旋轉推進液壓缸的結構設計及工作原理

楊 紅，畢 雷，陳文斌，張敏樹

（武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

液壓傳動的執行元件主要有液壓馬達和液壓缸兩大類型，在液壓作用下分別實現正反旋轉運動或往復直線運動，但在很多應用中需要上述兩種運動的復合形式，即旋轉推進［1－2］.目前的旋轉油缸或擺動油缸，都只能實現液壓作用下的一定轉角范圍內的活塞軸或缸體的轉動，多用于旋轉定位功能，而不能實現具有一定負載能力的旋轉往復復合運動.而在實際使用中，具有負載能力的旋轉往復復合運動的實現，都需要相互獨立的驅動機構組合使用，系統結構復雜，體積龐雜［3－6］.

針對上述應用問題，將液壓馬達和液壓缸的結構特點相結合，設計了一種結構簡單的旋轉推進液壓缸，可在單一缸體內實現具有負載能力的往復推進和旋轉的復合運動.

1 旋轉推進液壓缸結構設計

旋轉推進液壓缸結構原理如圖1所示.液壓缸由缸體、端蓋、工作軸、定子、轉子、配油盤等組成，定子外緣與缸體內表面緊密配合，以取代油缸活塞，轉子與工作軸相連接，定子、轉子的兩端對稱設置有配油盤［7－8］.液壓油進入缸體，一部分流量作用在配油盤端面所形成的活塞面上，使活塞作往復運動；另一部分流量通過配油盤上的開孔進入定子、轉子所圍成的封閉空間，推動轉子帶動活塞桿作旋轉運動.具體的方案是缸體18內部設置有定子6、轉子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連接成一個整體形成定子模塊，缸體18內壁上設置有限轉滑道17與定子模塊相配合，以限制定子模塊轉動，所述的轉子5與工作軸1固定連接為一個整體，其連接處的兩端同時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端蓋相配合，輔助軸上還連接有輔助軸限轉塊12以限制定子模塊的轉動，克服工作軸旋轉時產生的反作用力矩.

圖1 旋轉推進液壓缸結構原理Fig.1 Structural schematic of Rolling ＆ Propulsive hydraulic cylinder

2 旋轉推進液壓缸的工作原理及技術特點

2.1 工作原理

旋轉推進液壓缸的旋轉往復復合運動的原理如圖2所示：液壓油由平衡軸端進入到缸體中，進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，當液壓力大于彈簧的彈力時，此時單向閥是導通的狀態，液壓油會進入配油盤，再通過配油盤進入定子與轉子組成的空腔內，使轉子相對于定子做旋轉運動.轉子通過花鍵帶動執行軸相對于定子做相對旋轉運動.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運動，所以執行軸可實現旋轉和往復的復合運動.

圖2 旋轉推進液壓缸的工作原理Fig.2 Schematic work of Rolling ＆ Propulsive hydraulic cylinder

2.2 技術特點

（1）本旋轉推進液壓缸結構簡單，操作方便，將傳統液壓馬達和液壓缸兩種執行元件的特點結合起來，以液壓馬達的主要運動部件取代液壓缸體內的活塞部分，在同一液壓源的作用下，可實現活塞桿的往復推進和旋轉復合運動.

本新型液壓缸的壓力油通過兩側端蓋上開設的進、出油口，一部分流量作用在配油盤端面所形成的活塞面上，使活塞作往復運動；另一部分流量通過配油盤上的開孔進入定子、轉子、葉片所圍成的封閉空間，推動葉片，并由轉子帶動工作軸作旋轉運動.如此，在同一液壓源的作用下，可實現工作軸的往復推進和旋轉復合運動.

（2）由于復合運動基于同一液壓源，缸內的液壓油可自動實現柔性的流量分配，使油缸輸出的旋轉往復運動具有彈性進給和能量互補的優良的自適應特性.當進給阻力增大，液壓隨之增大，從而提高液壓馬達的扭矩；當阻力減小，扭矩下降，達到節能目的.

流量分配特性：如圖1所示，旋轉推進液壓缸包括有缸體18、工作軸1和輔助軸13，缸體18的兩側分別設置有后端蓋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端蓋相配合，所述缸體內部設置有定子6、轉子5、以及一對配油盤（4、7），一對配油盤（4、7）對稱設置于定子6和轉子5的兩端，將定子6外緣與缸體18的內表面緊密配合，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連接成一個整體形成定子模塊，缸體18內壁上設置有限轉滑道17與定子模塊相配合，以限制定子模塊轉動，將轉子5的花鍵槽連接工作軸1，其連接處的兩端設置有平面推力軸承（3、8）和鎖緊螺母15與定子模塊連接；缸體兩側設有進、出油口2和11.壓力油通過一端油口進入工作腔后，總流量Q一分為二，流量Q1作用在進油側配油盤的端面形成的活塞面上，使活塞作推進運動；流量Q2由配油盤上的開孔進入定子6、轉子5所圍成的封閉空間，推動轉子5帶動工作軸1作旋轉運動；通過兩端油口的切換操作，可控制活塞的往復方向.在單一缸體用兩條油路就實現旋轉與往復彈性進給，自動切換的復合運動.

輔助軸上還可以連接有輔助軸限轉塊12以限制定子模塊的轉動，與缸體18內壁上的限轉滑道17一樣，用于克服工作軸旋轉時產生的反作用力矩，具體實現時可根據需要選擇其一或兩者并用.

（3）復合運動可基于同一液壓源，也可進一步通過分離油路實現往復推進和旋轉運動的分別控制.

由于工作軸的旋轉與往復運動基于同一液壓源，當工作軸的旋轉扭矩負荷過大時，液壓力會自動調節推動活塞做往復運動；當推力相對于扭矩過大時，工作軸的旋轉運動就占主導.因此，旋轉推進液壓缸可以自行調節，在單一缸體內僅用兩條油路來實現旋轉往復復合運動的彈性進給和能量互補.通過巧妙的連接液壓馬達和液壓缸的執行元件，使它們之間形成相對運動，通過控制它們的相對運動來控制執行軸的運動.

3 結 語

該液壓缸把兩種傳統的液壓執行元件的功能全部集成一體，由缸體、端蓋、工作軸、定子、轉子、配油盤等組成，定子外緣與缸體內表面緊密配合，以取代油缸活塞，轉子與工作軸相連接，定子、轉子的兩端對稱設置有配油盤.液壓油進入缸體，一部分流量作用在配油盤端面所形成的活塞面上，使活塞作往復運動；另一部分流量通過配油盤上的開孔進入定子、轉子所圍成的封閉空間，推動轉子帶動活塞桿作旋轉運動.在單一缸體內用兩條油路就能實現旋轉與往復運動的彈性進給和自動切換.該項技術結構簡單，操作方便，可廣泛應用到機床運動控制、掘進工程、攪拌工程、油田鉆探開采等工程領域.該項技術已獲得實用新型專利，專利號為：ZL201120373786.3.

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