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Pb…………………………………………………………………17
3.1.2柱塞惯性力……………………………………………………………………………18
3.1.3离心反力Pt……………………………………………………………………………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p1和p2………………………………………… 20
3.1.6摩擦力P1f和P2f………………………………………………………………………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Pv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py………………………………………………………………………………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py………………………………………………………………………………33
5.1.2分离力pf…………………………………………………………………………… 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Rf 和面积F…………………………………………………… 40
6.2.2缸体内﹑外直径D1﹑D2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M1……………………………………………………………………… 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M3………………………………………………………… 48
8.4滑靴偏转时的摩擦力矩M4…………………………………………………………… 48
8.5柱塞惯性力矩M5……………………………………………………………………… 48
8.6柱塞与柱塞腔的摩擦力矩M6…………………………………………………………49
8.7斜盘支承摩擦力矩M7…………………………………………………………………49
8.8斜盘与回程盘回转的转动惯性力矩M8………………………………………………50
8.9斜盘自重力矩M9………………………………………………………………………50 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 Pmax=40MPa
额定流量 Q=100L/min
最大流量 Qmax=200L/min
额定转速 n=1500r/min
最大转速 nmax=3000r/min
1.2.1排量﹑流量与容积效率
轴向柱塞泵排量qb是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出油液的容积，即
saxZ= qb=FXmπ42dsa xmxZ
p =创(19.50.2)2创(19.50.2创2)9 4
≈0.84(L)
不计容积损失时，泵的理论流量Qtb为
4
=0.84×1500
=1260(L) Qtb=qbnb=πdx2smaxZnb
式中 Fx—柱塞横截面积；
dx—柱塞外径；
sma—柱塞最大行程； x
Z—柱塞数；
nb—传动轴转速。
泵的理论排量q为
q=100Q010´00100==70.（2ml/r） n.hv150´00.95
1
3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： nma.x£Cp
13000?70.23 60206
式中Cp是常数，对进口无预压力的油泵Cp=5400；对进口压力为5kgf/cm的油泵Cp=9100，这里取Cp=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。
4﹑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nb也是不从泵的排量公式qb=πdx2DfZtgγ中可以看出，柱塞直径dz﹑分布圆直径Df
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γmax=15︒～20O，该设计是通轴泵，受机构限制，取下限，即g=15O。
泵实际输出流量Qgb为
Qgb=Qtb- Qb=100-3=97（ml/min）
式中 Qb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ηVB定义为实际输出流量Qgb与理论流量Qtb之比，即 ηVB=Qgb
Qtb=97=97% 100
轴向柱塞泵容积效率一般为ηγb=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Mtb为
pbqb12创0.84106
=1.6?106(N.m) Mtb==2π2p
式中 pb为泵吸﹑排油腔压力差。
考虑摩擦损失 Mb时，实际输出扭矩Mgb为
Mgb=Mtb+ Mb=1.6?1060.2?1061.8?106(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Mtb与实际输出扭矩Mgb之比，即
MtbMtb11.6´106
hmb=====88.9%MgbMtb+ Mb1+ b1.8?106
Mfb
1.2.3功率与效率
不计各种损失时，泵的理论功率Ntb
15001.8?106Ntb= pbQtb=2πnbMgb=2p60283(kw)
泵实际的输入功率Nbr为
Nbr=2πnbMgb=2πnbMtb1ηmb15001.6创106=2p601=282(kw) 0.889
泵实际的输出功率Nbc为
Nbc= pbQg=b pb1.6106?95Qhgt=3b3创
定义泵的总 效率η为输出功率Nbc与输入功率Nbr之比，即 hb=4267(kw) pbQtbhgbNbc==hgbhmb =0.889?0.971Nbr2pMtbhmb0.86
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hb=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Rf，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为0︒，则对应于任一旋转角a时，
图2.1 柱塞运动分析
h=Rf-Rfcosa
所以柱塞行程S为
s=htgg=1(R1-cosg)t g
当a=180O时，可得最大行程smax为
O smax?tg180=2Rftgg=Dftgg39 3m9(m
2.1.2柱塞运动速度分析v
将式s=htgγ=R1(1-cos)tgγ对时间微分可得柱塞运动速度v为
u=dsdd=s.a=Rfwtggsin adtdadt
当a=90O及270O时，sina=±1，可得最大运动速度υmax为
15002p.tg15O=819(mm/s) uma=Rfwtgg=19.560a式中w为缸体旋转角速度，w= 。 t
2.1.3柱塞运动加速度a 将υ=dsdsda=.=Rfωtgγsina对时间微分可得柱塞运动加速度a为 dtdadt
dυdυda=.=Rfω2tgγcosa dtdadt a=
当a=0O及180O时，cos=±1,可得最大运动加速度amax为
骣1500ç ama=Rfwtgg=819创2p÷÷ç÷=129(m/s) ç桫602
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xⅱ，其运动轨迹是一个椭圆。椭圆的长﹑短oy?内的运动规律（如图2.3）
轴分别为
长轴 2b=2Rf
cosg=39=40.4(mm) cos15O
短轴 2a=2R )(mf=39m
设柱塞在缸体平面上A点坐标为
