摆动液压缸内螺旋副流场分析

　　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，广泛应用在高扭矩有限摆动运动的场合，如: 港口机械、工程机械、建筑机械、农林机械、烟草机械、物流及交通运输机械、特种机器人、船舶配载及设备、海底勘探装置及近海平台、井下工作、高空作业、食品工业、制药工业和石油化工等领域。

　　传统的旋转流场计算是在一系列的假设条件下对雷诺方程进行求解，这种方法具有计算时间短的突出优点^{[1 -2]}。但是雷诺方程是N -S 方程的简化，忽略了惯性项、油膜曲率等的影响。为此，可通过求解时均化的N - S 方程( RANS) 加上湍流模型封闭组成方程组的方法来研究螺旋副的动特性。本文利用基于有限体积法的计算流体动力学( CFD) 软件Fluent进行N - S 方程求解，分析不同螺距螺旋副对摆动液压缸性能的影响，比较不同螺距螺旋副的动特性，分析不同旋合长度螺旋副的润滑性能，为摆动液压缸的设计提供更全面的理论参考。

　　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第1 级螺旋副，空心螺杆和固定螺母构成第2 级螺旋副。通过这两级螺旋副，将液压力转换成扭矩输出，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，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。同时空心螺杆与输出螺杆也是一级螺旋副啮合( 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，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。如此，控制液压油进出油口压力差，将可以控制螺旋摆动液压缸主轴输出的旋转方向。

　　2 Fluent 计算模型的建立

　　摆动液压缸主要应用于低速重载工况，本文取第2 级螺旋副进行计算。螺旋副结构参数: 螺旋副直径D = 50 mm，宽度B = 15 mm，螺旋线数为35，周向间隙h =0. 20 mm，齿顶隙为0. 25 mm，齿底隙为0. 75mm，转速n = 60 r / min，p 为螺距。根据螺距的不同，分别建立了螺距为3、4、5、6、7、8 mm 的6 个模型。流体润滑的形成是由于空心螺杆做螺旋运动，使得固定螺母和空心螺杆表面产生了相对运动，油腔中的高压液压油对螺旋副进行润滑，其润滑原理如图2 所示。