新型旋转伸缩一体式液压缸的设计.pdf

第 7期 2 0 1 3年 7月 组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术 M o du l a r M a c h i ne To o l Aut o m a t i c M a n uf a c t u r i ng Te c hni q ue NO． 7 J u 1 ．2 0 1 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 0 7 0 1 0 2 0 3 新型旋转伸缩一体式液压缸的设计 黄灿 军， 叶金玲 广东水利电力职业技术学院 机械工程系， 广州 5 1 0 6 3 5 摘 要 针 对工 程 实际 中经常遇到 的伸 缩 和 旋转 复合 运 动 ， 提 出 了全 新 的 内部 导 向式液 压 系统和 旋 转 伸 缩一 体式 液压缸 的设 计方 法 ， 均 能 大幅 节省 空间 ， 且旋 转伸 缩 一 体 式液 压缸 可 以实现 较 复 杂 的伸 缩与旋 转复合 运动 ， 即 两个物体 一起 做 旋 转运 动 的 同 时其 中一 个 物体 相 对 另一 个物 体做 伸 缩 运 动 ， 该 设计 方 法使 机构 结构 简单 ， 性 能优 良， 有 较好 的推 广价值 。 关键 词 伸缩 与旋 转复合 运动 ； 一体 式液 压缸 ； 内部 导向 中图分 类号 T H1 6 ； T G 6 5 文献标 识码 A De s i g n o f a Ne w Re c i pr o c a t i ng a nd Ro t a t i ng M o v e me n t I n t e g r a t e d Hy dr a ul i c Cy l i nd e r H U A N G C a n j u n ． Y E J i n ． 1 i n g D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Gu a n g d o n g T e c h n i c a l Co l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d El e c t r i c E n g i n e e r i n g ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5 ，C h i n a Abs t r a c tS e v e r a l h y d r a u l i c s ys t e ms a r e a v a i l a b l e t o me e t p r a c t i c a l p r o bl e ms o f r e c i p r o c a t i n g a n d r o t a t i n g mo v e me n t t h a t f r e qu e n t r e c u r r e n c e i n e n g i n e e r i ng fie l d s ． A n e w wa y of h yd r a ul i c s y s t e m wi t h i n t e r i o r g u i d i n g d e v i c e a nd a n e w i n t e g r i t y hy d r a u l i c c y l i n d e r t h a t i mpl e me n t a t i o n o f r e c i p r o c a t i ng a n d r o t a t i n g mo v e me n t h a v e i n t r o du c e d r e s pe c t i v e l y i n t h i s pa p e r ．Bot h o f t h e m c a n g r e a t l y s a v e s p a c e ．