机械毕业设计1702轴向柱塞泵设计

轴向柱塞泵设计

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摘要

摘要

液压泵是向液压系统提供一定流量和压力的油液的动力元件,它是每个液压系统中不可缺少的核心元件,合理的选择液压泵对于液压系统的能耗﹑提高系统的效率﹑降低噪声﹑改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要本设计对轴向柱塞泵进行了分析,主要分析了轴向柱塞泵的分类,对其中的结构,例如,柱塞的结构型式﹑滑靴结构型式﹑配油盘结构型式等进行了分析和设计,还包括它们的受力分析与计算.还有对缸体的材料选用以及校核很关键;最后对变量机构分类型式也进行了详细的分析,比较了它们的优点和缺点.该设计最后对轴向柱塞泵的优缺点进行了整体的分析,对今后的发展也进行了展望.

关键词:柱塞泵,液压系统,结构型式,今后发展.

Abstract

Liquid's pressing a pump is the motive component of oil liquid which presses system to provide certain discharge and pressure toward the liquid, it is each core component that the liquid presses the indispensability in the system, reasonable of choice liquid's pressing a pump can consume a ﹑exaltation the efficiency ﹑of the system to lower a Zao voice ﹑an improvement work function and assurance system for liquid pressing system of of dependable work all very important

This design filled a pump to carry on toward the pillar to the stalk analytical, mainly analyzed stalk to fill the classification of pump toward the pillar, as to it's win of structure, for example, the pillar fill of the ﹑slippery Xue structure pattern ﹑of the structure pattern went together with the oil dish structure pattern's etc. to carry on analysis and design, also include their is analyze by dint with calculation.The material which still has a body to the urn chooses in order to and school pit very key;Finally measure an organization classification towards change, the pattern also carried on detailed analysis and compared their advantage and weakness.That design end filled the merit and shortcoming of pump to carry on whole analysis toward the pillar to the stalk and also carried on an outlook to aftertime's development.

Keyword: The pillar fills a pump, the liquid presses system, structure pattern, will develop from now on.

目 录

摘 要......................................................................................................... Ⅰ ABSTRACT . (Ⅱ)

绪论.........................................................................................................4 1直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 (6)

1.1直轴式轴向柱塞泵工作原理........................................................................ 6 1.2直轴式轴向柱塞泵主要性能参数.................................................................. 6 1.2.3排量﹑流量与容积效率........................................................................ 7 1.2.2扭矩与机械效率 ................................................................................... 8 1.2.3功率与效率 (9)

2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 (10)

2.1柱塞运动学分析....................................................................................10 2.1.1柱塞行程S ....................................................................................... 11 2.1.2柱塞运动速度分析v ........................................................................... 12 2.1.3柱塞运动加速度a .............................................................................. 13 2.2滑靴运动分析....................................................................................... 14 2.3瞬时流量及脉动品质分析........................................................................ 15 2.3.1脉动频率 (15)

2.3.2脉动率 (16)

3 柱塞受力分析与设计 (17)

3.1柱塞受力分析.......................................................................................17 3.1.1柱塞底部的液压力b P ...........................................................................17 3.1.2柱塞惯性力.......................................................................................18 3.1.3离心反力t P (18)

3.1.4斜盘反力N ....................................................................................... 19 3.1.5柱塞与柱塞腔壁之间的接触应力1p 和2p ................................................ 20 3.1.6摩擦力1f P 和2f P .................................................................................20 3.2柱塞设计............................................................................................. 21 3.2.1柱塞结构型式....................................................................................22 3.2.2柱塞结构尺寸设计..............................................................................23 3.2.3柱塞摩擦副比压P ﹑比功v P 验算 (23)

4滑靴受力分析与设计 (25)

