２０２１年４月
第４９卷第８期
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ａｐｒ ２０２１
Ｖｏｌ ４９Ｎｏ ８
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２１ ０８ ０１７
本文引用格式：胡志栋，郭必龙．静压滑环与活塞保压相结合的液压回转油缸［Ｊ］．机床与液压，２０２１，４９（８）：８０－８３． ＨＵＺｈｉｄｏｎｇ，ＧＵＯＢｉｌｏｎｇ．Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｏｔａｒｙｃｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｓｌｉｐｒｉｎｇａｎｄｐｉｓｔｏｎｈｏｌｄｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｔｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２１，４９（８）：８０－８３．
收稿日期：２０２０－０１－０７
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（２５７２０１４ＣＢ１０）
作者简介： 胡志栋（１９７８ ），男，工学博士，讲师，研究方向为液压元件理论㊁仿真及工程应用㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕ⁃ｚｄ＠ｎｅｆｕ
ｅｄｕ ｃｎ㊂
静压滑环与活塞保压相结合的液压回转油缸
胡志栋１，郭必龙２
（１ 东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨１５００４０；２ 浙江玉环广越机械有限公司，浙江台州３１７６００）
摘要：在生产过程中，数控机床液压站做无用功过大，液压元件发热严重，进而导致液压元件使用寿命短㊁生产故障率高㊂为解决此问题，设计一款新型内置保压的中空回转油缸㊂实例表明：该油缸能够满足减小能耗㊁降低使用温度的要求，有利于改善工作环境，具有实际应用价值㊂
兰州理工大学学报
关键词：静压滑环；回转油缸；数控机床；保压；节能中图分类号：ＴＨ１３７
ＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｏｔａｒｙＣｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈＨｙｄｒｏｓｔａｔｉｃＳｌｉｐｒｉｎｇａｎｄＰｉｓｔｏｎＨｏｌｄｉｎｇＰｒｅｓｓｕｒｅ
ＨＵＺｈｉｄｏｎｇ１，ＧＵＯＢｉｌｏｎｇ２
（１ ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＨａｒｂｉｎＨｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ１５００４０，Ｃｈｉｎａ；
２ ＺｈｅｊｉａｎｇＹｕｈｕａｎＧｕａｎｇｙｕｅＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＴａｉｚｈｏｕＺｈｅｊｉａｎｇ３１７６００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｔａｔｉｏｎｏｆＣＮＣｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｄｏｅｓｔｏｏｍｕｃｈｕｓｅｌｅｓｓｗｏｒｋ，ａｎｄｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｏｆｈｙ⁃
ｄｒａｕｌｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｓｓｅｒｉｏｕｓ，ｗｈｉｃｈｌｅａｄｓｔｏｔｈｅｓｈｏｒｔｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｈｉｇｈｆａ
