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径向恒流柱塞泵的设计.doc

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径向恒流柱塞泵的设计.doc

径向恒流柱塞泵的设计第1页共67页径向恒流柱塞泵的设计摘要本文在当前的柱塞泵恒流理论基础上,分析了能实现柱塞泵恒流其柱塞运动速度曲线所必须具备的特征,并创造性地提出了恒流特征速度曲线这一概念,完善了柱塞泵恒流理论。依据该理论,本文设计了径向恒流柱塞泵,主要对柱塞、滚柱、转子、定子及驱动轴进行了设计计算,对泵盖、泵体及配流轴进行了结构设计。关键词柱塞泵恒流滚柱ThedesignofconstantcurrentradialpistonpumpAbstractBasedoncurrenttheoryofpistonpumpwithconstantflow,thispaperanalyzethecharacteristicofpistonvelocitycurvewhichcanmakepistonpumpworkwithconstantflow,andcreativelypropoundconstantcurrentcharacteristicspeedcurve,whichisanewconception,finallyperfectthetheoryofpistonpumpwithconstantflow.Accordingtothisnewtheory,thispaperdesignsaradicalandconstantcurrentpistonpump,mainlydodesigncalculationforpiston,pinroller,rotator,statorandactuatingshaftandalsodophysicaldesignforpumpcover,pumpbodyandflowdistributionshaft.Keywordspistonpumpconstantcurrentpinroller径向恒流柱塞泵的设计第2页共67页目录前言31.柱塞泵恒流理论的提出41.1柱塞泵的现状及所存在的问题的提出41.2恒流特征速度曲线的提出41.3恒流的实现41.4几种具有恒流特征的速度曲线62.新型径向恒流柱塞泵的设计82.1新型径向恒流柱塞泵的简介及其基本结构82.2受力分析102.3柱塞和滚柱及转子的设计102.4驱动轴的设计及轴承和油封的选取272.5配流轴的设计312.6泵盖的设计352.7泵体的设计352.8定子的设计372.9泵体端盖的设计382.10螺钉、密封、止动垫圈及密封纸垫的选取393.径向恒流柱塞泵的三维建模393.1配流轴的三维图393.2泵体的三维图403.3柱塞及其头部结构413.4转子结构图423.5泵的总装配图及其外形43参考书籍45径向恒流柱塞泵的设计第3页共67页前言目前,应用广泛的泵有轴向柱塞泵、径向柱塞泵、螺杆泵、叶片泵和齿轮泵。这几种泵各有优缺点,现有的轴向柱塞泵和径向柱塞泵有容积效率高、工作压力高的优点,但存在明显的流量脉动和压力脉动,并且噪音都在70DB以上,尤其是在工作在高压的情况下噪音更大螺杆泵、叶片泵具有流量脉动小、噪音低的优点,但其工作压力和容积效率都低而齿轮泵轮具有结构简单,成本低的优点外其它各项性能指标均不如前面的泵。当前,所缺少的是一种工作压力高、容积效率高,并且流量脉动和压力脉动低、噪音低的液压泵,尤其是工作在高压的情况下,流量脉动和压力脉动及噪音也很低的液压泵,而要同时满足上述要求的液压泵也只有柱塞泵才有可能,这就需要对柱塞泵的工作机理做深入的研究,改进现有的柱塞泵,提出新的方案和结构,来解决柱塞泵的脉动及噪声问题。解决了柱塞泵的脉动和噪声问题也就解决了在许多封闭空间中使用柱塞泵而产生噪声偏大的问题,从而大大地改善了人们的工作环境,尤其是在那些对噪声控制要求严格的场所,诸如军舰、潜艇和室内,降噪就具有非常重要的意义。