不同工況下V63一體式夾緊器下蓋沖擊的測試與分析

范 磊

(上海德珂斯機械自動化技術有限公司，上海 201802)

引言

強力夾緊器在使用中，最常見的問題是下蓋斷裂、噪聲、夾臂抖動等，分析其原因，發現很多案例是因不合規使用造成的，比如負載超額、節拍超額、氣源不符合使用要求等。張百海[1]指出，氣缸產品需針對不同的使用工況調節緩沖針閥或溢流閥開度，才能得到較好緩沖效果；當外部工況改變，如氣源工作壓力、進排氣截面積和負載等改變時，良好緩沖即被破壞，氣缸末端出現爬行、反彈、撞擊等現象。動靜摩擦力差、運動速度、使用壓力是氣缸爬行的主要原因[2-3]。

由于氣動系統介質空氣的可壓縮性和高柔度等內在固有特性，使系統的動態性能和穩定性較差，氣缸在運行到行程末端時，活塞不可避免的與端蓋發生強烈的沖擊；張軍兆[4]總結得出，氣缸原來調好的緩沖會由于工況的變化而遭到破壞，甚至失效，造成活塞與端蓋的惡劣沖擊，導致氣缸的使用壽命大大縮短且遠達不到設計壽命，并且會產生強烈的振動和沖擊噪聲，實際應用場合還可能造成嚴重事故。因此，對于強力夾緊器下蓋沖擊測試與分析，得出各因素造成影響的量化值，定量分析氣緩沖效果的優劣尤為重要。

我國在21世紀初對氣缸的沖擊研究取得突破性進展，由定性分析階段轉為定量分析階段。孫智權[5]根據氣體動力學和熱力學等基礎理論對氣缸進行了動力學建模，將氣缸在行程末端的沖擊問題轉換成振動問題，并基于彈性桿的一維縱向振動理論對末端沖擊進行了建模，利用振型疊加法/模態疊加法，得到了氣缸沖擊力的解析模型。張澤天[6]定義沖擊能量由初始動能和進氣腔做功組成，吸收能量由緩沖腔做功和柱塞腔做功組成，由實驗得出結論：系統沖擊能量發生改變，而吸收能量沒有隨工況而變化或變化不明顯，造成了撞擊和反彈現象，沖擊能量中初始動能的變化率遠大于進氣腔做功，而質量和速度是初始動能的有且僅有的2個參數。王海濤等[7]研究了質量負載對氣缸緩沖性能的影響，用能量平衡的觀點解釋了負載對氣缸緩沖破壞機制，為氣缸緩沖結構的設計提供了依據。鄺靖雅[8]以大量的試驗探究了負載變化對氣缸緩沖影響。

從2010年開始，有很多研究者拓展溢流式緩沖[9]、自調整緩沖和基于反饋的自調整緩沖技術的研究。符昊[10]通過控制變量法，探究不同工況下，緩沖效果不同的根本原因。王海濤等[11]和許龍武[12]基于等減速的緩沖特性，建立數學模型，通過仿真獲取運動曲線，改進了壓力反饋緩沖結構。壓力反饋式緩沖是一種的自適應緩沖[13]，在一定工況變化范圍內有良好的適應能力。

針對上述研究現狀，本研究總結V63夾緊器的不同工況，制定夾緊器下蓋沖擊的測試方案，搭建測試信號采集平臺，獲得夾緊器在不同工況條件下動態參數和性能，分析下蓋沖擊力影響因素的敏感性，為夾緊器緩沖設計提供了依據；為夾緊器應用條件提供了試驗數據支撐。

1 夾緊器測試原理和測試工況

1.1 夾緊器的工作原理

通過上下腔體中氣體帶動連桿機構來實現對車件的夾緊與松開。如圖1所示，下腔體進氣，上腔體出氣，氣壓推動活塞向上運動，活塞桿帶動連桿，最終，轉動軸來帶動夾臂的夾緊；且通過肘節機構實現機械自鎖。反之，下腔體出氣，上腔體進氣為夾緊器的打開過程。

圖1 V63夾緊器的工作原理

1.2 許用額定負載

按照產品樣本，夾緊器定義了2種使用方式，打開周期分別為1 s和2 s，負載為產品手冊上定義的許用額定負載，如圖2及表1所示，s為夾臂的轉動軸到整個夾臂中心的距離，m為整個夾臂總重。

表1 不同打開周期下最大負載力矩

圖2 負載力矩定義

1.3 測試原理

圖3表明試驗臺原理圖，圖4表明測試系統末端由可調節負載工裝、夾緊器V63(單桿雙作用氣缸)、檢測組件組成；圖5表明檢測組件由調節螺絲、夾緊器下蓋、下蓋與壓力傳感器間隙用密封圈、壓力傳感器組成。建立了可調節負載工裝，通過調節配重塊的位置和重量，可以模擬標準應用缸徑為63 mm，1 s，2 s節拍下，50%，100%，150%，200%的額定負載，如表2所示。

1.氣源 2.減壓閥 3.壓力表 4.換向閥 5、6.單項節流閥7.V63夾緊器 8.壓力傳感器 9.負載10.PLC控制盒/一體式夾緊器測試臺[14]圖3 試驗臺原理圖

圖4 測試系統末端組成

圖5 檢測組件

負載經過強力夾緊器內部連桿結構和氣壓的作用，調節螺絲撞擊壓力傳感器，檢測裝置將信號傳遞到計算機(PC端)。強力夾緊器采用內部緩沖，通常內部緩沖方式分為橡膠墊緩沖和氣緩沖2種。[15]而氣緩沖主要方式有針閥式、溢流閥式、氣緩沖與墊緩沖結合式、自調節式、電磁緩沖等。