ｉｌｕｒｅｒａｔｅｏｆｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒ⁃ｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｈｏｌｌｏｗｒｏｔａｒｙｃｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈｂｕｉｌｔ－ｉｎｐｒｅｓｓｕｒｅｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｏｉｌｃｙｌｉｎｄｅｒｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄｉｓｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｗｏｒｋｉｎｇ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｔｈａｓｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃｓｌｉｐｒｉｎｇ；Ｒｏｔａｔｉｎｇｃｙｌｉｎｄｅｒ；ＮＣｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌ；Ｈｏｌｄｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ
０㊀前言
现代机械生产制造技术向着高效率㊁高精密以及自动化应用方向发展，因此数控机床及其工件装夹系统要满足高转速㊁高重复定位精度的要求㊂在数控车床中，动力卡盘㊁弹簧夹头和手动卡盘是３种最常用的车床工件夹具，是机床主轴与工件之间的连接接口，机床电主轴的转速㊁扭矩和旋转精度通过这３种工装夹具传递给工件 ㊂
为适应数控机床高速化发展的要求，相对于气动卡盘，液压动力卡盘对工件的夹持力㊁稳定性和耐用性均优于气动力卡盘，成为目前主流数控车床的主流工装夹具㊂液压动力卡盘将液压传动技术和自定心卡盘技术结合为一体，它因液压传动功率密度比大的特点，具有夹紧力大㊁转速高㊁结构紧凑㊁加工高效等优点㊂液压动力卡盘在数控机床中得到了非常广泛的应用，已成为中㊁高速数控车床，数控车铣中心必不
可少的基础性功能部件［１
－５］
㊂
１㊀液压回转油缸的发展现状
液压回转油缸广泛地应用于液压加载器㊂在船舶传动系统㊁风力发电齿轮箱㊁机动车传动系统㊁盾构试验台㊁水力加载器㊁电厂齿轮箱㊁水下机械手等领域，液压加载器在性能测试阶段起着重要的核心驱动作用㊂图１所示为其应用示意㊂
在铝感应加热领域，液压回转油缸可以用来驱动铝棒在磁场中回转，铝感应加热如图２所示㊂
液压回转油缸同样被普遍地应用于数控机床领域㊂如图３所示，回转液压缸和动力卡盘分别安装在机床主轴的两端，拉管穿过机床主轴的通孔连接液压缸的活塞杆和动力卡盘体的活塞套，液压缸的活塞通过拉管和活塞套驱动动力卡盘体内的传动机构，实现增力和卡爪径向同步运动，以便夹紧工件㊂该方案结构简单，回转液压缸性能稳定可靠，直线驱动的动力
卡盘体传动机构有很多种类，但为了满足工件夹紧时
对卡爪一定的行程要求，液压缸的轴向行程尺寸较
大，该结构一直沿用至今
㊂
图１㊀
液压加载器的应用领域
图２㊀
铝感应加热
图３㊀动力卡盘（液压或气动）结构示意
２００２年，ＪＯＨＡＮＮ将回转液压缸置于机床主轴的中心孔内，以减小轴向尺寸，但只适用于特定场合的中实液压动力卡盘㊂
２０世纪７０年代初，ＦＯＲＫＡＲＤＴ利用液压摆动马达和回转驱动的动力卡盘组成液压动力卡盘系统㊂机
床主轴尾部的摆动马达通过拉管与主轴前端的动力卡盘体相连，驱动卡爪同步运动并夹紧工件㊂与回转液压缸相比，摆动马达体积小㊁结构紧凑；动力卡盘体沿用了手动斜齿条式动力卡盘的结构，其结构简单，易于加工，但它给机床主轴增加了附加扭矩㊂摆动马达具有密封性差等缺点，该方案未能广泛应用㊂
１９７８年，ＹＯＳＨＩＡＫＩ和ＹＯＵＳＵＫＥ将摆动马达换成回转液压缸，并增加螺旋传动机构，将回转液压缸的直线输出转换为回转运动来驱动回转输入的斜齿条式动力卡盘体㊂该方案充分利用回转液压缸和斜齿条式动力卡盘各自的优点，实现了卡盘的自锁㊂但是，机床主轴仍然受到附加扭矩作用，并且增加的螺旋机构使整体结构变得复杂，实际生产中
很少使用［６－
９］㊂
自定心液压动力卡盘自诞生１００年以来有多种结构，但目前应用最广泛的仍然是回转液压缸与直线驱动的动力卡盘组成的液压动力卡盘系统㊂
２ 基于液压滑环的自带保压机构液压回转油缸
２０１６年某公司根据市场需求，推出了一款新型内置保压机构的中空回转油缸㊂该产品具有以下优点：（１）节约电能损耗；（２）降低液压站的使用温度和提高液压站的使用寿命；（３）降低回转油缸使用温度，并提高使用寿命㊂
为达到这一目标，需要在油缸内加入一套保压装置，并且保压时间和保压效果要满足实际的生产需
㊃１８㊃第８期胡志栋等：静压滑环与活塞保压相结合的液压回转油缸
㊀㊀㊀
求，即保压机构的泄漏量低㊁保压机构安全可靠，回转油缸保压原理如图４所示
㊂
图４㊀回转油缸保压原理
㊀㊀当油缸活塞向右移动时，Ｃ油口进油，压力油进入油路箭头（实线）所示油路，压力油进入油腔１㊂随着压力油不断进入，压力增大，推动保压活塞Ｅ向右移动，保压活塞Ｅ顶开单向阀钢珠Ｆ，使
