新型两级伺服油缸结构设计论述

0引言

在传统的机械传动中，对于长距离、精确定位的机构通常采用电动推杆、齿轮齿条、蜗轮蜗杆等驱动方式来实现机构的传动与定位。在某风洞新建试验段迎角机构的设计过程中，由于现场空间狭窄、电磁敏感等条件限制，目前常见的传动方式无法满足使用要求，综合了各种因素后，确定采用一种新型的两级伺服油缸来实现该机构的驱动。在油缸的设计过程中，既充分利用了伺服油缸启动摩擦力小、动态响应快和定位精度高等特点，同时又借鉴了多级油缸行程长、负载较大、所占空间小等特点，将两种性质的油缸有机结合起来，确保该油缸同时具备伺服油缸和多级油缸各自的优点。本文主要针对伺服油缸技术条件和要求，首先介绍了设计过程中的主要技术问题及解决措施，接着详细叙述了该油缸的设计计算、结构选型等设计过程，最后简要介绍了其应用效果。

1技术要求

根据现场工况及使用条件，对拟研制的两级伺服油缸提出了主要的技术要求如下：油缸种类：多级伺服油缸最高工作压力：20MPa工作速度：300mm/s油缸轴向安装长度：<2100mm最大行程：2300mm最大推力：1.31×105N传感器类型：直线位移传感器启动摩擦力：<0.7MPa。

2主要技术问题及解决措施

依据上述技术要求，在进行油缸设计时出现了三方面的技术问题：首先是如何实现各级油缸的单独运动？第二是在狭窄的空间如何布置位移传感器？第三是如何保证油缸的控制精度？针对出现的技术问题，其解决措施如下：

2.1各级油缸单独运动功能的实现

常见的多级油缸通常都采用串联供油方式，即只有一个进油口和一个出油口，如图1所示，各级油缸在同一方向上的工作腔的油路相通，正常工作时根据负载通常也能达到一级一级的单独动作，但在负载变化或各级缸间启动摩擦阻力变化时，各级油缸就无法实现单独动作，即各级油缸的动作顺序无法确定。因此，如何保证各级缸单独动作就是设计中面临的首要问题。要实现多级油缸中各级油缸单独动作，一种方式是在结构上进行改造，实现各级油缸间的逻辑动作；另一种方式就是对各级油缸采用单独供油方式，即每一级油缸配单独液压阀供油。对上述两种方案进行比较发现：前者结构上很容易实现，且成本低，但是其逻辑关系一旦确定后，动作顺序就无法改变；而后者虽然结构复杂、成本较高，但是在使用中能够任意变更动作顺序，有利于后期设备调试、使用及功能拓展。综合考虑各种因素最后确定采用了第二种方式，其供油方式及液压系统工作原理如图2所示，一级缸的缸底缸筒上分别布置一套进出油口，由图中左侧的伺服阀和液压锁（液控单向阀）控制油缸的动作，二级缸在其钻通的活塞杆和一级缸的活塞杆上各设置了一个进出油口，由图中右侧的伺服阀和液压锁进行控制。

2.2位移传感器的布置

由于受多级油缸自身的结构限制，无法安装内置式直线位移传感器，因此只能采用外置式位移传感器。在设计中采用了在油缸两级各配置一套外置磁致式位移传感器的方式，分别用于测量两级油缸的行程。相对只布置一根位移传感器来说，这种方式不但解决了单根位移传感器自身外形尺寸大与安装空间有限相冲突的难题，而且避免了实际使用过程中某一级油缸或控制系统故障无法及时发现和排除故障的问题。另外，为防止油缸活塞杆与缸筒沿轴线出现扭转从而影响位移传感器工作精度的现象，在油缸上设置了防扭转的导向装置，装置支架分别固定在缸筒及两级活塞杆上，如图3所示。

