旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

楊 紅，畢 雷，陳文斌，張敏樹(shù)

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

液壓傳動(dòng)的執(zhí)行元件主要有液壓馬達(dá)和液壓缸兩大類(lèi)型，在液壓作用下分別實(shí)現(xiàn)正反旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，但在很多應(yīng)用中需要上述兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合形式，即旋轉(zhuǎn)推進(jìn)［1－2］.目前的旋轉(zhuǎn)油缸或擺動(dòng)油缸，都只能實(shí)現(xiàn)液壓作用下的一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的活塞軸或缸體的轉(zhuǎn)動(dòng)，多用于旋轉(zhuǎn)定位功能，而不能實(shí)現(xiàn)具有一定負(fù)載能力的旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合運(yùn)動(dòng).而在實(shí)際使用中，具有負(fù)載能力的旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，都需要相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組合使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐雜［3－6］.

針對(duì)上述應(yīng)用問(wèn)題，將液壓馬達(dá)和液壓缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸，可在單一缸體內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有負(fù)載能力的往復(fù)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng).

1 旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.液壓缸由缸體、端蓋、工作軸、定子、轉(zhuǎn)子、配油盤(pán)等組成，定子外緣與缸體內(nèi)表面緊密配合，以取代油缸活塞，轉(zhuǎn)子與工作軸相連接，定子、轉(zhuǎn)子的兩端對(duì)稱(chēng)設(shè)置有配油盤(pán)［7－8］.液壓油進(jìn)入缸體，一部分流量作用在配油盤(pán)端面所形成的活塞面上，使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；另一部分流量通過(guò)配油盤(pán)上的開(kāi)孔進(jìn)入定子、轉(zhuǎn)子所圍成的封閉空間，推動(dòng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)活塞桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).具體的方案是缸體18內(nèi)部設(shè)置有定子6、轉(zhuǎn)子5、配油盤(pán)（4、7）、輔助軸連接塊9和定位銷(xiāo)10，其特征在于所述的定子6外緣與缸體18的內(nèi)表面緊密配合，所述的定子6、配油盤(pán)（4、7）、輔助軸連接塊9和輔助軸13通過(guò)定位銷(xiāo)10連接成一個(gè)整體形成定子模塊，缸體18內(nèi)壁上設(shè)置有限轉(zhuǎn)滑道17與定子模塊相配合，以限制定子模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的轉(zhuǎn)子5與工作軸1固定連接為一個(gè)整體，其連接處的兩端同時(shí)通過(guò)一對(duì)平面推力軸承（3、8）以及鎖緊螺母15與定子模塊連接成一體.

按上述方案，工作軸1和輔助軸13分別外伸到缸體18的兩端并與缸體兩側(cè)端蓋相配合，輔助軸上還連接有輔助軸限轉(zhuǎn)塊12以限制定子模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)，克服工作軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反作用力矩.

圖1 旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structural schematic of Rolling ＆ Propulsive hydraulic cylinder

2 旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 工作原理

旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的原理如圖2所示：液壓油由平衡軸端進(jìn)入到缸體中，進(jìn)入缸體的液壓油和套筒接觸，而在套筒的通油孔裝有單向閥，當(dāng)液壓力大于彈簧的彈力時(shí)，此時(shí)單向閥是導(dǎo)通的狀態(tài)，液壓油會(huì)進(jìn)入配油盤(pán)，再通過(guò)配油盤(pán)進(jìn)入定子與轉(zhuǎn)子組成的空腔內(nèi)，使轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).轉(zhuǎn)子通過(guò)花鍵帶動(dòng)執(zhí)行軸相對(duì)于定子做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).而定子、配油盤(pán)、套筒、平衡軸通過(guò)定位銷(xiāo)、螺紋等的連接，它們?cè)谝簤毫Φ淖饔孟伦鼋^對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以執(zhí)行軸可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和往復(fù)的復(fù)合運(yùn)動(dòng).

圖2 旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的工作原理Fig.2 Schematic work of Rolling ＆ Propulsive hydraulic cylinder

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）本旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，將傳統(tǒng)液壓馬達(dá)和液壓缸兩種執(zhí)行元件的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，以液壓馬達(dá)的主要運(yùn)動(dòng)部件取代液壓缸體內(nèi)的活塞部分，在同一液壓源的作用下，可實(shí)現(xiàn)活塞桿的往復(fù)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng).

本新型液壓缸的壓力油通過(guò)兩側(cè)端蓋上開(kāi)設(shè)的進(jìn)、出油口，一部分流量作用在配油盤(pán)端面所形成的活塞面上，使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；另一部分流量通過(guò)配油盤(pán)上的開(kāi)孔進(jìn)入定子、轉(zhuǎn)子、葉片所圍成的封閉空間，推動(dòng)葉片，并由轉(zhuǎn)子帶動(dòng)工作軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).如此，在同一液壓源的作用下，可實(shí)現(xiàn)工作軸的往復(fù)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng).