The r e c i p r o c a rin g a n d r o t a t i n g mo v e me n t i n t e g r i t y h y d r a u l i c c yl i n d e r c a n a l s o e x e c u t e c o mpl e x r e c i p r o c a t i n g a n d r o t a t i n g mo v e me n t ，t h a t i s t o s a y ，t wo o b j e c t s t o g e t h e r t o r o t a t e a t t h e s a me t i me o n e o b j e c t r e l a t i v e t o a n o t h e r o b j e c t t o d o r e c i p r o c a t i n g mo v e me n t ．T h i s d e s i g n a p p r o a c h a l l o ws o r g a n i z a t i o n s a s i mp l e s t r u c t u r e ， e x c e l l e n t p e r f o r ma n c e，b e t t e r p r o mo t i on a l r a l ue ． Ke y wo r d sr e c i p r o c a t i n g a n d r o t a t i n g mo v e me n t ；i n t e g r i t y h y d r a u l i c c y l i n d e r ；i n t e r i or g u i d i ng d e v i c e 0 引言 液压缸在实 现往复直线运动 时 ， 可 免去减速装置 ， 并且没有 传动间隙 ， 运动平稳 ， 因此在 各种机械 中得 到广泛应 用 ， 其结构也不断得 到创新设计 。在有些 机械设备 中 ， 由液压 缸带 动 的外部 构件 不仅 需要 做直 线运动 ， 同时还需要有旋转运 动 ， 但液压缸本身 不能实 现旋转 动作 ， 因此要通过增设其 它液压 系统 ， 或 者采用 阀组和其它附属机构来实现液压缸的旋转动作 ， 存在 整体液压系统的结构复杂 ， 成本较高 的缺点。专利文 献[ 7 8 ] 中介绍的一种伸缩旋转式液压缸 ， 通过在缸 体 上设 置限位销 ， 在 活塞 杆上设置螺旋 导向槽 ， 当活塞 杆做 直线运动时 卡在螺旋导 向槽 内的限位销将驱使 活 塞杆发生转动 ， 实现活塞杆在做直线运动的同时完成 旋转动作， 即伸缩与旋转复合运动。 1 内部导 向的伸 缩与旋 转复合运 动 为 了实现 直 线 与 旋 转 运 动 之 间 关 系 的 可调 ， 或 者直线与旋转运动的单独控制 ， 显然要采用液压缸 控制直线运动 ， 液压马达控制旋转运动的设计。如 图 1所示是 一种 外加 导 向装 置 的 伸缩 与旋 转 复合 运 动液 压 系统 ， 液压缸 1活塞杆 2与液压 马达 4底 座 固 定连 接 ， 带 动 液压 马达 4沿 导轨 6做直 线 运 动 ， 液压 马达 4带 动 主轴 5做旋 转 运动 。外 部 导 向装 置 主要 起 到导 向和承 载扭矩 的作用 。 1 ． 液 压缸 2 ． 活 塞 杆 3 ． 导 轨 支 撑架 4 ． 液压 马达 5 ． 主轴 6 ． 导 轨 图 1 外加导向装置的伸 缩与旋转复合运动 系统示意图 外 部导 向装 置存在 结 构 复杂 、 空 间 扩 大 、 重量 增 加、 维修麻烦等缺点。 相对外部导 向装 置 ， 采 用 如图 2所示 的 内部 导 向 设计 ， 能简化 导向装 置的结构 ， 极大地节省 空间 。在 液 压活塞杆 2上固定连接一根芯轴 3 ， 芯轴3与液压马达 4 ， 主轴 5之 间通过滚珠 花键 的形式 联接 其径 向截 面 收稿 日期 2 0 1 2 0 31 3； 修 回日期 2 0 1 30 4 2 3 作者简介 黄灿军 1 9 7 5 一， 男 ， 湖北黄梅人 ， 广东水利电力职业技术学院机械工程系讲师 ， 硕士研究生 ， 研究方向为机械设计 及理论 ， E ma i l h u a n g s a n s a n 33 1 6 3 ． C O lff l 。 2 0 1 3年 7月 黄 灿军 ， 等 新 型旋 转伸 缩 一体 式 液压缸 的设 计 1 0 3 放大图如图 2 b所示 ， 实现导向和传递扭转 的作用。 