新型螺旋自锁紧液压缸设计.pdf

2 0 1 4年 9月 第 4 3卷 第 9期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Ma n u f a e t u r i n g En g i n e e rin g S e p ． 2 0 1 4 V o 1 ． 4 3 No ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 5 5 0 9 X ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 1 8 新型螺旋 自锁 紧液压缸设计 赵红 山东轻工职业学院 机 电工程系 ， 山东 淄博2 5 5 3 0 0 摘要 从液压缸定位的机械式锁紧发展趋势 出发 ， 基 于液压缸锁 紧技 术的现状 ， 将螺纹 自锁 的功 能巧妙地设计到液压缸的活塞杆上， 在原有液压缸上设计一对可以 自锁的螺纹副 ， 利用螺纹的 自 锁功能， 实现液压缸带负荷的精确可靠定位。该设计在拥有现有的机械 式锁紧优势的同时， 结构 更加简洁， 几乎不改变原有液压缸的结构和体积， 加工、 制造、 装配容易， 成本低， 效率更高， 适合 泛雉 产。 关键词 机械式液压缸 ； 螺纹 自锁 紧； 精确定位 中图分类号 T B 4 7 2 文献标识码 B 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 4 0 9 0 0 7 6一 O 3 1 研究背景及意义 液压缸作为一种液压执行器 ， 需要它在运动及 停止工作时都能承受大载荷， 而且要求它具有精确 的定位功能 ， 即无“ 软腿” 现象发生。 a ． 实现液压缸锁紧定位功能的两种方法。 第一种是运用方向控制阀组成液压锁紧回路 ， 实现锁紧、 定位功能。常用的方 向控制阀有三位换 向阀 0型或 M 型中位 、 单 向阀 包括液控单 向 阀 及液控单向阀组合成的双向液压锁等⋯ 。 第二种是采用机械锁紧方式完成定位与锁紧。 常用 的有套简装置 、 刹片装置 、 钢球摩擦装置 、 卡环 装置、 楔块 一卡环装置和锥面 一碟簧装置 、 滚子摩 擦装置、 内涨装置等机械结构 。 b ． 两种液压缸锁紧定位功能的适用场合。 锁 紧定位要求不高的场合可选用液压锁定 回 路。由于液压缸本身的结构特点 ， 液压缸内部 的油 泄漏问题一直无法避免 ， 导致液压缸活塞 因此而产 生滑移 ， 定位可靠性得不到保证。 对于锁紧定位要求较高 的场合 ， 机械式锁紧液 压缸的活塞杆就可 以实现长期带负荷情况下的精 确定位。虽然液压缸内部泄漏问题仍然存在， 但因 为机械机构锁定了液压缸的活塞杆 ， 所 以不会出现 活塞滑移问题。 c ． 螺旋 自锁紧液压缸的优势及意义 。 新型螺旋 自锁紧液压缸装置， 具有机械式锁紧 的优点 ， 即 元需设计锁定 、 解锁回路 ； 解锁力 随着 外加载荷的消失而消失； 锁紧力在承受大载荷 的同 时， 可以可靠夹紧并能在任意位置精确定位； 液压 缸筒 内壁或活塞杆外圆不存在额外的摩擦损耗 ； 液 压缸结构简单而且紧凑 ， 加工制造容易、 成本低 ； 可 以在多种环境甚至恶劣环境下可靠工作 ； 使用寿命 长 。 该机械锁紧设计 ， 结构更加简洁 ， 几乎不改变 原有液压缸的结构和体积 ， 构件 的加工 、 制造 、 装配 容易 ， 成本更低， 效率更高， 是一项值得广泛推广的 设计创新作品。 2 设计方 案 2 ． 1总体设 计构 想 该设计创新从液压缸机械锁紧技术的发展趋 势 出发 ， 运用机械螺纹 的自锁功能 ， 根据液压缸内 部实际结构 ， 把以往实心式的活塞杆改造成三角形 内螺纹的空心结构 ， 通过增加的三角形螺纹副本身 的 自锁功能与液压传动相结合 ， 实现 了液压缸的精 确可靠定位， 是对现有机械式锁紧方式的改 良和创 新 。 2 ． 2 其他常用机械锁紧液压缸 的原理及特点分析 目前 ， 有以下几种 常见 的机械锁式液 压缸 筒 式锁紧液压缸 、 刹片式锁 紧液压缸 、 钢球摩擦式锁 紧液压缸 、 滚子式锁紧液压缸 、 内涨式锁紧液压缸 、 楔块式液压缸 、 锥面式液压缸、 卡环式液压缸。 综 观以上常见机械锁 紧装置 ， 有 以下的共同 收稿 日期 2 0 1 40 7 2 1 作者简介 赵红 1 9 7 0 一 ， 女 ， 山东淄博人 ， 山东轻工职业学 院讲师 ， 硕士 ， 主要研究方向为机械制 造与 自动化 。 