CN113639024B - 一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸。本发明包括固定连接于缸筒一端的电机，缸筒内同轴设置活塞、活塞杆，设置电机的输出轴驱动连接丝杠，活塞与活塞杆一端连接固定，丝杠设置于缸筒内，丝杠上传动连接有螺母，螺母设置于活塞，螺母在丝杠的驱动下沿丝杠在缸筒内往复滑动，从而驱动活塞杆在缸筒内伸缩，活塞杆的伸出端和缸筒之间设置有导套和压盖，活塞的一端设置有活塞盖，螺母两侧通过活塞和活塞盖对夹约束，螺母的周向均匀开设有球形槽，球形槽数量至少为三个，每个球形槽内设置有一个钢球，活塞盖和活塞之间、与钢球对应的位置开设有径向设置的弹簧孔，弹簧孔内设置有弹簧，弹簧一端与钢球接触连接。

Description

一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸

技术领域

本发明属于电动缸技术领域，具体是一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸。

背景技术

近年来，我国工程机械行业取得了飞速发展，挖掘机、装载机、汽车起重机、叉车和混凝土机械等装备的产量跃居世界前列，已成为我国重要的支柱产业之一。但是，重型机械臂在液压缸的驱动下频繁举升和下放，能量耗散严重。因此，现已出现采用电动缸和液压混合驱动与能量回收的高能效重型机械臂驱动方案，不仅有利于工程机械的节能减排，而且将有效推动我国高端装备制造业的绿色低碳发展。

随着工程机械作业工况需求的提高，电动缸传递的功率密度不断增大，工况条件不断恶化，电动缸的可靠性问题更加凸显。作为机械系统的电动执行元件，传统电动缸将与丝杠配合的螺母固连于活塞杆上，在电动丝杠的旋转驱动下，螺母与活塞杆一起沿丝杠做伸缩运动，当外部负载较大时，丝杠容易产生挠性变形，再加上丝杠装配过程中不可避免的对中误差，导致丝杠和螺母之间极易出现卡滞甚至卡死现象，加速了电动缸的损伤失效，降低了电动缸的可靠性，缩短了电动缸的使用寿命，现有技术缺点：1、传统电动缸将螺母固连于活塞杆上，在电动丝杠的旋转驱动下，螺母与活塞杆一起做伸缩运动，当外部负载较大时，丝杠容易产生挠性变形，再加上不可避免的对中误差，导致丝杠和螺母之间极易出现卡滞甚至卡死现象。

2、当丝杠和螺母之间出现卡滞时，摩擦副间的摩擦力增大，产生大量的摩擦热，使得摩擦副间的温度快速升高和润滑动压作用快速降低，从而导致丝杠和螺母之间的工况条件进一步恶化，如此循环，直至丝杠和螺母之间出现严重卡滞甚至卡死，加速了电动缸的损伤失效，降低了电动缸的可靠性和使用寿命。

3、传统电动缸将螺母固连于活塞杆上，当丝杠和螺母之间出现严重卡滞甚至卡死时，螺母不能脱开活塞，使得电机受到丝杠巨大的卡死扭矩，造成电机的过载，使电机迅速温升甚至烧毁。

发明内容

本发明为了解决传统电动缸丝杠和螺母之间容易出现卡滞甚至卡死的问题，提供一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸。

本发明采取以下技术方案：

一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸，包括固定连接于缸筒一端的电机，缸筒内同轴设置活塞、活塞杆，电机的输出轴驱动连接丝杠，活塞与活塞杆一端连接固定，丝杠设置于缸筒内，丝杠与安装于活塞的螺母传动连接，螺母在丝杠的驱动下沿丝杠往复滑动，从而通过活塞驱动活塞杆在缸筒内伸缩，螺母外表面为球形，活塞端设置有活塞盖，螺母两侧通过活塞和活塞盖对夹约束，螺母的周向均匀开设有球形槽，球形槽至少三个，每个球形槽内设置有一个钢球，活塞盖和活塞之间、与钢球对应的位置开设有径向设置的弹簧孔，弹簧孔内设置有弹簧，弹簧一端与钢球接触连接。

