大擺角螺旋擺動液壓缸的設(shè)計
連云港化工高等專科學(xué)校 石延平 揚 力
【論文摘要】介紹了幾種大擺角螺旋擺動液壓缸的結(jié)構(gòu)，敘述了主要的設(shè)計步驟和參數(shù)的確定。
螺旋擺動液壓缸是一種利用大螺旋升角的螺旋副實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的特殊液壓缸。這種液壓缸體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。與葉片式擺動馬達相比，它輸出轉(zhuǎn)矩大，容積效率高。特別是它的擺動范圍可以大于360°。因此，對于需要低速大角度的擺動機構(gòu)來說，是一種理想的選擇。
1 結(jié)構(gòu)形式選擇
在螺旋副傳動中，根據(jù)相對原理，在不同工作機構(gòu)中，可以固定螺桿，將需要轉(zhuǎn)動的部件連接在螺母上；或者固定螺母，而將需要轉(zhuǎn)動部件連接在螺桿上。無論采用哪一種形式，當(dāng)負(fù)載一定時，增大液壓缸的輸出擺角，都將增大液壓缸活塞的工作行程，當(dāng)擺角大到360°時，活塞行程等于螺旋的螺紋導(dǎo)程，從而使液壓缸的尺寸增加。因此，要合理的選擇液壓缸的結(jié)構(gòu)形式，使其體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于整機布置。
1.1 非圓活塞式擺動液壓缸
圖1為非圓活塞式擺動液壓缸的結(jié)構(gòu)示意圖。
1.缸體 2.轉(zhuǎn)動套 3.螺旋棒 4.活塞
圖1 非圓活塞式擺動液壓缸
圖中螺旋棒3與缸體1固定。非圓(橢圓)活塞內(nèi)表面與螺旋棒嚙合。轉(zhuǎn)動套2內(nèi)表面形狀與活塞外表面形狀相同。因此，當(dāng)活塞在轉(zhuǎn)動套內(nèi)液壓力作用下，既沿螺旋棒直線運動又轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)運動通過活塞非圓表面及轉(zhuǎn)動套輸出。這種結(jié)構(gòu)軸向尺寸小，但非圓活塞的內(nèi)外表面加工比較復(fù)雜，要采用數(shù)控加工。
1.2 花鍵活塞式擺動液壓缸
圖2為花鍵活塞螺旋擺動液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中螺旋棒5與缸體2固定�；钊�4一端加工有花鍵，轉(zhuǎn)動套3的內(nèi)圓表面也加工有花鍵并與活塞花鍵相嚙合。當(dāng)活塞受液壓力作用沿螺旋棒直線運動時，同時也轉(zhuǎn)動。這一旋轉(zhuǎn)運動由轉(zhuǎn)動套及法蘭盤1輸出。這種結(jié)構(gòu)比較簡單，容易加工，能傳遞較大扭矩。但由于轉(zhuǎn)動套的軸向長度要大于或等于活塞上花鍵的長度，而當(dāng)液壓缸擺角大于360°時，這一長度也大于一個導(dǎo)程。因此，這種結(jié)構(gòu)軸向尺寸大。
1.法蘭盤 2.缸體 3.轉(zhuǎn)動套 4.活塞 5.螺旋棒
圖2 花鍵活塞式擺動液壓缸
1.3 帶導(dǎo)向桿式螺旋擺動液壓缸
圖3為帶導(dǎo)向桿式螺旋擺動液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖。
1.缸體 2.導(dǎo)向桿 3.活塞 4.螺旋棒
圖3 帶導(dǎo)向桿式螺旋擺動液壓缸