近年来,不少专家学者都对这个问题做了深入的研究,浙江大学流体传动及控制国家重点实验室教授杨俭和冀宏等、兰州理工大学那焱青工程师等、中国矿业大学的刘利国教授都是在传统的柱塞泵结构上对柱塞泵的降噪这个问题做了大量研究,其中有很多研究成果具有重要的借鉴意义。海军工程大学的高翔教授和兰州理工大学杨国来教授所做的研究比较突出,他们俩都是基于新的柱塞泵结构来研究柱塞泵的流量脉动及降噪的问题的,其中要数兰州理工大学杨国来教授所做的研究最为深入,他的研究也最具可行性,其研究成果发表在机床与液压的2006年第三期上,论文题目为新型双作用径向柱塞泵的定子曲线设计及流量脉动分析,并且还发表了几篇与之相关的论文,他还与兰州卓信液压气动公司合作开发了此泵,研制成功后申请了国家发明专利。本设计的题目是新型径向恒流柱塞泵的设计,是作者通过两年的学习与研究所提出的一种新型泵,与杨国来教授所提出的理论大致相同,但作者的理论更具径向恒流柱塞泵的设计第4页共67页完整性,为找得此类泵所用的定子曲线提供了一条方便的途径,并且依据作者的理论还可以设计出无高次恒流特征位移曲线,这对降低此类泵的噪声更具积极意义。做完这项研究后恰好赶上作者毕业,所以就将此研究拿来做毕业设计,本设计将完成该泵的具体结构设计。1.柱塞泵恒流理论的提出1.1柱塞泵的运动情况柱塞泵的常见形式有轴向柱塞泵和径向柱塞泵。柱塞的中心轴线与转轴轴线平行的称为轴向柱塞泵,其柱塞有轴向运动而无径向运动,吸油与排油是通过柱塞的轴向运动实现的柱塞的中心线与转轴轴线垂直的称为径向柱塞泵,其柱塞有径向运动而无轴向运动,吸油与排油是通过柱塞的径向运动实现的。通常柱塞泵中有多只柱塞,它们是绕转轴轴线沿周向均匀分布的,工作时一部分柱塞做吸油运动,同时另一部份柱塞做排油运动。单个柱塞绕转轴轴线旋转运动时,先是吸油后是排油,再吸油再排油,如此周而复始,其运动速度V(对于轴向柱塞泵来说是轴向运动速度,对于径向柱塞泵来说是径向运动速度)与转轴转过的角度θ在一个周期T内的关系如图1.1所示θωt,ω为转轴的角速度,t为时间。在本篇论文中约定柱塞吸油时的运动速度为正,排油时的运动速度为负,称该曲线为单个柱塞的运动速度曲线。图1.1一个周期T内单个柱塞的运动速度曲线1.2恒流特征速度曲线的提出要实现柱塞泵工作时无流量脉动,必须使任一时刻处于吸油状态的各个柱塞的运动速度之和为一恒定值,同理,处于排油状态的各个柱塞的运动速度径向恒流柱塞泵的设计第5页共67页之和也应该为一恒定值。然而目前的柱塞泵,不管是轴向的还是径向的都不能满足上述要求。要满足上面提出的要求,必须使单个柱塞的运动速度曲线具备一定的特征,图1.2恒流特征速度曲线及其位移曲线现绘出具备这些特征的速度曲线如图1.2粗实线所示(该粗实线为一个周期T内的速度曲线),其表达式为VVmaxGθ,Vmax为其最值,现将该曲线的特征罗列如下a.曲线必须是连续的,且具有周期性b.在0,T/4区间的曲线必须关于点(T/8,VmaxG(T/8))成原点对称c.在0,T/2区间的曲线必须关于直线θT/4成轴对称d.在0,T区间的曲线必须关于点(T/2,0)成原点对称。称上述特征为恒流特征,将具备这些特征的单个柱塞的运动速度曲线命名为恒流特征速度曲线。将表达式VVmaxGθ对t积分就得到柱塞的位移(径向位移或轴向位移)的表达式①图中细实线为C0时的位移曲线,当θT/2时位移S有最值H(柱塞的升程),且有下式成立②那么Vmax4ωH/T,故式①可改写为③只要柱塞的位移曲线满足③式,就可使其运动速度曲线为恒流特征曲线,从径向恒流柱塞泵的设计第6页共67页而实现柱塞泵的恒流,并称满足③式的位移曲线为恒流特征位移曲线。1.3恒流的实现下面来说明柱塞泵的单个柱塞的运动速度曲线为恒流特征速度曲线时是如何实现柱塞无流量脉动的。