4.1滑靴受力分析....................................................................................... 25 4.1.1分离力.............................................................................................26 4.1.2压紧力y p ..........................................................................................27 4.1.3力平衡方程式....................................................................................27 4.2滑靴设计............................................................................................. 28 4.2.1剩余压紧力法....................................................................................28 4.3滑靴结构型式与结构尺寸设计..................................................................29 4.3.1滑靴结构型式....................................................................................29 4.3.2结构尺寸设计 (31)

5 配油盘受力分析与设计 (32)

5.1配油盘受力分析.................................................................................... 32 5.1.1压紧力y p ..........................................................................................33 5.1.2分离力f p ....................................................................................... 34 5.2配油盘设计.......................................................................................... 35 5.2.1过渡区设计.......................................................................................35 5.2.2配油盘主要尺寸确定 (37)

5.2.3验算比压p ﹑比功pv (38)

6 缸体受力分析与设计 (40)

6.1缸体的稳定性.......................................................................................40 6.2缸体主要结构尺寸的确定........................................................................40 6.2.1通油孔分布圆半径f R 和面积F ............................................................ 40 6.2.2缸体内﹑外直径1D ﹑2D 的确定 (42)

6.2.3缸体高度H (43)

7柱塞回程机构设计....................................................................................44 8 斜盘力矩分析 (46)

8.1柱塞液压力矩1M ................................................................................. 46 8.2过渡区闭死液压力矩..............................................................................46 8.2.1具有对称正重迭型配油盘.....................................................................46 8.2.2零重迭型配油盘 (47)

8.2.3带卸荷槽非对称正重迭型配油盘............................................................47 8.3回程盘中心预压弹簧力矩3M .................................................................. 48 8.4滑靴偏转时的摩擦力矩4M ..................................................................... 48 8.5柱塞惯性力矩5M (48)

M (49)

8.6柱塞与柱塞腔的摩擦力矩

6

M (49)

8.7斜盘支承摩擦力矩

7

M (50)

8.8斜盘与回程盘回转的转动惯性力矩

8

M (50)

8.9斜盘自重力矩

9

9 变量机构 (51)

9.1手动变量机构 (51)

9.2手动伺服变量机构 (53)

9.3恒功率变量机构 (55)

9.4恒流量变量机构 (56)

结论 (57)

参考文献 (58)

致谢 (59)

绪论

随着工业技术的不断发展，液压传动也越来越广，而作为液压传动系统心脏的液压泵就显得更加重要了。在容积式液压泵中，惟有柱塞泵是实现高压﹑高速化﹑大流量的一种最理想的结构，在相同功率情况下，径向往塞泵的径向尺寸大、径向力也大，常用于大扭炬、低转速工况，做为按压马达使用。而轴向柱塞泵结构紧凑，径向尺寸小，转动惯量小，故转速较高；另外，轴向柱塞泵易于变量，能用多种方式自动调节流量，流量大。由于上述特点，轴向柱塞泵被广泛使用于工程机械、起重运输、冶金、船舶等多种领域。航空上，普遍用于飞机液压系统、操纵系统及航空发动机燃油系统中。是飞机上所用的液压泵中最主要的一种型式。

本设计对柱塞泵的结构作了详细的研究，在柱塞泵中有阀配流﹑轴配流﹑端面配流三种配流方式。这些配流方式被广泛应用于柱塞泵中，并对柱塞泵的高压﹑高速化起到了不可估量的作用。可以说没有这些这些配流方式，就没有柱塞泵。但是，由于这些配流方式在柱塞泵中的单一使用，也给柱塞泵带来了一定的不足。设计中对轴向柱塞泵结构中的滑靴作了介绍，滑靴一般分为三种形式；对缸体的尺寸﹑结构等也作了设计；对柱塞的回程结构也有介绍。

柱塞式液压泵是靠柱塞在柱塞腔内的往复运动，改变柱塞腔容积实现吸油和排油的。是容积式液压泵的一种。柱塞式液压泵由于其主要零件柱塞和缸休均为圆柱形，加工方便配合精度高，密封性能好，工作压力高而得到广泛的应用。

