金属密封气缸摩擦特性及低速摩擦研究现状及发展趋势

1金属密封气缸摩擦特性及低速摩擦研究现状及发展趋势摘要气缸简单的说就是引导活塞在其中进行直线往复运动的圆筒形技术机件，它具有制造成本低、稳定性高以及燃料消耗少等优势，其种类包括：单作用气缸、双作用气缸以及膜片式气缸和冲击式气缸，其中，单作用式气缸是仅一端有活塞杆，从活塞两侧生产气压，气压推动活塞产生推力伸出，考弹簧或自重返回；而双作用气缸主要就是用膜片代替活塞，只在一个方向输出力，用弹簧复位，它的密封性能好，但行程短；而冲击气缸主要就是一种新型的元件，它能够吧压缩气体的压力转换为活塞高速运动的动能，进而引起活塞运动。近年来，各种大型工业的高速发展，特别是在半导体、瓷器以及玻璃等行业中，机械零件的加工和磨削，需要非常慢的低速驱动，这也就是要求气动执行元件气缸等保持低速摩擦[1]。新型金属密封气缸采用间隙密封原理,大大减小了气缸的摩擦力。对于这种新型气缸目前还没有对其摩擦力进行研究,因此需要对摩擦力进行测试,从而获得摩擦力特性的基本数据,为实际工程应用提供技术参考。另外,由于摩擦力特性的改善,研究采用金属密封气缸组成的位置伺服系统,对提高气动伺服系统的精度和稳定性有着重要意义[2]。关键词：气缸；气动技术；低速摩擦；金属密封气缸；摩擦力测量21绪论摩擦力是气动伺服系统难以获得满意的稳态位置精度的影响因素之一,由于摩擦力的存在,系统易出现爬行运动一。目前气缸所采用的密封大致分为两类：动密封和静密封。缸筒和缸盖等固定部分所需的密封称为静密封,而活塞在缸筒里作往复运动及旋转所需的密封称为动密封。流体的动密封主要分成接触式、非接触式、组合式和封闭式等四大类。气缸的摩擦力就是由动密封产生的,目前在气缸密封技术方面普遍采用的是接触式密封,如形圈和唇形圈等橡胶弹性密封圈。这种密封方式使得气缸在运动时,活塞和气缸壁之间不可避免地会产生较大的摩擦力。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,间隙密封对零件的配合尺寸和制造精度要求高,对材质的要求高。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,从而以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”[3],应用非接触间隙密封最突出的优点是摩擦损耗小。新型金属密封气缸正是利用了这样的密封原理,因此可以从根本上减小气缸摩擦力的产生,提高气缸的运动性能。由于爬行现象[4]严重影响了气缸运动平稳性，实际使用过程中，在满足气缸低速运动的前提下，常常将气缸平稳运动的最小运行速度设定得较高，从而保证气缸一定不会出现爬行。而实际上，当气缸在这个设定的最小运行速度之下的速度范围内工作时，也有可能达到平稳运动状态。也就是说，设定的保证气缸不出现爬行的工作范围比气缸实际的正常工作范围小。因此可以说，由于低速爬行现象的存在，缩小了气缸的正常工作范围。要消除气缸低速运动过程中的爬行现象是不可能的，我们只能在了解其规律的基础上，顺应它．意即；通过设定合适的工作参数，使气缸在一定工作范围内避免出现爬行，从而保证气缸在正常工作范围内平稳运动．然而，影响气缸运动状态的因素很多，如气缸结构、气缸所用密封圈和润滑脂的种类、使用压力、负载质量、温度等。工况条件变化，气缸的运动状态会随之发生变化。那么，到底在怎样的工况条件下气缸不出现爬行，如何事先预测爬行出现从而避开爬行区，确定气缸正常工作范围，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。目前在气缸低速爬行研究中，大都是采用试验尝试法，即首先通过大量的试验实测出某一具体型号气缸低速平稳运动3的最低无爬行速度(即出现爬行的临界平均速度)，然后通过调整使用压力等工作参数使气缸的运行速度高于最低无爬行速度，从而达到气缸平稳运动的使用要求。该方法既耗时又费力，并且，由于气缸爬行与负载、环境温度等因素有关，当负载或环境温度发生变化时，即便气缸运动速度高于最低无爬行速度，也有可能出现爬行现象．