（机械制造及其自动化专业论文）螺旋摆动液压缸动态特性的研究.pdf

中南大学博士学位论文摘要 摘要 螺旋摆动液压缸相对于传统的叶片式、齿轮齿条式、链条链轮式 摆动液压缸，由于其采用了特有的双螺旋副结构，具有摆动角度大、 承载性能高、结构紧凑、传动效率高等优点，广泛应用在工程机械、 建筑机械、农林机械等设备上。由于国外对此技术的垄断，国内在这 方面的研究起步较晚，设计制造重载、高压、高可靠性、高定位精度、 长寿命的螺旋摆动液压缸技术，国内尚未完全掌握。因此，从结构特 性、虚拟样机技术及流体润滑方面研究，获得较优的结构参数，具有 重要的理论和工程应用价值。论文主要进行了以下研究工作： 应用两级梯形螺旋副结构设计了摆动液压缸，进行了螺旋副的承 载性能分析。确定了两级螺旋副的相关结构参数：螺旋升角、螺距、 、 导程、牙型角、公称直径、工作长度等。进行了螺旋摆动液压缸整体 结构的三维虚拟装配、各零件间的干涉检验。 建立了两级螺旋机构的动力学数学模型，得到了两级螺旋机构的 运动微分方程。分析了两级螺旋机构的运动学特性。进行了两级螺旋 机构的动力学计算，揭示了螺旋牙型角对最低启动压力、输出螺杆角 速度、空心螺杆径向位移和轴承支座反力的影响规律。结果表明螺旋 牙型角增大输出扭矩提高。并对输出螺杆进行了有限元分析，校核了 输出螺杆的抗剪切强度及刚度满足要求。 推导出了缸体与空心螺杆间螺旋流动特征油膜的润滑状态方程。 揭示了不同径向间隙的同心油膜和在一定偏心率条件下的不同径向 间隙偏心油膜螺旋流的压力、速度、温度分布规律。研究了不同径向 间隙、不同转速、在一定偏心率条件下的不同径向间隙、同径向间隙 不同偏心距情况下的油膜承载性能及油腔的内泄漏，获得了性能较佳 的同心油膜和偏心油膜厚度。引用膜厚比对流体润滑状态进行了判 定，获得了完全流体润滑状态的加工表面粗糙度参数。 揭示了空心螺杆与固定螺母间不同周向间隙和不同螺距油膜的 压力、速度、温度分布规律。研究了周向间隙、液压油粘度、螺距、 旋合长度对油膜的承载性能及油腔内泄漏的影响。以承载性能及传动 中南大学博士学位论文摘要 效率为目标，获得了较好的螺旋副周向间隙值、螺距值、旋合长度值 和液压油粘度值。揭示了两级螺旋副的结构参数和工艺参数对螺旋摆 动液压缸传动效率的影响规律。建立了螺旋摆动液压缸传动的总效率 模型。获得了螺旋摆动液压缸机械效率最大时的螺旋升角，空心螺杆 与缸体间隙零泄漏时的最小空心螺杆轴向速度。 对实验室现有的实验装置进行改造后，进行了螺旋摆动液压缸的 最低启动压力测试，进行了不同输入液压力条件下的输出扭矩性能测 试，不同输入液压力条件下的输出摆角速度测试，不同输入液压力条 件下的传动效率实验研究。实验结果与理论分析及动力学仿真结果较 吻合。 关键词：摆动液压缸，动力学分析，流体动力润滑，c f d ，虚拟样机 i i 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t i nc o m p a r i s o nw i t ht r a d i t i o n a lv a n et y p e ，r a c ka n dg e a rt y p e ，c h a i na n d c h a i nw h e e lt y p er o t a r yc y l i n d e r , s c r e w r o t a r yc y l i n d e rw i t hd o u b l es c r e w p a i r a r eo fm u c h a d v a n t a g e a s b i g r o t a t i o n a n g l e ，o v e r - l o a d i n g p e r f o r m a n c e ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，h i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ye t c i ti s a p p l i e di ne n g i n e e r i n gm a c h i n e r y , c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , a g r i c u l t u r e m a c h i n e r ya n df o r e s t r ym a c h i n e r yw i d e l ye t c b e i n gt h e f o r e i g n m o n o p o l yo fa d v a n c e dt e c h n o l o g yw h i l ee m e r g