液压 缸 1带动 芯轴 3做 直线 运动 ， 液 压马 达 4带 动芯 轴 3做旋转运动 ， 液压马达 4自身不运动。 6 a 】 系统结构图 b 径向截面放大图 1 ． 液 压 缸 2 ． 活 塞 杆 3 ． 芯 轴 4 ． 液 压 马 达 5 ． 主轴 6 ． 滚 珠 图 2 内部导 向的伸缩与旋转复合运动液压 系统结构示 意图 由于 活塞杆 2与芯 轴 3之 间是 采 用 螺 栓 固定 连 接 ， 活 塞杆 2将 跟 随芯 轴 3一起 转 动 ， 对 液 压 缸 1的 密封性 能 造成 一 定 的 影 响 ， 为 了使 活 塞 杆 2的伸 缩 运 动 与芯 轴 3的 旋 转 运 动 分 开 ， 在 二 者 之 间采 用 特 殊 的联轴 器 ， 其 结 构如 图 3所 示 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 ． 活 塞 杆 2 ． 联 轴 器 座 3． 止 推 轴 承 4 ． 轴 承 安 装 轴 5． 止 推轴 承 6 ． 轴套 7 ． 联轴器端盖 8 ． 锁紧螺母 9 ． 芯轴 图 3伸缩与旋转运 动分 离联 轴器结构示意 图 活 塞杆 1 上 装有 轴 承安 装 轴 4 ， 通 过 锁 紧 螺 母 8 以及轴 套 6轴 向定 位 ， 其 上 装 有 两 个 止 推 轴 承 3和 5， 使活塞杆 1 前进和后退时均能传递轴 向力。活塞 杆 1 、 轴承安装轴 4 、 轴套 6 、 锁紧螺母 8及装在轴承 安装 轴 4上 的止 推轴 承 3的右 半 圈 和止 推 轴承 5的 左 半 圈只做 直 线 运 动 ， 不 做 旋 转 运 动 。联 轴 器 座 2 、 联 轴器 端 盖 7及 装 在联 轴器 座 2上 的止 推 轴 承 3的 左 半 圈和 止推 轴 承 5的右 半 圈既 在 活塞 杆 1的作 用 下做直线运动 ， 同时在芯轴 9的作用下做旋转运动 ， 从而将直线运 动与旋 转运动分离 ， 活塞杆在液压缸 内只做 直线 运动 。 2 旋转伸缩一体式液压缸 的设计 上 述 的设计 仅 是针 对 单 一输 出轴 的 伸 缩 与旋 转 运 动 ， 在 实 际 应 用 中还 有 一 种 更 为 复 杂 的伸 缩 与 旋 转 复合 运动 ， 即 两 个 物 体 一 起 做 旋 转 运 动 的 同时 其 中一个物体相对另一个物体做伸缩运 动。为此采用 了如 图 4 a所示 的旋转伸缩复合运动一体式液压缸 的设计 ， 液压缸的缸体 1 0还作为液压马达 9的主轴 ， 其 实现 的功 能 是 液 压 马 达 带 动 液 压 缸 做 旋 转 运 动 ， 液压缸 自身还能做伸缩运 动。导 向杆 1 2与液压缸 端盖 6固定连接 ， 液压缸端盖 6再与缸体 1 0固定连 接， 使导向杆 1 2与缸体 1 0一起运动。导 向杆 1 2导 向部分呈 外方形 ， 其截面如 图 4 b所示 ， 其 中间为贯 穿 的 内孔 ， 作为有 杆腔 的油 流通 道 。 活塞 杆 1 1与 活 塞 做成 整体 式 ， 中部 为 空 心 圆盲 孔 ， 导 向杆 配 合 套 8 与 活塞 杆 1 1固定 连 接 ， 中 间是 内方 孔 ， 与 导 向杆 1 0 配合导向。工作时缸体 1 0和活塞杆 1 1各带动一个 物体同时做旋转运动， 另外缸体 1 0带动的物体还可 以相对 活塞 杆 1 1带动 的物体 做 伸缩运 动 。 a 复合运动一体式 截面图 1 ． 旋 转 接 头 2 旋 转 接 头 内 管 3 ， 旋 转 接 头 连 接 座 4 ． 油 封 5 ． 轴 承 6 ． 液 压缸端盖 7 ． 密封圈压板 8 ． 导 向杆配合套 9 ． 液压马达 1 0 ． 缸体 1 1 ． 活塞杆 1 2 ． 导向杆 图 4旋转伸缩一体式液压缸结构示意 图 1 液压 油通 道设计 该旋 转伸 缩一 体式 液 压 缸设 计 的最 大难 点 在 于 进油 和 回油 口的设 置 。由 于实 现伸 缩 运 动 的液 压 缸 还 要做旋 转 运 动 ， 显 然 进 油 和 回油 口无 法 安 排 在 缸 体 1 0的圆柱面上 ， 只能安排在端面的中心 ， 如 图 4 a 所 示 ， 在缸体 1 0的一 个 端 面上 通过 过 渡 连 接座 3与 高压两通道旋转接头 1的旋转端相连。