***作者简介：李武杰(1987-)，男，浙江宁波人，学士，******气动产品质量监督检验中心工作，主要研究方向为气动产品质量检测及标准的研究。
气压传动和控制是生产自动化和机械化***高效手段之一。气缸作为将压缩空气的压力转换为机械能的气动执行元件，具有结构相对简单轻便，使用介质为空气较为环保。相较于液压、电机等其他传动方式，气缸的输出力及运动速度调节相对简单，具有耐高温、防爆、防潮，能远距离输送气体运动等特点[1]，因此其广泛应用于工程领域。当前，气缸在汽车、高铁等轨道交通设备上的应用越来越多，这些交通设备在高速运动时产生的高速振动对气缸使用会产生影响，因此研究振动对气缸使用寿命的影响，进而提升气缸在振动情况下安全使用寿命是有必要的。本文通过对气缸施加水平振动试验来研究振动对气缸使用寿命的影响，并与常规试验情况下寿命试验进行比较分析，探讨采用此类方法进行气缸加速寿命试验的可行性。
随着气缸使用范围的扩大和要求的提高，气缸的可靠性愈来愈受到企业和顾客的重视，为适应此种发展，我***一些企业、研究机构和高校都在开展各种气缸可靠性专题研究。影响气缸寿命的主要因素有温度、压力和动作频率[2]。***内很多研究机构和大学对气缸使用寿命的研究主要集中在通过改变气缸工作环境加速气缸及其零部件的使用寿命，例如在在高低温环境下、增加负载或加快动作频率等。例如北京航空航天大学对包括气缸在内的气动元件使用寿命进行了长期的试验研究，提出了一些气动元件寿命预测模型。上海交通大学对气缸带负载运行一段时间后壁面温度冷热变化提出了气缸壁面温度预测，通过减少气缸运动中产生的能量损耗提出延长气缸使用寿命的方法等[3]。但是到目前为止相关的气缸寿命试验的周期都相对较长多为1-2年。这些试验中对交通设备上使用的气缸的寿命试验研究较少，例如没有开展振动对交通设备上气缸使用寿命影响的研究。
本项试验的目的有两点：一是希望通过对气缸施加水平方向的振动，提高气缸缸筒和活塞之间的运动方向变换频率，起到加快气缸使用速率的作用，从而实现缩短气缸寿命试验时间的目的。二是气缸在汽车、高铁等交通设备上的使用越来越多，气缸在振动情况下能否正常使用会影响到这些设备的使用安全，因此对气缸在振动情况下进行长时间的寿命试验是有必要的。本项试验即是通过对气缸施加水平方向的振动来研究振动对气缸寿命的影响。
本项试验选取的气缸型号为SU50×75，试验的样品数量为七件，受振动台面积所限，七件样品分二组进行试验。选取的振动台型号为DCS-1000-15-05。用电磁阀动态性能测试装置控制电磁阀换向频率，试验设备的搭建如图1所示。
图1 试验安装图
本项试验选取的标准有ISO 19973-3:2007、GB/T 21563-2008 中Ι类B级车体安装。标准ISO 19973-3:2007作为本项试验气缸失效与否的判断依据，主要检测项目有功能检测、***小工作压力、泄漏流量、行程时间[4]。根据标准ISO 19973-3：2007，选取***小工作压力应≤130kPa，泄漏流量：在工作压力0.63MPa压力下泄漏量≤18dm3/h(ANR)a，行程时间1/2tTST根据公式1计算，试验气缸为带缓冲气缸。
1/2tTST=S/Vm∙1.4 (1)
式中 S——气缸的行程长度;
Vm——气缸的平均行程速度。
标准ISO 19973-3:2007推荐所有气缸的平均行程速度Vm为500±50%mm/s。气缸动作频率为2Hz，平均行程速度为300 mm/s，气缸的行程长度为75mm。
有公式1 本项试验行程时间1/2tTST=0.35s
标准GB/T 21563-2008作为本项试验选取的相关振动参数依据。根据GB/T 21563-2008.9[5]提高随机振动量级的模拟长寿命试验选取振动试验的相关参数：横向r.m.s/(m/s2)值为3.5;ASD量级/ [(m/s2)2/Hz]为0.366，频率为5～150 Hz。
