（机械设计及理论专业论文）基于虚拟样机技术的双螺旋副旋转油缸结构参数设计与优化.pdf

摘要 摘要 旋转油缸是一种常用的液压装置，能把活塞的直线运动转变成旋 转运动并做功，目前广泛地应用于各行各业中，根据旋转油缸的应用 场合不一样，对旋转油缸的结构和性能要求也有所不同。在旋转油缸 的传统设计过程中，设计人员主要根据自己以前的经验，结合前人的 经验公式和设计参数来进行产品的具体设计，这样很难实现旋转油缸 的优化设计。为了降低设计成本，缩短设计周期，本文把虚拟样机技 术应用于旋转油缸的设计和研究中。 本文借助于虚拟样机技术，结合p r o e 的三维实体造型和运动学 仿真功能、a d a m s 的动力学仿真功能以及a n s y s 的静力学分析功能， 对旋转油缸进行了设计与研究。首先利用p r o e 软件实现了3 6 0 度双 螺旋副旋转油缸的三维物理建模和虚拟装配，并对装配模型进行了干 涉检查和运动学分析。结合装配实体模型，建立了3 6 0 度双螺旋副旋 转油缸的多体动力学模型，并进行了动力学分析，仿真结果与理论计 算结论基本一致，验证了虚拟样机模型的合理性和正确性。研究了不 同牙形角参数时输出螺杆的旋转特性和轴承受力特性。建立了有限元 静力学分析模型，研究了3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的关键零件的应 力、应变特性，为油缸的结构设计和优化提供了可靠依据。最后搭建 了3 6 0 度双螺旋副旋转油缸实验平台，进行了实验验证研究，验证了 研究结论的正确性，达到了预期的研究目标。本文中所使用的设计思 维和方法对启迪其它产品的开发研究也有一定的意义。 关键词：双螺旋副旋转油缸，虚拟样机技术，动力学仿真，有限元分 析 中南人学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r c t a so n eo fh y d r a u l i cd e v i c e si nc o m m o nu s e ，r o t a t i n gh y d r a u l i c c y l i n d e rc a nt r m s l a t el i n e a rm o t i o no fm ep i s t o ni n t or o t a 眄m o v e m e n t a n dd ow o r k ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di na l lw a l k so f1 i 佗，t h e r ea r e d i 艉r e n tr e q u i r e m e n t so ft h es t l l j c t u r ef - o n na n dp e r f o 咖a n c ef o rd i 仃e r e n t a p p l i c a t i o ns i t u a t i o n s ，i ti sd i 所c u l tt oa c h i e v eo p t i m a ld e s i g no fr o t a t i n g h y d r a u l i cc y l i n d e rb yu s i n gt i a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ， f o ri nt h e 仃a d i t i o n a l d e s i g n ，t h ed e s i g n e r 埘m 撕l yo nm eb a s i so fp a s td e s i 印 e x p e r i e n c e ，c o m b i n e dw i t hal a r g e 咖m b e ro fe m p i r i c a lf o m u l aa n dt h e d e s i g l lp a r a m e t e r sf o rt h es p e c i f i cd e s i g l l t h i sp a p e r 印p l i e st h e n u a l p r o t o 够p i n gt e c h n o l o g yt od e s i g nt h er o t a t i n gh y d r a u l i cc y l i n d e rf o r s o l v i n gt h ei s s u e si nt h et r a d i t i