新型螺旋自锁紧液压缸设计

赵 红

(山东轻工职业学院 机电工程系 ，山东 淄博 255300)

新型螺旋自锁紧液压缸设计

赵 红

(山东轻工职业学院 机电工程系 ，山东 淄博 255300)

从液压缸定位的机械式锁紧发展趋势出发，基于液压缸锁紧技术的现状，将螺纹自锁的功能巧妙地设计到液压缸的活塞杆上，在原有液压缸上设计一对可以自锁的螺纹副，利用螺纹的自锁功能，实现液压缸带负荷的精确可靠定位。该设计在拥有现有的机械式锁紧优势的同时，结构更加简洁，几乎不改变原有液压缸的结构和体积，加工、制造、装配容易，成本低，效率更高，适合广泛推广。

机械式液压缸；螺纹自锁紧；精确定位

1 研究背景及意义

液压缸作为一种液压执行器，需要它在运动及停止工作时都能承受大载荷，而且要求它具有精确的定位功能，即无“软腿”现象发生。

a.实现液压缸锁紧定位功能的两种方法。

第二种是采用机械锁紧方式完成定位与锁紧。常用的有套筒装置、刹片装置、钢球摩擦装置、卡环装置、楔块-卡环装置和锥面-碟簧装置、滚子摩擦装置、内涨装置等机械结构[2]。

b.两种液压缸锁紧定位功能的适用场合。

锁紧定位要求不高的场合可选用液压锁定回路。由于液压缸本身的结构特点，液压缸内部的油泄漏问题一直无法避免，导致液压缸活塞因此而产生滑移，定位可靠性得不到保证。

对于锁紧定位要求较高的场合，机械式锁紧液压缸的活塞杆就可以实现长期带负荷情况下的精确定位。虽然液压缸内部泄漏问题仍然存在，但因为机械机构锁定了液压缸的活塞杆，所以不会出现活塞滑移问题。

c.螺旋自锁紧液压缸的优势及意义。

新型螺旋自锁紧液压缸装置，具有机械式锁紧的优点，即：无需设计锁定、解锁回路；解锁力随着外加载荷的消失而消失；锁紧力在承受大载荷的同时，可以可靠夹紧并能在任意位置精确定位；液压缸筒内壁或活塞杆外圆不存在额外的摩擦损耗；液压缸结构简单而且紧凑，加工制造容易、成本低；可以在多种环境甚至恶劣环境下可靠工作；使用寿命长。

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该机械锁紧设计，结构更加简洁，几乎不改变原有液压缸的结构和体积，构件的加工、制造、装配容易，成本更低，效率更高，是一项值得广泛推广的设计创新作品。

2 设计方案

2.1总体设计构想

该设计创新从液压缸机械锁紧技术的发展趋势出发，运用机械螺纹的自锁功能，根据液压缸内部实际结构，把以往实心式的活塞杆改造成三角形内螺纹的空心结构，通过增加的三角形螺纹副本身的自锁功能与液压传动相结合，实现了液压缸的精确可靠定位，是对现有机械式锁紧方式的改良和创新。

2.2其他常用机械锁紧液压缸的原理及特点分析

目前，有以下几种常见的机械锁式液压缸：筒式锁紧液压缸、刹片式锁紧液压缸、钢球摩擦式锁紧液压缸、滚子式锁紧液压缸、内涨式锁紧液压缸、楔块式液压缸、锥面式液压缸、卡环式液压缸。

综观以上常见机械锁紧装置，有以下的共同点：(1)都是应用外加机构设置，靠摩擦力抱紧或者放松活塞杆的原理来实现锁紧、解锁功能，摩擦力有限，能实现的锁紧力就受到一定的限制；(2)起摩擦作用的零件都是易损件，寿命有限，更换频率高，维护成本上升；(3)外加机构设置大部分还是较为复杂，增加了液压缸的径向或者轴向的尺寸。

3 螺旋自锁紧液压缸结构

图1和图2展示了带外螺纹的螺纹杆和带内螺纹的活塞杆的结构。

图2 活塞杆的结构图

螺旋自锁紧液压缸的三维仿真图如图3所示，图中A，C 为液压马达进油口、出油口； B，D为液压缸进油口、出油口。

1—液压马达；2—摩擦离合器；3—螺杆；4—液压缸；5—活塞杆

4 螺旋自锁紧液压缸工作原理、创新点及设计计算

4.1螺旋自锁紧液压缸工作原理

本设计改进了液压缸4的活塞杆5，将活塞杆5设计成空心结构，并在活塞杆内表面上加工内螺纹，使带内螺纹的活塞杆与带外螺纹的螺杆3配合；当活塞杆5在液压油的推动下移动时，马达带动螺杆3回转运动，使得活塞杆5的螺旋移动与液压移动保持同步，活塞杆5运动到预定位置后，停止供油，同时螺杆3停止转动，由于螺杆3的螺旋升角小于自锁角，此时螺纹副实现自锁功能(即理论上无论外加载荷多大，活塞杆都不可能出现位移)，从而实现活塞杆5在任意位置可靠定位。液压马达1驱动螺杆3回转，制动则由两片摩擦离合器2的分离或者液压马达1停止供油来实现。

