螺旋摆动液压缸的设计.docx
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螺旋摆动液压缸的设计.docx
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螺旋摆动液压缸的设计
螺旋摆动液压缸的设计
中南大学本科毕业论文目录
摘要...........................................................................................................................I
ABSTRACT..................................................................................................................II
第1章绪论..................................................................................................................1
1.1摆动液压缸简介......................................................................................1
1.2螺旋摆动液压缸的原理、特点和应用..................................................2
1.2.1螺旋摆动液压缸的原理简述.......................................................2
1.2.2螺旋摆动液压缸的特点和应用...................................................3
1.2.3课题设计的背景和设计内容.......................................................3
第2章螺旋摆动液压缸的设计..................................................................................5
2.1结构形式选择..........................................................................................5
2.1.1非圆活塞式摆动液压缸...............................................................5
2.1.2花键活塞式摆动液压缸...............................................................5
2.1.3带导向杆式螺旋摆动液压缸.......................................................6
2.1.4二级螺旋摆动液压缸...................................................................6
2.2关于选用第四套方案大前提下的螺旋形式的选择..............................7
2.2.1一级螺旋活塞式(方案一).......................................................7
2.2.2双螺旋摆动液压缸(方案二)...................................................7
2.2.3三级螺旋活塞式摆动液压缸(方案三)...................................8
2.2.4方案的确定...................................................................................8第3章螺旋摆动液压缸的计算................................................................................10
3.1第一级螺纹参数计算和校核................................................................10
3.1.1根据计算所得的直径大小来确定其他参数.............................11
3.1.2校核齿根弯曲强度.....................................................................12
3.1.3设计计算.....................................................................................13
3.2第二级螺纹参数计算和校核................................................................14
3.3两级螺旋摆角分配及液压缸效率计算................................................15
3.4其他主要零部件的设计........................................................................16
3.4.1活塞.............................................................................................16
3.4.2空心轴.........................................................................................17
中南大学本科毕业论文目录
3.4.3缸体.............................................................................................18
3.4.4输出轴.........................................................................................20
3.4.5密封装置.....................................................................................21
3.4.6后封盖.........................................................................................22第4章轴类零件加工工艺........................................................................................24
4.1确定毛坯...............................................................................................24
4.2确定主要表面的加工方法...................................................................24
4.3确定定位基准.......................................................................................24
4.4划分阶段...............................................................................................24
4.5热处理工序安排...................................................................................25
4.6加工尺寸和切削用量...........................................................................25
4.7拟定工艺过程.......................................................................................25第5章总结与展望....................................................................................................26致谢..............................................................................................................................27
参考文献......................................................................................................................28附录1出图清单..........................................................................................................29附录2国外文献翻译..................................................................................................30附录3国外文献原文..................................................................................................36
中南大学本科毕业论文摘要
摘要
螺旋摆动液压缸具有结构紧凑、安全可靠、占位空间小,易于设计、输出扭矩和摆动角度大等优点。
正因如此摆动液压油缸几乎在每一需要高扭矩有限摆动运动的场合都得到了应用。
但是在国内现今还没有能独立生产螺旋摆动液压缸的厂家,其设计制造也没有形成成熟的体系和完善的理论,这使得我国在螺旋摆动液压缸方面的应用受到了很大阻碍。
在这样的背景下,本文在分析前人研究螺旋摆动液压缸的基础上,参考国外螺旋摆动液压缸的成品数据,对螺旋摆动液压缸的原理进行了思考,由于老师的推荐故在设计过程中的两级螺旋副处采用了螺旋齿轮传动。
本文对螺旋摆动液压缸的关键部位进行了计算校核,并作出其主要零件图,装配图和爆炸视图。
在设计的基础上运用SolidWorks三维软件生成螺旋摆动液压缸零部件的三维实体,并进行虚拟装配,为后来学者提供一些更直观的参考。
:
关键词:
双螺旋;360旋转;三维设;虚拟装配
I
中南大学本科毕业论文ABSTRACT
ABSTRACT
Rotaryhydrauliccylinderhavetheadvantagesofcompact,safe,reliable,smallfootprint,easytodesign,largeoutputtorqueandlargeswingangle.ThisiswhyalmosteveryoccasionwhereneedhightorquelimitedswingingmovementtheRotaryhydrauliccylinderhavebeenapplied.Meanwhile,thedesignandmanufacturedidn’t
ormamaturesystemandthetheoryisimperfection.Thesehaveincreasedproductionf
costs,hinderingChina'smodernizationconstructionprocess.