i n gl a t e i nc h i n a t h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fh i 曲p e r f o r m a n c es c r e wr o t a r y c y l i n d e r w h i c hi s l o a d i n g ，h i g ht ，h i l g h r e l i a b l e ，h i g h o v e r - l o a d i n g p r e s s u r e h eh ，2 h p o s i t i o n i n ga c c u r a c y , l o n g l i f ei sl i m i t e d 。s o ，s t u d yi nt h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , f l u i dl u b r i c a t i o na n d s t r u c t u r ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nh a v es i g n i f i c a n tt h e o r ya n de n g i n e e r i n g p r a c t i c a l i t yi m p o r t a n c e t h em a i nw o r ki n c l u d ef o l l o w i n g ： s c r e wr o t a r yc y l i n d e rw i t hd o u b l et r a p e z o i d a ls c r e wp a i r ss t r u c t u r ei s d e s i g n e d s c r e wp a i r sl o a d i n gp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d d o u b l e t r a p e z o i d a ls c r e wp a i r ss t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ed e f i n e d ，i n c l u d i n gp i t c h a n g l e ，p i t c h ，l e a d ，t h r e a da n g l e ，n o m i n a ld i a m e t e r , w o r k i n gl e n g t he t c t h r e ed i m e n s i o n a lv i r t u a la s s e m b l yo fs c r e wr o t a r yc y l i n d e r sw h o l e s 仃u c t u r ei se x e c u t e d ，i n t e r f e r e n c ec h e c ko fs p a r ep a r t si se x e c u t e d d y n a m i cm o d e lo fd o u b l es c r e wm e c h a n i s mi se s t a b l i s h e d h e r e b y , m o t i o nd i f f e r e n t i a l e q u a t i o no fd o u b l es c r e wm e c h a n i s mi sd e d u c e d k i n e m a t i c sa n a l y s i so fd o u b l es c r e wm e c h a n i s m i se x e c u t e d d y n a m i c s c a l c u l a t i o no fd o u b l es c r e wm e c h a n i s mi se x e c u t e d s c r e wt h r e a da n g l e s i n f l u e n c eo ns t a r t i n g p r e s s u r e ，e x p o r ts c r e wa n g l ev e l o c i t y , r a d i a l d i s p l a c e m e n to fh o l l o ws c r e wa n d b e a r i n g sa n t i - f o r c ea r er e v e a l e d ， b i g g e