油腔２内的液压油通过Ｄ油口流入液压站，此时活塞Ｈ向右移动㊂拉套Ａ通过螺丝连接在活塞Ｈ上，拉管Ｌ连接在拉套Ａ上，拉管Ｌ也向右移动㊂当液压站不提供压力时，单向阀弹簧Ｇ使钢珠Ｆ向左移动封住油路，使油液不能进入油箱㊂因液压油的不可压缩性，活塞Ｈ不会移动，这样就起到了保压的作用㊂
当油缸活塞向左移动时，Ｄ油口进油，压力油如箭头（虚线）所示进入油路，通过环形油槽Ｈ１将保压活塞Ｅ向左推动，将单向阀钢珠Ｆ向右推动，油液进入油腔２，活塞Ｈ向左移动，同时带动拉管Ｌ向左移动㊂
基于液压滑环的液压回转油缸，其保压机构优点如下：
（１）节约电能㊂常规的车床设备在工件装夹后进行产品加工的时间内，其液压站在做无用功㊂若在工件装夹后关掉液压站，车床还能正常加工产品，则可以节约大量的电能㊂
例如：液压站型号１ ５ｋＷ／ｈ⁃ＶＰ２０，在压力３ＭＰａ时耗电量约１ ５ｋＷ／ｈ，每班８ｈ，机床加工产品的时间为３ｍｉｎ，产品装夹时间为０ ５ｍｉｎ㊂
案例１：工件装夹后不关掉液压站㊂工厂实行三班倒方式，每班８ｈ，因普通油缸不具有保压功能或保压时间过短，所以液压站持续运行的时间也是８ｈ，则耗电量约为８ｈˑ１ ５ｋＷ／ｈ＝１２ｋＷ㊂
案例２：工件装夹后关掉液压站㊂工厂实行三班倒方式，每班８ｈ，加工１件产品的时间是３＋０ ５＝
３ ５ｍｉｎ，８ｈ为４８０ｍｉｎ，则共加工出约１３７件产品，每件产品装夹的时间是０ ５ｍｉｎ，所有产品装夹时间为１３７ˑ０ ５＝６８ ５ｍｉｎ，所以耗电量为６８ ５ｍｉｎˑ１ ５ｋＷ／（６０ｍｉｎ）＝１ ７１２５ｋＷ㊂
总结：案例１和案例２每班８ｈ时液压站的耗电量分别为１２㊁１ ７１２５ｋＷ，相差很大㊂
（２）降低液压站的使用温度以提高液压站的使用寿命㊂在产品装夹后把液压站关闭，减少了电机发热㊁液压油源发热㊁液压油管路发热，改善了夏季高温天气时的工作环境，同时减少了因发热而导致的故障，如降低密封圈的老化㊁减少油液泄漏，同时减少了对生产环境的污染，提高了生产效率㊂表１为液压油温度对比㊂
表１㊀保压和不保压液压油温度变化
时间室温／ħ㊀㊀液压油温度／ħ㊀㊀带保压不带保压
泵站压力／ＭＰａ０７ʒ００２０２６２６４．５０８ʒ００２１２７３０４．５０９ʒ００２２２８３４４．５１０ʒ００２３２９３８４．５１１ʒ００２４３０４０４．５１２ʒ００２５３１４２４
．５１３ʒ００２６３２４２４．５１４ʒ００２５３１４１４．５１５ʒ００２４３０４０４．５１６ʒ００
２２
２９
４０
４．５
㊀㊀（３）降低了回转油缸使用温度，提高其使用寿命㊂机床在加工产品时，回转油缸的发热源：①液压系统产生的热量；②静压滑环在高速旋转时密封缝隙油膜由于内摩擦产生的热量；③高旋转时回转油缸轴
㊃
２８㊃机床与液压第４９卷
承产生的热量㊂发热量过大会导致液压油液稀薄，
增加泄漏量，降低回转油缸的推拉力㊂液压油温度对油缸推拉力的影响如表２所示㊂
表２㊀温度对油缸推拉力的影响
时间泵站压力／ＭＰａ室温／ħ液压油温度
（带保压）／ħ
油缸拉力／ｋＮ０７ʒ００４．５２０２６３９．６０８ʒ００４．５２１３０４０
０９ʒ００４．５２２３４３９．７１０ʒ００４．５２３３８３９．５１１ʒ００４．５２４４０３９．３１２ʒ００４．５２５４２３９１３ʒ００４．５２６４２３９１４ʒ００４．５２５４１３８．８１５ʒ００４．５２４４０３９．３１６ʒ００
４．５
２２
４０３９．３㊀㊀由表２可知：当液压油在３０ħ左右时，液压回转油缸的保压性能最理想，液压油液温度升高导致油缸的推拉力逐渐下滑㊂
３㊀基于液压滑环的液压回转油缸保压效果测试
用图５中所示的动力卡盘夹持工件外圆，测力杆测量回转液压缸对动力卡盘的拉力，实时监测动力油缸输出的推拉力㊂将拉压力传感器固在回转油缸的尾部
㊂
图５㊀
拉压力测试原理
图６㊀推力－时间试验曲线
此时，拉管与拉压力传感器接触并产生推力㊂将液压站电源关闭后，测试液压站关闭后推力与时间的关系，测试结果如图６所示㊂
由以上分析可知：当液压站开启，回转油
缸向左移动与测力传感器接触并产生推力，此时将液压站电源关闭，由图６可知此时推力基本没有变化，说明保压效果合格，能满足正常生产要求㊂
４㊀结论
为了响应国家提出的节能减排口号，降低数控机床企业的生产成本，提高企业产品竞争力，将静压滑环与液压回转油缸结合使用，降低液压回转油缸的使
用温度，改善其工作环境㊂这些措施对机械生产工厂具有较好的应用价值，所设计的回转油缸目前使用效果良好，并已申请国家发明专利㊂
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（责任编辑：张楠）
㊃３８㊃第８期胡志栋等：静压滑环与活塞保压相结合的液压回转油缸
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