虚拟样机技术的360°旋转液压缸运动仿真研究

　　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,目前美国 Helac 公司的 L10、20、30 系列旋转液压缸,挪威的 Scana Skarpenord AS 公司和日本 TAKEDA 公司生产的旋转液压缸,广泛应用于各种类型机械中。但是产品的专利和生产技术主要掌握在这些制造商手中。国内生产的大型工程机器为了实现某些部件在重载下 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、反向间隙大且精度不高等问题; 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 270°,因此,设计和制造 360 度旋转液压缸对打破西方发达国家对该产品及技术的垄断, 提升我国的制造业水平是一个重大的突破,同时也可以满足国内市场的需求。

　　在本文中, 结合使用 Pro/E 和 ADAMS, 建立了一种可实现360 旋转的液压缸的三维数字模型,即虚拟样机。运用些虚拟样机,结合实例,对旋转液压缸的运动情况进行了仿真,为随后物理样机的设计和制造提供了理论支持和技 术借鉴, 便于在早期确定关键的设计参数、缩短开发周期,降低成本、提高产品质量。

　　1 旋转液压缸的结构和工作原理

　　本文所设计的 360 度旋转液压缸如图 1 所示, 主要由输出螺杆、活塞、空心螺杆、螺母、缸筒、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,将油的液压力最终转换 成转矩输出,通过调整进出油口的油压,即可实现输出螺杆的正转和反转运动,实现 360 度旋转。

　　液压缸内部,通过密封圈及空心螺杆上的塞子,分成前后独立的两腔。当 P1 为进油口,P2 为出油口时, 即液压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)。而此时活塞与输出螺杆也是一个螺旋副啮合作用 (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螺杆,同时活塞的向右直线运动也带动输出螺杆作逆时针旋转运动(从左向右看),通过两 级螺旋副的放大作用,只要较小的工作行程,就可以得到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, 控制液压油口压力差,将可以控制液压缸输出螺杆的输出旋转方向。

　　为了解决螺旋副运动产生的轴向力,大部分由螺母来抵消。而螺母是通过后端盖固定在缸筒上面的, 因此运动产生的轴向力由缸筒及后端盖承受。这单靠压紧力及螺母两侧面与缸筒和后端盖的摩擦力是不够的,因此在螺母与后端盖的贴合面,即螺母右端面和后端盖 的左端面上加工凹凸槽,以增大摩擦力,防止螺母在工作过程中发生相对转动。