Inthisbackground,thepaperchoosetheprogramofdoublerotaryhydrauliccylindertodesignafterthinkingabouttheprincipleoftherotaryhydrauliccylinderandhavingtriedseveraldesignprogramsbasedonthepreviousresearchachievementandforeignproductdata.Fortheteacher'srecommended,IusethehelicalgearinthetwoGearingTransmissions.Finally,Inthispaper,spiralswingkeypartsofthehydrauliccylinderwascalculatedcheck,andIhavemakethemainpartandassemblydrawingsandexplodedviewsonthebasisofthepreviousdesign,usingSolidWorkssoftwaretogeneratethree-dimensionalentityofrotaryhydrauliccylinder,sothatitcanbeprovidethelaterscholarswithmoreintuitivereference.
KeyWords:
doublehelix;rotate360degrees;three-dimensionaldesign;virtualassemble
II
中南大学本科毕业论文第1章绪论
第1章绪论
摆动液压缸简介1.1
摆动液压缸是利用大螺旋升角的螺旋副实现旋转运动的特殊液压缸,输出轴的螺旋棒与缸体固定,活塞内表面螺旋齿与螺旋棒的螺旋齿啮合,输出轴的螺旋棒表面形状与活塞外表面形状相同。
因此,当活塞在转动套内液压力作用下,活塞既沿螺旋棒直线运动又转动,带输出轴的螺旋棒同时也随之转动。
从而摆动运动得以实现。
螺旋摆动缸具有结构紧凑、安全可靠、占位空间小,易于设计、输出扭矩和摆动角度大等优点。
液压螺旋摆动液压缸是一个装配紧密的配件,它在很小的空间里运用液压集合了非常高的扭矩。
尽管动力很高但是他们仍然可以精确容易地控制,HKS摆动缸已经成功地应用在了几乎所有要求有限旋转运动且要大扭矩的领域。
在俄罗斯核潜艇―库尔斯克号‖号打捞期间使用了由计算机控制的224个螺旋摆动缸,从而将潜艇举出了海平面。
在戴姆勒奔驰太空公司(DASA)水下模拟装置四维直线与旋转试验中,使用了精度为十分之一度的特殊摆动液压缸。
在荷兰国家所有铁路道岔控制中,全部采用了HKS螺旋摆动液压缸。
我们最强大的螺旋摆动缸可将20辆大众Golf轿车从一边转到另一边。
动力强劲、定位精准、易于控制,不管输出扭矩有多大,HKS摆动液压油缸几乎在每一需要高扭矩有限摆动运动的场合都得到了应用。
例如:
港口机械、工程机械、建筑机械、船舶配载及设备操作、井下工作、高空作业、海底勘探装置及近海平台、特种机器人、物流及交通运输、农林机械及设备、食品工业、烟草机械、制药工业和石油化工等领域。
为了达到有效可靠的功能,就需要有高制造精度。
缸内部被完好的保护起来可以完全防尘防污防潮。
这一精度伴随着结实密封良好的外壳,可以让缸承受达350巴的工作压力。
摆动缸也可以用于非常恶劣的条件下,地下及海平面米以下的2300地方。