活塞盖和活塞上分别开设有半球形凹槽，螺母位于活塞盖和活塞对接形成的球形凹槽内。

弹簧孔内还设置有内螺纹，弹簧孔内的内螺纹处旋拧有调节螺栓，调节螺栓压顶弹簧。

调节螺栓内开设有通孔，通孔内设置有探针，探针的一端与钢球接触，缸筒上与弹簧孔对应的位置开设有观察孔。

观察孔为螺纹孔，螺纹孔内设置有防尘塞，螺纹孔在缸筒上的设置位置，与活塞杆、活塞退缩至缸筒底部时的弹簧孔适配对位。

活塞盖外侧同轴固定设置有孔型多维力传感器，孔型多维力传感器的加载台适配沉入活塞盖内孔，螺母端面与加载台邻接，螺母偏转时，螺母与加载台邻接的端面作用于加载台。

丝杠为螺纹丝杠或滚珠丝杠，丝杠通过螺纹或滚珠与螺母连接。

孔型多维力传感器连接控制器，控制器连接电机。

与现有技术相比，本发明可以获得以下技术效果：将螺母设计为球形，并在螺母的周向均匀开设3~8个球形槽，每个球形槽内设置一个钢球，钢球即限制了螺母的周向旋转运动，又保证了螺母在轴向任意角度具有一定的俯仰运动自由度，实现了丝杠和螺母的浮动对中，解决了传统电动缸丝杠和螺母之间容易出现卡滞甚至卡死的问题。

在螺母周向均匀开设3~8个球形槽并在槽中设置钢球，同时，在活塞盖和活塞与钢球对应的位置开设径向弹簧孔并在孔内设置弹簧，当丝杠和螺母之间出现严重卡滞甚至卡死时，螺母在巨大的周向卡死扭矩作用下，能够将钢球推入径向弹簧孔中，并将螺母和活塞脱开，防止了丝杠和螺母之间卡死时电机的过载温升甚至烧毁。

在弹簧孔内设置有调节螺栓，调节螺栓与弹簧的外端接触，调节螺栓通过螺纹与活塞盖和活塞连接，通过调整调节螺栓在弹簧孔内的深度来调节弹簧的伸长长度，进而达到调节弹簧对钢球弹紧力大小的目的，即达到了调节钢球与螺母之间脱开力大小的目的，从而实现了钢球与螺母之间脱开力大小的可调节性。

调节螺栓中心开设通孔，通孔内设置探针，探针的外端高出通孔，内端与钢球接触，当钢球在周向力矩的作用下被推入弹簧孔中时，钢球会将探针向外推出相应的长度，即使钢球重新回到螺母的球形长槽中，探针仍然会停留在被推出的位置，从探针被推出的长度即可判断钢球与螺母是否曾经脱开，从而实现了钢球脱开螺母的可观察性。

设置用于检测螺母极限状态的孔型多维力传感器，实现对电动缸的工作状态和寿命的检测、监控。

本发明实现了电动缸的丝杠螺母浮动对中防卡死，机构调节方便，同时具备检测监控的功能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为丝杠螺母浮动对中原理图；

图3为图2中A-A剖面图；

图4为球形螺母结构示意图；

图5为图4中B-B剖面图；

图6为图2中I处局部放大图；

图7为螺母偏转作用于孔型多维力传感器加载台的状态示意图。

其中，1-电机、2-丝杠、3-螺母、4-活塞盖、5-活塞、6-缸筒、7-活塞杆、8-导套、9-压盖、10-负载环、11-钢球、12-弹簧、13-探针、14-调节螺栓、15-防尘塞、16-孔型多维力传感器、17-控制器。

