偏心负载下摆动气缸运动的不稳定性及抑制方法的研究

摘要

气动技术由于其自身拥有很多独特的优点，被广泛应用于生产制造领域，已成为现代工业自动化领域中的重要手段。作为气动技术执行元件的摆动气缸用途十分广泛，较之一般的直动气缸，由于摆动气缸自身的结构特点导致其运动特性容易受到外加偏心负载的影响，这对整个气动系统的稳定性和可靠性都造成了一定的影响，对相关应用领域生产造成了一定的危害和损失。 本文针对严重影响摆动气缸正常使用的偏心负载问题进行分析，以期在不大幅增加产品成本的情况下，对摆动气缸结构进行优化改进，尽量减小或消除偏心负载所带来的偏心扭矩影响。 首先，通过理论分析和实验相结合的方法，确定偏心负载下摆动气缸运动过程中不稳定现象的成因、特点和规律，提出并试验验证了判定偏心负载下摆动气缸运动稳定性优劣的评价指标αv。 其次，提出了增加工作腔连通孔来抑制偏心负载下摆动气缸运动不稳定性现象的方法，并建立了此种情况下的数学模型。在摆动气缸供气和排气管路之间增加电磁比例阀，通过模拟试验验证了这种抑制方法的有效性，并通过MATLAB数值仿真和实验对比进一步修改了数学模型。 建立优化目标函数，通过MATLAB遗传算法工具箱，对工作腔连通孔的主要结构参数进行了优化；对优化结构后的工作腔连通孔流量特性进行CFD仿真，确定了其结构的合理性。 最后，设计加工出来带有工作腔连通孔的摆动气缸，分别在变负载和变压力的情况下，对所有加工出来带有不同工作腔连通孔参数的摆动气缸进行了一系列试验，和原结构摆动气缸的试验结果进行了对比分析，确定了所提抑制方法的有效性。 通过仿真和大量实验研究，确认了增加工作腔连通孔的抑制方法能够有效地消减偏心负载对摆动气缸运动特性影响，降低偏心负载造成的运动不稳定性。该方法仅在原有摆动气缸基础上改动了很小的部分，具有结构简单，运行可靠，成本低廉的优点。