基于PRO/E和ADAMS的摆动液压缸建模及动力学仿真

　　0　引言

　　螺旋摆动液压缸是一种能把活塞的直线运动转变成旋转运动并做功的液压元件,广泛应用在高转矩有限摆动运动的场合,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。此设备目前仅美国Helac公司和德国的HKS公司生产。

　　虚拟样机(Virtual Prototyping)技术是一项新生的工程技术。借助于这项技术,用户和设计人员可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在现实环境下系统的运动和动力特性,它以对象的动力学/运动学模型为核心,其他相关模型为补充,利用多领域建模工具和仿真技术建立对象的虚拟样机原型系统。由于虚拟样机完全按照对象最本质的因素建模,在动力学特性上非常接近于物理样机,因而对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机总体设计性能的评估[1]。

　　我们利用虚拟样机技术集成化的特点,以多体系统动力分析仿真软件ADAMS为核心,结合CAD软件Pro/E中建立的三维模型,建立了螺旋摆动液压缸的虚拟样机。以及螺旋摆动液压缸中关键部件两级螺旋副的运动学特性,研究了梯形螺纹不同螺纹牙型角螺旋传动的动态响应和传动平稳性能。通过建立虚拟仿真环境进行研究,可以降低试验成本,提高试验效率,缩短试验周期,对于螺旋摆动液压缸的优化设计具有重要意义。

　　1　螺旋摆动液压缸的工作原理

　　螺旋摆动液压缸由输出螺杆、青铜轴套、螺旋轴套、固定螺母、缸体、推力轴承、定位卡环、轴套、垫圈、前后端盖、各密封件等零件组成,青铜轴套和螺旋轴套通过螺纹紧固装配成一个整体称空心螺杆。空心螺杆和输出螺杆构成一级螺旋副,空心螺杆和固定螺母构成另外一级螺旋副。通过这两级螺旋副[2-3],将液压力转换成转矩输出,并通过调整进出油口油压差,实现主轴的回转运动。整体结构如图1所示。

　　在螺旋摆动液压缸内部,经由密封圈及空心螺杆分成前后独立的两腔。当P1为进油口,P2为出油口时(即液压缸左腔的压力大于右腔的压力时),空心螺杆被推动向右运动,由于空心螺杆与固定螺母的啮合作用,空心螺杆既作轴向直线运动,也做逆时针旋转运动(从左向右看)。而此时空心螺杆与输出螺杆也是一级螺旋副啮合作用(螺旋方向与空心螺杆和固定螺母的螺旋副相反),空心螺杆的旋转运动传递给了输出螺杆,同时空心螺杆的向右轴向运动也带动输出螺杆作逆时针旋转运动(从左向右看),通过两级螺旋副的放大作用,只要较小的工作行程,就可以得到较大的输出旋转角度。反之,当液压油右腔压力大于左腔压力时,螺旋摆动液压缸主轴运行方向相反。这样,控制液压油口压力差,将可以控制螺旋摆动液压缸主轴输出的旋转方向。