也就是说，仅依据最低无爬行速度不能保证气缸在任一工况参数下都不会出现爬行。由此可见，如何正确分析各个因素对气缸低速爬行的影响程度，找出正确判定气缸是否出现爬行的方法，采取有效措施避免爬行现象仍然是气缸低速运动研究和应用中的一个难点．因此，需要一种判定方法，在设计系统时通过气缸结构参数和驱动条件就能够事先预测气缸是否会出现爬行．如果能够得到包含使用压力、运动速度、负载等多个工况参数的气缸爬行判定式，将对气动系统工作参数的合理选择，避免爬行现象具有重要的参考价值；另一方面，对于元件的优化设计，扩大气缸正常工作范围具有重要的指导意义。2金属密封气缸简介气缸性能[5]受多方面因素的影响,其中气缸的密封性能及摩擦力是影响气缸性能的重要因素。气缸密封在起到防止气体泄漏作用的同时,直接影响了气缸摩擦力的大小。气缸密封目前广泛采用的是弹性密封圈密封。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抵触的。作用在气缸上的摩擦力包括静摩擦力和动摩擦力。静摩擦力发生在活塞运动的瞬间,它的大小直接决定气缸的最低起动压力。起动后的动摩擦力随运动速度呈非线性变化规律,其特性不稳定。尤其在低速运动时,由于气缸摩擦力的影响,气缸容易出现“爬行”现象,严重影响气缸运动的平稳性,给气缸的精确定位带来很大的困难。由于摩擦力对气缸特性的突出影响,如何降低气缸密封导致的摩擦力,己经成为改进气缸密封的重要研究方向。42.1传统低摩擦气缸与金属密封低摩擦图2.1传统低摩擦气缸结构图图2.2金属间隙密封气缸的结构图金属密封气缸的特点有（1）摩擦力小,在的低压力下也可驱动。寿命长,可往复运行亿次以上。（2）驱动速度在订以上低速范围内可实现平稳及等速运动。（3）因摩擦力小且稳定,可控制左右的输出力。（4）使用高速高频型气缸,能够实现在而的高速驱动,在短行程的场合,可实现50次/秒的连续往复驱动。（6）由于采用金属间隙密封,存在微小的泄露,但在实际运用中并无太大影响。52.2气缸摩擦力研究现状一般的摩擦力[6]的公式为：fFuPA（2.1）其中，fF为摩擦力，P为工作压力，u为摩擦因素，A为气缸活塞面积。图2.3Stribeck摩擦力-速度曲线2.3摩擦力测量6图2.4摩擦力测量实验装置这种实验方法存在着弊端。两压力传感器装在气缸的出气腔口,由于气体的流动和可压缩性的影响,不能真正反应出活塞两端面处的压力大小有这种装置只能测试运动速度大于临界爬行速度情形下的摩擦力,对于已经产生爬行现象的情况下就无能为力了,其测试范围很是有限,不能对低速运动特性进行实验研究。所以在本课题当中利用直接测试摩擦力的方法进行测试,利用外界的伺服电机驱动系统来带动气缸运动的方法来进行摩擦力的测试。整个实验台包括驱动部分、被测部分、连接部分、传感部分以及数据采集部分。7图2.5摩擦测试实验台原理图整个实验过程的工作过程为:山伺服电机2、伺服控制器1、减速器3组成的电动伺服驱动系统作为主动件,带动电动丝杆缸9产生往复运动以及进行速度控制,利用连接部件把丝杆缸和被测试气缸连接起来,在丝杆缸和被测气缸之间装上拉压力传感器4来测试摩擦力的大小。整个实验台的连接刚性很大,电动驱动系统能提供非常低速的驱动,所以能够测试低速时候的摩擦力大小。只要改变伺服电机的驱动速度,就可以测试不同速度下气缸的摩擦力大小。而且测试实验台已经标准化,可以对各种型号的气缸进行摩擦力测试实验。3气缸低速爬行气缸在低速运动时，由于气缸摩擦阻力和气体可压缩性的影响，常常会出现时走时停或时快时慢的交替运动，这种速度不均匀的断续现象称为“爬行”。要消除气缸低速运动过程中的爬行现象是不可能的，我们只能在了解其规律的基础上，顺应它．意即；通过设定合适的工作参数，使气缸在一定工作范围内避免出现爬行，从而保证气缸在正常工作范围内平稳运动．然而，影响气缸运动状态的因素很多，如气缸结构、气缸所用密封圈和润滑脂的种类、使用压力、负载质量、温度等。工况条件变化，气缸的运动状态会随之发生变化。