柱塞式液压泵种类繁多，前者柱塞平行于缸体轴线，沿轴向按柱塞运动形式可分为轴向柱塞式和径向往塞式两大类运动，后者柱塞垂直于配油轴，沿径向运动。这两类泵既可做为液压泵用，也可做为液压马达用。

泵的内在特性是指包括产品性能、零部件质量、整机装配质量、外观质量等在内的产品固有特性，或者简称之为品质。在这一点上，是目前许多泵生产厂商所关注的也是努力在提高、改进的方面。而实际上，我们可以发现，有许多的产品在工厂检测符合发至使用单位运行后，往往达不到工厂出厂检测的效果，发生诸如过载、噪声增大，使用达不到要求或寿命降低等等方面的问题；而泵在实际当中所处的运行点或运行特征，我们称之为泵的外在特性或系统特性。

正如科学技术的发展一样，现阶段科技领域中交叉学科、边缘学科越来越丰富，跨学科的共同研究是十分普遍的事情，作为泵产品的技术发展亦是如此。以屏蔽式泵为例，取消泵的轴封问题，必须从电机结构开始，单局限于泵本身是没有办法实现的；解决泵的噪声问题，除解决泵的流态和振动外，同时需要解决电

机风叶的噪声和电磁场的噪声；提高潜水泵的可靠性，必须在潜水电机内加设诸如泄漏保护、过载保护等措施；提高泵的运行效率，须借助于控制技术的运用等等。这些无一不说明要发展泵技术水平，必须从配套的电机、控制技术等方面同时着手，综合考虑，最大限度地提升机电一体化综合水平。

柱塞式液压泵的显著缺点是结构比较复杂，零件制造精度高，成本也高，对油液污染敏感。这些给生产、使用和维护带来一定的困难。

1 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数

1．1直轴式轴向柱塞泵工作原理

直轴式轴向柱塞泵主要结构如图1.1所示。柱塞的头部安装有滑靴，滑靴底面始终贴着斜盘平面运动。当缸体带动柱塞旋转时，由于斜盘平面相对缸体平面（xoy面）存在一倾斜角γ，迫使柱塞在柱塞腔内作直线往复运动。如果缸体按图示n方向旋转，在180?～360?范围内，柱塞由下死点(对应180?位置)开始不断伸出，柱塞腔容积不断增大，直至上死点(对应0?位置)止。在这过程中，柱塞腔刚好与配油盘吸油窗相通，油液被吸人柱塞腔内，这是吸油过程。随着缸体继续旋转，在0?～180?范围内，柱塞在斜盘约束下由上死点开始不断进入腔内，柱塞腔容积不断减小，直至下孔点止。在这过程中，柱塞腔刚好与配油盘排油窗相通，油液通过排油窗排出。这就是排油过程。由此可见，缸体每转一跳各个往塞有半周吸油、半周排油。如果缸体不断旋转，泵便连续地吸油和排油。

图1.1 直轴式轴向柱塞泵工作原理

1.2直轴式轴向柱塞泵主要性能参数

给定设计参数

最大工作压力

max 40

P MPa

=

额定流量Q=100L/min

最大流量

max 200/min

Q L

=

额定转速 n=1500r/min 最大转速 max 3000/min n r =

1.2.1排量﹑流量与容积效率

轴向柱塞泵排量b q 是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出油液的容积，即

2max max 4

b X x q F s Z d s Z π

==

=2(19.50.2)(19.50.22)94

p

创创创

≈0.84(L)

不计容积损失时，泵的理论流量tb Q 为

2max 4

tb b b x b Q q n d s Zn π

==

=0.84×1500 =1260(L) 式中 x F —柱塞横截面积； x d —柱塞外径； max s —柱塞最大行程； Z —柱塞数；

b n —传动轴转速。

泵的理论排量q 为

10001000100

70.2.15000.95

v Q q n h ′=

==′（ml/r ） 为了避免气蚀现象，在计算理论排量时应按下式作校核计算： 13

m a x .p n q C ￡

1

33000

70.220660

p C ?<

式中p C 是常数，对进口无预压力的油泵p C =5400；对进口压力为5kgf/cm 的油泵

p C =9100，这里取p C =9100故符合要求。

排量是液压泵的主要性能参数之一，是泵几何参数的特征量。相同结构型式的系列泵中，排量越大，作功能力也越大。因此，对液压元件型号命名的标准中明确规定用排量作为主参数来区别同一系列不同规格型号的产品。

