一种滚子凸轮摆动缸及其应用

1.本发明属于液压元件技术领域，更具体地，涉及一种滚子凸轮摆动缸及其应用。


背景技术：

2.海洋蕴藏着人类社会可持续发展的战略资源，海洋资源开发与利用已经成为人类未来发展的必要方向之一。液压技术广泛应用于深海领域，而深海环境恶劣，水压极高，通常设备难以运行。
3.目前应用于水下领域的摆动缸主要是油液压驱动的齿轮齿条式、螺旋式和叶片式摆动缸，其中齿轮齿条式、螺旋式摆动缸，驱动端润滑介质为润滑油，需外接压力补偿器来平衡海深压力，具有结构不够紧凑，同时深海环境下润滑性能难以保证，传动副易磨损，造成定位不精确甚至造成卡死情况。叶片式摆动缸在深海高压环境下泄漏严重，性能会急剧退化。
4.此外，传统油压技术存在油水互渗污染、性能退化严重等问题，水液压介质与环境相融，绿色、可靠，同时，水的粘度较低，粘性损失远小于油压传动系统，水的压缩系数小，补偿一部分因泄漏等引起的容积损失，水液压已成为液压技术的重要发展方向。但水液压介质易致使传统传动方式的摆动缸卡死。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种滚子凸轮摆动缸及其应用，其目的在于，提高摆动缸结构紧凑性，并避免卡死，使其能够适应水液压介质工作环境。
6.为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种滚子凸轮摆动缸，包括上壳体、下壳体、活塞套筒和蜗杆轴，其中：
7.所述上壳体和下壳体连接形成内部空腔；所述上壳体内壁开设有导向槽，所述下壳体中开设有两条流道；
8.所述活塞套筒安装在所述内部空腔中，其开口端朝向所述上壳体一侧；所述活塞套筒将内部空腔分隔为不连通的第一工作腔与第二工作腔，该第一工作腔、第二工作腔分别与两条流道连通；所述活塞套筒外壁设有导向块，该导向块滑动安装在所述导向槽内；所述活塞套筒内安装有滚子；
9.所述蜗杆轴安装在所述内部空腔中，该蜗杆轴一端从所述上壳体伸出，另一端穿过所述活塞套筒底部，活动连接在所述下壳体上；所述蜗杆轴上的螺旋槽与所述滚子相互啮合，形成螺旋副。
10.作为进一步优选的，所述活塞套筒上周向均匀分布有多个套筒剖面，该套筒剖面为将活塞套筒的外壁弧面削为平面形成，套筒剖面个数与蜗杆轴的螺纹头数相同；所述套筒剖面上开设有数个滚子定位孔，该滚子定位孔用于安装所述滚子。
11.作为进一步优选的，所述套筒剖面上开设有导流孔，该导流孔用于连通上壳体侧的第一工作腔和下壳体中的一条流道。
12.作为进一步优选的，所述蜗杆轴的材料为固溶处理后的17-4ph不锈钢材料或者硬质合金，蜗杆轴表面经过碳膜喷涂处理。
13.作为进一步优选的，所述滚子的材料为表面离子溅射tio2处理的17-4ph材料；滚子外壁装有轴套，该轴套由peek材料制成。
14.作为进一步优选的，所述蜗杆轴采用多头螺纹，且蜗杆轴的螺旋槽截面为矩形沟槽。
15.作为进一步优选的，所述活塞套筒靠近底部一侧的外壁上开设有沟槽，该沟槽中安装有孔用格来圈和导向环，两个所述导向环分别设置在孔用格来圈两侧。
16.作为进一步优选的，所述蜗杆轴两侧分别通过滑动轴承安装在上壳体和下壳体上；所述蜗杆轴与上壳体端部接触处，以及蜗杆轴与活塞套筒底部接触处均安装有轴用格来圈。
17.作为进一步优选的，所述上壳体和下壳体通过螺钉连接，且连接端面设有o形密封圈。
18.按照本发明的另一方面，提供了一种上述滚子凸轮摆动缸的应用，将该滚子凸轮摆动缸置于海水中，以海水作为介质，通过海水进出在第一工作腔和第二工作腔形成压力差，从而使活塞套筒直线移动，进而带动蜗杆轴旋转，实现摆动缸扭矩输出。
19.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
20.1.本发明采用滚子与矩形螺旋槽啮合的新型驱动方式，通过活塞套筒的往复运动带动滚子进行多头螺旋的啮合运动，避免传统齿轮传动方式在水润滑下卡死的现象，将活塞的轴向位移转化为蜗杆轴的旋转运动，实现液压缸由直线运动到旋转运动的转换。
