趙 紅

(山東輕工職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系 ，山東 淄博 255300)

新型螺旋自鎖緊液壓缸設(shè)計(jì)

趙 紅

(山東輕工職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系 ，山東 淄博 255300)

從液壓缸定位的機(jī)械式鎖緊發(fā)展趨勢出發(fā)，基于液壓缸鎖緊技術(shù)的現(xiàn)狀，將螺紋自鎖的功能巧妙地設(shè)計(jì)到液壓缸的活塞桿上，在原有液壓缸上設(shè)計(jì)一對可以自鎖的螺紋副，利用螺紋的自鎖功能，實(shí)現(xiàn)液壓缸帶負(fù)荷的精確可靠定位。該設(shè)計(jì)在擁有現(xiàn)有的機(jī)械式鎖緊優(yōu)勢的同時(shí)，結(jié)構(gòu)更加簡潔，幾乎不改變原有液壓缸的結(jié)構(gòu)和體積，加工、制造、裝配容易，成本低，效率更高，適合廣泛推廣。

機(jī)械式液壓缸；螺紋自鎖緊；精確定位

1 研究背景及意義

液壓缸作為一種液壓執(zhí)行器，需要它在運(yùn)動及停止工作時(shí)都能承受大載荷，而且要求它具有精確的定位功能，即無“軟腿”現(xiàn)象發(fā)生。

a.實(shí)現(xiàn)液壓缸鎖緊定位功能的兩種方法。

第二種是采用機(jī)械鎖緊方式完成定位與鎖緊。常用的有套筒裝置、剎片裝置、鋼球摩擦裝置、卡環(huán)裝置、楔塊-卡環(huán)裝置和錐面-碟簧裝置、滾子摩擦裝置、內(nèi)漲裝置等機(jī)械結(jié)構(gòu)[2]。

b.兩種液壓缸鎖緊定位功能的適用場合。

鎖緊定位要求不高的場合可選用液壓鎖定回路。由于液壓缸本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，液壓缸內(nèi)部的油泄漏問題一直無法避免，導(dǎo)致液壓缸活塞因此而產(chǎn)生滑移，定位可靠性得不到保證。

對于鎖緊定位要求較高的場合，機(jī)械式鎖緊液壓缸的活塞桿就可以實(shí)現(xiàn)長期帶負(fù)荷情況下的精確定位。雖然液壓缸內(nèi)部泄漏問題仍然存在，但因?yàn)闄C(jī)械機(jī)構(gòu)鎖定了液壓缸的活塞桿，所以不會出現(xiàn)活塞滑移問題。

c.螺旋自鎖緊液壓缸的優(yōu)勢及意義。

新型螺旋自鎖緊液壓缸裝置，具有機(jī)械式鎖緊的優(yōu)點(diǎn)，即：無需設(shè)計(jì)鎖定、解鎖回路；解鎖力隨著外加載荷的消失而消失；鎖緊力在承受大載荷的同時(shí)，可以可靠夾緊并能在任意位置精確定位；液壓缸筒內(nèi)壁或活塞桿外圓不存在額外的摩擦損耗；液壓缸結(jié)構(gòu)簡單而且緊湊，加工制造容易、成本低；可以在多種環(huán)境甚至惡劣環(huán)境下可靠工作；使用壽命長。

會議要求，各級各有關(guān)部門要認(rèn)清形勢，正視問題，切實(shí)增強(qiáng)推進(jìn)森林防火能力建設(shè)的緊迫感和責(zé)任感。要強(qiáng)化措施，聚焦用力，不斷加強(qiáng)宣傳教育，督導(dǎo)巡查，加快森林消防“三項(xiàng)建設(shè)”和林區(qū)“六網(wǎng)”等能力建設(shè)，做好值守備勤，及時(shí)快速反應(yīng)；要加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，嚴(yán)格落實(shí)責(zé)任，強(qiáng)化保障措施，各方齊抓共管，形成工作合力，全力以赴打好今冬明春森林防火攻堅(jiān)戰(zhàn)，確保森林防火不出大的問題，為建設(shè)生態(tài)泰安、綠色泰安、美麗泰安作出更大貢獻(xiàn)！

該機(jī)械鎖緊設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)更加簡潔，幾乎不改變原有液壓缸的結(jié)構(gòu)和體積，構(gòu)件的加工、制造、裝配容易，成本更低，效率更高，是一項(xiàng)值得廣泛推廣的設(shè)計(jì)創(chuàng)新作品。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1總體設(shè)計(jì)構(gòu)想