从泵的排量公式24

b x f q d D Ztg π

γ=

中可以看出，柱塞直径z d ﹑分布圆直径f

D ﹑柱塞数Z 都是泵的固定结构参数，并且当原动机确定之后传动轴转速b n 也是不

变的量。要想改变泵输出流量的方向和大小，可以通过改变斜盘倾斜角γ来实现。对于直轴式轴向柱塞泵，斜盘最大倾斜角max 15γ=?～20O ，该设计是通轴泵，受机构限制，取下限，即15g O =。

泵实际输出流量gb Q 为

gb tb b Q Q Q =-=100-3=97（ml/min ） 式中b Q 为柱塞泵泄漏流量。

轴向柱塞泵的泄漏流量主要由缸体底面与配油盘之间﹑滑靴与斜盘平面之间及柱塞与柱塞腔之间的油液泄漏产生的。此外，泵吸油不足﹑柱塞腔底部无效容积也造成容积损失。

泵容积效率VB η定义为实际输出流量gb Q 与理论流量tb Q 之比，即 gb VB tb

Q Q η=

=

97

97%100

= 轴向柱塞泵容积效率一般为b γη=0.94～0.98，故符合要求。

1.2.2扭矩与机械效率

不计摩擦损失时，泵的理论扭矩tb M 为

2b b tb p q M π==

6

6120.8410 1.610(.)2N m p

创= 式中b p 为泵吸﹑排油腔压力差。

考虑摩擦损失b M 时，实际输出扭矩gb M 为

gb tb b M M M =+=6

661.6100.210 1.810(.)N m ??

轴向柱塞泵的摩擦损失主要由缸体底面与配油盘之间﹑滑靴与斜盘平面之间﹑柱塞与柱塞腔之间的摩擦副的相对运动以及轴承运动而产生的。 泵的机械效率定义为理论扭矩tb M 与实际输出扭矩gb M 之比，即

6

6

1 1.61088.9%

1.8101tb tb mb b gb tb b fb

M M M M M M M h ′=====+ +

1.2.3功率与效率

不计各种损失时，泵的理论功率tb N

2tb b tb b gb N p Q n M π===61500

2 1.810283()60

kw p 创?

泵实际的输入功率br N 为

1

22br b gb b tb

mb

N n M n M ππη===61500

1

2 1.610282()600.889

kw p 创创=

泵实际的输出功率bc N 为

b c b g b b t b N p Q p Q g h ===363 1.610954267()kw 创

?

定义泵的总 效率η为输出功率bc N 与输入功率br N 之比，即

12b tb b bc

b b mb br tb

mb

p Q N N M g g h h h h p h =

== =0.8890.97

0.86?

上式表明，泵总效率为容积效率与机械效率之积。对于轴向柱塞泵，总效率一般为b h =0.85～0.9,上式满足要求。

2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析

泵在一定斜盘倾角下工作时，柱塞一方面与缸体一起旋转，沿缸体平面做圆周运动，另一方面又相对缸体做往复直线运动。这两个运动的合成，使柱塞轴线上任一点的运动轨迹是一个椭圆。此外，柱塞还可能有由于摩擦而产生的相对缸体绕其自身轴线的自转运动，此运动使柱塞的磨损和润滑趋于均匀，是有利的。