21.2.本发明将端盖与壳体集成，消除了端盖结构，使得摆动缸结构更为紧凑，同时减少了连接件与密封件的数量，增加了密封可靠性。
22.3.本发明将流道集成到下壳体内部，同时通过活塞套筒上的切削平面与导流孔将液压腔与润滑腔连通，实现深海环境下壳体内部压力补偿的同时，消除了摆动缸需要压力补偿器的冗余设计，更加优化了摆动缸的结构。
23.4.本发明配合设计了蜗杆轴和滚子材料，通过抗磨减摩材料的摩擦副，结合滚子外加peek轴套的设计带来的自旋，形成双重旋转，减少蜗杆轴传动过程中的磨损，更好地实现滚子与蜗杆轴的啮合传动，使得摆动缸在水润滑下仍具有良好的传动效果，扭矩的输出也更加稳定可靠。
24.5.本发明可以以工作环境中的海水作为工作介质以及润滑介质，相比于传统的传动机构，避免了工作介质渗漏造成的环境污染，以及油水互渗造成的性能退化，同时可更好地利用水液压介质良好的黏度、温度特性和压缩性能，在高速、高精度、高效率的工况下保证传动效率，使得该摆动缸可在深海环境中良好运行。
附图说明
25.图1是按照本发明优选实施例构建的滚子凸轮摆动缸结构示意图；
26.图2是按照本发明优选实施例构建的活塞套筒结构意图；
27.图3是按照本发明优选实施例构建的蜗杆轴结构示意图；
28.图4是按照本发明优选实施例构建的蜗杆轴与活塞套筒装配示意图；
29.图5是按照本发明优选实施例构建的上壳体结构示意图；
30.图6是按照本发明优选实施例构建的下壳体结构示意图；
31.图7是按照本发明优选实施例构建的滚子结构示意图。
32.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-蜗杆轴，2-轴用格来圈，3-上壳体，3.1-导向槽，3.2-滑动轴承固定座，4-前滑动轴承组件，5-滚子，5.1-轴套，5.2-轴套，6-螺钉，7-o形密封圈，8-导向环，9-孔用格来圈，10-活塞套筒，10.1-滚子定位孔，10.2-导向块，10.3-套筒剖面，10.4-导流孔，11-轴用格来圈，12-后滑动轴承组件，13-下壳体，13.1-液压流道，13.2-液压流道。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.本发明实施例提供的一种滚子凸轮摆动缸，如图1所示，包括传动装置和密封装置，其中：
35.所述传动装置包括上壳体3、下壳体13、活塞套筒10和蜗杆轴1，其中，上壳体3和下壳体13通过螺钉6连接形成内部空腔；所述活塞套筒10安装在所述内部空腔中，并形成动密封，将内部空腔分隔为不连通的第一工作腔与第二工作腔；活塞套筒10的大开口端朝向上壳体3一侧，该侧形成的腔体为第一工作腔。所述上壳体3内壁开设有导向槽3.1，所述活塞套筒10外壁设有导向块10.2，该导向块10.2滑动安装在所述导向槽3.1内，使得活塞套筒10在液压差驱动运动过程中不会产生旋转。
36.所述活塞套筒10外表面削有多个平面，即套筒剖面10.3；具体的，如图2所示，所述活塞套筒外壁削去一段弧面，削去数量与蜗杆轴1的螺纹头数一致，形成的数个套筒剖面10.3圆周均布，套筒剖面10.3既可成为液压传动的流道，又可为安装孔确定基准平面；每个套筒剖面10.3上开设有数个用于安装滚子5的滚子定位孔10.1，滚子定位孔10.1之间的距离为蜗杆轴1的导程，实现各滚子与蜗杆轴的多头螺旋槽啮合。同时套筒剖面10.3上打有导流孔10.4，用于更好地实现水液压流路与活塞套筒内腔的沟通。套筒剖面10.3在便于安装所述滚子的同时，也是提供从所述下壳体而来的液压介质的传输空间，使得所述上壳体内部与水液压驱动介质相连，以此保持上壳体内部的压力，同时将水液压介质作为蜗杆轴与滚子的啮合处的润滑介质。