具体实施方式

图1～图6所示，一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸，包括电机1、丝杠2、螺母3、活塞盖4、活塞5、缸筒6、活塞杆7、导套8、压盖9、负载环10、钢球11、弹簧12、探针13、调节螺栓14、防尘塞15、孔型多维力传感器16、控制器17以及密封组件等。控制器17控制连接电机1和孔型多维力传感器16，电机1的机体通过螺钉固定连接于缸筒6的一端，电机1的输出轴通过联轴器与丝杠2的一端对接，丝杠2为螺纹丝杠或滚珠丝杠，丝杠2通过螺纹或滚珠与螺母3滑动连接，螺母3外表面为球形，螺母3的两侧是通过螺栓固定连接在一起的活塞盖4和活塞5，活塞盖4和活塞5上分别开设有半球形凹槽，螺母3位于活塞盖4和活塞5的球形凹槽内，活塞5通过螺纹固定连接于活塞杆7的一端，活塞杆7的另一端通过螺纹固定连接有负载环10，活塞杆7的伸出端和缸筒6之间设置有导套8和压盖9，螺母3的周向均匀开设有3～8个球形长槽，每个球形长槽内设置有一个钢球11，活塞盖4和活塞5之间、与钢球11对应的位置开设有径向弹簧孔，弹簧孔内设置有弹簧12，弹簧12的一端与钢球11接触，另一端设置有调节螺栓14，弹簧孔内还设置有内螺纹，调节螺栓14通过内螺纹与活塞盖4和活塞5连接，调节螺栓14内开设有通孔，通孔内设置有探针13，探针13的一端与钢球11接触，缸筒6上与弹簧孔对应的位置开设有3～8个观察孔，观察孔为螺纹孔，优选的，所述螺纹孔在缸筒6上的设置位置与活塞杆7、活塞5退缩至缸筒6底部时的弹簧孔适配对位，螺纹孔内设置有防尘塞15，活塞盖4外侧同轴固定设置有孔型多维力传感器16，孔型多维力传感器16的加载台适配沉入活塞盖4内孔，螺母3端面相邻加载台，如图7所示，螺母3偏转时，其端面作用于加载台。

工作原理：

如图1-7，正常工作过程中，电机1作为动力源根据不同工况要求向外输出旋转动力，丝杠2在电机1的驱动作用下做周向往复旋转运动，丝杠2为螺纹丝杠或滚珠丝杠，丝杠2旋转运动过程中，通过螺纹或滚珠推动螺母3做轴向往复平移运动，在螺母3的带动下，活塞盖4和活塞5同螺母3一起做轴向往复平移运动，而在活塞5的推动作用下，活塞杆7和负载环10带动外部负载一起实现了轴向往复伸缩运动。

当外部负载较大时，丝杠2容易产生挠性变形，再加上生产和装配过程中不可避免的对中误差，导致丝杠2的中心轴和活塞杆7的中心轴存在一定的偏差，因此，本发明将螺母3设计为球形，并在螺母3的周向均匀开设有3～8个球形长槽，每个球形长槽内设置有一个钢球11，钢球11既限制了螺母3的周向旋转运动，又保证了螺母3在轴向任意角度具有一定的俯仰运动自由度，实现了丝杠2和螺母3的浮动对中，使得丝杠2和活塞杆7在不完全同轴的情况下仍然能正常工作，解决了传统电动缸丝杠2和螺母3之间容易出现卡滞甚至卡死的问题，提高了电动缸的可靠性和使用寿命，在实际应用中，为了实时监控检测电动缸的工作负载变化，以及检测负载增大造成的丝杠2挠性变形、活塞杆7压杆稳定状态，设置孔型多维力传感器16来检测螺母3的偏转方向与偏转力，孔型多维力传感器16的信号反馈至控制器17，控制器输出控制电机1，电机1输出扭矩做防护动作，从而防止丝杠传动极端破坏的发生，最终实现对电动缸的全寿命监控和薄弱点的分析判断。

传统电动缸将螺母固连于活塞杆上，当丝杠和螺母之间出现卡滞特别是卡死时，螺母不能脱开活塞，使得电机受到丝杠巨大的卡死扭矩，造成电机的过载，使电机迅速温升甚至烧毁。本发明将螺母3设计为球形，在螺母3的周向均匀开设有3～8个球形长槽，每个球形长槽内设置有一个钢球11，同时，在活塞盖4和活塞5与钢球11对应的位置开设有径向弹簧孔，弹簧孔内设置有弹簧12，当丝杠2和螺母3之间出现卡滞特别是卡死时，螺母3在巨大的周向卡死扭矩作用下，能够将钢球11推入活塞盖4与活塞5的径向弹簧孔中，并将螺母3和活塞5脱开，使得螺母3能够在周向自由转动，从而避免了电机1受到丝杠巨大的卡死扭矩，防止了丝杠2和螺母3之间卡死时电机1的过载温升甚至烧毁，实现了对电机1的保护，保证了电机1的使用寿命。