rt h r e a da n g l ec a na c q u i r eh e a v i e ro u t p u tt o r q u e e x p o r ts c r e w s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si se x e c u t e d ；s h e a rs t r e n g t ha n ds t i f f n e s so f e x p o r t s c r e wc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s i i i 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t s c r e wf l o wo i lf i l mb e t w e e nc y l i n d e rb o d ya n d h o l l o ws c r e w s l u b r i c a t i o ns t a t ee q u a t i o n sa r ed e d u c e d c o n c e n t r i co i lf i l ，mo fd i f f e r e n t r a d i a lg a pa n de c c e n t r i co i lf i l mo fd i f f e r e n tr a d i a lg a pw i t hi d e n t i c a l e c c e n t r i c i t y sp r e s s u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l d ，a n dt e m p e r a t u r ef i e l da r e r e v e a l e d o nc o n d i t i o nt h a td i f f e r e n tr a d i a lg a p ，d i f f e r e n tr o t a t i o n a lr a t e ， d i f f e r e n tr a d i a lg a pw i t hi d e n t i c a le c c e n t r i c i t y , d i f f e r e n te c c e n t r i cd i s t a n c e w i t hi d e n t i c a l r a d i a lg a p ，r e s e a r c ha r em a d ea b o u to i lf i l m sl o a d i n g p e r f o r m a n c ea n do i lc a v i t y si n t e r n a ll e a k a g e r e g a r d l e s so f i d e n t i c a lo i l f i l ma n de c c e n t r i co i lf i l m ，o i lf i l mt h i c k n e s so fb e s tp e r f o r m a n c ei s a c q u i r e d f l u i dl u b r i c a t i o ns t a t ei sj u d g e db yu s eo ff i l mt h i c k n e s sr a t i o ， s u r f a c er o u g h n e s sv a l u e sa r ea c q u i r e du n d e re n t i r ef l u i dl u b r i c a t i o ns t a t e d i f f e r e n tc i r c u m f e r e n t i a lg a pa n dd i f f e r e n tp i t c hb e t w e e nh o l l o ws c r e w a n df i x e dn u to i lf i l m sp r e s s u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l d ，a n dt e m p e r a t u r e f i e l da r er e v e a l e d o nc o n d i t i o nt h a td i f f e r e n tc i r c u m f e r e n t i a l g a p ， d i f f e r e n th y d r a u l i co i lv