o n a ld e s i g n ，w h i c hi sl o n g e rd e s i g nc y c l e a n dh i 曲e rc o s t b a s e do nt h ev 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 i nt h i sp a p e rs t u d i e s t h eo p t i m a l d e s i g no ft h er o t a t i n gh y d r a u l i cc y l i n d e r w i t ht h ec a d c a e c a mf e a t u r e _ b a s e dm o d e l i n gt o o lo ft h ep r 0 厄( p r o e n g i n e e r 1 m e c h a n i c a ld y n a m i c ss i m u l a t i o ns o r w a r e ，a1 ) a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i sm e c h a n i c a ls y s t e m ) a n d t h ef i n i t ee l e m e n ts o r w a r eo fa n s y s f i r s to fa l l ，t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h er o t a t i n gh y d r a u l i cc v l i n d e r i sb u i l tu pa n da c c o m p l i s h e di t sv i n u a ja s s e m b l i n gw i t ht h es o r w a r eo f p r o e ，v a l i d a t i n gt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e lb yd o i n gk i n e m a t i c s a n a l y s i s t h em u l t i b o d yd y n a m i c sm o d e lo f3 6 0 d e g r e e so f d o u b l es c r e w p a i ro fr o t a t i n gh y d r a u l i cc y l i n d e ri sb u i l tu pb yu t i l i z i n gt h ea d a j s s o r w a r ea n dm a k ear e s e a r c h ，t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni ss i m il a rw i t h c a l c u l a t i o ni nt h et h e o r y 、，e r i 矽t h ec o r r e c t n e s so ft h ev i r t u a lp r o t o t y p e s t l j d yt h eo u t p u ts c r e wr o t a t i o na n db e a r i n gl o a dc h a r a c t e “s t i c sw i t h d i n e r e n tt o o t h e d s h a p e da n g l e b a s e dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h ef e a s t a t i ca n a l y s i so ft h ek e yp a i r t so ft h er o t a t i n gh y d r a u l i cc y l i n d e r ，i sm a d e w i t ht h ef e as o r w a r e 。