液压传动爬行现象的机理分析与控制

　　1 问题的提出

　　液压传动的工作油缸工作速度极低时,被动件出现明显的速度不均匀现象,这种不正常的脉动状态通常被称之为爬行现象。在生产实际中,如在磨床液压系统中出现爬行,将会导致产品加工精度下降,粗糙度提高,并缩短刀具的寿命,在其它生产加工中,也会出现类似的现象。可见,消除爬行现象对提高系统运行质量非常重要。目前,对液压传动爬行现象的危害及原因分析的论述很多,本文仅试图从理论上探讨一下液压传动爬行现象的原因并对它进行机理分析与控制。

　　2 产生爬行现象的原因

　　造成爬行的原因比较复杂,但其最根本原因是与运动件摩擦面的摩擦力特征和所用油液的压缩性有关。如采用单活塞杆液压缸时,随着左腔压力升高,油液及混入的空气被压缩,直到其对活塞产生的压力大于由活塞、活塞杆与缸体间存在的静摩擦力时,活塞会突然起动。在活塞运动后,左腔被压缩的油液和空气立即膨胀,其蓄积的能量被释放,加速活塞的运动。活塞运动时,由于排油阻力的存在,右腔油液及混入的空气不能迅速被排出而受到压缩,产生背压,这样,在左腔压力减少和右腔压力升高的作用下,活塞被减速制动,直到左腔压力又重新升高到可以克服静摩擦力时,活塞又突然起动。这样周而复始,就产生了突跳与停止交替的爬行现象。据此,液压传动爬行产生的原因,可归纳为以下几点:①液压系统中静、动摩擦力的变化;②传动件本身的弹性变形和液压油的压缩变形以及空气的混入等;③运动件的惯性力;④运动速度的变化。

　　3 爬行机理分析

　　(1)运动分析

　　建立的系统运动力学模型如图1所示。

　　令主动件1以v0(t)向右运动;传动件2的刚度k主要由液压弹簧及其他传动环节的刚度决定;从动件3是刚体(包括液压缸的活塞、活塞杆及负载等移动部件),其质量为m;B为系统变化的阻尼(包括粘性阻尼和摩擦阻尼);4为支撑刚体的表面。

　　图2为速度及负载曲线。其中:①o-a段:当主动件1向右以v0作匀速运动时,弹簧2被压缩蓄积能量,对从动件3产生的驱动力Fs上升。由于活塞、活塞杆与缸体间、负载与滑动面间存在着静摩擦力Fj(为便于分析,忽略粘性阻尼),因此,从动件3静止而呈现干摩擦或近于干摩擦状态;②a-b段:随着主动件1的继续运动,驱动力Fs继续上升,直到Fs大于静摩擦力时从动件3开始滑动,此时静摩擦力转变为动摩擦力Fd,摩擦力迅速下降,从动件3运动加速。当滑动开始以后,两滑动面间的润滑油不断增加,摩擦力性质由于摩擦转化为半干摩擦。

　　由于摩擦力的下降特性,动摩擦力会随着滑动速度的上升而下降,而摩擦力的下降又进一步使从动件3运动加速。由于该阶段从动件3的速度小于v0,弹簧2仍处于压缩状态,直到b点,从动件3的运动速度增加到v0,弹簧2才停止压缩;③b-c段:该阶段从动件3的运动速度大于v0,弹簧开始恢复原状并释放能量,但弹簧仍处于压缩状态,只是压缩量开始下降,导致驱动力Fs下降。从动件3的加速度减小,其速度上升趋势开始减缓。当速度上升到C点达到最大时,动摩擦力Fd达到最小,驱动力与摩擦阻力相等,加速度为0,从动件3理应达到平衡作等速运动,但由于惯性的作用,从动件3会前冲一小段,使驱动力进一步下降;④c-d段:此阶段,从动件3速度仍大于v0,弹簧继续释放能量,其压缩量继续减小,驱动力继续下降,直到从动件3减速直至v0,驱动力达到最小。由于摩擦力性质转变成液体的内摩擦,动摩擦力Fd将随速度的增加而增加,导致该阶段的驱动力小于摩擦阻力,从动件3减速;⑤d-e段:随着速度的减小,又处于摩擦力下降特性区域,动摩擦力Fd开始随速度的减小而增大,驱动力Fs仍小于摩擦力,从动件3的速度继续下降直到为0,处于停止状态。此时,动摩擦力又转为静摩擦力,如同a-b段,同样的循环再度重复。如果v0足够大,从动件3的速度尚未降到0时,弹簧就已开始压缩,驱动力又开始上升,从动件3就不会停下来,而是过一段时间就接近匀速运动,也就不会出现爬行现象。