吳冬敏 沈 銘 鐘康民

(蘇州大學(xué)，江蘇 蘇州 215021)

在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，人們往往習(xí)慣上采用提高液壓系統(tǒng)壓力或增大液壓缸直徑的方法來提高液壓缸的輸出力。但在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力過高會(huì)導(dǎo)致油液泄漏過大，使液壓泵、閥等液壓元件的磨損加快，液壓泵、閥等元件的價(jià)格升高以及密封系統(tǒng)的成本急劇上升等一系列問題。而增大液壓缸的直徑會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，相應(yīng)的制造成本增加［1］。另外，人們習(xí)慣使用傳統(tǒng)的有桿活塞式液壓缸組成的液壓夾具，該夾具雖然具有作用力大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代制造業(yè)中也得到了極為廣泛的應(yīng)用，但也存在容易造成液壓缸軸線方向上尺寸較大、結(jié)構(gòu)不緊湊、活塞桿的剛性差等不足之處。

基于上述分析，本文提出將一種雙活塞式單液壓缸和機(jī)械增力機(jī)構(gòu)相結(jié)合的觀點(diǎn)。以雙活塞式單液壓缸作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好的優(yōu)點(diǎn);機(jī)械增力機(jī)構(gòu)作為力放大機(jī)構(gòu)，具有力放大效果明顯的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明:該夾緊裝置在輸出力及液壓缸直徑一定的條件下，能顯著降低系統(tǒng)壓力;在輸出力及系統(tǒng)壓力一定的條件下，則能顯著減小液壓缸的直徑。

1 工作原理

圖1 為單缸雙活塞驅(qū)動(dòng)正交鉸桿增力機(jī)構(gòu)的液壓夾緊裝置，其工作原理為:當(dāng)液壓換向閥處于圖示左位狀態(tài)時(shí)，液壓油進(jìn)入液壓缸中腔，左右兩個(gè)活塞在液體壓力的作用下各自分別向左邊和右邊運(yùn)動(dòng)，左右兩個(gè)活塞桿分別帶動(dòng)正交鉸桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，并使得正交鉸桿機(jī)構(gòu)的壓力角變小，通過這一角度效應(yīng)正好將作用于左右活塞端面上的力經(jīng)正交鉸桿機(jī)構(gòu)放大后傳遞給壓頭，壓頭在導(dǎo)軌內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)從而壓緊工件。當(dāng)工件加工完畢后，液壓換向閥切換至右邊工作，在彈簧力的作用下，左右兩個(gè)活塞各自分別向中心方向運(yùn)動(dòng)，液壓缸中的液壓油回流到油箱，同時(shí)左右兩個(gè)活塞桿通過正交鉸桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓頭在導(dǎo)軌內(nèi)作向上運(yùn)動(dòng)，從而松開工件，完成一次裝夾循環(huán)。

圖2 是在圖1 基礎(chǔ)上增加了一個(gè)杠桿壓板機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了正交鉸桿-杠桿機(jī)構(gòu)二次串聯(lián)的增力作用。其工作原理為:作用于左右活塞端面上的力經(jīng)正交鉸桿機(jī)構(gòu)的角度效應(yīng)進(jìn)行一次力放大后，將力繼續(xù)傳遞給杠桿機(jī)構(gòu)，通過杠桿機(jī)構(gòu)的長度效應(yīng)將力經(jīng)二次放大后直接作用在工件上進(jìn)行夾緊。該機(jī)構(gòu)可以通過調(diào)整工件的位置、杠桿支點(diǎn)和作用點(diǎn)O 的位置，來調(diào)整杠桿力臂長度，得到不同的輸出力。

2 力學(xué)計(jì)算

對(duì)圖1 和圖2 所示的夾緊裝置建立力學(xué)模型，不考慮摩擦?xí)r，該系統(tǒng)的實(shí)際輸出力分別為F1和F2:

式中:D 為液壓缸活塞直徑;p 為液壓系統(tǒng)工作壓力;l1、l2為杠桿式壓板主動(dòng)臂、被動(dòng)臂的長度，如圖2 所示;η1為杠桿的傳動(dòng)效率，通常取0.97［2］;η2為液壓缸的傳遞效率，一般取0.85［3］;α1、α2為一次和二次鉸桿的理論壓力角，如圖1 所示;β1、β2為一次和二次鉸桿副的當(dāng)量摩擦角，即β=arcsin(2r/l)f，r 為鉸鏈軸半徑，l 為鉸桿上兩鉸鏈孔的中心距，f 為鉸鏈副的摩擦系數(shù)［2］。

