楊 紅，畢 雷，陳文斌，張敏樹

（武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

液壓傳動的執(zhí)行元件主要有液壓馬達(dá)和液壓缸兩大類型，在液壓作用下分別實(shí)現(xiàn)正反旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或往復(fù)直線運(yùn)動，但在很多應(yīng)用中需要上述兩種運(yùn)動的復(fù)合形式，即旋轉(zhuǎn)推進(jìn)［1－2］.目前的旋轉(zhuǎn)油缸或擺動油缸，都只能實(shí)現(xiàn)液壓作用下的一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)的活塞軸或缸體的轉(zhuǎn)動，多用于旋轉(zhuǎn)定位功能，而不能實(shí)現(xiàn)具有一定負(fù)載能力的旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合運(yùn)動.而在實(shí)際使用中，具有負(fù)載能力的旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)，都需要相互獨(dú)立的驅(qū)動機(jī)構(gòu)組合使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐雜［3－6］.

針對上述應(yīng)用問題，將液壓馬達(dá)和液壓缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸，可在單一缸體內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有負(fù)載能力的往復(fù)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動.

1 旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.液壓缸由缸體、端蓋、工作軸、定子、轉(zhuǎn)子、配油盤等組成，定子外緣與缸體內(nèi)表面緊密配合，以取代油缸活塞，轉(zhuǎn)子與工作軸相連接，定子、轉(zhuǎn)子的兩端對稱設(shè)置有配油盤［7－8］.液壓油進(jìn)入缸體，一部分流量作用在配油盤端面所形成的活塞面上，使活塞作往復(fù)運(yùn)動；另一部分流量通過配油盤上的開孔進(jìn)入定子、轉(zhuǎn)子所圍成的封閉空間，推動轉(zhuǎn)子帶動活塞桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.具體的方案是缸體18內(nèi)部設(shè)置有定子6、轉(zhuǎn)子5、配油盤（4、7）、輔助軸連接塊9和定位銷10，其特征在于所述的定子6外緣與缸體18的內(nèi)表面緊密配合，所述的定子6、配油盤（4、7）、輔助軸連接塊9和輔助軸13通過定位銷10連接成一個(gè)整體形成定子模塊，缸體18內(nèi)壁上設(shè)置有限轉(zhuǎn)滑道17與定子模塊相配合，以限制定子模塊轉(zhuǎn)動，所述的轉(zhuǎn)子5與工作軸1固定連接為一個(gè)整體，其連接處的兩端同時(shí)通過一對平面推力軸承（3、8）以及鎖緊螺母15與定子模塊連接成一體.

按上述方案，工作軸1和輔助軸13分別外伸到缸體18的兩端并與缸體兩側(cè)端蓋相配合，輔助軸上還連接有輔助軸限轉(zhuǎn)塊12以限制定子模塊的轉(zhuǎn)動，克服工作軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反作用力矩.

圖1 旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structural schematic of Rolling ＆ Propulsive hydraulic cylinder

2 旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 工作原理

旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合運(yùn)動的原理如圖2所示：液壓油由平衡軸端進(jìn)入到缸體中，進(jìn)入缸體的液壓油和套筒接觸，而在套筒的通油孔裝有單向閥，當(dāng)液壓力大于彈簧的彈力時(shí)，此時(shí)單向閥是導(dǎo)通的狀態(tài)，液壓油會進(jìn)入配油盤，再通過配油盤進(jìn)入定子與轉(zhuǎn)子組成的空腔內(nèi)，使轉(zhuǎn)子相對于定子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.轉(zhuǎn)子通過花鍵帶動執(zhí)行軸相對于定子做相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.而定子、配油盤、套筒、平衡軸通過定位銷、螺紋等的連接，它們在液壓力的作用下做絕對往復(fù)運(yùn)動，所以執(zhí)行軸可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和往復(fù)的復(fù)合運(yùn)動.

圖2 旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸的工作原理Fig.2 Schematic work of Rolling ＆ Propulsive hydraulic cylinder

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

（1）本旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，將傳統(tǒng)液壓馬達(dá)和液壓缸兩種執(zhí)行元件的特點(diǎn)結(jié)合起來，以液壓馬達(dá)的主要運(yùn)動部件取代液壓缸體內(nèi)的活塞部分，在同一液壓源的作用下，可實(shí)現(xiàn)活塞桿的往復(fù)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動.

本新型液壓缸的壓力油通過兩側(cè)端蓋上開設(shè)的進(jìn)、出油口，一部分流量作用在配油盤端面所形成的活塞面上，使活塞作往復(fù)運(yùn)動；另一部分流量通過配油盤上的開孔進(jìn)入定子、轉(zhuǎn)子、葉片所圍成的封閉空間，推動葉片，并由轉(zhuǎn)子帶動工作軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.如此，在同一液壓源的作用下，可實(shí)現(xiàn)工作軸的往復(fù)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動.

