建立矩形截面叶片密封的数值模型,研究叶片密封圆角r和叶片圆角R对密封面接触压力的影响。研究结果表明圆角r和R都会导致密封面接触压力明显降低,增大了密封失效的风险。当叶片密封圆角r较大时,应适度加大预压缩量以增大密封面接触压力。叶片圆角R不应超过临界值,针对具体实例给出了该临界值的计算结果。

对叶片式液压摆动油缸端面密封圈在不同轴向预压缩量下的接触压力展开研究,分析其受力情况及对摆动油缸启动压力的影响。利用弹性力学相关公式对端面密封圈进行受力分析,计算出不同轴向预压缩量产生的接触压力;利用Abaqus有限元仿真分析软件对聚氨酯材料制成的端面密封圈进行仿真分析,模拟在不同轴向预压量下的应变应力情况,找出最大应变和最大应力位置;对不同轴向预压缩量下的摆动油缸启动压力进行计算;结合实际可加工的尺寸进行实验,验证理论分析的准确性。结果表明:端面密封圈的最大应变与应力均分布在外圆环与内圆环密封接触处;当端面密封圈轴向预压缩量增大,其对应摆动油缸的启动压力也增大,且两者的关系为非线性相关。

以提高反铲挖掘机的最大挖掘高度为优化目标,提出以叶片式液压摆动油缸取代斗杆直线油缸驱动挖掘机的新方案。首先参考某种挖掘机的相关参数,采用SolidWorks建立了传统挖掘机和新型挖掘机的三维模型,通过ADAMS进行运动学仿真,获得挖掘机运动轨迹包络图、铲斗斗齿位移曲线,确定了最大挖掘高度、最大挖掘半径。通过对比,表明了新方案可极大提高最大挖掘高度,验证了这种方案的可行性,为相关研究者提供一种新思路。

建立矩形截面叶片密封的接触压力数值模型,研究预压缩量对密封面接触压力的影响。分析结果表明,叶片密封的密封面接触压力随预压缩量的增加而增大,但不同方向的预压缩量对接触压力的增大效果并不相同。在本研究条件下,y向预压缩量导致的最大接触压力增长梯度明显大于z向预压缩量导致的最大接触压力增长梯度,要提密封面的接触压力,增大y向预压缩量效果更为明显。

为降低制造与维护成本,选用标准规格的O型圈作为叶片式液压摆动油缸盖板静态密封,并对密封圈沟槽结构与尺寸进行优化,以保证静态密封能防止外部和内部泄漏。通过解析计算,初步确定密封沟槽尺寸;建立盖板静态密封的有限元模型,进行三重非线性有限元分析,模拟盖板安装到定子上的过程中O型圈的变形及应力分布。盖板静态密封的有限元优化设计基本达到预期目标。

以叶片式液压摆动油缸(以下简称摆缸)作为液压机械臂的驱动关节具有诸多优势。以提高机械臂的负重比为目标,对摆缸关节进行了轻量化设计。建立了优化设计数学模型,进行了优化算法及惩罚函数法分析。结合实例对摆缸的各个参数进行了优化,得到了所需转矩为63kN·m,叶片数为2,系统总效率为0.9时的摆缸参数优化结果。对结果进行了分析,得到了所需转矩与摆缸质量的关系曲线,摆缸质量与所需转矩、叶片长度的关系曲面,以及所需转矩与多个优化目标的关系曲线。建立了摆缸三维模型,采用有限元法对优化结果进行了验证,并证实了优化结果的合理性和正确性。

针对传统机械臂输出转矩较小的问题,设计了基于叶片式液压摆动油缸(摆缸)作为关节的6自由度液压机械臂,该液压机械臂具有诸多优势,其最大的优点是具有很高的负重比。运用改进的D-H法建立了该液压机械臂的运动学模型,得出其正运动学方程。在MATLAB中进行了液压机械臂的轨迹规划仿真,得到了各关节转角的特性曲线,验证了液压机械臂结构设计的合理性。利用蒙特卡洛法分析计算了其工作空间,借助MATLAB绘制了其末端执行器的工作空间云图,为今后液压机械臂的深入研究提供了重要依据。

叶片式液压摆动油缸具有结构紧凑、机械效率高、转矩输出平稳、操控性好、便于隔离外部灰尘等优点叶片的结构参数对定子乃至整个摆动油缸的体积、重量有极大的影响。综合分析了叶片结构优化的约束条件考虑到作用在叶片上的液压力产生的转矩应大于所需转矩将摆动油缸的定子视为单层内压圆筒形压力容器在满足转子和定子强度条件的前提下以定子和摆动油缸质量最轻为优化目标建立了矩形叶片的结构优化模型结合实例进行了叶片结构优化。本优化模型有助于进行叶片式摆动液压油缸的结构设计与优化。