液压缸低速爬行动力学研究

　　液压控制系统中,液压缸以低速运行时,经常会出现时停时动(爬行)或者伴随不同程度的波动,导致液压缸活塞运动不平稳,严重影响控制精度,而且横、垂向液压缸的爬行情况也有很大差别。目前对液压传动爬行现象的危害及原因分析很多,但是大部分停留在论述,没有完全统一的结论[1],而且只对横向液压缸进行分析。为提高液压缸低速特性,掌握各要素对横、垂向液压缸的不同影响程度,分别建立了横、垂向液压缸的动力学模型,并通过仿真研究了各要素对横、垂向液压缸低速特性的影响规律,提出爬行临界速度和有效的改善措施。

　　1　动力学分析

　　1.1　低速爬行机理

　　爬行现象实际上就是某种不衰减的振动,当液压缸活塞运动发生爬行时,应该先定性地分析振动产生原因。导致液压缸低速爬行的因素很多,如气穴现象、活塞杆的倾斜、温度变化,以及液压油阻尼、弹性刚度、摩擦因数等。

　　为了便于研究,把气穴、温度的影响,可以简化为对摩擦因数、阻尼、弹性刚度的影响,因此,把横向液压缸活塞和液压油,简化为一个带倾斜角度的活塞和不可压缩液压油、弹簧、阻尼的振动系统,如图1所示。

　　液压缸的低速爬行跟摩擦因数的降落特性也有关[2],所以该动力学模型中,考虑了可变摩擦因数的影响。

　　当活塞的运动速度低于边界速度xc时,动摩擦因数μs会以cf/mg的斜率,随速度的增大而减小,而速度超过边界速度时,摩擦因数又会开始增大,因此,产生液压缸活塞运动的波动,摩擦因数降落特性如图2所示.

　　当液压油以v0的速度匀速运动,而且活塞速度小于摩擦边界速度时,根据液压缸活塞的动力学原理可知,横向液压缸活塞速度及摩擦力、阻尼力、弹簧力的变化[5],如图3所示(该图中未标出恒定重力)。其中,液压油的运动方向为正。跟横向液压缸活塞相比,垂向液压缸活塞在运动方向上受到恒定的重力作用,但是摩擦力、阻尼力、弹簧力的变化跟横向液压缸相同。

　　(1)a-b段:活塞受静摩擦力的作用,会处于静止状态,而液压油继续向左匀速运动,因此弹簧会一直蓄积能量,阻尼力恒定,而静摩擦力逐渐上升。

　　(2)b-c段:当静摩擦力达到最大值时,由静摩擦转换成动摩擦,因此活塞开始加速滑动。由于活塞速度仍小于v0,所以弹簧会继续被压缩。阻尼力会随着活塞速度的增大而减小,最后变为零。由于摩擦降落特性,摩擦力会下降。

　　(3)c-d段:弹簧仍处于压缩状态,但是活塞速度大于v0,所以弹簧压缩力开始下降。随着活塞速度的增大,阻尼力从零开始反方向增大,最后达到最大值,而摩擦力继续下降到最小值。