缸筒與活塞桿相對轉動的直線往復運動液壓缸

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、廣西柳工機械股份有限公司,廣西 柳州 545007)

液壓缸是將液壓能轉變為機械能的、做直線往復運動或者擺動運動的液壓執行元件。實現往復運動時運動平穩,且沒有傳動間隙,在液壓系統中得到廣泛的關注。傳統的往復直線運動的液壓缸中,由活塞、活塞桿、鎖緊螺母、缸筒、導向套、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,活塞桿組件裝配進缸筒中,導向套通過螺紋與缸筒連接,將缸筒分成大小兩腔體,再通過液壓油實現往復直線運動,油缸中的活塞桿組件與缸筒只存在相對軸向直線運動。

1 背景

某農業機械中,駕駛室前方結構部分工作時需要調節高度,并且要求結構件部分處于任何高度時整機都能隨時改變整車行駛方向。傳統的單根液壓缸只能實現往復直線運動或者往復擺動運動單一功能,要滿足上述整機要求,除了使用兩根升降油缸來調節高度、兩根轉向油缸進行轉向外,需要在升降油缸與轉向油缸外部連接結構件處增加多種的機構來滿足整機升降的同時進行轉向的要求。對于整機結構緊湊、整機重量限定要求較高的整機來說,在結構件處增加多種機構不但存在結構復雜、空間不足、重量增加而且成本也大大增加的缺點。

圖1 傳統油缸的三維示意圖

圖2 傳統油缸的結構示意圖

若將升降油缸與轉向油缸直接相連,可以保證結構件高度調節的同時整機進行轉向,解決整機結構復雜、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現直線往復運動,還要求升降油缸活塞桿與缸筒有相對旋轉動作。若使用傳統的油缸做升降油缸,如圖1 三維示意圖及圖2結構示意圖所示：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),通過液壓油實現液壓缸的往復直線運動功能。在這種傳統的液壓油缸的直線往復運動過程中加上活塞桿與缸筒的旋轉運動,會給液壓油缸帶來兩個問題：(1)當活塞桿固定,缸筒旋轉時,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動,容易造成活塞與活塞桿的鎖緊螺母連接松脫,從而導致活塞從活塞桿中脫出,以致油缸失效,整機不能完成升降功能。(2)當升降油缸行程用完時進行整機轉向,即油缸活塞桿與缸筒沒有相對軸向位移后,活塞與導向套端面接觸,此時缸筒與活塞桿相對旋轉,缸筒的扭矩通過導向套造成活塞與導向套的旋轉摩擦,摩擦引發活塞和導向套端面磨損,磨出鐵粉使油缸清潔度下降,極易造成拉缸,從而導致油缸內泄漏,喪失油缸功能。

2 解決方案

為解決上述的3 個問題：(1)傳統液壓缸只能實現往復直線運動而不能同時實現缸筒與活塞桿相對旋轉運動的功能。(2)液壓缸在缸筒與活塞桿相對旋轉的工況下,活塞與活塞桿連接的鎖緊螺母松脫問題。(3)液壓油缸限位時活塞桿與缸筒相對旋轉引發的活塞與導向套端面磨損問題。本文設計了一種可實現缸筒與活塞桿相對旋轉的直線往復運動液壓缸。

本文設計的液壓缸與其它油缸有兩點差異：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,該結構可使活塞與活塞桿保持相對位置固定。二是在活塞與導向套之間增加一個平面推力軸承,該軸承將活塞與導向套隔離,并巧妙的將導向套的扭矩通過軸承化解,傳遞至活塞的僅剩余軸向力,完全避免活塞與導向套的端面磨損問題。

3 具體實施案例

既可以實現往復直線運動功能又可以實現旋轉運動功能的油缸三維如圖3 所示,結構如圖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,活塞桿組件裝配進缸筒9 后,導向套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現單獨往復直線運動；又可在實現往復直線運動同時實現缸筒與活塞桿有相對轉動；還可在活塞桿行程用完后,實現缸筒與活塞桿的相對旋轉運動。

圖3 新油缸三維示意圖

圖4 新油缸的結構示意圖

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動。當活塞桿10 固定,缸筒9 旋轉時,雖然缸筒9 旋轉時給活塞3 一個扭矩轉動,但因平鍵4 的作用,活塞3 與鎖緊螺母2 及活塞桿10 沒有相對的轉動,既可避免鎖緊螺母2連接松動,導致鎖緊螺母松脫,活塞從活塞桿中脫出的風險。

該油缸在活塞3 和導向套11 中增加一推力球軸承5。當整機中需用油缸限位時,且在行程最長時缸筒與活塞桿存在相對旋轉運動的工況下,推力球軸承5 發揮作用,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,活塞3 與推力球軸承5 左端面接觸,推力球軸承5 右端面與導向套11 接觸,當導向套11 隨著缸筒9 一起旋轉時,因為推力球軸承5 的作用,活塞3 與導向套11 并不發生任何接觸以及摩擦,有效的解決了該工況下活塞與導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準件,對油缸內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。

本文設計的油缸技術已經應用在某機型的農業機械的升降油缸中,在應用本文設計的油缸技術前,該機型的升降油缸幾乎每月都會出現油缸活塞脫落或者因內泄露不能舉升的反饋。在本文油缸生產后,可以直接與該機型的原有升降油缸替換,油缸安裝簡單、方便；經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,客戶立即要求進行批量油缸切換,目前已大批量應用在整機上。

結束語

本文設計的液壓油缸,油缸結構新穎,布置合理,既可實現往復直線運動,也可同時實現油缸的旋轉運動?？蓱迷谝韵鹿r中：(1)需要調節結構件升降高度的同時進行轉向作業的農業機械中。(2)油缸往復直線運動過程中伴隨缸筒與活塞桿相對旋轉運動的工況。(3)使用油缸限位并在限位時有缸筒與活塞桿旋轉的工況。整機直接使用該油缸既可以滿足結構件的升降功能同時也能在升降的同時使整機轉向,避免了在油缸外部增加過多復雜機構來實現,有效降低了整機的結構復雜性,優化整機結構,節約了成本,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動的液壓缸[P].實用新型專利,ZL201921771757.5.

[2]雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學出版社,1998.

[3]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社,2017.

[4]唐穎達.液壓缸設計與制造[M].北京：化學工業出版社,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.