举一个例子,在俄罗斯原子能潜艇号打捞期间使用了个摆动缸从―Kursk‖224而将其举出海平面,即此促使海难救援安全执行。
摆动缸甚至被运用到了要求高清洁度和卫生保健的药品和食品加工工业。
基于摆动缸的小身材,强力和可靠性不可能被感知到。
最强大的摆动液HKS压缸可将辆大众轿车从一边转到另一边。
这一设计是建立在带有多重螺旋齿20Golf
轮的系统之上的。
通过多重螺旋齿轮将活塞的直线运动转化成旋转运动。
活塞的直线运动越长,旋转的角度就越大。
1
中南大学本科毕业论文第1章绪论1.2螺旋摆动液压缸的原理、特点和应用
1.2.1螺旋摆动液压缸的原理简述
如图1中所示,h1、h2为输油孔,当高压的液压油从输油孔h1进入液压缸体的时候,通过1(输出轴)和2(活塞)之间的间隙进入3(空心轴)和2组成的空腔内。
输出轴与活塞内部螺旋副的旋向与空心轴和4(轴套)之间的螺旋副旋向是相反的,活塞和空心轴之间通过螺纹连接在成一个整体。
高压液压油作用在活塞端面和空心轴的内壁上(即液压油的作用面积),压力推动空心轴轴向运动,空心轴在轴套的旋合作用下旋转一个角度A1,因为活塞和空心轴是一个整体,因此活塞也旋转了相应的角度A1,活塞不仅做轴向运动还做旋转运动。
而活塞内部和输出轴也是螺纹啮合的,在啮合作用下,输出轴转动角度为A2,由于两级螺旋副的旋向是相反的,所以实际上,输出轴相对与外部机构而言旋转的角度为A1+A2,所以活塞并不需要旋转一周,输出轴就能实现360度的旋转,这也是二级螺旋摆动液压缸的最大特点。
当输出轴转动了工作需要的角度之后,供油系统改变液压油的方向,由输油孔h2进油,推动活塞向相反的方向运动,同样的原理完成输出轴的回转运动。
输出轴上设计有抵消轴向推力的结构,因此输出轴只输出旋转运动。
这就是螺旋摆动液压缸的基本原理。
1-输出轴2-活塞3-空心轴4-轴套h-进油孔h-出油孔12
图1螺旋摆动液压缸的结构图
2
中南大学本科毕业论文第1章绪论
1.2.2螺旋摆动液压缸的特点和应用
螺旋摆动液压缸的特点:
(1)运动精确度高,传动效率高。
(2)可在极端恶劣的工作环境中保持高度清洁。
螺旋摆动液压缸具有密封良好的缸体,不仅可以承受大的工作负载,而且给予液压缸内部很好的保护,因此它对脏污、粉尘、潮湿具有较高的抵抗力。
同时,由于其在工作中的清洁度及可靠性,在制药、食品工业中螺旋摆动液压缸得到了广泛的应用。
(3)螺旋摆动液压缸输出轴具有可调性,输出轴的零位
[1]几乎可以无级地进行调整。
由于其优良的性能,螺旋摆动液压缸在国内外很多领域得到了广泛的应用。
(1)建筑机械是其传统应用领域之一。
例如挖掘机斗铲采用双螺旋摆动液压缸,可以按照斜坡的坡度转动。
压土机中附件的定位、提升和下降都是采用摆动液压缸来实现的。
(2)在服务行业的机械中,螺旋摆动液压缸使设备既易于移动又能准确定位,这就使得机械替代手工操作变得更加适合应用于服务行业。
(3)现代船舶需对平衡舱系统精心配载,以便使船舶不管载重如何,均能在任何恶劣气候下保持稳定。
利用螺旋摆动液压缸和相关的机构实现螺旋和提升运动的有效结合,这样的应用曾成功实现了从巴伦茨海打捞上俄罗斯原子能潜艇库尔斯克号。
(4)在矿井下工作的机械需要承受重载,螺旋摆动液压缸在工况恶劣的环境下的机动性,保证了工作机械的可靠性。
(5)另外,螺旋摆动液压缸还广泛用于伸缩工作台、海下工作机械、物流及交通
[2]运输机械、农林机械、食品加工机械、化工与石油化工、机械制造等许多领域。