7 6 2 0 1 4年第 9期 赵红 新型螺旋 自锁 紧液压 缸设 计 点 1 都是应用外加机构设置 ， 靠摩擦力抱紧或者 放松活塞杆的原理来实现锁紧、 解锁功能 ， 摩擦力有 限 ， 能实现的锁紧力就受到一定的限制； 2 起摩擦 作用的零件都是易损件 ， 寿命有限， 更换频率高 ， 维 护成本上升 ； 3 外加机构设置大部分还是较 为复 杂 ， 增加了液压缸的径向或者轴向的尺寸。 3 螺旋 自锁 紧液压缸结构 图 1和图 2展示 了带外螺纹的螺纹杆和带 内 螺纹的活塞杆的结构 。 图 1 螺纹杆 的结构 图 图 2 縻乎r 『 F 活塞杆的 结构 图 螺旋 自锁紧液压缸的三维仿真图如图 3所示 ， 图中 A， C 为液压马达进油 口、 出油 口；B， D为液 压 缸进 油 口、 出油 口。 1 一液压马达 ； 2 一摩擦离合 器； 3 一螺杆 ； 4 一液压缸 ； 5 一 活塞杆 图 3 三维仿 真图 4 螺旋 自锁 紧 液压 缸工 作原 理 、 创新 点 及 设计计算 4 ． 1 螺 旋 自锁 紧液压 缸 工作原理 本设计改进了液压缸 4的活塞杆 5 ， 将活塞杆 5设计成空心结构 ， 并在活塞杆内表面上加工 内螺 纹 ， 使带 内螺纹的活塞杆 与带 外螺纹的螺杆 3配 合 ； 当活塞杆 5在液压油 的推动下移动时 ， 马达带 动螺杆 3回转运动 ， 使得活塞杆 5的螺旋移动与液 压移动保持同步 ， 活塞杆 5运动到预定位置后 ， 停 止供油 ， 同时螺杆 3停止转动 ， 由于螺杆 3的螺旋 升角小于 自锁角， 此时螺纹副实现 自锁功能 即理 论上无论外加载荷多 大， 活塞杆都 不可能出现位 移 ， 从而实现活塞杆 5在任意位置可靠定位。液 压马达 1 驱动螺杆 3回转 ， 制动则由两片摩擦离合 器 2的分离或者液压马达 1 停止供油来实现。 4 ． 2 螺 旋 自锁 紧液压缸 创新 点 1 对液压缸的原有结构， 没有做复杂更改 ， 体 积几乎不变； 2 三角形螺纹加工制造简单易行 ， 成 本低 ； 3 同步动作， 没有延时； 4 理论上， 只要螺 纹强度足够， 依靠螺纹 自锁， 承载力无限增大。 4 ． 3 理论设计计算 a ． 理论计算的 目的。 在液压缸的活塞杆 内部设计 自锁螺纹副， 液压 缸通过螺纹副实现精确和可靠定位。由于螺旋传动 的运动速度要保持与活塞的同步， 所 以需要计算 出 流入液压马达液压油的流量与流人液压缸液压油的 流量之间的比值关系， 以保证两者运动的同步。 b ． 计算方法 、 步骤。 1 设定螺纹 自锁 紧液压缸 的参数如下 活塞 直径为 D， 活塞杆直径 为 d ； 螺杆为右旋 、 单线 、 三 ． 7 7 2 0 1 4年第 4 3卷 机械设计与制造工程 角形螺纹 ， 螺距为P； 液压马达转速为 n ， 排量为 。 2 设定液压马达 A口流量为 g ， 液压马达 C 口流量为 g ， 液压缸 B口流量为 q ， 液压缸 D口流 量为 q D 。 3 计算 2种情况下的流量比值 ①当活塞杆往 右移动时， 液压马达 A口、 液压缸 B口流入液压油 的流量比值q q ； ②活塞杆往左移动时， 液压马达 C E l 、 液压缸 D口流入液压油的流量 比值 q c q 。 。 4 分析计算 ①第一种情况下， 液压缸左腔 B 进油， 右腔 D 出油 ， 活塞杆往右移动 ， 液压马达 中液压油 A 进 C出， 则液压马达顺时针旋转 ， 活塞杆随着螺杆 旋转往右移动 ， 活塞的运动速度为 活 塞 。 q A nV ／D 、 ， D ＼ z I J n p q B 百 I 2J 活 塞 而 旦 4 6 0 1 0 n 4 6 0 1 0 2 4V 1 04 ,t r D n p 一,t r D P ②第二种情况下， 液压缸左腔 B 出油， 右腔 D 进油， 活塞杆往左移动 ， 液压马达中液压 油 C 进 A出， 则液压马达逆时针旋转 ， 活塞杆随着螺杆 旋转往左移动。 q c n V 一 旦二 。 一 4 6 0 1 0 竹 塞 6 0 x l 0 s 订 D d 2 p c ． 计算结果分析。 对比①， ②的计算结果， 说明保持液压缸和液 压马达同步的液压油的流量输入比例关系是一个 定值， 这个定值只与活塞直径 D、 活塞杆直径 d 、 螺 距P、 液压马达排量 有关 ， 即只要液压缸和液压马 达确定下来 ， 并保 持两者的液压油 的流量输入 为 g g 和 g q 。