37.所述下壳体13中开设有两条流道，分别为液压流道13.1和液压流道13.2；如图6所示，活塞套筒10上的一个套筒剖面10.3与液压流道13.1相对，使得从流道口a进入的液压介质通过液压流道13.1流到套筒剖面10.3，然后经导流孔10.4进入由活塞套筒10内腔形成的第一工作腔；由流道口b经液压流道13.2流入由下壳体13内部形成的第二工作腔，通过改变两腔压差，推动活塞套筒10往复运动。所述下壳体内部集成流道，通过在下壳体壁中打孔以及底部深孔打穿，形成所述下壳体前腔与后腔的不同流道出口，消除了摆动缸外部管道布置，减少摆动缸整体体积。
38.所述蜗杆轴1主体在内部空腔中，蜗杆轴1的后端安装于所述下壳体13的后滑动轴承组件12上；蜗杆轴1的输出端穿过所述上壳体3，前肩安装于固定在所述上壳体3的前滑动轴承组件4上。所述活塞套筒10套设于所述蜗杆轴1的外部并与所述蜗杆轴1同轴设置，所述滚子5与蜗杆轴1的螺旋槽相互啮合，形成滚子与螺旋槽相啮合的螺旋副，如图4所示。
39.所述密封装置包括轴用格来圈、孔用格来圈、导向环与o形密封圈，其中，轴用格来圈2安装在上壳体端部与蜗杆轴输出端接触处，用于上壳体内腔与外界海水环境的隔离；轴用格来圈11安装在蜗杆轴与活塞套筒底部接触处，实现动密封，用于两个工作腔的隔离。孔用格来圈9与分布其两边的导向环8组合，设置在活塞套筒底部一侧外壁，实现活塞套筒的导向与密封，使得活塞套筒更好地传动。o形密封圈7用于端面密封，使上壳体与下壳体接触面实现密封。以此通过上述密封组件，实现所述活塞套筒两端密封腔的可靠密封，通过改变所述活塞套筒两端密封腔的压力差，驱动所述活塞套筒的移动，从而实现所述蜗杆轴的扭矩输出。
40.进一步的，如图3所示，所述蜗杆轴采用多头螺纹，其导程与螺旋升角可以根据实际需求设定，本发明适用于任意数量滚子与螺纹的摆动缸。本实施例采用的螺旋槽的螺纹为6条，螺旋槽截面为矩形沟槽，在蜗杆轴上均匀分布。所述蜗杆轴材料可选固溶处理后的17-4ph不锈钢材料或者硬质合金，待加工完成后表面进行碳膜喷涂处理，加强表面强度，减少所述滚子与其啮合过程中的磨损，同时与滑动轴承内圈形成良好的摩擦配对副，使所述蜗杆轴在全水润滑下仍具有良好的转动性能。
41.进一步的，所述上壳体小口端开有格来圈沟槽用于安装轴用格来圈，实现蜗杆轴的动密封，减少外界深海环境中杂质的进入；如图5所示，上壳体端部同时开有阶梯孔，形成滑动轴承固定座3.2，用于固定滑动轴承外壳，同时阶梯孔的设计也便于滑动轴承的拆卸；所述上壳体内壁开有导向槽，用于限制所述活塞套筒的转动，所述上壳体的设计完成了端盖与壳体的集成，消除了端盖结构，使得摆动缸结构更为紧凑，同时减少了连接件与密封件的数量，增加了密封可靠性。
42.进一步的，所述滚子的材料为表面离子溅射tio2处理的17-4ph材料，所述滚子外壁装有轴套5.1和轴套5.2，如图7所示，轴套均由peek材料制成，以此形成碳膜-peek-碳膜的摩擦副，通过双重旋转，减少所述蜗杆轴传动过程中的磨损，适应深海环境下全水润滑的条件。
43.本发明提供的滚子凸轮摆动缸的具体工作过程为：增加(或减小)上壳体内部(第一工作腔)的压力，使其大于(或小于)所述下壳体内部密封腔(第二工作腔)的压力，即可实现所述活塞套筒轴向移动；例如，可从流道口a进入水液压介质，经过液压流道13.1进入活塞套筒10里第一工作腔，第一工作腔与第二工作腔产生压差驱动活塞套筒10运动，第二工作腔的水液压介质经液压流道13.2从流道口b流出。进而通过上壳体内部导向槽限制活塞套筒的旋转，使活塞套筒直线运动，带动固定于活塞套筒上的滚子，通过滚子与蜗杆轴啮合传动，以及固定于蜗杆轴两端的滑动轴承限制其轴向移动，实现蜗杆轴的旋转运动，从而实现摆动缸扭矩的输出。
44.综上，本发明采用滚子与矩形螺旋槽啮合的驱动方式，避免传统齿轮传动方式在水润滑下卡死的现象，同时采用抗磨减摩材料的配对结合滚子轴套设计带来的自旋效果，更好地实现水润滑下滚子与蜗杆轴的啮合传动；将端盖与壳体集成，减少了密封件与连接
件的数量，油路直通驱动润滑腔，在实现深海环境下壳体内部压力补偿的同时，消除了摆动缸需要压力补偿器的冗余设计，更加优化了摆动缸的结构。本发明能够实现在任何深度的海域内的旋转扭矩的输出，同时也可以在陆地上作为绿色环保摆动缸使用，具有结构简单，适用性强，工作可靠性的特点。