a n s y s t h e s ea n a l y s i sp r o v i d et h et h e o r yf o rt h e s t l l j c t u r a l d e s i g na n do p t i m j z a t i o n i nt h ee n d ，t h er o t a t i n gh y d r a u l i c c y l i n d e re x p e r i m e n ti sc a 爪e do u tf o rv e r i 毋i n gt h ec o l l r e c t n e s so fd e s i g n a n dr e a c h i n gt h ed e s i g ng o a l t h em e t h o da n dt h e o 哆u s e di nt h i sp a p e r 中南大学硕上学位论文 a b s t r a c t c a na l s ob eu s e di no t h e rp r o d u c t sd e s i g na n dr e s e a r c h k e yw o r d s ：d o u b l es c r e wp a i ro fr o t a 巧h y d r a u l i cc y l i n d e r ，n u a l p r o t o 妙p i n gt e c h n o l o g y d y n a m i c sa n a l y s i s ，f e a 中南大学硕j ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论 新产品的开发涉及到众多的学科领域，在传统的设计方法中，设计者难以实 现各学科的融合，一种新产品的研发，按照传统的设计模式，设计人员主要根据 自己以前的经验，结合前人的经验公式和设计参数来进行产品的具体设计，这样 很难实现产品的优化设计，从而制约了新产品的开发和产品质量的提高【l 】，增 加了新产品研发的时间和成本，造成了我国机械产品在结构和功能方面的应变性 不足，从而在市场上的竞争力减弱。为了降低产品的设计成本，缩短设计周期， 提高产品的在造型、结构和功能方面等在市场上的适应能力，必须采用新的设计 方法来解决传统设计中存在的问题。本文把虚拟样机技术应用于旋转油缸的设计 和研究中，力图改进传统设计方法中存在的不足。 1 1 课题的研究背景与意义 1 1 1 课题的研究背景 旋转液压缸是一种能把活塞的直线运动转变成旋转运动并做功的液压元件， 广泛地应用于机器人、机械臂、液压钻机、凿岩机、隧道多臂台车、起重机、铲 运机和挖掘机等大中型工程机械中瞳1 ，目前美国h e l a c 公司的l l o 、2 0 、3 0 系 列旋转液压缸，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 公司生产的旋 转液压缸。“，广泛应用于生产领域中的各种类型机械中。例如图1 1 中运用摆 动液压缸驱动挖掘机斗铲按斜坡的坡度转动n 1 ；图1 2 中h k s 摆动液压缸驱动 起重机舱体瞄1 ；图1 3 中压土机，运用摆动缸实现附件定位、提升及下降；图 1 4 中借助于摆动液压缸船尾过道得以延伸；图1 5 中借助于h k s 摆动液压 缸，深孔锤的钻杆可以转向任何位置。图1 6 中清洗刷的准确定位使防护栏的 清洗更为便利可行。另外在高空作业平台、海上钻油平台、车站码头集装设备等 等多方面旋转摆动液压缸的应用都极大地提高了工作效率，但是产品的专利和生 产技术主要掌握在国外的制造生产商手中。 图1 一l 图1 2图l 一3 l 中i 萄人学坝i j 学位论文第一章绪论 图1 4图1 5图1 6 在旋转油缸的传统设计过程中，设计人员通常是按照任务书上产品的结构和 性能参数，结合前人和自己存设计油缸工作时的工作经验，应用前人的经验公式 和各种设计系数，来进行产品的设计，传统的设计流程如图1 7 所示。 任务f 0 传动方案的确定 运动和动j 参数计算 液门i 缸零部件的设计 零部件耐赢度校核 n y ， 液压缸附件选川的设计 零件图、装配图的绘制 样机加丁、一降能测试 n y ， 整机加丁生产 图1 7 液压缸传统设计流程图 在传统的设计过程。卜j ，t 要面临如卜m 与难以解决的问题： ( 1 ) 设计者要研究所设计产r 铺的陀能，就必须制造出实际的产品，如果婴修 改设计参数，就得晕新制造，这就造成了 | _ 1 了：单个产品的制造成本较高、 周j l j 较长，使得产：t 1 “n 设计名和公t 1 j 4 i 愿意修改局部存存的不足，从j f i j 使得所设计的产t 澎变能力棚埘较差，存f 丁场上也就缺乏竞争力，限制 了汕缸设计质量的提高。 ( 2 ) 同个，_ r l n j 改计f 门人员的天系密切。