2.3控制精度的保证

为满足油缸高精度定位要求，在设计、生产及系统配置方面采取了如下措施：首先，在密封方式上采用了双组斯来圈加复合密封圈的低摩擦密封件结构形式；其次，在油缸制造工艺中对缸筒及活塞杆表面精度提出了较高的表面光洁度要求和工艺保证措施；最后，还专门配置了与之适应的伺服控制系统，通过伺服阀及直线位移传感器进行闭环控制，实现了油缸运动位置的精确控制。

3设计计算

两级伺服油缸结构如图4所示，一级缸工作时，油缸的A1、B1口分别进油和出油，二级缸工作时，油缸的A2、B2口分别进油和出油。

3.1二级缸活塞杆直径设计计算

根据已有技术要求，二级缸活塞杆选用调质处理的45#钢（σb=600MPa，σs=340MPa），由参考文献[2]可知，活塞杆直径计算需按空心杆计算：此处考虑到活塞杆承受一定的偏心及冲击载荷，为提高其刚度及工作的稳定性，设计中按活塞杆直径计算值的1.5倍选取直径为90mm活塞杆。

3.2二级缸缸筒壁厚设计计算

缸筒是油缸的主体部分，用于油缸的固定和活塞导向作用，因此对缸筒的强度、刚度要求较高，缸筒的壁厚和连接强度设计尤为重要。由于活塞杆直径已确定为90mm，按照速比ψ=2选取二级缸缸筒内径为125mm。杆尺寸系列选取二级缸缸筒外径为160mm。

3.3一级缸缸筒壁厚设计计算

一级缸缸筒同样也选用调质处理的45#冷拔钢管，根据活塞杆直径按照尺寸系列选取一级缸缸筒内径为200mm。3.4一级缸活塞杆直径核算在3.2中已设计选取了二级缸缸筒内径为125mm，由于该缸筒为一级缸的活塞杆，因此按空心杆进行外径的核算：3.5缸筒底部厚度设计计算由于该两级伺服油缸的进出油口均在缸筒或活塞杆上，缸筒底部均采用无孔平面缸底的形式，材质选用45#，其缸底厚度公式如下：

4.结构选型

4.1固定及连接方式

由于该油缸前后连接处都存在摆动或转动情况，设计时缸筒采用尾部销轴连接方式，活塞杆采用带关节轴承的单耳环连接方式，可防止油缸在运行中出现别卡现象。

4.2进出油口确定

根据使用经验，为确保密封的可靠，减少使用中维护维修的工作量，该油缸的四个进出油口全部采用SAE连接法兰式，O形橡胶圈密封，油口大小根据经验公式计算：通过表1中的流量及相关已知条件可以计算出油孔的面积，再得出各油口直径的理论值，圆整后选取油口系列中的标准值，最后一级缸的进出油口直径均为30mm，二级缸进出油口直径均为25mm。

4.3密封方式及选型

该两级伺服油缸活塞杆与导向套间的密封采用两组聚四氟乙烯导向环与两组聚氨酯活塞杆密封件交叉设置，此类密封具有耐磨性好，受温度影响小，寿命长等特点，导向套与缸筒间的密封采用的是挡圈与O形圈组合的密封，此类密封主要是防止外泄漏的发生。伺服油缸的内泄漏主要是发生在活塞的密封处，内泄漏主要影响控制系统的动、静态指标,所以对其密封也须引起足够的重视。如图5所示，设计时选用了双组斯来圈加复合密封圈的结构，这种组合件的特点是具有密封性好、允许活塞与缸体间有较大的配合间隙、对液压油的清洁度要求低、摩擦阻力小、沟槽加工简单等优点，制造完成后经出厂检测，两级油缸的启动摩擦力均在0.5～0.6MPa之间，满足了技术指标要求。

5应用效果

两级伺服油缸研制完成并与控制系统进行系统调试后，随即应用于试验段的调试及试验中，结果表明：两级伺服油缸结构设计合理，选型恰当，强度刚度分析计算准确，运行稳定可靠，定位精度高，满足了使用要求。

作者：周洪 马磊 郑晓东 毛代勇 单位：中国空气动力研究与发展中心