2.1柱塞运动学分析

柱塞运动学分析，主要是研究柱塞相对缸体的往复直线运动。即分析柱塞与缸体做相对运动时的行程﹑速度和加速度，这种分析是研究泵流量品质和主要零件受力状况的基础。

2.1.1柱塞行程S

图2.1为一般带滑靴的轴向柱塞运动分析图。若斜盘倾斜角为γ，柱塞分布圆半径为

R，缸体或柱塞旋转角为a，并以柱塞腔容积最大时的上死点位置f

为0?，则对应于任一旋转角a时，

图2.1 柱塞运动分析

cos f f h R R a =-

所以柱塞行程S 为

1

(1c o s )s h t g R t g

g g ==

- 当180a O =时，可得最大行程max s 为

m a x 2f f s R tg D tg g g ==39

18039(t g m m

O ?

2.1.2柱塞运动速度分析v

将式1(1cos)s htg R tg γγ==-对时间微分可得柱塞运动速度v 为 .s i n s s a f t a t

d d d

R t g a d d d u w g =

== 当90a O =及270O 时，sin 1a =±，可得最大运动速度max υ为

m a x 1500

19.52.15819(/)60

f R t

g tg mm s u w g p O ==创= 式中w 为缸体旋转角速度，a

t

w = 。

2.1.3柱塞运动加速度a

将.sin s s a

f t a t

d d d R tg a d d d υωγ=

==对时间微分可得柱塞运动加速度a 为 2.cos a

f t a t

d d d a R tg a d d d υυωγ=

== 当0a O =及180O 时，cos 1,=±可得最大运动加速度max a 为

2

m a x 150********(/)60

f a R t

g m s w g p 骣÷?==创=÷?÷?桫 柱塞运动的行程s ﹑速度v ﹑加速度a 与缸体转角a 的关系如图2.2所示。

图2.2 柱塞运动特征图

2.2滑靴运动分析

研究滑靴的运动，主要是分析它相对斜盘平面的运动规律，即滑靴中心在斜盘平面x o y ⅱ 内的运动规律（如图2.3），其运动轨迹是一个椭圆。椭圆的长﹑短轴分别为

长轴 239

240.4()cos cos15f R b mm g

O

=

=

=

短轴 2239()f a R m m == 设柱塞在缸体平面上A 点坐标为

s i n c o s f f x R a y R a

==

如果用极坐标表示则为

矢径

h f R R == 极角 (cos cos )arctg a θγ=

滑靴在斜盘平面x o y '''内的运动角速度h ω为

222

c o s c o s c o s

s i n

h t d d a a q w g w g =

=+

由上式可见，滑靴在斜盘平面内是不等角速度运动，当2a π

=﹑3

2

π时，h ω最大（在短轴位置）为

max cos h w w g ==1500

260162(/)cos15rad s p

O ′= 当0a =﹑π时，h ω最小（在长轴位置）为

m i n 1500

cos 2cos15152(/)60

h rad s w w g p O ==

创= 由结构可知，滑靴中心绕o '点旋转一周（2π）的时间等于缸体旋转一周的时间。因此，其平均旋转角速度等于缸体角速度，即

1500

2157(/)60

ap rad s w w p ==?

2.3瞬时流量及脉动品质分析

柱塞运动速度确定之后，单个柱塞的瞬时流量可写成 2sin ti z t f t Q F F R tg a υωγ== 式中z F 为柱塞横截面积，24

z z F d π

=

。

泵柱塞数为9，柱塞角距（相邻柱塞间夹角）为220.79

Z ππθ=

=≈，位于排油区的柱塞数为0Z ，那么参与排油的各柱塞瞬时流量为

123sin sin()sin(2)

t z f t z f t z f Q F R tg a

Q F R tg a Q F R tg a w g w g q w g q ==+=+

……

……

0sin[(1)]t z f Q F R tg a Z ωγθ=+- 泵的瞬时流量为

120t t t tz Q Q Q Q =++

+

[]

1

00sin (1)1

sin

sin()sin

Z z f t z f F R tg a i Z Z a Z Z

F R tg Z

ωγθππωγ

π

→=+--+=∑ 由上式可以看出，泵的瞬时流量与缸体转角a 有关，也与柱塞数有关。

图2.3 奇数柱塞泵瞬时流量

对于奇数柱塞，排油区的柱塞数为o Z 。 当0a Z

π

≤≤

时，取o Z =

191

522

Z ++==，由泵的流量公式可得瞬时流量为 c o s 22s i n

2t z f

a Z Q F R t g Z

πωγπ?