设计人员f ：同，设汁来的，古： - 计陀能电就l l j 能小川川，这足l | f j ：设汁嚣主嘤依椎自l 以往的砹i 。心甜 中南人学硕十学位论文 第帝绪论 和经验公式束进行设计，从而导致产品质量的参差不齐洳1 。 ( 3 ) 在传统设计过程中，为了保证产品的安全可靠，在设计时所取安全系数 比较高，造成了一些不必要的浪费。 因此，要避免传统设计方法出现的这些问题，必须采用新的设计方法，对旋 转油缸来进行设计。因此，将虚拟样机技术应用于旋转油缸的设计，通过对旋转 油缸的虚拟样机进行动力学特性分析，进而对旋转油缸进行优化设计研究。采用 这种新的设计方法可以有效解决一些传统设计中出现的问题。 随着计算机应用技术的发展，虚拟样机技术的广泛使用，人们对虚拟样机技 术的认识不断深入。虚拟样机技术是一种基于终端产品的计算机仿真模型的数字 化设计方法。虚拟样机可以直接反映实际产品的特性，包括外观、空间关系等， 利用这项技术，产品设计人员可以直接在计算机上建立产品系统的的虚拟样机， 同时又可以通过三维可视化处理，模拟出产品在真实环境下的特性，进而来进行 新产品的研究开发，并根据仿真结果来优化产品系统n 1 ，提高产品的设计质量。 在小空间的应用场合，从制造成本和使用方便的角度来考虑，今后旋转油缸 的设计主向结构紧凑( 体积小、重量轻) ，承载能力大，传动效率高，降低制造 和使用成本这些方向发展。 1 1 2 课题的研究意义 某公司从国外购置的凿岩台车是生产的关键设备，此凿岩台车的关键部件一 大臂旋转油缸属于易损件，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，国产凿岩机大多采用直线油缸驱动回转机构实现旋转功能， 回转半径大且机构笨重，采用这样的方案进行国产化改造根本行不通，而国内可 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，因此，对该设备易 损件进行国产化研究势在必行，矿方拥有该凿岩机易损件的符合我国国家标准和 生产能力的整套设计图纸后，就可在最大自主选择范围内自行制造或委托国内厂 家生产合格的产品，从而显著降低生产成本，提高企业经济效益。 传统的设计方法，是利用经典的理论，首先建立系统的动力学方程，然后进 行求解，这种方法是对实际模型的一个高度简化，对技术人员的要求比较高，设 计过程也不直接，由于不能同时考虑多因素的影响，故设计难以实现参数化，不 能满足现代设计的要求，通常也只是用在理论设计的研究中。 目前使用虚拟样机技术的对旋转油缸的殴计研究非常少，与传统设计方法相 比，利用虚拟样机模型，能在设计初期对旋转油缸的性能进行一系列的分析研究， 优化结构参数，能较好地提高旋转液压缸的设计质量，缩短设计者的开发设计时 问和设计成本。本文中所使用的设计思维和方法对启迪其它产品的丌发研究也有 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 一定的意义。 1 2 国内外研究现状综述 旋转液压缸是一种利用高压油直接驱动活塞杆体或活塞缸体作纯旋转运动 的液压元件，实现机器运动部件在重载下的大角度旋转，具有占位空间小、回转 精度高的显著特点。目前，国内生产的大型工程机器为了实现其某些运动部件在 重载下的大角度旋转，一般都是采用带齿条的直线活塞缸驱动齿轮的方式，存在 结构大、响应慢、反向间隙大且控制精度不易提高等问题；或采用叶片式液压缸， 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，且旋转角度均 不超过3 0 0 度。国内曾于1 9 9 5 年有过一项名为“螺旋回转油缸”的专利，1 9 9 9 年，石延平口1 等人提出了几种螺旋回转变幅机构的结构形式，国内其它类似如 “螺旋回转油缸 都只有理论描述，没有实际具体的设计，国内市场上也没有这 样产品，因此，也没有能够设计生产相关产品的厂家。旋转角度超过3 6 0 度的液 压缸是目前我国在这方面的一项空白。 进口的工程机器设备较广泛的采用了技术更先进、性能更优越的旋转液压 缸，该类液压缸均是在缸内采用螺旋槽传动。与齿条式旋转液压缸和叶片式液压 缸相比较，其承载能力高，传动精度高，驱动平稳，寿命长，而且传动效率不低。 目前仅有美国、挪威、同本等少数几个国家可以生产。 从工程装备的发展趋势来看，作为其关键部件的旋转油缸应朝着以下几个方 面发展： ( 1 ) 承载能力高 ( 2 ) 传动效率高 ( 3 ) 回转精度高 ( 4 ) 寿命长 液压缸的种类繁多，按结构形式可分为活塞缸、柱塞缸、伸缩缸和摆动缸。 