4.2螺旋自锁紧液压缸创新点

(1)对液压缸的原有结构，没有做复杂更改，体积几乎不变；(2)三角形螺纹加工制造简单易行，成本低；(3)同步动作，没有延时；(4)理论上，只要螺纹强度足够，依靠螺纹自锁，承载力无限增大。4.3理论设计计算

a.理论计算的目的。

在液压缸的活塞杆内部设计自锁螺纹副，液压缸通过螺纹副实现精确和可靠定位。由于螺旋传动的运动速度要保持与活塞的同步，所以需要计算出流入液压马达液压油的流量与流入液压缸液压油的流量之间的比值关系，以保证两者运动的同步。

b.计算方法、步骤。

(1)设定螺纹自锁紧液压缸的参数如下：活塞直径为D，活塞杆直径为d；螺杆为右旋、单线、三角形螺纹，螺距为p；液压马达转速为n，排量为V。

(2)设定液压马达A口流量为qA，液压马达C口流量为qC,液压缸B口流量为qB，液压缸D口流量为qD。

(3)计算2种情况下的流量比值：①当活塞杆往右移动时，液压马达A口、液压缸B口流入液压油的流量比值qA∶qB；②活塞杆往左移动时，液压马达C口、液压缸D口流入液压油的流量比值qC∶qD。

(4)分析计算：

①第一种情况下，液压缸左腔(B)进油，右腔(D)出油，活塞杆往右移动，液压马达中液压油A进C出，则液压马达顺时针旋转，活塞杆随着螺杆旋转往右移动，活塞的运动速度为v活塞。

qA=nV

②第二种情况下，液压缸左腔(B)出油，右腔(D)进油，活塞杆往左移动，液压马达中液压油C进A出，则液压马达逆时针旋转，活塞杆随着螺杆旋转往左移动。

qC=nV

c.计算结果分析。

对比①，②的计算结果，说明保持液压缸和液压马达同步的液压油的流量输入比例关系是一个定值，这个定值只与活塞直径D、活塞杆直径d、螺距p、液压马达排量V有关，即只要液压缸和液压马达确定下来，并保持两者的液压油的流量输入为qA∶qB和qC∶qD，就可以使活塞杆和活塞保持左右移动的同步运动。

d.实现同步运动的技术措施。

根据对计算结果的对比，在实际的液压回路中只要采用电液比例流量控制阀，就能控制液压缸和液压马达输入的液压油流量的比值，同时采用方向换向阀控制油液的流向，就可以实现液压马达带动的活塞杆和液压缸的活塞同步的直线运动。

5 结束语

因条件所限，文章中所涉及的结构设计、再制造及评价技术并没有试验或设备支撑，因而文章更偏重于理论方面的研究。螺旋锁紧液压缸只是对已有机械式锁紧液压缸的结构进行了改进，对液压缸的设计改进有一定指导的作用；但同时也有一定的局限性，特别是三角形螺纹的强度是否能满足实际需要，还需要强度试验的支撑，因而后续将尽可能和相关企业联合进行试验验证，以进一步完善再制造的相关理论。

[1] 陈立德．机械设计基础[M]．北京：高等教育出版社，2007.

[2] 倪江生．新型机械锁紧式液压缸的设计[J]．机械科学与技术，2008(1)：42-43.

[3] 张忠远．液压传动与气动技术[M]．天津：南开大学出版社，2010.

DesignofaSpiralSelf-lockingHydraulicCylinder

ZHAO Hong

(Shandong Institute of Light Industry, Shandong Zibo, 255300, China)

Based on the trend status of a mechanical cylinder lock technology, it designs ths mechanical self-locking threaded features cleverly for a piston rod of the hydraulic cylinder. Aiming at the original design of a pair of hydraulic cylinders, it applies the self-locking screw vice and self-locking threaded, realizes accurate and reliable positioning cylinders with load. This design of the existing mechanical lock shows some advantages such as more concise structure, easily processing and manufacturing, low cost, high efficiency. This device can apply for a patented innovative design invention.

Mechanical Hydraulic Cylinders; Thread-locking; Accurate Positioning

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.018

2014-07-21

赵红(1970—)，女，山东淄博人，山东轻工职业学院讲师，硕士，主要研究方向为机械制造与自动化。

TB472

B

2095-509X(2014)09-0076-03