該設(shè)計(jì)創(chuàng)新從液壓缸機(jī)械鎖緊技術(shù)的發(fā)展趨勢出發(fā)，運(yùn)用機(jī)械螺紋的自鎖功能，根據(jù)液壓缸內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)，把以往實(shí)心式的活塞桿改造成三角形內(nèi)螺紋的空心結(jié)構(gòu)，通過增加的三角形螺紋副本身的自鎖功能與液壓傳動相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了液壓缸的精確可靠定位，是對現(xiàn)有機(jī)械式鎖緊方式的改良和創(chuàng)新。

2.2其他常用機(jī)械鎖緊液壓缸的原理及特點(diǎn)分析

目前，有以下幾種常見的機(jī)械鎖式液壓缸：筒式鎖緊液壓缸、剎片式鎖緊液壓缸、鋼球摩擦式鎖緊液壓缸、滾子式鎖緊液壓缸、內(nèi)漲式鎖緊液壓缸、楔塊式液壓缸、錐面式液壓缸、卡環(huán)式液壓缸。

綜觀以上常見機(jī)械鎖緊裝置，有以下的共同點(diǎn)：(1)都是應(yīng)用外加機(jī)構(gòu)設(shè)置，靠摩擦力抱緊或者放松活塞桿的原理來實(shí)現(xiàn)鎖緊、解鎖功能，摩擦力有限，能實(shí)現(xiàn)的鎖緊力就受到一定的限制；(2)起摩擦作用的零件都是易損件，壽命有限，更換頻率高，維護(hù)成本上升；(3)外加機(jī)構(gòu)設(shè)置大部分還是較為復(fù)雜，增加了液壓缸的徑向或者軸向的尺寸。

3 螺旋自鎖緊液壓缸結(jié)構(gòu)

圖1和圖2展示了帶外螺紋的螺紋桿和帶內(nèi)螺紋的活塞桿的結(jié)構(gòu)。

圖2 活塞桿的結(jié)構(gòu)圖

螺旋自鎖緊液壓缸的三維仿真圖如圖3所示，圖中A，C 為液壓馬達(dá)進(jìn)油口、出油口； B，D為液壓缸進(jìn)油口、出油口。

1—液壓馬達(dá)；2—摩擦離合器；3—螺桿；4—液壓缸；5—活塞桿

4 螺旋自鎖緊液壓缸工作原理、創(chuàng)新點(diǎn)及設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1螺旋自鎖緊液壓缸工作原理

本設(shè)計(jì)改進(jìn)了液壓缸4的活塞桿5，將活塞桿5設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)，并在活塞桿內(nèi)表面上加工內(nèi)螺紋，使帶內(nèi)螺紋的活塞桿與帶外螺紋的螺桿3配合；當(dāng)活塞桿5在液壓油的推動下移動時(shí)，馬達(dá)帶動螺桿3回轉(zhuǎn)運(yùn)動，使得活塞桿5的螺旋移動與液壓移動保持同步，活塞桿5運(yùn)動到預(yù)定位置后，停止供油，同時(shí)螺桿3停止轉(zhuǎn)動，由于螺桿3的螺旋升角小于自鎖角，此時(shí)螺紋副實(shí)現(xiàn)自鎖功能(即理論上無論外加載荷多大，活塞桿都不可能出現(xiàn)位移)，從而實(shí)現(xiàn)活塞桿5在任意位置可靠定位。液壓馬達(dá)1驅(qū)動螺桿3回轉(zhuǎn)，制動則由兩片摩擦離合器2的分離或者液壓馬達(dá)1停止供油來實(shí)現(xiàn)。

4.2螺旋自鎖緊液壓缸創(chuàng)新點(diǎn)

(1)對液壓缸的原有結(jié)構(gòu)，沒有做復(fù)雜更改，體積幾乎不變；(2)三角形螺紋加工制造簡單易行，成本低；(3)同步動作，沒有延時(shí)；(4)理論上，只要螺紋強(qiáng)度足夠，依靠螺紋自鎖，承載力無限增大。4.3理論設(shè)計(jì)計(jì)算

a.理論計(jì)算的目的。

在液壓缸的活塞桿內(nèi)部設(shè)計(jì)自鎖螺紋副，液壓缸通過螺紋副實(shí)現(xiàn)精確和可靠定位。由于螺旋傳動的運(yùn)動速度要保持與活塞的同步，所以需要計(jì)算出流入液壓馬達(dá)液壓油的流量與流入液壓缸液壓油的流量之間的比值關(guān)系，以保證兩者運(yùn)動的同步。

b.計(jì)算方法、步驟。

(1)設(shè)定螺紋自鎖緊液壓缸的參數(shù)如下：活塞直徑為D，活塞桿直徑為d；螺桿為右旋、單線、三角形螺紋，螺距為p；液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為n，排量為V。