圖中螺旋棒4通過2端錐軸承支撐于缸體1上，兩根導(dǎo)向桿2穿過活塞3固定在缸體上。當(dāng)活塞在液壓力的作用下沿螺旋棒運動時，要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。如果固定缸體，則由于導(dǎo)向桿也固定，所以活塞只能沿螺旋棒及導(dǎo)向桿直線運動，而旋轉(zhuǎn)運動由螺旋棒輸出。如果固定螺旋棒，則活塞通過導(dǎo)向桿帶動缸體轉(zhuǎn)動。但從密封角度來看活塞不宜轉(zhuǎn)動。這種液壓缸結(jié)構(gòu)簡單，便于加工。但由于導(dǎo)向桿穿過活塞，使活塞有效面積減小。從而在傳遞相同轉(zhuǎn)矩時液壓缸徑向尺寸增大。
1.4 雙螺旋擺動液壓缸
圖4為雙螺旋擺動液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖。
1.缸體 2.螺旋套 3.活塞 4.螺旋棒
圖4 雙螺旋擺動液壓缸
圖中螺旋套2和螺旋棒4的螺旋線方向相反。螺旋套與缸體固定，當(dāng)活塞沿螺旋套旋轉(zhuǎn)并直線運動時，活塞內(nèi)部的螺旋副使螺旋棒轉(zhuǎn)動，反之亦然。一般來說兩處螺旋導(dǎo)程相等，螺旋棒的螺旋升角大于螺旋套的螺旋升角。如果兩處螺旋升角相等，螺旋棒的導(dǎo)程小于螺旋套的導(dǎo)程，當(dāng)活塞旋轉(zhuǎn)1周，螺旋棒轉(zhuǎn)動范圍就大于1周。這種液壓缸結(jié)構(gòu)緊湊，輸出轉(zhuǎn)矩大。
2 主要參數(shù)確定與計算
2.1 液壓參數(shù)
2.1.1 轉(zhuǎn)矩與壓力
液壓缸實際輸出轉(zhuǎn)矩計算：
圖5為計算簡圖。液壓缸活塞為螺母，作用于螺母上的液壓力p必須克服螺旋棒對螺母正壓力N的水平分力F1、摩擦力Nμ的水平分力F2，才能推動活塞沿螺旋線方向轉(zhuǎn)動或使螺旋棒轉(zhuǎn)動。
圖5 轉(zhuǎn)矩計算簡圖
根據(jù)靜力平衡原理
p＝F1＋F2＝Ncosα＋Nμsinα
＝N（cosα＋μsinα)
即 N=p/(cosα+μsinα) (1)
使活塞或螺旋棒旋轉(zhuǎn)的圓周力T1及阻力T2分別為：
T1＝Nsinα T2＝Nμcosα
扭力為：T＝T1－T2＝N(sinα－μcosα)
設(shè)d1表示螺旋棒的平均直徑，則液壓缸的輸出轉(zhuǎn)矩：
M=Td1/2=N(sinα+μcosα)×d1/2
將(1)式帶入上式，則得：
M=P(sinα+μcosα)/（cosα＋μsinα)×d1/2=pd1(tgα-μ)/2(1+μtgα)=pd1/2tg(α-ρ）
或 M=1/2 pd1/2tg(α-ρ） (2)
式中 α——螺旋升角
ρ——螺旋副的摩擦角
S——活塞的有效受壓面積
p——液壓缸油壓
上式僅考慮了螺旋副的摩擦損失，利用它計算液壓缸的實際輸出轉(zhuǎn)矩時，還應(yīng)考慮液壓缸中反壓的影響以及軸承等其他機械摩擦損失的影響。
液壓缸的理論輸出轉(zhuǎn)矩計算：
令(2)式中的ρ＝0，即可得到液壓缸的理論輸出轉(zhuǎn)矩：
M=1/2d1Stgα (3)
則螺旋副的機械效率η為液壓缸的實際輸出轉(zhuǎn)矩與理論轉(zhuǎn)矩之比即
η=M=(1/2d1Stg(α-ρ）)/(1/2d1Stgα)=tg(α-ρ）/tgα (4)
2.1.2 角速度與理論流量
由 L＝πd1tgα
得 Q=60ω/2π×LS/10=0.955ωLS (5)
式中 L——液壓缸螺紋的導(dǎo)程
S——液壓缸活塞面積
ω——要求輸出的角速度
Q——理論所需流量
2.2 螺旋副的類型及螺紋參數(shù)
2.2.1 螺旋副的類型
用于傳動螺旋副的類型，按螺紋牙形分，主要有梯形、鋸齒形、矩形和漸開線等幾種，其中梯形最常用。所以，可選梯形螺紋。
2.2.2 螺紋參數(shù)