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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Pb…………………………………………………………………17
3.1.2柱塞惯性力……………………………………………………………………………18
3.1.3离心反力Pt……………………………………………………………………………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p1和p2………………………………………… 20
3.1.6摩擦力P1f和P2f………………………………………………………………………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Pv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py………………………………………………………………………………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py………………………………………………………………………………33
5.1.2分离力pf…………………………………………………………………………… 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Rf 和面积F…………………………………………………… 40
6.2.2缸体内﹑外直径D1﹑D2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M1……………………………………………………………………… 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M3………………………………………………………… 48
8.4滑靴偏转时的摩擦力矩M4…………………………………………………………… 48
8.5柱塞惯性力矩M5……………………………………………………………………… 48
8.6柱塞与柱塞腔的摩擦力矩M6…………………………………………………………49
8.7斜盘支承摩擦力矩M7…………………………………………………………………49
8.8斜盘与回程盘回转的转动惯性力矩M8………………………………………………50
8.9斜盘自重力矩M9………………………………………………………………………50 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 Pmax=40MPa
额定流量 Q=100L/min
最大流量 Qmax=200L/min
额定转速 n=1500r/min
最大转速 nmax=3000r/min
1.2.1排量﹑流量与容积效率
轴向柱塞泵排量qb是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出油液的容积，即
saxZ= qb=FXmπ42dsa xmxZ
p =创(19.50.2)2创(19.50.2创2)9 4
≈0.84(L)
不计容积损失时，泵的理论流量Qtb为
4
=0.84×1500
=1260(L) Qtb=qbnb=πdx2smaxZnb
式中 Fx—柱塞横截面积；
dx—柱塞外径；
sma—柱塞最大行程； x
Z—柱塞数；
nb—传动轴转速。
泵的理论排量q为
q=100Q010´00100==70.（2ml/r） n.hv150´00.95
1
3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： nma.x£Cp
13000?70.23 60206
式中Cp是常数，对进口无预压力的油泵Cp=5400；对进口压力为5kgf/cm的油泵Cp=9100，这里取Cp=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。
4﹑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nb也是不从泵的排量公式qb=πdx2DfZtgγ中可以看出，柱塞直径dz﹑分布圆直径Df
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γmax=15︒～20O，该设计是通轴泵，受机构限制，取下限，即g=15O。
泵实际输出流量Qgb为
Qgb=Qtb- Qb=100-3=97（ml/min）
式中 Qb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ηVB定义为实际输出流量Qgb与理论流量Qtb之比，即 ηVB=Qgb
Qtb=97=97% 100
轴向柱塞泵容积效率一般为ηγb=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Mtb为
pbqb12创0.84106
=1.6?106(N.m) Mtb==2π2p
式中 pb为泵吸﹑排油腔压力差。
考虑摩擦损失 Mb时，实际输出扭矩Mgb为
Mgb=Mtb+ Mb=1.6?1060.2?1061.8?106(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Mtb与实际输出扭矩Mgb之比，即
MtbMtb11.6´106
hmb=====88.9%MgbMtb+ Mb1+ b1.8?106
Mfb
1.2.3功率与效率
不计各种损失时，泵的理论功率Ntb
15001.8?106Ntb= pbQtb=2πnbMgb=2p60283(kw)
泵实际的输入功率Nbr为
Nbr=2πnbMgb=2πnbMtb1ηmb15001.6创106=2p601=282(kw) 0.889
泵实际的输出功率Nbc为
Nbc= pbQg=b pb1.6106?95Qhgt=3b3创
定义泵的总 效率η为输出功率Nbc与输入功率Nbr之比，即 hb=4267(kw) pbQtbhgbNbc==hgbhmb =0.889?0.971Nbr2pMtbhmb0.86
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hb=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Rf，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为0︒，则对应于任一旋转角a时，
图2.1 柱塞运动分析
h=Rf-Rfcosa
所以柱塞行程S为
s=htgg=1(R1-cosg)t g
当a=180O时，可得最大行程smax为
O smax?tg180=2Rftgg=Dftgg39 3m9(m
2.1.2柱塞运动速度分析v
将式s=htgγ=R1(1-cos)tgγ对时间微分可得柱塞运动速度v为
u=dsdd=s.a=Rfwtggsin adtdadt
当a=90O及270O时，sina=±1，可得最大运动速度υmax为
15002p.tg15O=819(mm/s) uma=Rfwtgg=19.560a式中w为缸体旋转角速度，w= 。 t
2.1.3柱塞运动加速度a 将υ=dsdsda=.=Rfωtgγsina对时间微分可得柱塞运动加速度a为 dtdadt
dυdυda=.=Rfω2tgγcosa dtdadt a=
当a=0O及180O时，cos=±1,可得最大运动加速度amax为
骣1500ç ama=Rfwtgg=819创2p÷÷ç÷=129(m/s) ç桫602
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xⅱ，其运动轨迹是一个椭圆。椭圆的长﹑短oy?内的运动规律（如图2.3）
轴分别为
长轴 2b=2Rf
cosg=39=40.4(mm) cos15O
短轴 2a=2R )(mf=39m
设柱塞在缸体平面上A点坐标为
此处省去NNNNN需要更多更完整的图纸和说明书请联系 秋 3053703061