活塞缸、柱塞缸和伸缩缸实现直线的往复运动，输出推力和速度。活塞缸按活塞 杆形式又可分为单活塞缸和双活塞缸；摆动缸则能实现回转摆动，输出转矩和角 速度。 按供油方式液压缸又分为单作用缸和双作用缸，单作用缸只往缸的一侧输入 油压，活塞只做单向出力运动，回程靠重力、弹簧力或者其他外力；双作用缸分 别向缸的两侧输入压力油，活塞的正反运动均靠液压力柬完成。 液压缸除了单个使用外，还可以几个组合起来或和其他机构组合起来，已完 成特殊的功用，称为组合缸，其按特殊用途又可分为串联缸、增压缸、增速缸、 多位缸、数字控制缸等。常用的典型油缸盯刚有： 4 中南人学硕 ? 学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 活塞缸 - l 凡 - i ( 2 ) 增压缸 ( 3 ) 柱塞缸 ( 4 ) 伸缩式液压缸 c b ) 图l 一8 活塞缸 图l 一9 增压缸 1 缸筒2 枉塞3 导向套4 密封圈5 压盖 图1 一l o 柱塞缸 5 一 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 p 骨 田时 图1 1 1 伸缩式液压缸 摆动液压缸又称摆动液压马达，它是输出轴能作往复摆动的液压执行元件， 输入量是压力和流量，输出量是转矩和角速度、角位移( 摆角) ，它的旋转角一 般小于3 6 0 。摆动液压缸最突出的优点是：无需任何变速机构就可以使负载从 直线运动直接获得往复摆动运动( 旋转运动) ，它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、角位移。它是把压力能转化成扭矩能虽合理最 紧凑的装置，扭矩与重量尺寸比值很高。 螺旋摆动液压缸是一种利用大螺旋升角的螺旋副实现旋转运动的特殊液压 缸阳1 。这种液压缸体积小、重量轻、结构紧凑。与叶片式摆动马达相比，它输 出转矩大，容积效率高。特别是它的摆动范围可以大于3 6 0 。因此，对于需要 低速大角度的摆动机构来说，是一种理想的选择。本文所要研究的即是这种液压 缸。 1 3 本课题来源及研究内容 本课题的研究得到“教育部重点研究项目：旋转液压缸内动边界面参数化匹 配设计研究”的支持，以“旋转液压缸的的结构设计”为背景，针对某公司从国 外进口的关键生产设备一一凿岩台车的关键易损部件旋转油缸进行设计研究。 本文把虚拟样机技术应用到3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的设计优化中，通过新 的设计方法，结合传统的设计方法，取长补短，最大程度上解决在传统设计过程 中出现的难题。 基于虚拟样机技术的旋转液压缸的设计流程如图1 一1 2 所示： 主要分为以下几个阶段： ( 1 ) 根据任务要求，确定虚拟样机的设计方案； ( 2 ) 零部件三维c a d 设计、整机装配，建立其虚拟样机； ( 3 ) 零部件、子系统数字仿真及其性能测试分析； 6 中南大学硕：学位论文第一章绪论 一一r ；一 f 整机加工生产) k 一 囹l l2 基于虚拟样机技术的3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的设计流程图 根据如图1 1 2 所示的设计流程，在三维造型软件p r o e 、机械系统动力 学仿真软件a d a m s 和有限元分析软件a n a s y s 的联合上，对3 6 0 度双螺 旋副旋转油缸进行了结构参数设计与优化研究，由于时间比较紧，本文只抽 取了“双级螺旋副”这一子系统来进行了分析研究，主要丌展了以下几个方 面的研究： ( 1 ) 理论设计了3 6 0 度双螺旋副旋转油缸，研究旋转液压缸的承载能力与其 结构之间的关系。基于特征造型理论，实现3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的 三维建模与虚拟装配，得到旋转液压缸的零部件、子系统及整机的三维 实体模型。 ( 2 ) 在三维实体模型的基础上，利用a d a m s 软件建立了3 6 0 度双螺旋副旋 转油缸的虚拟样机，仿真研究旋转液压缸运转的平稳性与结构参数之间 及承载能力与油压、传动效率之问的关系。仿真得到的旋转液压缸工作 过程中的螺旋副的接触力及轴在轴承处所受的支反力的大小，为下一步 进行关键零部件的有限元分析提供了条件。 ( 3 ) 应用有限元软件对3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的关键零部件进行有限元的 静力学分析，得到相应的应力、应变图，为下一步的优化设计提供参考。 ( 4 ) 实验验证整圈旋转液压缸的承载能力与油压、传动效率之问的关系。 论文的结构如图l 1 3 所示： 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 。，曼型 2 3 6 0 反双螺旋副旋转油缸结构设计及运 动学分析 jj 3 基于a d a m s 的3 6 0 度双螺旋 4 3 j o 度双螺碡副旋转油缸关l i 副旋转油缸的动力学分析键零件的有限元分析 5 3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的实验研究 图l 一1 3 论文的结构 8 中南大学硕l ：学位论文第二章3 6 0 度双螺旋剐旋转油缸的结构设计及运动学分析 第二章3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的结构设计及运动学分析 螺旋摆动油缸主要用于钻车摆动式变幅机构或推进器的翻转机构，其摆动角 度一般不大。这主要是螺旋摆动油缸采用大升角螺旋副来输出回转运动，当回转 角度越大，油缸的轴向尺寸就越大。但这种油缸最大的特点是：结构紧凑，便于 布置，而且工作稳定可靠。进口凿岩台车的关键部件一大臂旋转油缸属于易损件， 体积较大，且输出扭矩较低，进口原装易损件的价格昂贵且订货周期长，国产凿 岩机大多采用直线油缸驱动回转机构实现旋转功能，回转半径大且机构笨重，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，因此，对该设备的易损件进行国产化研究是很 有意义的。 2 1 螺旋油缸结构形式的选择 由于在凿岩台上的旋转油缸要求体积小，结构紧凑，便于整机布置。因此如 何合理地选择旋转油缸的结构形式很关键。螺旋副在传动过程中，分为两种运动 形式：一是将螺杆固定，螺母在螺杆在作旋转伸缩运动，二是将螺母固定，螺杆 沿螺母作旋转伸缩运动。但是无论是哪种形式，当要获得大的旋转角度，就必须 增大油缸的工作行程，这就使得整个油缸的尺寸变大。常见的油缸的结构形式有 如下几种3 ： 2 1 1 非圆活塞式摆动液压缸 图2 一l 所示为非圆活塞式摆动液压缸的结构示意图。 1 缸体2 转动套3 螺旋棒4 活塞 图2 1 非圆活塞式摆动液压缸 这种旋转油缸，当活塞在液压力的作用下，既可以做直线运动，同时又作转 动，旋转运动最终通过活塞的非圆表面及转动套来输出。这种结构的优点在于： 油缸的轴向尺寸小，但是非圆活塞的内外表面加工复杂，需要采用数控加工，要 求精度很高，所以制造成本也相应很高。 9 中南人学硕十学位论文第二章3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的结构设计及运动学分析 2 1 2 花键活塞式摆动液压缸 图2 2 为花键活塞螺旋摆动液压缸的结构示意图。 1 法兰盘2 缸体3 转动套4 活塞5 螺旋棒 图2 2 花键活塞式摆动液压缸 这种旋转油缸，当活塞受到液压力的作用沿螺旋棒作直线运动时，同时也进 行转动。这种结构的的优点是结构简单，加1 ：起来比较容易，但当旋转角度大于3 6 0 。时， 活塞的工作行程就大于一个导程，所以最大的不足是轴向尺寸大。 2 1 3 带导向杆式螺旋摆动液压缸 图2 3 为带导向杆式螺旋摆动液压缸结构示意图。 1 缸体2 导向杆3 活塞4 螺旋棒 图2 3 带导向杆式螺旋摆动液压缸 这种旋转油缸的优点也是结构简单，便于加工。但由于导向杆穿过活塞，使 活塞有效受压面积变小了，从而在传递相同转矩时油缸的径向尺寸就得增大，所 以缺点是油缸的径向尺寸大。 2 1 4 双螺旋摆动液压缸 图2 4 为双螺旋摆动液压缸结构示意图。 1 缸体2 螺母3 活塞4 输出螺杆 图2 4 双螺旋摆动液压缸 l o 中南人学硕：i ：学位论文第一二章3 6 0 度双螺旋剐旋转油缸的结构设计及运动学分析 螺母直接固定在缸体上，两级螺旋副的螺旋方向相反，导程相等，输出螺杆 的螺旋升角大于螺母的螺旋升角。当活塞作直线和旋转运动时，通过两级螺旋副 螺纹牙的啮合作用，驱动输出螺杆进行转动。如两处螺旋升角相等，输出螺杆的 导程小于螺母的导程，此时当活塞旋转一周时，输出螺杆的旋转角度将超过3 6 0 度m 。 这种旋转油缸结构的特点是结构紧凑，输出转矩大。本次所设计的3 6 0 度双 螺旋副旋转油缸也是参照图2 4 所示的结构来进行设计。 