缸筒與活塞桿相對轉(zhuǎn)動的直線往復(fù)運(yùn)動液壓缸

蔣玲麗 蔣拓 高名乾

(1、柳州柳工液壓件有限公司,廣西 柳州 545007 2、廣西柳工機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州 545007)

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運(yùn)動或者擺動運(yùn)動的液壓執(zhí)行元件。實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動時(shí)運(yùn)動平穩(wěn),且沒有傳動間隙,在液壓系統(tǒng)中得到廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的往復(fù)直線運(yùn)動的液壓缸中,由活塞、活塞桿、鎖緊螺母、缸筒、導(dǎo)向套、缸底以及密封件組成?；钊c活塞桿裝配后由鎖緊螺母連接并鎖緊成活塞桿組件,活塞桿組件裝配進(jìn)缸筒中,導(dǎo)向套通過螺紋與缸筒連接,將缸筒分成大小兩腔體,再通過液壓油實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動,油缸中的活塞桿組件與缸筒只存在相對軸向直線運(yùn)動。

1 背景

某農(nóng)業(yè)機(jī)械中,駕駛室前方結(jié)構(gòu)部分工作時(shí)需要調(diào)節(jié)高度,并且要求結(jié)構(gòu)件部分處于任何高度時(shí)整機(jī)都能隨時(shí)改變整車行駛方向。傳統(tǒng)的單根液壓缸只能實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動或者往復(fù)擺動運(yùn)動單一功能,要滿足上述整機(jī)要求,除了使用兩根升降油缸來調(diào)節(jié)高度、兩根轉(zhuǎn)向油缸進(jìn)行轉(zhuǎn)向外,需要在升降油缸與轉(zhuǎn)向油缸外部連接結(jié)構(gòu)件處增加多種的機(jī)構(gòu)來滿足整機(jī)升降的同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向的要求。對于整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、整機(jī)重量限定要求較高的整機(jī)來說,在結(jié)構(gòu)件處增加多種機(jī)構(gòu)不但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間不足、重量增加而且成本也大大增加的缺點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)油缸的三維示意圖

圖2 傳統(tǒng)油缸的結(jié)構(gòu)示意圖

若將升降油缸與轉(zhuǎn)向油缸直接相連,可以保證結(jié)構(gòu)件高度調(diào)節(jié)的同時(shí)整機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向,解決整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間不足、重量增加以及成本大大增加的問題。此種方案要求升降油缸不僅能實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動,還要求升降油缸活塞桿與缸筒有相對旋轉(zhuǎn)動作。若使用傳統(tǒng)的油缸做升降油缸,如圖1 三維示意圖及圖2結(jié)構(gòu)示意圖所示：液壓油缸由鎖緊螺母2、缸筒3、活塞4、隔套5、活塞桿7、缸蓋8、螺栓9 以及密封件所組成,活塞4 與活塞桿7 裝配后由鎖緊螺母2 連接成活塞桿組件,活塞桿組件裝配進(jìn)缸筒后,缸蓋8 通過螺栓9 與缸筒3 連接,將缸筒分成大小兩個腔體(1-大腔,6-小腔),通過液壓油實(shí)現(xiàn)液壓缸的往復(fù)直線運(yùn)動功能。在這種傳統(tǒng)的液壓油缸的直線往復(fù)運(yùn)動過程中加上活塞桿與缸筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,會給液壓油缸帶來兩個問題：(1)當(dāng)活塞桿固定,缸筒旋轉(zhuǎn)時(shí),缸筒傳遞給活塞一個扭矩,使活塞與活塞桿和鎖緊螺母有一定的相對轉(zhuǎn)動,容易造成活塞與活塞桿的鎖緊螺母連接松脫,從而導(dǎo)致活塞從活塞桿中脫出,以致油缸失效,整機(jī)不能完成升降功能。(2)當(dāng)升降油缸行程用完時(shí)進(jìn)行整機(jī)轉(zhuǎn)向,即油缸活塞桿與缸筒沒有相對軸向位移后,活塞與導(dǎo)向套端面接觸,此時(shí)缸筒與活塞桿相對旋轉(zhuǎn),缸筒的扭矩通過導(dǎo)向套造成活塞與導(dǎo)向套的旋轉(zhuǎn)摩擦,摩擦引發(fā)活塞和導(dǎo)向套端面磨損,磨出鐵粉使油缸清潔度下降,極易造成拉缸,從而導(dǎo)致油缸內(nèi)泄漏,喪失油缸功能。

2 解決方案

為解決上述的3 個問題：(1)傳統(tǒng)液壓缸只能實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動而不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)缸筒與活塞桿相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的功能。(2)液壓缸在缸筒與活塞桿相對旋轉(zhuǎn)的工況下,活塞與活塞桿連接的鎖緊螺母松脫問題。(3)液壓油缸限位時(shí)活塞桿與缸筒相對旋轉(zhuǎn)引發(fā)的活塞與導(dǎo)向套端面磨損問題。本文設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)缸筒與活塞桿相對旋轉(zhuǎn)的直線往復(fù)運(yùn)動液壓缸。