1.2.3课题设计的背景和设计内容
由于螺旋摆动液压缸在将活塞的直线运动转化为旋转运动的种种优越性,二十世纪六十年代,欧美等国家就已经发明了多种形式的螺旋摆动液压缸,并且申请了专利,经过几十年的发展,美国的Helac公司和德国的HKS公司已经有了成熟的生产技术和在全球销售应用在各个行业领域的一系列产品。
随着我国现代化进程的不断加快和机械建筑等行业的高速发展,螺旋摆动液压缸应用在机械建筑行业的优势越来越受到关注和重视,九十年代以来,我们国家也引进了螺旋摆动液压缸的相关技术和设备,但是进口价格高昂。
在这种背景下,其设计制造不仅能在国内相关领域做出研究尝试,而且具有较大的经济效益。
国内外对螺旋摆动液压缸已经有很系统的研究,比如螺旋摆动液压缸的稳定性,有限元分析及优化设计在液压缸强度上应用,液压缸的寿命,内泄漏等。
但是与其他机械传
3
中南大学本科毕业论文第1章绪论动零件相比较,螺旋摆动液压缸的结构和强度设计理论还处于较低级的阶段。
例如对齿轮传动的研究就相当深入,计算和校核齿轮的方法和公式都自成体系,并形成较成熟的加工流程。
但是,在螺旋摆动液压缸的设计过程中,很多关键的公式目前只能参考其他的结构设计,或者只能粗略的计算,有时则采用保守的计算方法,或选取较大的安全系数,显然,这些都不足以弥补计算中的某些不足。
在这样的条件下设计出来的螺旋摆动液压缸存在着很大的缺陷和不合理,常常会致使材料消耗,体积、重量都有所增加,寿命较短或者工作效率低等问题。
另一方面由于对螺旋摆动液压缸复杂的受力情况不能十分明确,选取的安去系数虽然较大,但是那是参考其他机械结构的设计,仍难免会出现工作过程中不安全的情况。
因此,针对我国在设计螺旋摆动液压缸上缺乏一套针对性强且系统有效的设计方法的空白,本文认为通过设计具体的螺旋摆动液压缸实例,来研究其设计方法是十分具有现实意义的。
本文参考德国的HKS公司生产的系列产品(型号:
DKA100)的螺旋摆动液压缸的相关参数,根据螺旋摆动液压缸的基本原理,思考螺旋摆动液压缸的具体形式并比较优劣,选出最佳方案进行具体的设计和重要零部件的校核,并运用三维软件,根据设计的螺旋摆动液压缸设计三维实体,并生成工程图。
4
中南大学本科毕业论文第2章螺旋摆动液压缸的设计
第2章螺旋摆动液压缸的设计
2.1结构形式选择
在螺旋副传动中,根据相对原理,在不同工作机构中,可以固定螺杆,将需要转动的部件连接在轴套上;或者固定轴套,而将需要转动部件连接在螺杆上。
无论采用哪一种形式,当负载一定时,增大液压缸的输出摆角,都将增大液压缸活塞的工作行程,当摆角大到360?
时,活塞行程等于螺旋的螺纹导程,从而使液压缸的尺寸增加。
因此,要合理的选择液压缸的结构形式,使其体积小,结构紧凑,便于整机布置。
2.1.1非圆活塞式摆动液压缸
图2为非圆活塞式摆动液压缸的结构示意图。
1.缸体2.转动套3.螺旋棒4.活塞
图2非圆活塞式摆动液压缸
图2中螺旋棒3与缸体1固定。
非圆(椭圆)活塞内表面与螺旋棒啮合。
转动套2内表面形状与活塞外表面形状相同。
因此,当活塞在转动套内液压力作用下,既沿螺旋棒直线运动又转动,旋转运动通过活塞非圆表面及转动套输出。
这种结构轴向尺寸小,但非圆活塞的内外表面加工比较复杂,要采用数控加工。
2.1.2花键活塞式摆动液压缸
图3为花键活塞螺旋摆动液压缸
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