(2)設(shè)定液壓馬達(dá)A口流量為qA，液壓馬達(dá)C口流量為qC,液壓缸B口流量為qB，液壓缸D口流量為qD。

(3)計(jì)算2種情況下的流量比值：①當(dāng)活塞桿往右移動時(shí)，液壓馬達(dá)A口、液壓缸B口流入液壓油的流量比值qA∶qB；②活塞桿往左移動時(shí)，液壓馬達(dá)C口、液壓缸D口流入液壓油的流量比值qC∶qD。

(4)分析計(jì)算：

①第一種情況下，液壓缸左腔(B)進(jìn)油，右腔(D)出油，活塞桿往右移動，液壓馬達(dá)中液壓油A進(jìn)C出，則液壓馬達(dá)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，活塞桿隨著螺桿旋轉(zhuǎn)往右移動，活塞的運(yùn)動速度為v活塞。

qA=nV

②第二種情況下，液壓缸左腔(B)出油，右腔(D)進(jìn)油，活塞桿往左移動，液壓馬達(dá)中液壓油C進(jìn)A出，則液壓馬達(dá)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，活塞桿隨著螺桿旋轉(zhuǎn)往左移動。

qC=nV

c.計(jì)算結(jié)果分析。

對比①，②的計(jì)算結(jié)果，說明保持液壓缸和液壓馬達(dá)同步的液壓油的流量輸入比例關(guān)系是一個(gè)定值，這個(gè)定值只與活塞直徑D、活塞桿直徑d、螺距p、液壓馬達(dá)排量V有關(guān)，即只要液壓缸和液壓馬達(dá)確定下來，并保持兩者的液壓油的流量輸入為qA∶qB和qC∶qD，就可以使活塞桿和活塞保持左右移動的同步運(yùn)動。

d.實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動的技術(shù)措施。

根據(jù)對計(jì)算結(jié)果的對比，在實(shí)際的液壓回路中只要采用電液比例流量控制閥，就能控制液壓缸和液壓馬達(dá)輸入的液壓油流量的比值，同時(shí)采用方向換向閥控制油液的流向，就可以實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)帶動的活塞桿和液壓缸的活塞同步的直線運(yùn)動。

5 結(jié)束語

因條件所限，文章中所涉及的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、再制造及評價(jià)技術(shù)并沒有試驗(yàn)或設(shè)備支撐，因而文章更偏重于理論方面的研究。螺旋鎖緊液壓缸只是對已有機(jī)械式鎖緊液壓缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，對液壓缸的設(shè)計(jì)改進(jìn)有一定指導(dǎo)的作用；但同時(shí)也有一定的局限性，特別是三角形螺紋的強(qiáng)度是否能滿足實(shí)際需要，還需要強(qiáng)度試驗(yàn)的支撐，因而后續(xù)將盡可能和相關(guān)企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以進(jìn)一步完善再制造的相關(guān)理論。

[1] 陳立德．機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2007.

[2] 倪江生．新型機(jī)械鎖緊式液壓缸的設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008(1)：42-43.

[3] 張忠遠(yuǎn)．液壓傳動與氣動技術(shù)[M]．天津：南開大學(xué)出版社，2010.

DesignofaSpiralSelf-lockingHydraulicCylinder

ZHAO Hong

(Shandong Institute of Light Industry, Shandong Zibo, 255300, China)

Based on the trend status of a mechanical cylinder lock technology, it designs ths mechanical self-locking threaded features cleverly for a piston rod of the hydraulic cylinder. Aiming at the original design of a pair of hydraulic cylinders, it applies the self-locking screw vice and self-locking threaded, realizes accurate and reliable positioning cylinders with load. This design of the existing mechanical lock shows some advantages such as more concise structure, easily processing and manufacturing, low cost, high efficiency. This device can apply for a patented innovative design invention.

Mechanical Hydraulic Cylinders; Thread-locking; Accurate Positioning

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.018

2014-07-21

趙紅(1970—)，女，山東淄博人，山東輕工職業(yè)學(xué)院講師，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造與自動化。

TB472

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2095-509X(2014)09-0076-03