本文設(shè)計(jì)的液壓缸與其它油缸有兩點(diǎn)差異：一是活塞與活塞桿除了螺紋連接防松外,還增加了平鍵連接,該結(jié)構(gòu)可使活塞與活塞桿保持相對位置固定。二是在活塞與導(dǎo)向套之間增加一個平面推力軸承,該軸承將活塞與導(dǎo)向套隔離,并巧妙的將導(dǎo)向套的扭矩通過軸承化解,傳遞至活塞的僅剩余軸向力,完全避免活塞與導(dǎo)向套的端面磨損問題。

3 具體實(shí)施案例

既可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動功能又可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動功能的油缸三維如圖3 所示,結(jié)構(gòu)如圖4 所示：液壓缸由鎖緊螺母2、活塞3、平鍵4、推力球軸承5、隔套6、擋圈7、缸筒9、活塞桿10、導(dǎo)向套11、螺栓12 以及密封件所組成,活塞3 與活塞桿10 通過平鍵連接并由鎖緊螺母2 連接鎖緊成活塞桿組件,活塞桿組件裝配進(jìn)缸筒9 后,導(dǎo)向套11 通過螺栓12 與缸筒連接,將缸筒分成大小兩個腔體(1-大腔,8-小腔)。該油缸活塞桿與與缸筒可通過液壓油實(shí)現(xiàn)單獨(dú)往復(fù)直線運(yùn)動；又可在實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動同時(shí)實(shí)現(xiàn)缸筒與活塞桿有相對轉(zhuǎn)動；還可在活塞桿行程用完后,實(shí)現(xiàn)缸筒與活塞桿的相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖3 新油缸三維示意圖

圖4 新油缸的結(jié)構(gòu)示意圖

該油缸在活塞3 與活塞桿10 使用了平鍵4 連接,保證活塞與活塞桿一體運(yùn)動。當(dāng)活塞桿10 固定,缸筒9 旋轉(zhuǎn)時(shí),雖然缸筒9 旋轉(zhuǎn)時(shí)給活塞3 一個扭矩轉(zhuǎn)動,但因平鍵4 的作用,活塞3 與鎖緊螺母2 及活塞桿10 沒有相對的轉(zhuǎn)動,既可避免鎖緊螺母2連接松動,導(dǎo)致鎖緊螺母松脫,活塞從活塞桿中脫出的風(fēng)險(xiǎn)。

該油缸在活塞3 和導(dǎo)向套11 中增加一推力球軸承5。當(dāng)整機(jī)中需用油缸限位時(shí),且在行程最長時(shí)缸筒與活塞桿存在相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的工況下,推力球軸承5 發(fā)揮作用,該軸承可承受大腔往小腔的推力,故可做限位用。行程用完時(shí),活塞3 與推力球軸承5 左端面接觸,推力球軸承5 右端面與導(dǎo)向套11 接觸,當(dāng)導(dǎo)向套11 隨著缸筒9 一起旋轉(zhuǎn)時(shí),因?yàn)橥屏η蜉S承5 的作用,活塞3 與導(dǎo)向套11 并不發(fā)生任何接觸以及摩擦,有效的解決了該工況下活塞與導(dǎo)向套摩擦磨損的問題。

該油缸所用平鍵及推力球軸承均為標(biāo)準(zhǔn)件,對油缸內(nèi)部安裝這兩種零件配合的活塞桿等零件的加工要求也較低,僅需要在活塞桿上增加一個平鍵槽和防止軸承移動的擋圈槽即可。與傳動油缸相比,加工精度要求一致,增加的成本也不高。

本文設(shè)計(jì)的油缸技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在某機(jī)型的農(nóng)業(yè)機(jī)械的升降油缸中,在應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的油缸技術(shù)前,該機(jī)型的升降油缸幾乎每月都會出現(xiàn)油缸活塞脫落或者因內(nèi)泄露不能舉升的反饋。在本文油缸生產(chǎn)后,可以直接與該機(jī)型的原有升降油缸替換,油缸安裝簡單、方便；經(jīng)過油缸小批樣件試裝后,油缸既沒有活塞脫落的問題反饋,也沒有因內(nèi)泄露引起的不能舉升的問題反饋。用戶使用效果極佳,客戶滿意度非常高,試用5 個月后,客戶立即要求進(jìn)行批量油缸切換,目前已大批量應(yīng)用在整機(jī)上。

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的液壓油缸,油缸結(jié)構(gòu)新穎,布置合理,既可實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動,也可同時(shí)實(shí)現(xiàn)油缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動?？蓱?yīng)用在以下工況中：(1)需要調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)件升降高度的同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械中。(2)油缸往復(fù)直線運(yùn)動過程中伴隨缸筒與活塞桿相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的工況。(3)使用油缸限位并在限位時(shí)有缸筒與活塞桿旋轉(zhuǎn)的工況。整機(jī)直接使用該油缸既可以滿足結(jié)構(gòu)件的升降功能同時(shí)也能在升降的同時(shí)使整機(jī)轉(zhuǎn)向,避免了在油缸外部增加過多復(fù)雜機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),有效降低了整機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu),節(jié)約了成本,降低了重量,是一款具有多功能的液壓油缸。

參考文摘

[1]蔣玲麗.缸筒與活塞桿可相對轉(zhuǎn)動的液壓缸[P].實(shí)用新型專利,ZL201921771757.5.

[2]雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,1998.

[3]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2017.

[4]唐穎達(dá).液壓缸設(shè)計(jì)與制造[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[5]GB/T 273.2-2006,滾動軸承推力軸承外形尺寸總方案.

[6]GB/T 1096-2003.普通型平鍵.