i s c o s i t y , d i f f e r e n tp i t c h ，d i f f e r e n tl e n g t ho ft h r e a d e n g a g e m e n t ，r e s e a r c ha r em a d ea b o u to i lf i l m sl o a d i n gp e r f o r m a n c ea n d o i lc a v i t y si n t e r n a ll e a k a g e i no r d e rt oa c q u i r eh i g hl o a d i n gp e r f o r m a n c e a n dt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y , p r e f e r a b l ec i r c u m f e r e n t i a lg a pv a l u e ， p r e f e r a b l e p i t c hv a l u e ，p r e f e r a b l e t h r e a d e n g a g e m e n tl e n g t hv a l u e ， p r e f e r a b l eh y d r a u l i co i lv i s c o s i t yv a l u ea r ed i s c l o s e d i n f l u e n c er u l e s b e t w e e nt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n ds c r e wp a i r ss t r u c t u r ep a r a m e t e r s ， p r o c e s sp a r a m e t e r sa r ed i s c l o s e d t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ym o d e lo fs c r e w r o t a r yc y l i n d e ri se s t a b l i s h e d h e l i xa n g l eu n d e rm a x i m u mt o r q u e e f f i c i ；yo f r o t a r yc y l i n d e r 。l u i r e d m i n i m u ma x i a v e l o c i t y e t t m l e n c y o ts c r e wr o t a r yc y l i n d e r1 sa c q u i r e dm i n i m u ma x i a lv e l o c i t y o fh o l l o ws c r e wu n d e rz e r oi n t e r n a ll e a k a g ei sa c q u i r e d t h r o u g ht h er e s h a p eo fc u r r e n te x p e r i m e n t a lf a c i l i t y , l o w e s ts t a r t i n g p r e s s u r ee x p e r i m e n to fs c r e wr o t a r yc y l i n d e ri sc a r r i e do u t e x p o r tt o r q u e e x p e r i m e n t ，e x p o r ta n g u l a rv e l o c i t y o fr o t a t i o n e x p e r i m e n t a n d t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y e x p e r i m e n to fs c r e wr o t a r yc y l i n d e ru n d e r d i f f e r e n ti m p o r th y d r a u l i cp r e s s u r ea r ec a r r i e do u t e x p e r i m e n tr e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h e o r e t i c a lv a l u ea n dd y n a m i c ss i m u l a t i o nr e s u l t s i v 