號為SU50×75，試驗(yàn)的樣品數(shù)量為七件，受振動(dòng)臺面積所限，七件樣品分二組進(jìn)行試驗(yàn)。選取的振動(dòng)臺型號為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，試驗(yàn)設(shè)備的搭建如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)安裝圖

　　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、***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***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***隨機(jī)振動(dòng)量級的模擬長壽命試驗(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/ [(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。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果

　　3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

　　本項(xiàng)試驗(yàn)累計(jì)動(dòng)作60萬次后，7件試驗(yàn)氣缸中有5件樣品已失效。失效項(xiàng)目均為泄漏流量超過標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)束試驗(yàn)，試驗(yàn)組氣缸的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗(yàn)氣缸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　通過拆解失效氣缸，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生泄漏的原因均是活塞上的O形密封圈產(chǎn)生了磨損，造成密封圈雙向密封效果失效，從而使氣缸有桿端和無桿端產(chǎn)生了內(nèi)泄漏。部分氣缸密封圈磨損情況和磨損位置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)氣缸密封圈磨損情況和磨損位置

　　對照組氣缸壽命試驗(yàn)：選取同型號氣缸施加4kg徑向負(fù)載，兩端固定通入0.63MPa壓力以2Hz頻率進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表2。對照氣缸檢測是根據(jù)ISO 19973-3:1997檢測，功能檢測包括行程時(shí)間，ISO 19973-3版本更新后行程時(shí)間計(jì)算方式有所不同[6]，但從表2可以看到對照組氣缸的失效主要原因是是泄漏量超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的12dm3/h。

表2 對照組試驗(yàn)氣缸的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　對照組失效氣缸進(jìn)行拆解，造成其泄漏的原因是活塞密封圈磨損。部分氣缸密封圈磨損情況及磨損位置如圖3所示。

　　圖3 對照氣缸密封圈磨損情況和磨損位置

3.2 氣缸失效原因的分析

　　試驗(yàn)組氣缸在較短時(shí)間的動(dòng)作后都失效，且失效原因均為活塞上O形密封圈的磨損而不是氣缸其他部位零部件損壞導(dǎo)致的失效。隨著氣缸活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞與缸筒內(nèi)部溫度升***，加速了氣缸內(nèi)潤滑油的蒸發(fā)速度，同時(shí)密封圈受熱膨脹，這些因素都導(dǎo)致了密封圈的磨損，導(dǎo)致氣缸內(nèi)泄漏量的增加[7]。基于試驗(yàn)提***密封圈耐磨性的辦法有：密封圈材質(zhì)有丁晴橡膠改為更耐***溫的氟橡膠[8];增加密封圈的唇口的開口使密封圈能包含更多的潤滑脂;氣缸潤滑脂選用粘度更大的潤滑脂。通過實(shí)驗(yàn)可以看到略微的氣缸泄漏并不影響活塞的運(yùn)動(dòng)，其功能檢測、***小工作壓力和行程時(shí)間和無損壞氣缸的數(shù)據(jù)基本相同，因此對于精度要求不***的情況下可以通過改變氣缸結(jié)構(gòu)例如缸筒內(nèi)開槽，留出空間用于散熱，延長氣缸使用壽命。

　　4 結(jié)論

　　通過本項(xiàng)試驗(yàn)得到的結(jié)論主要有以下兩點(diǎn)：

　　(1)試驗(yàn)組氣缸的使用壽命為6×105次，對照組氣缸使用壽命為4.85×106次，兩者的使用壽命時(shí)間相差較大。施加水平振動(dòng)會極大地縮短氣缸壽命，可見振動(dòng)對在交通設(shè)備上使用的氣缸壽命有著較大的影響。由于交通設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動(dòng)對氣缸的影響較為復(fù)雜，為保障氣缸在汽車、軌道交通等應(yīng)用領(lǐng)域使用的安全性，研究不同振動(dòng)試驗(yàn)條件對軌道交通設(shè)備上的氣缸壽命影響是非常有必要的。

　　(2)對比實(shí)驗(yàn)組和對照組的氣缸使用壽命時(shí)間和失效模式，認(rèn)為通過施加水平振動(dòng)從而加速氣缸壽命這個(gè)方法具有一定的可行性。通過改變振動(dòng)試驗(yàn)條件(如振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)方向等)進(jìn)一步研究振動(dòng)對氣缸壽命的影響。

　　實(shí)

　　參考文獻(xiàn)

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　　[3] 朱迪.氣缸壁面溫度預(yù)測研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2015.

　　[4] ISO 19973-3:2007氣壓傳動(dòng),通過試驗(yàn)評定元件可靠性.第3部分：單活塞桿氣缸[S].

　　[5] GB/T 21563-2008，軌道交通,機(jī)車車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)[S].

　　[6] ISO 19973-3:1997，氣壓傳動(dòng)通過試驗(yàn)評定元件可靠性第3部分：單活塞桿氣缸[S].

　　[7] 賈繼濤，祁曉野，陳娟，馬俊功.氣缸加速壽命試驗(yàn)方法的研究[J].液壓與氣動(dòng)，2006，(12)：33-35.

　　[8] 張冰.氣缸密封件的改進(jìn)[J].機(jī)械工程師，2007,(6)：151-151.