旋转接头 1 的静止端接有 A 、 两个接 口， A接 口与旋转接头 内 管 2相 连 ， 在旋转 接 头 内管 2的末 端 装 有 轴 承 5 ， 同 时装有油封 4 ， 起到密封作用 。这样从 A口经过旋转 接 头 内管 2的 内孔 ， 导 向杆 1 2的 内孔 ， 以及 导 向杆 1 2外 表 面与 活塞杆 1 1内孔 壁 之 间的 间隙 ， 最 后 通过 活塞 杆 1 1上靠 近活塞 端 的小 孔 D与 有杆 腔 相连 ， 形 成完 整 的通 道 。曰接 口经 过 旋转 接 头 1的旋转 端 的 内孔 ， 连接 座 3的 内孔 ， 连 接座 3与导 向杆 1 2端 面 问 的间 隙 ， 以及导 向杆 1 2和 液压 缸 端 盖 6端 面上 的小 孔 C与无 杆腔 连 接 ， 形成 完整 的通 道 。 2 导 向杆设 计 导 向 杆 的 作 用 是 传 递 扭 矩 ， 使 活塞 杆 与 缸 体 一 起 转动 ， 理论 上 凡 可 阻止 活塞 杆转 动 的 ， 皆 可选 做 导 向杆 与活塞 杆 的配 合截 面。常 用 的 配 合 截 面 形 状 除 上 述 的 正 方 形 外 ， 还 有 扁 方 形 、 销 、 半 圆 键 、 导 向 平 键 、 滑 键 、 花 键 等 。在 此 旋 转 伸缩一体式液压缸设计 中， 综合考 虑 活塞杆 所承 受外 1 ． 导向杆 2 ． 密封圈压板 3 ． O型圈 4 ． 导 向杆配合套 图 5导 向杆 密封 局部 结 构 示 意 图 转矩 的大 小 ， 活 塞杆 许 用 外径 及 内孔 的大 小 ， 活 塞杆 允许转动的精度要求 ， 加工条件、 安装、 检修要求 ， 特 别是密封要求 等， 选 用正方 形带 圆角 的截 面形状。 如图5所示 ， 在导 向杆配合套 4上开有与导向杆 1 截 面形 状相 似 ， 但 尺寸 偏大 的方 形孑 L ， 放 入 O型 密 封 圈 后用密封圈压板 2压紧。该孔的具体尺寸及 O型圈 型号根据导 向杆 1截面形状 的周长换算成等直径 的 圆形截 面后 确定 。 ～ 1 0 4 组合机床 与 自动化 加工 技术 第 7期 3 结论 [ 4 ] 新 型旋转 伸 缩 一 体 式 液 压 缸 的研 发 ， 将 传 统 分 别 执行旋 转 和 直 线 运 动 功 能 的 液 压 缸 结 合 在 一起 ， 同一液压 缸 上 可 实 现 复 杂 的 旋 转 与 伸 缩 复 合 运 动 。 该 一体 式 液 压 缸 的 应 用 给 机 构 设 计 带 来 了结 构 简 化 、 重量 减轻 、 性 能 更加 优 良、 安装 便 利 等优 点 ， 能 够 满足市场对液压传动 越来越复杂、 产 品性能越来越 高 的要求 。 f 参考文献1 [ 1 ]朱梅 ， 朱光力．液压与气 动技术 [ M] ．西安 西安 电子科 技大学出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ]孙伟 ， 范成岩 ， 张丽萍．四级同步伸缩液压缸的研究 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 5 8 8 7 8 8 ． [ 3 ]施战军 ， 刘建魁 ， 周魁 荣 ， 等．一种转 向锁死 液压 缸 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 0 1 2 1 3一l 4 ． 田灵飞 ， 陈龙淼．一种新 型节能液压缸 的设计 [ J ] ．机床 与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 6 6 1 6 2 ． [ 5 ]邢 继峰 ， 曾 晓华 ， 彭利 坤．一种 新 型数 字液压 缸 的研 究 [ J ] ．机床 与液压 ， 2 0 0 5 8 1 4 51 4 6 ． [ 6 】张磊 ， 孙 荣权 ， 郭 易．复合式 液压 缸的研 究 与设计 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 6 6 6 1 6 2 ． [ 7 ]宋 国裕 ， 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