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t k e y w 0 剐d s ：o s c i l l a t i n gc y l i n d e r , d y n a m i c sa n a l y s i s ，h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n ，c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ，v i r t u a l p r o t o t y p i n g v 中南大学博士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及目的和意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 摆动液压缸的结构形式3 1 2 国内外研究现状5 1 2 1 摆动液压缸的国内外研究现状5 1 2 2 关键技术及未来发展趋势7 1 3 虚拟样机技术及其在相关领域中的应用9 1 3 1 虚拟样机技术的基本概念、起源及发展一9 1 3 2 虚拟样机技术的国内外应用情况简介l o 1 4 计算流体动力学及其在相关领域中的应用1 3 1 4 1 计算流体动力学简介1 3 1 4 2c f d 软件及其在螺旋摆动液压缸方面的应用1 3 1 5 研究的主要内容及技术路线1 4 1 5 1 课题来源1 4 1 5 2 主要研究工作1 4 第二章摆动液压缸的结构特性研究1 8 2 1 结构形式的选择18 2 2 双螺旋副摆动液压缸的工作原理分析1 9 v i 中南大学博士学位论文 目录 2 3 螺旋摆动液压缸关键部件双螺旋副的结构设计2 0 2 3 1 双螺旋副力学承载性能分析2 0 2 3 2 双螺旋副的主要结构参数确定2 2 2 4 螺旋摆动液压缸的密封装置设计2 9 2 5 螺旋摆动液压缸的整体结构设计3 0 2 5 1 螺旋摆动液压缸的辅配件设计3 0 2 5 2 螺旋摆动液压缸的虚拟装配3 1 2 6 本章小结3 2 第三章螺旋摆动液压缸动力学研究3 4 3 1 多体系统动力学理论基础3 4 3 1 1 多体系统动力学概述3 4 3 1 2 多体系统动力学发展及研究方法3 4 3 1 3a d a m s 软件介绍及应用3 5 3 2 螺旋摆动液压缸的运动学分析3 6 3 1 1 运动学建模3 6 3 1 2 数值计算3 8 3 3 螺旋摆动液压缸的动力学研究3 9 3 3 1 动力学建模3 9 3 3 2 数值计算4 1 3 4 输出螺杆的有限元分析4 9 3 。4 1 有限元模型的建立4 9 3 4 2 仿真结果分析5 0 3 5 本章小结5 2 第四章 螺旋摆动液压缸内圆环间隙流场特性研究5 3 4 1 螺旋摆动液压缸油润滑机理研究5 3 4 1 1 液压油的粘温粘压本构方程5 3 v i i 中南大学博士学位论文 目录 4 1 2 液压油润滑的控制方程5 4 4 基于f l u e n t 软件的缸内圆环间隙流场数值模拟。5 8 4 2 1 模型建立、网格划分及边界条件设定5 8 4 2 2 压力场模拟6 0 4 2 3 速度场模拟6 1 4 2 4 温度场模拟6 2 4 2 5 油膜承载性能及内泄漏分析6 4 4 2 6 转速对油膜性能的影响研究6 5 4 2 7 一定偏心率条件下不同径向间隙对油膜性能的影响研究6 7 4 2 8 同一径向间隙不同偏心距对油膜性能的影响研究7 3 4 2 9 压力对油膜性能的影响研究7 8 4 3 润滑状态的判定8 0 4 4 本章小结8 2 第五章螺旋摆动液压缸内螺旋副流场特性研究8 3 5 1 模型建立及边界条件设定8 3 5 2 周向间隙对油膜性能的影响研究8 6 5 2 1 压力场模拟8 6 5 2 2 速度场模拟8 7 5 2 3 温度场模拟8 9 5 2 4 油膜承载性能及内泄漏分析9 0 5 3 液压油粘度对油膜性能的影响研究9 1 5 4 螺距对油膜性能的影响研究9 3 5 4 1 压力场模拟9 4 5 4 2 速度场模拟9 5 5 4 3 温度场模拟9 6 5 4 4 油膜承载能力及内泄漏分析9 7 v i 中南大学博士学位论文 目录 5 5 旋合长度对油膜性能的影响研究9 9 5 6 本章小结10 2 第六章螺旋摆动液压缸的传动效率研究1 0 3 6 1 螺旋摆动液压缸传动效率的影响因素分析1 0 3 6 1 1 螺旋摆动液压缸传动的总效率模型10 3 6 1 2 各参数对螺旋摆动液压缸传动效率的影响1 0 6 6 2 螺旋摆动液压缸结构参数与材料参数的设计总结1 0 8 6 3 本章小结1 0 9 第七章螺旋摆动液压缸的实验研究1 1 0 7 1 实验方法1 1 0 7 。