（2）由于復(fù)合運(yùn)動基于同一液壓源，缸內(nèi)的液壓油可自動實(shí)現(xiàn)柔性的流量分配，使油缸輸出的旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動具有彈性進(jìn)給和能量互補(bǔ)的優(yōu)良的自適應(yīng)特性.當(dāng)進(jìn)給阻力增大，液壓隨之增大，從而提高液壓馬達(dá)的扭矩；當(dāng)阻力減小，扭矩下降，達(dá)到節(jié)能目的.

流量分配特性：如圖1所示，旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸包括有缸體18、工作軸1和輔助軸13，缸體18的兩側(cè)分別設(shè)置有后端蓋14和工作軸端蓋19，所述的工作軸1和輔助軸13分別外伸到缸體18的兩端并與缸體兩側(cè)端蓋相配合，所述缸體內(nèi)部設(shè)置有定子6、轉(zhuǎn)子5、以及一對配油盤（4、7），一對配油盤（4、7）對稱設(shè)置于定子6和轉(zhuǎn)子5的兩端，將定子6外緣與缸體18的內(nèi)表面緊密配合，以取代活塞，所述的定子6、配油盤（4、7）、輔助軸連接塊9和輔助軸13通過定位銷10連接成一個(gè)整體形成定子模塊，缸體18內(nèi)壁上設(shè)置有限轉(zhuǎn)滑道17與定子模塊相配合，以限制定子模塊轉(zhuǎn)動，將轉(zhuǎn)子5的花鍵槽連接工作軸1，其連接處的兩端設(shè)置有平面推力軸承（3、8）和鎖緊螺母15與定子模塊連接；缸體兩側(cè)設(shè)有進(jìn)、出油口2和11.壓力油通過一端油口進(jìn)入工作腔后，總流量Q一分為二，流量Q1作用在進(jìn)油側(cè)配油盤的端面形成的活塞面上，使活塞作推進(jìn)運(yùn)動；流量Q2由配油盤上的開孔進(jìn)入定子6、轉(zhuǎn)子5所圍成的封閉空間，推動轉(zhuǎn)子5帶動工作軸1作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；通過兩端油口的切換操作，可控制活塞的往復(fù)方向.在單一缸體用兩條油路就實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與往復(fù)彈性進(jìn)給，自動切換的復(fù)合運(yùn)動.

輔助軸上還可以連接有輔助軸限轉(zhuǎn)塊12以限制定子模塊的轉(zhuǎn)動，與缸體18內(nèi)壁上的限轉(zhuǎn)滑道17一樣，用于克服工作軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反作用力矩，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可根據(jù)需要選擇其一或兩者并用.

（3）復(fù)合運(yùn)動可基于同一液壓源，也可進(jìn)一步通過分離油路實(shí)現(xiàn)往復(fù)推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的分別控制.

由于工作軸的旋轉(zhuǎn)與往復(fù)運(yùn)動基于同一液壓源，當(dāng)工作軸的旋轉(zhuǎn)扭矩負(fù)荷過大時(shí)，液壓力會自動調(diào)節(jié)推動活塞做往復(fù)運(yùn)動；當(dāng)推力相對于扭矩過大時(shí)，工作軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動就占主導(dǎo).因此，旋轉(zhuǎn)推進(jìn)液壓缸可以自行調(diào)節(jié)，在單一缸體內(nèi)僅用兩條油路來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)往復(fù)復(fù)合運(yùn)動的彈性進(jìn)給和能量互補(bǔ).通過巧妙的連接液壓馬達(dá)和液壓缸的執(zhí)行元件，使它們之間形成相對運(yùn)動，通過控制它們的相對運(yùn)動來控制執(zhí)行軸的運(yùn)動.

3 結(jié) 語

該液壓缸把兩種傳統(tǒng)的液壓執(zhí)行元件的功能全部集成一體，由缸體、端蓋、工作軸、定子、轉(zhuǎn)子、配油盤等組成，定子外緣與缸體內(nèi)表面緊密配合，以取代油缸活塞，轉(zhuǎn)子與工作軸相連接，定子、轉(zhuǎn)子的兩端對稱設(shè)置有配油盤.液壓油進(jìn)入缸體，一部分流量作用在配油盤端面所形成的活塞面上，使活塞作往復(fù)運(yùn)動；另一部分流量通過配油盤上的開孔進(jìn)入定子、轉(zhuǎn)子所圍成的封閉空間，推動轉(zhuǎn)子帶動活塞桿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.在單一缸體內(nèi)用兩條油路就能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與往復(fù)運(yùn)動的彈性進(jìn)給和自動切換.該項(xiàng)技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可廣泛應(yīng)用到機(jī)床運(yùn)動控制、掘進(jìn)工程、攪拌工程、油田鉆探開采等工程領(lǐng)域.該項(xiàng)技術(shù)已獲得實(shí)用新型專利，專利號為：ZL201120373786.3.

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