， 就可 以使活塞杆和活塞保持左右 移动 的同步运动。 d ． 实现同步运动的技术措施 。 根据对计算结果的对 比， 在实际的液压回路中 只要采用电液 比例流量控制阀， 就能控制液压缸和 液压马达输入的液压油流量的比值， 同时采用方向 换向阀控制油液的流向， 就可以实现液压马达带动 的活塞杆和液压缸的活塞同步的直线运动。 5 结束语 因条件所 限， 文章中所涉及的结构设计 、 再制 造及评价技术并没有试验或设备支撑 ， 因而文章更 偏重于理论方 面的研究。螺旋锁 紧液压缸只是对 已有机械式锁紧液压缸的结构进行 了改进 ， 对液压 缸的设计改进有一定指导的作用 ； 但同时也有一定 的局限性 ， 特别是三角形螺纹的强度是否能满足实 际需要 ， 还需要强度试验的支撑 ， 因而后续将尽可 能和相关企业联合进行试验验证 ， 以进一步完善再 制造的相关理论 。 参考文献 [ 1 ] 陈立德 ． 机械设计基础 [ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 倪江生． 新型 机械锁 紧式液压 缸 的设 计 [ J ] ． 机 械科学 与技 术 ， 2 0 0 8 1 4 2 4 3 ． [ 3 ] 张忠远． 液压传动与气动技术[ M] ． 天津 南开大学出版社， 2 01 0． De s i g n o f a Sp i r a l S e l f l o c ki ng Hy d r a u l i c Cy l i n de r ZHAO Ho n g S h a n d o n g I n s t i t u t e o f L i g h t I n d u s t r y ，S h a n d o n g Z i b o ， 2 5 5 3 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e t r e n d s t a t u s o f a me c h a n i c a l c y l i n d e r l o c k t e c h n o l o g y ，i t d e s i g n s t h s me c h a n i c a l s e l f l o c k i n g t h r e a de d f e a t u r e s c l e v e r l y f o r a p i s t o n r o d o f t h e h y d r a ul i c c y l i n d e r ．Ai mi n g a t t h e o r i g i n a l d e s i g n o f a p a i r o f h y d r a u l i c c y l i n d e r s ，i t a p p l i e s t h e s e l f l o c k i n g s c r e w v i c e a n d s e l f l o c k i n g t h r e a d e d，r e a l i z e s a c c u r a t e a n d r e l i a b l e p o s i t i o n i n g c y l i n d e r s w i t h l o a d ．T h i s d e s i g n o f t h e e x i s t i n g me c h a n i c a l l o c k s h o ws s o me a d v a n t a g e s s u c h a s mo r e c o n c i s e s t r u c t u r e ，e a s i l y p r o c e s s i n g a n d ma n u f a c t u r i n g，l o w c o s t ，h i g h e ffic i e n c y ．T h i s d e v i c e c a n a p pl y f o r a pa t e n t e d i n n o v a t i v e d e s i g n i nv e n t i o n． Ke y wo r d s Me c h a n i c al Hy d r a u l i c C y l i n d e r s ；T h r e a dl o c k i n g ；Ac c u r a t e P o s i t i o n i n g 78