现有一柱塞泵(轴向的或径向的),设该泵单个柱塞的运动速度曲线为恒流特征速度曲线,其柱塞数为4,为单作用柱塞泵,故T2π(为双作用泵时T取π),图1.3粗细不同的曲线代表不同柱塞的速度曲线相邻两柱塞之间的相位差为2π/4π/2。现将该泵中4只柱塞的运动速度曲线绘制到同一个坐标系中如图1.3所示,则在同一坐标系中不难看出相邻两柱塞的速度曲线之间的相位差为π/2,并且还可以发现在任一时该泵有两只柱塞处于吸油状态,另外两只柱塞处排油状态。依据前述的恒流特征不难证明θ轴上半部分所有的曲线叠加后为一直线VVmax,也即任一时刻处于吸油状态的两只柱塞的速度之和为一恒定值Vmax同理,θ轴下半部分所有的曲线叠加后为一直线VVmax,也即任一时刻处于排油状态的两只柱塞的速度之和为一恒定值Vmax。这说明具有恒流特征的速度曲线理论上能实现柱塞泵的恒流。事实上,采用这类速度曲线时,单作用泵的柱塞数必须为4的倍数,双作用柱塞泵的柱塞数必须为8的倍数,否则不能实现恒流,无论单作用泵或双作用泵,通常情况下柱塞数都应选8,采用8只柱塞时任一时刻有4只柱塞处于吸油状态,另4只处于排油状态。1.4几种具有恒流特征的速度曲线(1)一次函数恒流特征速度曲线VAGθ,Gθ满足下式④径向恒流柱塞泵的设计第7页共67页上式中正负号分别对应着两条恒流特征速度曲线,将上式对时间t求导后,就可以得到加速度的表达式,并且从该加速度表达式可以发现加速度有突变,也就是说如果采用一次函数恒流特征速度曲线,柱塞在运动虽无刚性冲击,但存在着柔性冲击。(2)三角函数恒流特征速度曲线VAGθ,Gθ满足下式⑤同样将上式对时间t求导后,就可以得到加速度的方程式,并且从该方程可以发现加速度没有突变,说明采用该曲线无柔性冲击。(3)无高次冲击恒流特征速度曲线将恒流特征速度曲线对θ积分,便得一新曲线(图1.4中的细实线所示),该新曲线酷似恒流特征曲线的前半部分,事实上补上后半部分曲线后(图1.4中的虚线所示),再将前后两半部份组合起来就是一条新的恒流特征速度曲线,其周期为原曲线的2倍,将新得来的恒流特征速度曲线再次进行积分,重复上述步骤,便又得一条恒流特征速图1.4图中粗实线为一恒流特征速度曲线度曲线,经过N次上述步骤后所得到的恒流特征速度曲线至少无N1次冲击。通常情况下我们求得无3次冲击的恒流特征曲线就足够了,更高次的难以求得,并且给加工也会带来困难。其实恒流特征速度曲线有很多的,只要依据恒流特征就可以求出许多这样的曲线,而上面仅仅是给出了几种常见的。径向恒流柱塞泵的设计第8页共67页以上便是柱塞泵恒流理论,依据该理论可以设计轴向恒流柱塞泵和径向恒流柱塞泵,这两种泵的流量脉动和压力脉动在不考虑工作油液的可压缩性质的情况下是为零的,当此类泵工作在高压的情况下或要考虑油液的可压缩性质的情况下,该理论还有待进一步完善。2.新型径向恒流柱塞泵的结构设计2.1新型径向恒流柱塞泵的简介及其基本结构在第一章中所讲的柱塞泵恒流理论既可以用来设计轴向恒流柱塞泵也可以用来设计径向恒流柱塞泵,本设计只设计径向恒流柱塞泵,下面简单介绍一下该泵的其本作原理。该泵为双作用泵,八只柱塞在转子中沿径向等分排列,每只柱塞的头部嵌有一滚柱,滚柱与固定在泵体上的定子的内曲面是呈线接触,该曲面可依据第一章中所讲的恒流特征位移曲线来设计,转子与驱动轴之间是通过花键来连接的,在驱动轴的高速带动下,转子中的柱塞在离心力的作用下会使柱塞头部的滚柱贴在定子的内曲面上,从而使柱塞完成吸油与排油运动,该泵的配流采用轴配流方式,与普通径向柱塞泵的配流轴大致相同,只是其配油窗口有四个,两个吸油窗口和两个排油窗口。图2.1是该泵的结构简图,图2.2是该泵的原理简图。图中1.定子2.滚柱3.柱塞4.转子5.排油窗口6.吸油窗口7.端盖8.吸油口9.定位孔10.配流轴11.泵体排油口。径向恒流柱塞泵的设计第9页共67页123456712111098图2.1径向恒流柱塞泵结构简图

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