1 。l 实验装置及原理11 0 7 1 2 实验方案1 1 2 7 2 实验结果及分析1 1 2 7 2 1 最低启动压力测试实验1 1 2 7 2 2 摆动角速度测试实验。1 1 3 7 2 3 传动效率测试实验115 7 - 3 本章小结11 6 第八章全文总结与展望1 1 8 8 1 本文的研究成果118 8 - 2 今后的工作展望1 1 9 参考文献1 2 0 至i 【谢1 2 9 攻读学位期间主要研究成果1 3 0 i x 三皇尘兰兰耋茎兰兰兰兰三兰兰兰 第一章绪论 1 1 研究背景及目的和意义 1 11 研究背景 随着现代科技的飞速发展，对应用在机械设备中的液压缸的要求变得越来越 高。为完成更精准操作，对液压缸的工作精度也提出了更高的要求，在很多特殊 应用场合中需要特殊功能的液压缸。例如在图l 一1 ( a ) 的高空作业平台中、平台或 者臂的旋转需要摆动液压缸柬实现；同样，图1 1 ( b ) 采矿设各钻孔装置的旋转； 图1 - 1 0 ) 废物回收车中臂的旋转：图1 - 1 ( d ) 挖掘机中挖斗的转动：图1 1 ( e ) 农业 收割机中喷雾装置的旋转；图i - 1 ( o 中筑路设备的旋转；图1 - i ( g ) 清洁车中清洁 刷连接杆的旋转；图1 1 ( h 1 叉车中叉盘的旋转等等。如果上述设备中那些机构的 旋转能够不依靠底盘而靠装在关键部位的摆动液压缸来实现，那将使得这些机械 设备的灵活性大大增加，同时也更为方便可靠，其应用极大地提高了工作效率。 o - 吨嘞 ( a ) 高空作业平台( b ) 采矿设备( c ) 废物回收车 参每石觇 ( e ) 农j k g c , i 机( f ) 筑路设备 三童奎兰兰三兰些兰圣兰：茎兰兰 矗弦蝴 ( g ) 清洁车( h ) 叉车 图l 一1 安装t 摆动液压缸的机械谴备 应用在上述设备中的摆动液压缸具有扭矩大、体积小、重量轻、传动效率高、 结构紧凑等优点。由于目前国内对此种摆动液压缸还是依赖进口，关键技术没有 掌握，导致价格昂贵，维护费用很高。广东某公司从国外购置了一台凿岩台车， 此凿岩台车的关键部件一大臂摆动油缸属于易损件，体积较小，且输出扭矩较大， 进口原装易损件的价格昂贵且订货周期长。国产凿岩台车大多采用直线油缸驱动 回转机构实现摆动功能，回转半径太且机构笨重，采用这样的方案进行国产化改 造根本行不通，而国内可供借鉴的叶片式回转油缸也不适合此进口凿岩台车的使 用要求，没有相应的产品可以替换。另外密封件磨损后只能整体更换，造成费源 浪费。因此，公司委托中南大学进行该设备易损件的国产化研究，通过突破摆动 液压缸的关键技术之后，开发出一系列型号的摆动液压缸，并且委托国内厂家进 行生产，从而显著降低生产成本，提高企业经济效益。 开发出具有自主知识产权的达到3 6 0 度摆动角度的螺旋摆动液压缸，具有 很重要的理论意义。特别是对于白行设计的双螺旋结构的摆动油缸螺旋副间液压 油润滑及摩擦力进行重点研究，揭示双螺旋摆动液压缸动态特性，获得承载能力、 传动效率与其结构及工艺参数的相关规律，形成大角度摆动油缸结构与参数设计 准则r 为研究、设计、制造该类产品提供理论指导。使其承载能力、传动效率、 回转精度、使用寿命、结构尺寸较高要求，填补国内空白，也为国内外相关液压 产品的设计和制造提供理论支持和技术借鉴。 具有自主知识产权的达到3 6 0 度摆动角度的螺旋摆动液压缸应用具有重要 的工程意义a 在我国，摆动液压缸广泛地应用于港口机械、工程机械、建筑机械、 船舶配载及设备操作、井下工作、高空作业、海底勘探装置及近海平台、特种机 器人、物流及交通运输、农林机械及设各、食品工业、烟草机械、制药工业和石 油化工等领域中。且在这些设各上应用后可极大地降低机构的复杂性，提高系统 的可靠性和传动效率，减少机构的重量和占用空间。以凿岩机为例，其大臂的转 动可直接应用大角度螺旋摆动液压缸实现，仅此一项预计每年的需求量就在3 0 0 中南大学博士学位论文第一章绪论 台套以上。而若将研究成果推广应用到上述工程机械设备上，那么每年的需求量 将上万台套，市场潜力巨大。 1 1 2 摆动液压缸的结构形式 摆动液压缸是输出轴能做往复摆动的液压执行元件，输入量是压力和流量， 输出量是扭矩、角速度和角位移( 摆角) ，能使输出轴在较低的转速下产生很大 的扭矩、平稳的角速度和角位移。按摆动液压缸内部结构的不同，可将其分为两 大类型：叶片式和活塞式。其中叶片式又分为单叶片式与双叶片式，叶片式摆动 液压缸以其结构简单，加工制造相对容易而得到应用，但具有摆动角度小，传动 效率低等缺点。活塞式可分为齿轮齿条式、活塞螺旋式、链式、曲柄连杆式、来 复式等类型，后面三种因为其结构的笨重，安装使用不便，摆动精度低，输出扭 矩小等方面的原因，基本很少在工程上应用。