2 23 6 0 度双螺旋副旋转油缸的工作原理和主要参数确定 2 2 1 液压缸的工作原理分析 3 6 0 度双螺旋副旋转油缸如图2 5 所示，主要由输出螺杆、活塞、空心螺杆、 螺母、缸体、圆柱滚子轴承、定位板、轴套、塞子、前后端盖、各密封件等零件 组成，通过双级螺旋副，将进口的油压压力转换成扭矩输出，将直线运动转换成 旋转运动并输出。通过调整进油口和出油口的油压，即可实现输出螺杆的正转和 反转运动，并实现3 6 0 度旋转。 1 输出螺杆2 缸体3 活塞4 空心螺杆5 螺母 图2 5 旋转液压缸的整体结构 旋转油缸内部，通过密封圈及空心螺杆上的塞子，分成前后两个独立的空 腔。当p l 口作为进油口，p 2 口作为出油口时，即旋转油缸左腔的压力大于右腔 的压力时，活塞被推动向右运动，活塞与空心螺杆通过螺纹副紧固连接，由于空 心螺杆与螺母的啮合作用，活塞与空心螺杆作直线逆时针旋转运动( 从左向右看， 这个决定于螺旋副的旋向。) 。而此时活塞与输出螺杼也是通过一个螺旋副进行啮 合( 螺旋方向与空心螺杆与螺母的螺旋副相反) ，活塞的旋转运动传递给了输出 螺杆，同时活塞的向右直线运动也带动输出螺卡t 作逆时针旋转运动( 从左向右 看) ，通过两级螺旋副的放大作用，从则活塞只需要较小的工作行程，就可以获 得较大的输出旋转角度。反之，当液压油右腔压力大于左腔压力时，液压缸输出 螺杆的运行方向相反。如此，通过控制两边油口的压力差，就可以控制旋转油缸 中南大学硕上学位论文第二章3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的结构设计及运动学分析 输出螺杆的旋转方向，实现设计要求。 2 2 2 液压缸的液压参数分析 图2 6 为旋转油缸的输出转矩计算简图。旋转油缸的活塞为螺母，施加于 螺母上的液压力p 必须克服螺旋棒对螺母正压力n 的水平分力e 、摩擦力蛳的 水平分力五，才能推动活塞沿螺旋线方向转动或使螺旋棒转动口一4 1 。 由静力平衡的原理得： 图2 6 转矩计算简图 p = e + e = c o s 口+ s i n 口= ( c o s 口+ s i n 口) ( 2 一1 ) 即为 = 尸( c o s 口+ s i n 口) 使活塞或螺旋棒旋转的圆周力正及阻力正分别为： 其扭力为： 五= s i n 口 瓦= c o s 口 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 丁= 五一五= ( s i n 口一c o s 口) ( 2 5 ) 用碣表示螺旋棒的平均直径，则旋转油缸的输出转矩为： 1 2 中南大学硕j ：学位论文第二章3 6 0 度双螺旋剐旋转油缸的结构设计及运动学分析 m = 丁孚= ( s i n 口一脚s 口) 孚 c 2 6 ， 将式( 2 5 ) 代入上式，则得： m 印磐半罢鲁：粤x 警羔：争卿刊：华卿刊( 2 _ 7 ) c o s 口+ s i n 口 22 l + 坟口 2 。、7 2 。、7 式中口螺旋升角 p 螺旋副的摩擦角 s 活塞的有效受压面积 p 液压缸中油的压力 上式仅仅是考虑了螺旋副的摩擦损失，在用它计算旋转油缸的实际输出转矩 时，还应该考虑液压缸中另一腔中的的反压影响以及轴承等其他机械摩擦损失所 令式( 2 7 ) 中的p = o ，就可以得出旋转油缸的理论输出转矩： m ：烈枇 ( 2 8 ) 螺旋副的机械效率1 1 为液压缸的实际输出转矩与理论转矩之比即： 刁：挚：堡! 竺二2 1 ( 2 9 ) 栌甄2 产 眩_ 9 ) l = 冗d 、l g a d ：丝堡：o 9 5 5 础s 2 刀l o 式中上液压缸螺纹的导程 s 液压缸活塞面积 缈要求输出的角速度 g 理论所需流量 ( 2 一l o ) ( 2 1 1 ) 2 2 3 螺纹副的类型及螺纹参数 对于传动螺旋副的类型，按螺纹牙形束分，则主要分为梯形、锯齿形、矩 形和渐丌线等几种，在f | 常应用中，梯形最为常用，从加工的角度考虑，在本次 设计中选择梯形螺纹柬进行设计。对于传力螺旋，螺旋副的主要失效形式是螺旋 中南大学硕： 学位论文第二章3 6 0 度双螺旋剐旋转油缸的结构设计及运动学分析 表面的磨损、螺杆的拉断( 或受压时丧失稳定) 或剪断以及螺纹牙根部的剪断和 弯断。在实际的设计过程中，通常以耐磨性计算和强度计算来确定螺旋副的主要 尺寸参数【1 2 1 引。 对于传动螺旋，主要是由于磨损而产生的间隙或变形造成运动精度下降， 从而失效。设计者在设计时应以螺纹的耐磨性计算和螺杆刚度计算。来确定螺旋 副的主要尺寸参数l 眇j 。 螺纹的主要参数：大、中、小径、螺距、导程、螺旋线数、螺旋升角，牙形 角、旋向等。