旋转推进液压缸的结构设计及工作原理

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液压传动的执行元件主要有液压马达和液压缸两大类型，在液压作用下分别实现正反旋转运动或往复直线运动，但在很多应用中需要上述两种运动的复合形式，即旋转推进1 ]，目前的旋转油缸或摆动油缸，都只能实现液压作用下的-定转角范围内的活塞轴或缸体的转动，多用于旋转定位功能，而不能实现具有-定负载能力的旋转往复复合运动.而在实际使用中，具有负载能力的旋转往复复合运动的实现，都需要相互独立的驱动机构组合使用，系统结构复杂，体积庞杂 ]。

针对上述应用 问题，将液压马达和液压缸 的结构特点相结合，设计了-种结构简单的旋转推进液压缸，可在单-缸体内实现具有负载能力的往复推进和旋转的复合运动。

1 旋转推进液压缸结构设计旋转推进液压缸结构原理如 图 1所示.液压缸由缸体、端盖、工作轴、定子、转子、配油盘等组成，定子外缘与缸体内表面紧密配合，以取代油缸活塞，转子与工作轴相连接，定子、转子的两端对称设置有配油盘7 ].液压油进入缸体，-部分流量作用在配油盘端面所形成的活塞面上，使活塞作往复运动；另-部分流量通过配油盘上的开孔进入定子、转子所 围成 的封闭空间，推动转子带动活塞杆作旋转运动.具体的方案是缸体 18内部设置有定子 6、转子 5、配油盘(4、7)、辅助轴连接块 9和定位销 10，其特征在于所述的定子 6外缘与缸体 18的内表面紧密配合 ，所述的定子 6、配 油盘(4、7)、辅助轴连接块 9和辅助轴 13通 过定位销10连接成-个整体形成定子拈，缸体 18内壁上设置有限转滑道 17与定子拈相配合，以限制定子拈转动 ，所述 的转子 5与工作轴 1固定连接为-个整体，其连接处的两端同时通过-对平面推力轴承(3、8)以及锁紧螺母 15与定子拈连接成-体。

按上述方案，工作轴 1和辅助轴 13分别外伸到缸体 18的两端并与缸体两侧端盖相配合，辅助轴上还连接有辅 助轴 限转块 12以限制定子模 块的转动，克服工作轴旋转时产生的反作用力矩。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12图 1 旋转推进液压缸结构原理Fig.1 Structural schematic of Rolling& Propulsivehydraulic cylinder注：1--工作轴，2、1l--进出油口，3、8--推力轴承，4、7--配油盘，5--转子，6--定子，9--辅助轴连接块，l0--定位销，12--辅助轴限转块，13--辅助轴，14--后端盖，15--锁紧螺母，l6--定位套筒，17--限转滑道，18- 缸体，19--工作轴端盖收稿 日期 ：2012-11-08作者简介：杨 红(1971-)，男，湖北宜都人，副教授，博士.研究方向：新型高效过程装备技术第 1期 杨 红 ，等 ：旋转 推进 液压缸的结构设计及工作原理 812 旋转推进液压缸的工作原理及技术特点2.1 工作原理旋转推进液压缸的旋转往复复合运动 的原理如图 2所示 ：液压油由平衡轴端进入到缸体中，进入缸体的液压油和套筒接触，而在套筒的通油孑L装有单向阀，当液压力大于弹簧的弹力时，此时单向阀是导通的状态，液压油会进入配油盘，再通过配油盘进入定子与转子组成的空腔内，使转子相对于定子做旋转运动.转子通过花键带动执行轴相对于定子做相对旋 转运动.而定 子、配油盘、套筒、平衡轴通过定位销、螺纹等的连接，它们在液压力的作用下做绝对往复运动，所以执行轴可实现旋转和往复的复合运动。

执行轴 套筒 平衡轴通油 口 液压 马达 配油盘 通油 口图 2 旋转推进液压缸的工作原理Fig.2 Schematic work of Roling& Propulsivehydraulic cylinder2.2 技术特点(1)本旋转推进液压缸结构简单，操作方便，将传统液压马达和液压缸两种执行元件的特点结合起来，以液压马达的主要运动部件取代液压缸体内的活塞部分，在同-液压源的作用下，可实现活塞杆的往复推进和旋转复合运动。