（2）由于復(fù)合運(yùn)動(dòng)基于同一液壓源，缸內(nèi)的液壓油可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)柔性的流量分配，使油缸輸出的旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)具有彈性進(jìn)給和能量互補(bǔ)的優(yōu)良的自適應(yīng)特性.當(dāng)進(jìn)給阻力增大，液壓隨之增大，從而提高液壓馬達(dá)的扭矩；當(dāng)阻力減小，扭矩下降，達(dá)到節(jié)能目的.

流量分配特性：如圖1所示，旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸包括有缸體18、工作軸1和輔助軸13，缸體18的兩側(cè)分別設(shè)置有后端蓋14和工作軸端蓋19，所述的工作軸1和輔助軸13分別外伸到缸體18的兩端并與缸體兩側(cè)端蓋相配合，所述缸體內(nèi)部設(shè)置有定子6、轉(zhuǎn)子5、以及一對(duì)配油盤(pán)（4、7），一對(duì)配油盤(pán)（4、7）對(duì)稱(chēng)設(shè)置于定子6和轉(zhuǎn)子5的兩端，將定子6外緣與缸體18的內(nèi)表面緊密配合，以取代活塞，所述的定子6、配油盤(pán)（4、7）、輔助軸連接塊9和輔助軸13通過(guò)定位銷(xiāo)10連接成一個(gè)整體形成定子模塊，缸體18內(nèi)壁上設(shè)置有限轉(zhuǎn)滑道17與定子模塊相配合，以限制定子模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)子5的花鍵槽連接工作軸1，其連接處的兩端設(shè)置有平面推力軸承（3、8）和鎖緊螺母15與定子模塊連接；缸體兩側(cè)設(shè)有進(jìn)、出油口2和11.壓力油通過(guò)一端油口進(jìn)入工作腔后，總流量Q一分為二，流量Q1作用在進(jìn)油側(cè)配油盤(pán)的端面形成的活塞面上，使活塞作推進(jìn)運(yùn)動(dòng)；流量Q2由配油盤(pán)上的開(kāi)孔進(jìn)入定子6、轉(zhuǎn)子5所圍成的封閉空間，推動(dòng)轉(zhuǎn)子5帶動(dòng)工作軸1作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；通過(guò)兩端油口的切換操作，可控制活塞的往復(fù)方向.在單一缸體用兩條油路就實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與往復(fù)彈性進(jìn)給，自動(dòng)切換的復(fù)合運(yùn)動(dòng).

輔助軸上還可以連接有輔助軸限轉(zhuǎn)塊12以限制定子模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)，與缸體18內(nèi)壁上的限轉(zhuǎn)滑道17一樣，用于克服工作軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反作用力矩，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可根據(jù)需要選擇其一或兩者并用.

（3）復(fù)合運(yùn)動(dòng)可基于同一液壓源，也可進(jìn)一步通過(guò)分離油路實(shí)現(xiàn)往復(fù)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的分別控制.

由于工作軸的旋轉(zhuǎn)與往復(fù)運(yùn)動(dòng)基于同一液壓源，當(dāng)工作軸的旋轉(zhuǎn)扭矩負(fù)荷過(guò)大時(shí)，液壓力會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)推力相對(duì)于扭矩過(guò)大時(shí)，工作軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)就占主導(dǎo).因此，旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸可以自行調(diào)節(jié)，在單一缸體內(nèi)僅用兩條油路來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的彈性進(jìn)給和能量互補(bǔ).通過(guò)巧妙的連接液壓馬達(dá)和液壓缸的執(zhí)行元件，使它們之間形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制執(zhí)行軸的運(yùn)動(dòng).

3 結(jié) 語(yǔ)

該液壓缸把兩種傳統(tǒng)的液壓執(zhí)行元件的功能全部集成一體，由缸體、端蓋、工作軸、定子、轉(zhuǎn)子、配油盤(pán)等組成，定子外緣與缸體內(nèi)表面緊密配合，以取代油缸活塞，轉(zhuǎn)子與工作軸相連接，定子、轉(zhuǎn)子的兩端對(duì)稱(chēng)設(shè)置有配油盤(pán).液壓油進(jìn)入缸體，一部分流量作用在配油盤(pán)端面所形成的活塞面上，使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；另一部分流量通過(guò)配油盤(pán)上的開(kāi)孔進(jìn)入定子、轉(zhuǎn)子所圍成的封閉空間，推動(dòng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)活塞桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).在單一缸體內(nèi)用兩條油路就能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與往復(fù)運(yùn)動(dòng)的彈性進(jìn)給和自動(dòng)切換.該項(xiàng)技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可廣泛應(yīng)用到機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制、掘進(jìn)工程、攪拌工程、油田鉆探開(kāi)采等工程領(lǐng)域.該項(xiàng)技術(shù)已獲得實(shí)用新型專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)為：ZL201120373786.3.

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