螺紋參數(shù)主要包括螺紋的3個直徑(大、中、小)、螺距、導(dǎo)程、螺紋線數(shù)、螺紋升角、牙形角、旋向等。螺紋參數(shù)可按3種方法確定：① 選擇標(biāo)準(zhǔn)螺紋參數(shù)，即以上參數(shù)均可按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定；② 選擇非標(biāo)準(zhǔn)螺紋，即螺紋的螺距不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其他參數(shù)都符合標(biāo)準(zhǔn)；③ 選擇特殊螺紋，即所有參數(shù)都不符合標(biāo)準(zhǔn)。
無論按哪一種方法確定螺紋參數(shù)，首先都要確定出螺紋的公稱直徑。對于螺旋擺動液壓缸，要根據(jù)其傳遞的轉(zhuǎn)矩來初步計算螺紋的公稱直徑。計算公式如下：
(6)
式中 TJ——計算轉(zhuǎn)矩，TJ＝kT，T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，k為修正系數(shù)，一般可取1.1～1.2
［τ］——許用剪切應(yīng)力
如果選擇標(biāo)準(zhǔn)螺紋，則根據(jù)初步計算的公稱直徑d按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定其值，同時確定出相應(yīng)的螺距。以上兩個參數(shù)確定以后，再確定螺紋線數(shù)，螺旋擺動液壓缸取多線數(shù)螺紋，一般取4至6。螺紋的其他參數(shù)均可計算出來。
如果選擇非標(biāo)準(zhǔn)螺紋，則計算出公稱直徑以后，再選擇螺旋升角及螺旋線數(shù)，然后可計算出螺距。螺旋擺動液壓缸一般取螺旋升角為60°左右。
2.3 液壓缸活塞設(shè)計
液壓缸活塞設(shè)計首先是確定出活塞的厚度、有效受壓面積、工作行程等參數(shù)，其次是根據(jù)液壓缸的總體結(jié)構(gòu)形式確定活塞的具體結(jié)構(gòu)。
活塞的厚度可參考有關(guān)螺紋旋合長度的標(biāo)準(zhǔn)確定。增加旋合長度有利于減少液壓缸內(nèi)部泄漏。活塞的有效受壓面積取決于油壓、螺旋升角及負(fù)載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載的大小與活塞面積成正比；油壓及螺旋升角與活塞面積成反比�；钊墓ぷ餍谐倘Q于螺紋導(dǎo)程及液壓缸所需擺動的角度。如果擺動角度為360°，那么活塞的工作行程就等于螺紋的導(dǎo)程，而螺紋的導(dǎo)程等于螺旋升角的正切值與圓周率及螺紋中徑的乘積。因此，螺紋螺旋升角對液壓缸的外形尺寸影響很大。當(dāng)液壓缸負(fù)載及螺紋中徑一定時，選擇大的螺旋升角，可以減小活塞的有效受壓面積，使液壓缸變細(xì)，但卻提高了液壓缸的工作行程，使液壓缸變長。選擇小的螺旋升角，使液壓缸變成短粗型。
活塞一般采用2種材料組合起來�；钊黧w選擇具有較高強度的鋼，而螺紋部分采用耐磨的鑄鐵或青銅。另外，如果活塞旋轉(zhuǎn)，那么選擇密封時要考慮密封件的相應(yīng)強度。
2.4 液壓缸總效率
螺旋擺動液壓缸的總效率等于液壓缸的容積效率、螺旋副機械效率及液壓缸軸承效率三者的乘積。螺旋副機械效率按(4)式計算，軸承效率根據(jù)軸承類型按有關(guān)手冊選擇。液壓缸的容積效率按下式近似計算：
ηv=(1-πdδ3)/(12Qμl)Δp (7)
式中 d——螺紋中徑
δ——螺紋配合間隙，一般取0.25～0.5 mm
μ——油液的動力黏度
Q——輸入液壓缸油液的流量
l——螺紋旋合長度
Δp——活塞左右兩側(cè)的油壓差