各种结构形式摆动液压缸的主要特 点如下： 1 叶片式结构 旋转叶片式摆动缸的特征就是它内部有一个固定的装置叶片。叶片固定 在外壳上，活塞部分则固定在驱动轴上。叶片式摆动缸结构紧凑，单叶片摆动液 压缸可做小于3 6 0 度的往复摆动运动，而双叶片摆动液压缸只能做小于1 8 0 度的 往复摆动运动。另外叶片式摆动液压缸承载能力小，工作腔的密封困难、内泄漏 较大，导致容积效率低，工作压力难以进一步提高，所以叶片式摆动液压缸的用 途受到很大限制，常用于伺服回转台等低压机构【l 。6 j 。 2 齿轮齿条式结构 为了获得更大的输出扭矩，就需要采用体积相比活塞螺旋式、叶片式摆动液 压缸等大很多的齿轮齿条摆动油缸。 齿轮齿条式摆动油缸的工作原理是通过液压油的加载作用，给齿条活塞一定 的动力，带动齿条运动，并通过与齿条啮合的齿轮执行摆动运动，从而将油缸活 塞的直线往复运动通过齿条带动齿轮，转化成齿轮轴的正反向摆动，同时将液压 油作用在活塞上的推力转化成齿轮轴的输出扭矩。齿轮齿条摆动缸特别适用于传 递大的扭矩。由于齿轮轴的摆动角度与齿条的长度成正比，因此齿轮轴的摆角可 以任意选择，可以大于3 6 0 。但摆动角度越大，齿条越长，结构越臃肿。 传递完全相同的扭矩和摆动角度，齿轮齿条式摆动液压缸所占的空间与叶片 中南大学博士学位论文 第一章绪论 式摆动液压缸相比要更庞大，因此限制了齿轮齿条摆动液压缸的使用与推广。而 活塞螺旋式摆动液压缸相比叶片式而言，则更加紧凑。 3 活塞螺旋式结构 活塞螺旋式摆动液压缸又可以分为花键活塞式、带导向杆式与双螺旋形式等 类型【7 9 】： ( 1 ) 花键活塞式 花键活塞式摆动液压缸的工作原理是缸内的转动套外表面加工有花键，此花 键与活塞花键相啮合。当活塞受液压力作用沿转动套直线运动时，也同时转动。 这一旋转运动由转动套输出。这种结构比较简单，容易加工，能传递较大扭矩。 但由于转动套的轴向长度要大于或等于活塞上花键的长度，而当液压缸摆角大于 3 6 0 。时，这一长度也大于一个导程。因此，这种结构轴向尺寸大。 ( 2 ) 带导向杆式 带导向杆式摆动液压缸的工作原理是转动套通过两端端轴承支撑于缸体上， 两根导向杆穿过活塞固定在缸体上。当活塞在液压力的作用下沿转动套运动时， 则产生旋转运动。如果缸体固定，则导向杆也固定，所以活塞只能沿转动套及导 向杆直线运动，而旋转运动由转动套输出。如果转动套固定，则活塞通过导向杆 带动缸体转动，但活塞转动密封困难。这种液压缸结构简单，便于加工。但由于 导向杆穿过活塞，使活塞有效面积减小，从而在传递相同扭矩时液压缸径向尺寸 增大。 ( 3 ) 双螺旋形式 双螺旋摆动液压缸的工作原理是基于一个多级的螺旋传动。通过加载于活塞 上的液压力，将直线运动传递到螺旋副，在螺旋副的啮合作用下转化为旋转运动 ( 摆动) 。随着直线行程的增加，旋转运动的转角也随之增加。能实现最大转角 达1 0 0 0 度。液压力通过一个力矩转换过程 被转换成输出轴的扭矩，扭矩在摆 动的两个方向上大小一致。由于使用良好的密封装置，可通过控制液压系统中的 单向阀或止回阀，在摆动液压缸带负载工况下停止转动，并可定位在任意转动角 度上。因为采用流体静动压润滑，其摩擦系数很少，所以传动效率高。这种方案 对于各种同步或异步的摆动直线运动同时发生的情况是非常理想的。具有结构 紧凑、输出扭矩大等优点【1 0 。1 5 】。 4 中南大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 摆动液压缸的国内外研究现状 国外，许多学者对摆动液压缸进行了研究并申请了专利。最早报道的是 g c o n s t a n t i n c s c o 于19 2 0 年发明的专利【l6 1 ，其结构是曲柄连杆式，原理是液压油 带动曲柄运动，连杆与转轴连接，从而转轴转动。由于有两套曲柄连杆机构，回 转角度低于1 8 0 度。1 9 2 5 年f a j i m e r s o n 发明的专利【1 1 7 1 ，其结构是有三个叶片， 目的是提高摆动缸的径向和反向转动效率，降低流体工作压力。1 9 3 1 年r l d a v i s 发明了齿轮齿条型式结构的专利【l8 1 ，能够实现正向和反向的旋转，并且旋转角 度可达3 6 0 度，启动和停止比较准确，但是机构元件很多，占用空间大，传动效 率不理想。1 9 6 0 年h m g e y e r 发明了专利【l9 1 ，首次采用了多线螺旋，缸体固定， 缸体内表面加工多线螺旋，活塞做往复运动，活塞是空心的，其外表面和内表面 都加工有螺旋，活塞内表面的螺旋与输出轴啮合，从而带动输出轴旋转。但是由 于当时要加工多线内螺旋，制造困难，精度很难达到，所以没有广泛推广应用。 