45.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种滚子凸轮摆动缸，其特征在于，包括上壳体(3)、下壳体(13)、活塞套筒(10)和蜗杆轴(1)，其中：所述上壳体(3)和下壳体(13)连接形成内部空腔；所述上壳体(3)内壁开设有导向槽，所述下壳体(13)中开设有两条流道；所述活塞套筒(10)安装在所述内部空腔中，其开口端朝向所述上壳体(3)一侧；所述活塞套筒(10)将内部空腔分隔为不连通的第一工作腔与第二工作腔，该第一工作腔、第二工作腔分别与两条流道连通；所述活塞套筒(10)外壁设有导向块，该导向块滑动安装在所述导向槽内；所述活塞套筒(10)内安装有滚子(5)；所述蜗杆轴(1)安装在所述内部空腔中，该蜗杆轴(1)一端从所述上壳体(3)伸出，另一端穿过所述活塞套筒(10)底部，活动连接在所述下壳体(13)上；所述蜗杆轴(1)上的螺旋槽与所述滚子(5)相互啮合，形成螺旋副。2.如权利要求1所述的滚子凸轮摆动缸，其特征在于，所述活塞套筒(10)上周向均匀分布有多个套筒剖面，该套筒剖面为将活塞套筒(10)的外壁弧面削为平面形成，套筒剖面个数与蜗杆轴(1)的螺纹头数相同；所述套筒剖面上开设有数个滚子定位孔，该滚子定位孔用于安装所述滚子(5)。3.如权利要求2所述的滚子凸轮摆动缸，其特征在于，所述套筒剖面上开设有导流孔，该导流孔用于连通上壳体(3)侧的第一工作腔和下壳体(13)中的一条流道。4.如权利要求1所述的滚子凸轮摆动缸，其特征在于，所述蜗杆轴(1)的材料为固溶处理后的17-4ph不锈钢材料或者硬质合金，蜗杆轴(1)表面经过碳膜喷涂处理。5.如权利要求4所述的滚子凸轮摆动缸，其特征在于，所述滚子(5)的材料为表面离子溅射tio2处理的17-4ph材料；滚子(5)外壁装有轴套，该轴套由peek材料制成。6.如权利要求1所述的滚子凸轮摆动缸，其特征在于，所述蜗杆轴(1)采用多头螺纹，且蜗杆轴(1)的螺旋槽截面为矩形沟槽。7.如权利要求1所述的滚子凸轮摆动缸，其特征在于，所述活塞套筒(10)靠近底部一侧的外壁上开设有沟槽，该沟槽中安装有孔用格来圈和导向环，两个所述导向环分别设置在孔用格来圈两侧。8.如权利要求1所述的滚子凸轮摆动缸，其特征在于，所述蜗杆轴(1)两侧分别通过滑动轴承安装在上壳体(3)和下壳体(13)上；所述蜗杆轴(1)与上壳体(3)端部接触处，以及蜗杆轴(1)与活塞套筒(10)底部接触处均安装有轴用格来圈。9.如权利要求1-8任一项所述的滚子凸轮摆动缸，其特征在于，所述上壳体(3)和下壳体(13)通过螺钉(6)连接，且连接端面设有o形密封圈(7)。10.一种如权利要求1-9任一项所述的滚子凸轮摆动缸的应用，其特征在于，将该滚子凸轮摆动缸置于海水中，以海水作为介质，通过海水进出在第一工作腔和第二工作腔形成压力差，从而使活塞套筒直线移动，进而带动蜗杆轴旋转，实现摆动缸扭矩输出。

技术总结
本发明属于液压元件技术领域，并具体公开了一种滚子凸轮摆动缸及其应用，其包括上壳体、下壳体、活塞套筒和蜗杆轴，其中：上壳体和下壳体连接形成内部空腔；上壳体内壁开设有导向槽，下壳体中开设有两条流道；活塞套筒安装在内部空腔中，开口端朝向上壳体一侧；活塞套筒将内部空腔分隔为不连通的第一工作腔与第二工作腔，其分别与两条流道连通；活塞套筒外壁设有导向块，导向块滑动安装在导向槽内；活塞套筒内安装有滚子；蜗杆轴安装在内部空腔中，一端从上壳体伸出，另一端穿过活塞套筒底部，活动连接在下壳体上；蜗杆轴上的螺旋槽与滚子相互啮合。本发明能够实现在任何深度海域内的旋转扭矩输出，具有结构简单，适用性强，工作可靠性的特点。作可靠性的特点。作可靠性的特点。


技术研发人员：吴德发 高恒 付剑宇 李江雄 王于健 米卓 王成龙 胡锡广 刘涵辉
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/8/1