本新型液压缸的压力油通过两侧端盖上开设的进、出油 口，-部分流量作用在配油盘端面所形成的活塞面上，使活塞作往复运动；另-部分流量通过配油盘上的开孔进入定子、转子、叶片所围成的封闭空间，推动叶片，并由转子带动工作轴作旋转运动.如此，在 同- 液压源的作用下 ，可实现工作轴的往复推进和旋转复合运动。

(2)由于复合运动基 于同-液压源，缸内的液压油可自动实现柔性的流量分配，使油缸输出的旋转往复运动具有弹性进给和能量互补的优良的自适应特性.当进给阻力增大，液压随之增大，从而提高液压马达的扭矩；当阻力减小，扭矩下降，达到节能 目的。

流量分配特性 ：如图 1所示 ，旋转推进液压缸包括有缸体 18、工作轴 1和辅助轴 13，缸体 18的两侧分别设置有后端盖 14和工作轴端盖 19，所述的工作轴 1和辅助轴 13分别外伸到缸体 18的两端并与缸体两侧端盖相配合，所述缸体内部设置有定子 6、转子 5、以及-对配油盘(4、7)，-对配油盘(4、7)对称设置于定子 6和转子 5的两端，将定子 6外缘与缸体 18的内表面紧密配合，以取代活塞，所 述的定子 6、配油盘 (4、7)、辅助轴连接块9和辅助轴 13通过定位销 1O连接成-个整体形成定子拈，缸体 18内壁上设置有限转滑道 17与定子拈相配合，以限制定子拈转动，将转子5的花键槽连接工作轴 1，其连接处的两端设置有平面推力轴承(3、8)和锁紧螺母 15与定子拈连接；缸体两侧设有进、出油口2和 11.压力油通过- 端油口进入工作腔后，总流量 Q-分为二，流量Q 作用在进油侧配油盘的端面形成的活塞面上，使活塞作推进运动；流量 Q 由配油盘上的开孔进人定子 6、转子 5所 围成 的封闭空间 ，推动转子 5带动工作轴 1作旋转运动；通过两端油口的切换操作，可控制活塞的往复方向.在单-缸体用两条油路就实现旋转与往复弹性进给，自动切换的复合运动。

辅助轴上还可以连接有辅助轴限转块 12以限制定子拈的转动，与缸体 18内壁上的限转滑道 17-样，用于克服工作轴旋转时产生的反作用力矩 ，具 体 实现 时 可根 据 需要 选择 其 -或 两者并用。

(3)复合运动可基于同-液压源，也可进-步通过分离油路实现往复推进和旋转运动的分别控制。

由于工作轴的旋转与往复运动基于同-液压源，当工作轴的旋转扭矩负荷过大时，液压力会 自动调节推动活塞做往复运动；当推力相对于扭矩过大时，工作轴的旋转运动就占主导.因此，旋转推进液压缸可以自行调节，在单-缸体内仅用两条油路来实现旋转往复复合运动的弹性进给和能量互补.通过 巧妙 的连接液压马达和液压缸 的执行元件，使它们之间形成相对运动，通过控制它们的相对运动来控制执行轴的运动。

3 结 语该液压缸把两种传统的液压执行元件的功能全部集成-体，由缸体、端盖、工作轴、定子、转子、配油盘等组成，定子外缘与缸体内表面紧密配合，以取代油缸活塞，转子与工作轴相连接，定子、转子的两端对称设置有配油盘.液压油进入缸体，-部分流量作用在配油盘端面所形成的活塞面上，使活塞作往复运动；另-部分流量通过配油盘上的开孔进入定子、转子所围成的封闭空间，推动转82 武汉工程大学学报 第 35卷子带动活塞杆作旋转运动.在单-缸体内用两条油路就能实现旋转与往复运动的弹性进给和 自动切换.该项技术结构简单，操作方便，可广泛应用到机床运动控制、掘进工程、搅拌工程、油田钻探开采等工程领域.该项技术已获得实用新型专利，专利号为 ：ZL201120373786.3。