?- ?

??= 当

2a Z

Z π

π≤≤

时，取012

Z Z -=，同样由泵的流量公式可得瞬时流量为 3c o s 22s i n

2t z f

a Z Q F R t g Z

πωγπ?

?- ?

??=

当a=0﹑

Z

π﹑2Z π﹑……时，可得瞬时流量的最小值为 min 1

2sin

2t z f Q F R tg Z

ωγπ=

奇数柱塞泵瞬时流量规律见图2—3

我们常用脉动率δ和脉动频率f 表示瞬时流量脉动品质。 定义脉动率 m a x m i n

t t

tp

Q Q Q d -=

这样，就可以进行流量脉动品质分析。

2.3.1脉动频率

当Z=9，即为奇数时

1500

229450()60

f nZ Hz ==创= 2.3.2脉动率

当Z=9，即为奇数时

.()0.026%242949

tg tg Z Z p p p p d ==?创 利用以上两式计算值，可以得到以下内容：

表2.1 柱塞泵流量脉动率

由以上分析可知：

（1） 随着柱塞数的增加，流量脉动率下降。

（2） 相邻柱塞数想比，奇数柱塞泵的脉动率远小于偶数柱塞泵的脉动率。这就

是轴向柱塞泵采用奇数柱塞的根本原因。

从中还可以看出，奇数柱塞中，当13Z >时,脉动率已小于1%.因此,从泵的

结构考虑,轴向柱塞泵的柱塞数常取Z=7﹑9﹑11.

泵瞬时流量是一周期脉动函数.由于泵内部或系统管路中不可避免地存在有液阻,流量的脉动必然要引起压力脉动.这些脉动严重影响了输出流量品质,使系统工作不稳定,当泵的脉动频率与液压油柱及管路的固有频率相当,就产生了谐振的条件,谐振时压力脉动可能很高,这时系统的构件有极大的潜在破坏性.在一些极端情况下,几分钟之内管路或附件即可达到疲劳破坏极限.液压油的流量﹑压力脉动在管路或附件中激励起高频率的机械震动将引起导致管路﹑附件及安装构件的应力.液压泵的供压管路,一般是最容易受到破坏的部位.以上,对飞机液压系统尤其重要.

在设计液压泵和液压系统时，要考虑采取措施抑制或吸收压力脉动，避免引起谐振。对于压力脉动的幅值，在航空液压标准中有严格的规定，例如航标《变量泵通用技术条件》（HB5839—83）中规定：在任何情况下，压力脉动均不超过额定出口压力的10%

±。实际上10%

±的指标还是偏大，但由于制造工艺上的原因，压力脉动的指标还不能定的很严格，但降低泵的压力脉动无疑是今后液压技术发展的一种趋势。

攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计

3 柱塞受力分析与设计

柱塞是柱塞泵主要受力零件之一。单个柱塞随缸体旋转一周时，半周吸油﹑一周排油。柱塞在吸油过程与在排油过程中的受力情况是不一样的。下面主要讨论柱塞在排油过程中的受力分析，而柱塞在吸油过程中的受力情况在回程盘设计中讨论。

3.1柱塞受力分析

图3.1是带有滑靴的柱塞受力分析简图。

图3.1 柱塞受力分析

作用在柱塞上的力有：

3.1.1柱塞底部的液压力b P

柱塞位于排油区时，作用于柱塞底部的轴向液压力b P 为

23

6m a x (201

0)401012560()

44b x P d p N p p -==创创= 式中max P 为泵最大工作压力。