螺旋摆动液压缸动态特性的研究

发布时间：2020-10-22 00:57

　　 螺旋摆动液压缸相对于传统的叶片式、齿轮齿条式、链条链轮式摆动液压缸,由于其采用了特有的双螺旋副结构,具有摆动角度大、承载性能高、结构紧凑、传动效率高等优点,广泛应用在工程机械、建筑机械、农林机械等设备上。由于国外对此技术的垄断,国内在这方面的研究起步较晚,设计制造重载、高压、高可靠性、高定位精度、长寿命的螺旋摆动液压缸技术,国内尚未完全掌握。因此,从结构特性、虚拟样机技术及流体润滑方面研究,获得较优的结构参数,具有重要的理论和工程应用价值。论文主要进行了以下研究工作： 应用两级梯形螺旋副结构设计了摆动液压缸,进行了螺旋副的承载性能分析。确定了两级螺旋副的相关结构参数：螺旋升角、螺距、导程、牙型角、公称直径、工作长度等。进行了螺旋摆动液压缸整体结构的三维虚拟装配、各零件间的干涉检验。 建立了两级螺旋机构的动力学数学模型,得到了两级螺旋机构的运动微分方程。分析了两级螺旋机构的运动学特性。进行了两级螺旋机构的动力学计算,揭示了螺旋牙型角对最低启动压力、输出螺杆角速度、空心螺杆径向位移和轴承支座反力的影响规律。结果表明螺旋牙型角增大输出扭矩提高。并对输出螺杆进行了有限元分析,校核了输出螺杆的抗剪切强度及刚度满足要求。 推导出了缸体与空心螺杆间螺旋流动特征油膜的润滑状态方程。揭示了不同径向间隙的同心油膜和在一定偏心率条件下的不同径向间隙偏心油膜螺旋流的压力、速度、温度分布规律。研究了不同径向间隙、不同转速、在一定偏心率条件下的不同径向间隙、同径向间隙不同偏心距情况下的油膜承载性能及油腔的内泄漏,获得了性能较佳的同心油膜和偏心油膜厚度。引用膜厚比对流体润滑状态进行了判定,获得了完全流体润滑状态的加工表面粗糙度参数。 揭示了空心螺杆与固定螺母间不同周向间隙和不同螺距油膜的压力、速度、温度分布规律。研究了周向间隙、液压油粘度、螺距、旋合长度对油膜的承载性能及油腔内泄漏的影响。以承载性能及传动效率为目标,获得了较好的螺旋副周向间隙值、螺距值、旋合长度值和液压油粘度值。揭示了两级螺旋副的结构参数和工艺参数对螺旋摆动液压缸传动效率的影响规律。建立了螺旋摆动液压缸传动的总效率模型。获得了螺旋摆动液压缸机械效率最大时的螺旋升角,空心螺杆与缸体间隙零泄漏时的最小空心螺杆轴向速度。 对实验室现有的实验装置进行改造后,进行了螺旋摆动液压缸的最低启动压力测试,进行了不同输入液压力条件下的输出扭矩性能测试,不同输入液压力条件下的输出摆角速度测试,不同输入液压力条件下的传动效率实验研究。实验结果与理论分析及动力学仿真结果较吻合。
【学位单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：TH137.51
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
目录
第一章 绪论
    1.1 研究背景及目的和意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 摆动液压缸的结构形式
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 摆动液压缸的国内外研究现状
        1.2.2 关键技术及未来发展趋势
    1.3 虚拟样机技术及其在相关领域中的应用
        1.3.1 虚拟样机技术的基本概念、起源及发展
        1.3.2 虚拟样机技术的国内外应用情况简介
    1.4 计算流体动力学及其在相关领域中的应用
        1.4.1 计算流体动力学简介
        1.4.2 CFD软件及其在螺旋摆动液压缸方面的应用
    1.5 研究的主要内容及技术路线
        1.5.1 课题来源
        1.5.2 主要研究工作
第二章 摆动液压缸的结构特性研究
    2.1 结构形式的选择
    2.2 双螺旋副摆动液压缸的工作原理分析
    2.3 螺旋摆动液压缸关键部件——双螺旋副的结构设计
        2.3.1 双螺旋副力学承载性能分析
        2.3.2 双螺旋副的主要结构参数确定
    2.4 螺旋摆动液压缸的密封装置设计
    2.5 螺旋摆动液压缸的整体结构设计
        2.5.1 螺旋摆动液压缸的辅配件设计
        2.5.2 螺旋摆动液压缸的虚拟装配
    2.6 本章小结
第三章 螺旋摆动液压缸动力学研究
    3.1 多体系统动力学理论基础
        3.1.1 多体系统动力学概述
        3.1.2 多体系统动力学发展及研究方法
        3.1.3 ADAMS软件介绍及应用
    3.2 螺旋摆动液压缸的运动学分析
        3.2.1 运动学建模
        3.2.2 数值计算
    3.3 螺旋摆动液压缸的动力学研究
        3.3.1 动力学建模
        3.3.2 数值计算
    3.4 输出螺杆的有限元分析
        3.4.1 有限元模型的建立
        3.4.2 仿真结果分析
    3.5 本章小结
第四章 螺旋摆动液压缸内圆环间隙流场特性研究
    4.1 螺旋摆动液压缸油润滑机理研究
        4.1.1 液压油的粘温粘压本构方程
        4.1.2 液压油润滑的控制方程
    4.2 基于Fluent软件的缸内圆环间隙流场数值模拟
        4.2.1 模型建立、网格划分及边界条件设定
        4.2.2 压力场模拟
        4.2.3 速度场模拟
        4.2.4 温度场模拟
        4.2.5 油膜承载性能及内泄漏分析
        4.2.6 转速对油膜性能的影响研究
        4.2.7 一定偏心率条件下不同径向间隙对油膜性能的影响研究
        4.2.8 同一径向间隙不同偏心距对油膜性能的影响研究
        4.2.9 压力对油膜性能的影响研究
    4.3 润滑状态的判定
    4.4 本章小结
第五章 螺旋摆动液压缸内螺旋副流场特性研究
    5.1 模型建立及边界条件设定
    5.2 周向间隙对油膜性能的影响研究
        5.2.1 压力场模拟
        5.2.2 速度场模拟
        5.2.3 温度场模拟
        5.2.4 油膜承载性能及内泄漏分析
    5.3 液压油粘度对油膜性能的影响研究
    5.4 螺距对油膜性能的影响研究
        5.4.1 压力场模拟
        5.4.2 速度场模拟
        5.4.3 温度场模拟
        5.4.4 油膜承载能力及内泄漏分析
    5.5 旋合长度对油膜性能的影响研究
    5.6 本章小结
第六章 螺旋摆动液压缸的传动效率研究
    6.1 螺旋摆动液压缸传动效率的影响因素分析
        6.1.1 螺旋摆动液压缸传动的总效率模型
        6.1.2 各参数对螺旋摆动液压缸传动效率的影响
    6.2 螺旋摆动液压缸结构参数与材料参数的设计总结
    6.3 本章小结
第七章 螺旋摆动液压缸的实验研究
    7.1 实验方法
        7.1.1 实验装置及原理
        7.1.2 实验方案
    7.2 实验结果及分析
        7.2.1 最低启动压力测试实验
        7.2.2 摆动角速度测试实验
        7.2.3 传动效率测试实验
    7.3 本章小结
第八章 全文总结与展望
    8.1 本文的研究成果
    8.2 今后的工作展望
参考文献
致谢
攻读学位期间主要研究成果

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本文编号：2850853