那么，到底在怎样的工况条件下气缸不出现爬行，如何事先预测爬行出现从而避开爬行区，确定气缸正常工作范围，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。83.1爬行概述摩擦是在正压力作用下，相互接触的两个物体受切向外力的影响而发生相对滑动，或有相对滑动的趋势时，在接触表面上产生抵抗滑动的阻力的一种自然现象。摩擦产生在两个物体的接触面上，不管物体的表面研磨得多么光滑，从微观来看，其表面仍然是凹凸不平的。图3.1两物体接触表面两物体表面接触实际上仅仅是极少数的几个尖峰相接触，这些接触点之和称为实际接触面积，由于实际接触面积很小，使得单位面积上的压力非常大，接触点将产生塑性变形，以致接触点发生粘着。当两物体发生相对运动时，粘着点被剪断，剪断所需的力，就是摩擦力。3.2粘着摩擦理论粘着摩擦理论是由Bowden和Tabor等人提出的．该理论可归纳为以下三个基本要点：a)摩擦表面处于塑性接触状态．由于实际接触面积只占表观接触面积的很小部分，在载荷作用下峰点接触处的应力达到受压的屈服极限而产生塑性变形。此后，接触点的应力不再改变，只能依靠扩大接触面积来承受继续增加的载荷。b)滑动摩擦是粘着与滑动交替发生的跃动过程。由于接触点的金属处于塑性流动状态，在摩擦中接触点还可能产生瞬时高温，因而使得两金属产生粘着，粘着结点具有很强的粘着力。随后在摩擦力作用下，粘着结点被剪切而产生滑动。这样，滑动摩擦就是粘着结点的形成和剪切交替发生的过程。c)摩擦力是粘着效应和犁沟效应产生阻力的总和。粘着理论认为，除了粘9着部分外，摩擦力还包括变形的部分(即摩擦时表面上的硬质凸起压入对方表面并划出沟槽所需要的力)，它在磨损过程中起重要作用。当摩擦力的粘着部分很小时(如表面润滑状况良好、界面上薄膜的强度很低时)，它也可能占有重要地位。3.3气缸爬行现象的力学模型根据粘着摩擦理论可以得出，爬行现象的实质是当一物体在滑动面上做低速相对运动时，在移动条件下产生的停止与滑动相交替的现象，是由于摩擦副间的摩擦特性所引起的一种张驰型自激振动，是一种不连续的振动。描述爬行现象的力学模型如图3.2所示。图3.2爬行现象的力学模型图3.3滑块出现爬行现象时的位移一时间曲线下面以图3.4所示的单杆双作用气缸活塞杆伸出为例分析气缸爬行现象。图3.4单杆双作用气缸10在图3.4中，气源经一口向气缸无杆腔充气，无杆腔内压力A上升，有杆内气体经B口排气，有杆腔内压力p2下降。气缸出现爬行现象时的运动过程可分为以下四个阶段：(1)初始状态，由于气缸内活塞和活塞杆处的静摩擦力较大，活塞并不运动。(2)当无杆腔内压力上升到使得活塞两侧压力差所产生的作用力刚好能克服活塞和活塞杆处的静摩擦力时，活塞开始移动。一旦活塞起动。静摩擦力降为动摩擦力，因此活塞作加速运动。(3)由于此时无杆腔容积变化增加较大，而供气流量不足，致使无杆腔中的气体压力进一步下降，同时有杆腔中的气体压力上升，当活塞两侧压力差所产生的作用力等于活塞和活塞杆处的摩擦力时，活塞停止加速。(4)由于惯性，活塞继续向前运动，无杆腔中的气体压力又进一步下降，当活塞两侧压力差所产生的作用力小于活塞和活塞杆处的摩擦力时，活塞作减速运动，活塞速度逐渐减小，直至Ⅱ速度为零，活塞运动停止。直到无杆腔内压力再次上升到使得活塞两侧压力差所产生的作用力能够克服活塞和活塞杆处的静摩擦力，活塞重新开始向前运动。这一过程的循环出现就形成了气缸的爬行。3.4气缸爬行现象的影响因素通过分析气缸的结构和气压驱动方式的特点，可以得出爬行现象的产生主要与元件滑动面(活塞密封圈与缸筒和活塞杆密封圈与缸盖之间)的摩擦力特性(摩擦系数、接触面的正压力)和气体压缩性有关．因此，影响气缸爬行的主要因素可归结为：密封、润滑、使用压力、负载、系统的刚性和阻尼、表面粗糙度和表面洁净度、温度。以下就这些影响因素作具体说明。(1)密封的影响气缸所采用的密封大致分为两类：动密封和静密封。缸筒和缸盖等固定部分所需的密封为静密封，活塞在缸筒里作往复运动及旋转所需的密封称为动密封。气缸的摩擦力是由活塞和活塞杆两处