标准螺纹参数可以根据国家的相关标准来进行设计，首先根据初 步计算出来的公称直径按照有关标准来确定其值，然后确定出螺杆和螺母的的螺 距，再根据已有的两个参数再确定螺纹的线数，根据公式： ，s 印 t a i l l 口= = 一 冗d趸d 旋转油缸为了获得比较大的旋转升角，一般采取多线数螺纹，螺纹的其它参 数随之都可以计算出来。 根据厂方的要求，旋转液压缸的主要技术要求见表2 一l 。 袁2 1 厂方主要技术要求 2 2 4 双级螺旋结构设计 螺旋副的设计是旋转油缸设计的关键所在，考虑到要使其体积小，结构紧凑， 输出力矩大，因此在此采用双级螺旋副结构，两级的螺纹升角设计为一样，空心 螺杆的导程大于输出螺杆的导程，这样当空心螺杆连同活塞旋转一周时，通过双 级螺旋副的放大作用，输出螺杆的转动范围就大于一周，这样活塞只需要较小的 工作行程，输出螺杆就可以得到较大的输出旋转角度，从而实现设计要求。 ( 1 ) 第一级螺旋副的设计 基于旋转缸体积小、结构紧凑，承载能力强，旋转角度大的要求1 2 0 】： 输出螺杆材料选择：3 8 c r m o a l 活塞材料选择：z c u s n lo p b l 两种材料的力学性能见表2 2 、表2 3 。 1 4 中南大学硕上学位论文 第二章3 6 0 度双螺旋刨旋转油缸的结构设计及运动学分析 抗拉强度ob ( m p a )屈服强度o 。( m p a ) 3 3 0 1 7 0 螺纹牙选用梯形螺纹，牙形角3 0 。，螺旋升角1 2 1 1 参阅国内外类似的产品， 从理论上分析，旋转升角越大越好，但是从实际应用角度分析，旋转角的增大， 将使得旋转油缸的结构变大；从加工难度上来说，螺旋角越大，加工难度也将变 大；还要综合考虑螺纹线数的问题，所以暂取5 0 。来进行设计。螺旋副啮合如 图2 7 所示： l j 一+ 一叫， i7 ，卜 ：尸、 ，f 一、( ：j 、， - 一一o j - 一 i j j - 一。 、一i- 一i 图2 7 螺旋副啮合示意图 公称直径d ( 单位所垅) 的估算： 。捂圳s s 删 c 2 吨， 式中t j 为计算转矩，t = 尺丁，丁为负载转矩，k 为修正系数，取k = 1 2 ， 【_ r 】为许用剪切应力。取螺纹公称直径d = 3 2 5 咖，螺距尸= 5 咖，初步确定各参 数如下： d ( 外螺纹大径) 3 2 5 研所 p ( 螺距) 5 所所 中南人学硕士学位论文第二章3 6 0 度双螺旋副旋转油缸的结构设计及运动学分析 q ( 牙顶间隙) o 5 所聊 q ( 基本牙型高度) q = o 5 p = 2 5 聊朋 呜( 外螺纹牙高) 见( 内螺纹牙高) z ( 牙顶高) 畋( 外螺纹中径) d 2 ( 内螺纹中径) 吃= 日l + 口。= o 5 p + 口。= 3 m 研 日4 = 日l + 口。= 0 5 p + 口c = 3 m m z = 0 2 5 尸= 片l 2 = 1 2 5 研聊 d 2 = d 一2 z = d o 5 p = 3 0 肌研 砬= 吐= 3 0 m 所 碣( 外螺纹小径) 碣= d 一2 呜= 2 6 5 朋所 d l ( 内螺纹小径) d l = d 一2 h l = d 一尸= 2 7 5 朋所 d ( 内螺纹大径) d = d + 2 口c 2 3 3 5 m 所 6 ( 牙根部宽度) h ( 螺母高度) 旋合圈数刀为： 6 = o 6 5 p = 0 6 5 5 = 3 2 5 脚m 2 0 坍坍 h 刀= = 4 p 当取螺纹头数n = 2 2 ，则螺旋升角口为： 口：a r c 伽堕：4 9 。4 1 7 r 畋 导程s 为： s = 刀p = 1 l o 朋坍 耐磨性校核： 螺纹中径： 工作压强： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) 梢岳瑙沈c 聊一c 肌肌， c 2 嗡， 1 6 中南大学硕l 学位论文 第二章3 6 0 度双螺旋剐旋转油缸的结构设计及运动学分析 p ：；一；1 0 9 ( 册m 2 ) 硒g i db o d i e s c r e a t e a u t o m a t i c ，利用自动模式生 成a 洲s 仿真所需的刚体模型。创建好的信息如下： n 啪b e ro fd e 丘n e dr i g i db o d i e s ：4 i u g i d b o d y 一 t h eg r o u n d i d c o m p o n e n t s m 百d b o d y id c 0 m p o n e n t s l p a r t 墨 邑 盖 图