1 9 6 0 年h a b l o c k 发明了专利【2 0 j ，同样采用多线螺旋，是单级螺旋副结构，缸 体固定，缸体上不加工螺旋线，活塞内表面加工多线螺旋，活塞在液压油压力差 作用下带动与活塞啮合的输出轴运动，所以输出轴既做直线运动，也做旋转运动。 旋转角度可以超过3 6 0 度，定位准确。1 9 5 9 年j l o e c y 发明了专利【2 1 】，结构为单 叶片式，在圆形活塞周向加工四个小圆弧形油腔，两个小型油腔互相连通构成一 套油腔，一套油腔通高压油，另外一套油腔通低压油，从而驱动活塞旋转，旋转 角度可以大于3 6 0 度，但是活塞与缸体接触，摩擦大，很容易磨损，造成泄漏大， 效率低，输出轴的定位精度很低。1 9 6 9 年r l w e n g e r d 发明了专利【2 2 1 ，其结构 形式为齿轮齿条式，齿条的两侧加工齿形，每侧齿与一个齿轮啮合，带动齿轮旋 转，此种结构可以进行两个输出轴的旋转运动，但具有外形大，传动不平稳的缺 点。1 9 8 0 年a k k e r m a n 发明了专利【2 3 j ，其结构形式为链条链轮式，依靠两个直线 液压缸带动链条运动，链条与链轮啮合，从而带动链轮旋转。其特点是液压缸只 做直线运动，密封效果较好，但旋转角度小于1 8 0 度，因为有两个直线油缸，体 积庞大，不很紧凑，安装困难。1 9 9 7 年t a k e u c h i 发明了专利【2 4 j ，其工作原理是 采用电磁螺杆带动空心活塞转动，空心活塞也带磁性，空心活塞与输出轴啮合， 从而带动输出轴旋转，其缺点是生产成本高，输出扭矩小，需要永磁铁。2 0 0 8 年c h a i c h e n g c h u n g 发明了专利【2 5 】，其工作原理也是螺旋活塞带动主轴旋转， 但是流体介质为气体，优点是没有液压油系统，没有油的污染，安装空间小，成 中南大学博士学位论文第一章绪论 本低，但是输出扭矩小。2 0 0 8 年k a r i m i 等人运用神经网络技术对摆动液压缸的 输出角速度控制进行了研究【2 6 1 ，基于神经网络技术的控制器对输出转角具有很 好的动态响应特性。2 0 0 7 年y e q i a n 等人在德国汉堡研究了摆动液压缸偏心载荷 对动态特性的影响【2 7 1 ，通过在输出轴上开小孔的方法，当轴旋转时，背压增加 补偿偏心载荷对输出扭矩的影响。 目前国外生产摆动液压缸的公司主要有美国h e l a c 公司，产品有l 1 0 、l 2 0 、 l 3 0 系列摆动液压缸；其次有挪威的s c a n as k a r p e n o r da s 公司和日本t a k e d a 公司生产摆动液压缸；还有德国的h k s 公司，产品有d a h 系列、d k a 系列、 m d a h 系列、s a h 系列、b v 系列等，输出扭矩最小为3 6 n m ，最大可达 2 5 0 k n m ，定位精度可达o 3 度，标准回转角度有9 0 。、1 8 0 。、2 7 0 。、3 6 0 。 四种，最大可达1 0 0 0 。 国内生产的大型工程机械、矿山机械及建筑机械，为了实现某些部件在重载 下的大角度旋转，一般都是采用带齿轮齿条形式的摆动油缸，存在结构大、响应 慢、回转精度不高等问题，而且齿轮齿条为开式啮合传动，易磨损与腐蚀，使用 寿命短；或者采用叶片式摆动油缸，同样存在结构尺寸大、密封件易损、承载负 荷小、寿命短等问题，且旋转角度不超过2 7 0 。国内对摆动液压缸的研究主要 有：1 9 9 8 年刘国民等人对四杆机构形式摆动液压缸的机构运动方程和力学方程 编制了计算机程序进行求解，从而获得最佳的机构设计【2 8 1 。1 9 9 9 年石延平等人 阐述了几种大摆角螺旋摆动液压缸的结构，叙述了主要的设计步骤和确定了主要 的设计参数f 7 1 。2 0 0 2 年郭大勇等人使用齿轮齿条式摆动油缸代替液压马达，建 立了摆动油缸的数学模型，设计了用于驱动船舶减摇水舱试验台架的电液力矩伺 服控制系统【2 9 1 。2 0 0 3 年余宏等人介绍了摆动液压缸中的既有直线运动又有旋转 运动的动密封改进设计及效果，并给出了动密封改进结构的原理图【3 0 】。2 0 0 5 年 胡金林设计了双齿条齿轮式摆动液压缸，并且应用在了橡胶密炼机中【”】。2 0 0 7 年金忠等人对叶片式摆动液压缸的密封装置进行了改进，采用聚四氟乙烯和橡胶 的组合密封，计算出密封压力和油膜厚度等参数，能够适应水下2 1 m p a 的高压 工作【3 j 。2 0 0 7 年周海强等人介绍了摆动液压缸的内部结构，分析了叶片式摆动液 压缸内泄漏的原因和改进方法，改进了叶片的结构设计，从而降低了泄漏量【l 】。 2 0 0 9 年黄桂英等人进行了单叶片摆动液压缸的原始数据确定及参数设计( 包括 工作载荷、工作扭矩、总效率、许用扭矩、额定压力、流量、油腔体积及通油口 直径) ，