則夾緊裝置1 和夾緊裝置2 的力放大系數(shù)為:

由上述公式可以看出，夾緊裝置1 和夾緊裝置2的實(shí)際輸出力和力放大系數(shù)之間相差一個(gè)杠桿的主動(dòng)臂與從動(dòng)臂比值。當(dāng)杠桿的主動(dòng)臂大于從動(dòng)臂時(shí)，夾緊裝置2 比夾緊裝置1 產(chǎn)生更大的夾緊力。

3 應(yīng)用舉例

一般認(rèn)為鉸桿機(jī)構(gòu)的理論壓力角越小越好，在工程實(shí)際中，一般取αmin=3°～5°。如取α1=α2=5°，r=5 mm，l=100 mm，f=0.1，則β1=β2=0.57°。l1:l2=2，D=100 mm，p=5 MPa。代入上述公式，得到夾緊裝置1 和2 的實(shí)際輸出力和力放大系數(shù)分別為F1=1 718 kN，F(xiàn)2=3 435 kN 和i1=25.74 mm，i2=51.48 mm。

根據(jù)該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行反求，假設(shè)在液壓缸直徑D=100 mm 不變的條件下，要獲得等同于夾緊裝置1和2 的實(shí)際輸出力，經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)壓力必須高達(dá)p1=218 MPa 和p2=437 MPa。假設(shè)在液壓系統(tǒng)工作壓力為p=5 MPa 不變的條件下，要獲得等同于夾緊裝置1 和2 的實(shí)際輸出力，如采用傳統(tǒng)的液壓缸活塞直接進(jìn)行力的輸出方式，經(jīng)計(jì)算所需液壓缸直徑必須為D1=661 mm 和D2=935 mm。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的夾緊裝置1 和2 經(jīng)機(jī)械增力機(jī)構(gòu)作用后，輸出力增大效果非常顯著。如采用普通液壓夾具來實(shí)現(xiàn)此輸出力，不僅所需要的液壓系統(tǒng)工作壓力極高，而且液壓缸直經(jīng)也極大，這不符合目前所提倡的綠色化設(shè)計(jì)要求。

如用綠色動(dòng)力源——?dú)庠磥硖娲鷬A緊裝置1 和2中的液壓油，其他參數(shù)不變，氣源壓力p=0.6 MPa，則計(jì)算得實(shí)際輸出力為F1=206 kN 和F2=412 kN，增力效果同樣很明顯。假設(shè)在氣源壓力不變的條件下，要獲得等同于夾緊裝置1 和2 的實(shí)際輸出力，如果采用氣缸直接作用，經(jīng)計(jì)算可得氣缸的直徑為D1=661 mm和D2=935 mm，而本文采用的單缸雙活塞的缸徑僅為100 mm。由此可見，該夾緊裝置還適合需要輸出力較大且結(jié)構(gòu)尺寸受限制的場(chǎng)合。

4 結(jié)語

(1)鉸桿、鉸桿-杠桿機(jī)械增力機(jī)構(gòu)具有力放大效果明顯的優(yōu)點(diǎn)，單缸雙活塞具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好的優(yōu)點(diǎn)，本文組合設(shè)計(jì)的基于單缸雙活塞的機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的夾緊裝置所產(chǎn)生的力學(xué)性能明顯要高于傳統(tǒng)的液壓技術(shù)，既適用于壓力機(jī)、油壓機(jī)、液壓機(jī)及大型機(jī)床的夾具中，也適用于所需輸出力較大且結(jié)構(gòu)尺寸受限制的場(chǎng)合。

(2)將本文的液壓傳動(dòng)部分采用氣壓傳動(dòng)來代替，力放大效果同樣明顯。此基于單缸雙活塞的機(jī)械增力機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)夾緊裝置是一種綠色環(huán)保無污染的夾具。能克服氣壓傳動(dòng)輸出力小、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)能源利用率低和容易產(chǎn)生污染的缺點(diǎn)。

(3)本文將單缸雙活塞與鉸桿、鉸桿-杠桿進(jìn)行組合，取得了良好的使用效果，在實(shí)際工程應(yīng)用中還可以嘗試其他類型或組合的增力機(jī)構(gòu)。

［1］蘇東寧，鐘康民.基于無桿活塞缸的對(duì)稱雙鉸桿增力液壓夾具［J］.液壓與氣動(dòng)，2006(4):45 -46.

［2］林文煥，陳本通.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1987.

［3］宋學(xué)義.袖珍液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995.