如表2、表3所示，去除氣緩沖的方式是，封堵下蓋緩沖孔。氣緩沖形式1為下蓋上設計常開泄流孔；氣緩沖形式2為自調節三角槽結構緩沖。

表2 各工況下的負載力矩 N·m

表3 測試工況表

1.4 氣緩沖方案

本研究采用的夾緊器V63的氣緩沖，即下蓋上設計的常開泄流孔，類似針閥式緩沖(但缺少閥的調節功能)；這種形式取代了針閥、溢流閥等氣體元件，減少了成本，安裝空間和調節、維護時間，但是卻增加了機加工的成本和難度，微小且細長的氣孔(小于φ0.4)，對刀具的要求非常高。新式緩沖是一種自調節緩沖形式，原理是通過調節螺絲開槽面積，即排氣面積，隨活塞、氣缸運動行程變化而產生不同的緩沖變化。這種形式的緩沖是最經濟的方式，但缺點是，因為不同氣缸的工況不同，在未建立可靠的緩沖氣缸數字模型前，難以形成統一、一勞永逸的設計。所以，經常不得不限制氣缸的工況、使用條件。

基于李建藩所著《氣缸傳動氣體動力學》所提供的基于速度計算排氣截面積及緩沖長度方法，完成緩沖排氣面積變化的計算，并據此設計自調節緩沖結構。對于面積可變節流口結構，王偉等[16]已有很多研究，節流孔有錐面、凸臺面、短笛面、三角槽、矩形槽、拋物線槽等多種形式，如圖6所示。根據夾緊器配置和成本考慮，本研究采用三角槽結構。

圖6 節流孔結構圖

2 測試數據采集與分析

2.1 數據采集原理

基于方案設計搭建測試平臺，對強力夾緊器進行動態信號采集，如圖7所示。測試信號采集系統采用瑞士品牌KISTLER的力傳感器,型號9323A，測量范圍0～20000 N，重復計量精度±0.5%，產品差異性3.9 pC/N。電荷放大器采用KISTLER的1～4通道電荷放大器，型號5073A，測量范圍 100～1000000 pC，通過IO/RS232控制，軟件使用Manuware(V 1.0.4.4)-1.0。

2.2 測試數據記錄

工況1(50%，100%，150%，200%額定負載)數據，工況2(100%，150%額定負載)數據，工況3(100%，150%，200%額定負載)數據，工況4(50%，100%，150%，200%額定負載)數據，工況5(50%，100%，150%，200%額定負載)數據，分別如圖8所示～圖12所示，測試結果匯總如表4所示。

圖7 測試信號采集平臺

圖8 工況1測試數據

圖9 工況2測試數據

圖10 工況3測試數據

2.3 測試數據分析

(1) 對比工況1，3的數據記錄，打開周期由1 s加快到0.6 s，會對下蓋產生巨大的沖擊力，沖擊力增加66%～186%，如圖13所示；

(2) 對比工況1，4的數據記錄，現有的緩沖結構，即緩沖形式1，可以減少160%～290%的下蓋沖擊力,如圖14所示；

圖11 工況4測試數據

(3) 對比工況1，5的數據記錄，新形式緩沖，即緩沖形式2，效果沒有現有結構好，50%負載情況下起到緩沖作用，但過緩沖出現爬行，需進一步優化，如圖15所示；

(4) 對比工況4，5的數據記錄，新形式緩沖，即緩沖形式2，可以減少32%～105%的下蓋沖擊力,如圖16所示；

(5) 對比工況1，2的數據記錄，在未超額定負載、額定打開速度的情況下，下蓋并未承受足以被破壞的沖擊力，如圖17所示；

圖12 工況2測試數據

表4 測試結果

圖13 工況1和3數據對比

圖14 工況1和4數據對比

圖15 工況1和5數據對比

圖16 工況4和5數據對比

圖17 工況1和2數據對比

(6) 通過工況1的數據可得，負載由100%增加到200%，對下蓋產生巨大的沖擊力，沖擊力增加約188%；

(7) 如果客戶沒有嚴格按照打開周期和相應負載應用，原先設計的緩沖被破壞，下蓋會承受過大的沖擊力，從而縮短使用壽命，甚至直接斷裂。

3 結論

(1) 根據打開周期、有無氣緩沖、氣緩沖形式、負載因素不同，定義了V63一體式夾緊器的不同工況，制定一體式夾緊器下蓋沖擊的測試方案，創新性的可調節工裝設計為模擬不同負載工況提供了便捷條件，搭建測試和信號采集平臺，獲得夾緊器在不同工況條件下沖擊力和動態性能為爬行、反彈、撞擊，確定下蓋沖擊力主要影響因素為打開周期、負載、氣緩沖效果，并對其敏感性進行量化分析；

(2) 打開周期由1 s加快到0.6 s，會對下蓋產生巨大的沖擊力，沖擊力增加66%～186%，負載由100%增加到200%，對下蓋產生巨大的沖擊力，沖擊力增加約188%，現有的緩沖結構，即緩沖形式1，可以減少160%～290%的下蓋沖擊力，新形式緩沖，即緩沖形式2，可以減少32%～105%的下蓋沖擊力，新形式緩沖，效果沒有現有結構好，50%負載情況下起到緩沖作用，但過緩沖，出現爬行，需進一步優化；

(3) 如果客戶沒有嚴格按照打開周期和相應負載應用，原先設計的緩沖被破壞，下蓋會承受過大的沖擊力，從而縮短使用壽命，甚至直接斷裂，實驗結論為V63夾緊器設計和氣緩沖設計提供了依據，為V63夾緊器標準工況應用條件，提供定量分析數據支撐。