本项试验设计为气缸活塞杆上施加4kg的径向负载。气缸通入0.63MPa气压，以2Hz的频率控制电磁阀换向从而实现试验气缸的往复运动，在这过程中施加水平方向的振动。改变气缸活塞和缸筒相对运动时间，加快密封圈的磨损速度，从而实现缩短气缸寿命试验时间的目的。在运动一定次数后对气缸进行检测。将失效气缸退出试验并对其进行拆解，研究气缸零部件的磨损情况。
本项试验累计动作60万次后，7件试验气缸中有5件样品已失效。失效项目均为泄漏流量超过标准要求结束试验，试验组气缸的试验数据见表1。
表1 试验气缸试验数据
通过拆解失效气缸，发现产生泄漏的原因均是活塞上的O形密封圈产生了磨损，造成密封圈双向密封效果失效，从而使气缸有杆端和无杆端产生了内泄漏。部分气缸密封圈磨损情况和磨损位置如图2所示。
图2 试验气缸密封圈磨损情况和磨损位置
对照组气缸寿命试验：选取同型号气缸施加4kg径向负载，两端固定通入0.63MPa压力以2Hz频率进行往复运动试验结果见表2。对照气缸检测是根据ISO 19973-3:1997检测，功能检测包括行程时间，ISO 19973-3版本更新后行程时间计算方式有所不同[6]，但从表2可以看到对照组气缸的失效主要原因是是泄漏量超过标准规定的12dm3/h。
表2 对照组试验气缸的寿命试验数据
对照组失效气缸进行拆解，造成其泄漏的原因是活塞密封圈磨损。部分气缸密封圈磨损情况及磨损位置如图3所示。
图3 对照气缸密封圈磨损情况和磨损位置
3.2 气缸失效原因的分析
试验组气缸在较短时间的动作后都失效，且失效原因均为活塞上O形密封圈的磨损而不是气缸其他部位零部件损坏导致的失效。随着气缸活塞进行往复运动，活塞与缸筒内部温度升高，加速了气缸内润滑油的蒸发速度，同时密封圈受热膨胀，这些因素都导致了密封圈的磨损，导致气缸内泄漏量的增加[7]。基于试验提高密封圈耐磨性的办法有：密封圈材质有丁晴橡胶改为更耐高温的氟橡胶[8];增加密封圈的唇口的开口使密封圈能包含更多的润滑脂;气缸润滑脂选用粘度更大的润滑脂。通过实验可以看到略微的气缸泄漏并不影响活塞的运动，其功能检测、***小工作压力和行程时间和无损坏气缸的数据基本相同，因此对于精度要求不高的情况下可以通过改变气缸结构例如缸筒内开槽，留出空间用于散热，延长气缸使用寿命。
通过本项试验得到的结论主要有以下两点：
(1)试验组气缸的使用寿命为6×105次，对照组气缸使用寿命为4.85×106次，两者的使用寿命时间相差较大。施加水平振动会极大地缩短气缸寿命，可见振动对在交通设备上使用的气缸寿命有着较大的影响。由于交通设备在运行过程中产生的振动对气缸的影响较为复杂，为保障气缸在汽车、轨道交通等应用领域使用的安全性，研究不同振动试验条件对轨道交通设备上的气缸寿命影响是非常有必要的。
(2)对比实验组和对照组的气缸使用寿命时间和失效模式，认为通过施加水平振动从而加速气缸寿命这个方法具有一定的可行性。通过改变振动试验条件(如振动频率、振幅、振动方向等)进一步研究振动对气缸寿命的影响。
实
参考文献
[1] 陈一鸣.气缸可靠性试验及数据处理方法的研究[D].武汉:武汉理工大学，2009.
[2] 陈娟，王占林，王少萍.气缸恒定应力加速寿命试验谱的研究[J].液压与气动，2006，(7)：11-13.
[3] 朱迪.气缸壁面温度预测研究[D].上海:上海交通大学，2015.
[4] ISO 19973-3:2007气压传动,通过试验评定元件可靠性.第3部分：单活塞杆气缸[S].
[5] GB/T 21563-2008，轨道交通,机车车辆设备冲击和振动试验[S].
[6] ISO 19973-3:1997，气压传动通过试验评定元件可靠性第3部分：单活塞杆气缸[S].
[7] 贾继涛，祁晓野，陈娟，马俊功.气缸加速寿命试验方法的研究[J].液压与气动，2006，(12)：33-35.
[8] 张冰.气缸密封件的改进[J].机械工程师，2007,(6)：151-151.