为了实现钢球11与螺母3之间脱开力大小的可调节性，本发明在弹簧孔内设置有调节螺栓14，调节螺栓14与弹簧12的外端接触，调节螺栓14通过螺纹与活塞盖4和活塞5连接，通过调整调节螺栓14在弹簧孔内的深度来调节弹簧12的伸长长度，进而达到调节弹簧12对钢球11弹紧力大小的目的，即达到了调节钢球11与螺母3之间脱开力大小的目的，从而实现了钢球11与螺母3之间脱开力大小的可调节性。此外，为了实现钢球11脱开螺母3的可观察性，本发明在调节螺栓14中心开设有通孔，通孔内设置有探针13，探针13的外端高出通孔，内端与钢球11接触，在周向扭矩的作用下，当螺母3对钢球11的径向推力大于弹簧12对钢球11的径向推力时，钢球11将被推入活塞盖4与活塞5的径向弹簧孔中，进而钢球11将探针13向外推出相应的长度，即使钢球11重新被弹簧推回到螺母3的球形长槽中，探针13仍然会停留在被推出的位置，由于缸筒6上与弹簧孔对应的位置开设有通孔，打开防尘塞15即可观察到探针13被推出的长度，从探针13被推出的长度即可判断钢球11与螺母3是否曾经脱开，从而实现了钢球11脱开螺母3的可观察性。当完成一次钢球11脱开螺母3的提示作用以后，可人为地将探针13推回到与钢球11接触的位置，继续进行下一次钢球11脱开螺母3的探测提示作用。

Claims (6)

1.一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸，包括固定连接于缸筒（6）一端的电机（1），缸筒（6）内同轴设置活塞（5）、活塞杆（7），电机（1）的输出轴驱动连接丝杠（2），活塞（5）与活塞杆（7）一端连接固定，丝杠（2）设置于缸筒（6）内，丝杠（2）与安装于活塞（5）的螺母（3）传动连接，螺母（3）在丝杠的驱动下沿丝杠（2）往复滑动，从而通过活塞（5）驱动活塞杆（7）在缸筒（6）内伸缩，其特征在于：所述的螺母（3）外表面为球形，所述活塞（5）端设置有活塞盖（4），所述螺母（3）两侧通过活塞（5）和活塞盖（4）对夹约束，所述螺母（3）的周向均匀开设有球形槽，球形槽至少三个，每个球形槽内设置有一个钢球（11），活塞盖（4）和活塞（5）之间、与钢球（11）对应的位置开设有径向设置的弹簧孔，弹簧孔内设置有弹簧（12），弹簧（12）一端与钢球（11）接触连接，所述活塞盖（4）和活塞（5）上分别开设有半球形凹槽，螺母（3）位于活塞盖（4）和活塞（5）对接形成的球形凹槽内，所述弹簧孔内还设置有内螺纹，弹簧孔内的内螺纹处旋拧有调节螺栓（14），所述调节螺栓（14）压顶弹簧(12)。

2.根据权利要求1所述的一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸，其特征在于：所述调节螺栓（14）内开设有通孔，通孔内设置有探针（13），探针（13）的一端与钢球（11）接触，所述缸筒（6）上与弹簧孔对应的位置开设有观察孔。

3.根据权利要求2所述的一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸，其特征在于：所述观察孔为螺纹孔，螺纹孔内设置有防尘塞（15），所述螺纹孔在缸筒（6）上的设置位置，与活塞杆（7）、活塞（5）退缩至缸筒（6）底部时的弹簧孔适配对位。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸，其特征在于：所述活塞盖（4）外侧同轴固定设置有孔型多维力传感器（16），所述孔型多维力传感器（16）的加载台适配沉入活塞盖（4）内孔，所述螺母（3）端面与加载台邻接，所述螺母（3）偏转时，螺母（3）与加载台邻接的端面作用于加载台。

5.根据权利要求1所述的一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸，其特征在于：所述的丝杠（2）为螺纹丝杠或滚珠丝杠，丝杠（2）通过螺纹或滚珠与螺母（3）连接。

6.根据权利要求4所述的一种丝杠螺母浮动对中防卡死电动缸，其特征在于：所述孔型多维力传感器（16）连接控制器（17），所述控制器（17）连接电机（1）。

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