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A of is a 2 a 12 ms a 0 A 18) (17) on 1 ). to in of CV is to is up 1, . at 50, 800 000 9a as is to of a as or 5. of a et 4 (1999) 12111226 1217or to a to is a of or of A to of In a or of or of by of a is a of of 5). of is a f x b f be a of is f x 11 is to if is or to as 6. of a et 4 (1999) 121112261218or if 6 a of of is a of a of in a at (1) (2) of (3) of 4)a of of is of is an in s is in in is W 1 c is of of to a is a is of is If of to of is an be be to If is it is be we a f(x, t) of :X 1is as et 4 (1999) 12111226 1219iof be by of of is by:of as to of be as of is to be as f x,t is to of is is as as in a to of in If is is it by or a is et 4 (1999) 1211122612204. a of is at is to to be to a of of of as to to of in a C in of of in of % (7 ) t = 0.2 s. At in be in by of of in an 10 2 a 7. a 000 ) 5 w) 利用神经网络预测轴向柱塞泵的性能 摘要 本文推导了应用于轴向柱塞泵（斜轴式）的神经网络模型。该模型采用的数据是由一个实验装置获得的。这个正在进行的研究的目的是降低柱塞泵在高压下工作时的能量损耗。然而，在最初我们要做一些研究来预测当前所设计的泵的响应 。 神 经 网 络 模 型 具 有 前 反 馈 的 结 构 ， 并 在 测 验 过 程 中 使 用化技术。该模型能够准确地预测柱塞泵的动态响应。 1、 简介 可变排量轴向柱塞泵是在流体动力系统中经常要用到的重要设备 ，如液压动力供应控制和静液压传动驱动器的控制。本装置具有变量机制和功率 其最适合于高功率电平的控制。所设计的这种轴向柱塞泵拥有可靠性和简便的特点，然而其最重要的特征是可以变量输出。 人们在轴向柱塞泵领域已经做了很多研究，但是本文将只论述一下少数几人所做的贡献。 用调压器研究了轴向柱塞变量泵的静态和动态特性。所提出的模型的精确度依赖于制造商提供的动态运行曲线等数据。他们得出结论，运行条件对泵的动态行为是非常关键的，而泵的动态行为可以通过减小压力设 定值进行改善。 4模拟和测量了轴向柱塞泵的缸体压力和进油流量脉动。 研究了斜盘式变量输送的轴向柱塞泵在运行时刻的实验上和理论上的静态和动态特性。并提出了一种新的方法来预测泵在运行过程中的响应。也对研究泵特性的新方法的有效性进行了实验验证，实验中使用了一个有宽、短而深的凹槽的配流盘。 研究了液压轴向柱塞泵的缸体压力和流量。这个得出的模型经过了实验检验。对于配流盘、缸体上设计的退刀槽和泵的流量脉动对泵特性的影响都进行了验证。 人们 已证实了一种可替代的建模技术 神经网络（ 取得良好的效果，特别是对于高度非线性的系统。这种技术是模仿人脑获取信息的功能。 用神经网络模型预测了一个长方形的气压轴承的压力分布。所设计的这种模型在预测压力分布和承载能力方面比其他可用的工具更加精确。 3利用神经网络预测了突破采油。其表现远远优于常见的回归模型或有限差分法。李等人 8用神经网络模型 究者们取得了理想的结果。 人 9应用 普拉德霍湾油田对流体接触进行了建模。所得到的模型预测的目标油井中的流量分配比传统的以回归为基础的技术更准确。 人 1已经推导出一个神经网络模型来预测非最小相系统的响应。所开发出的的模型被应用于 应器和连续搅拌式生物反应器，所得到的结果是令人满意的。 本文研究利用神经网络解决轴向柱塞泵（斜轴式）在一定的供油压力下的建模。本文首先会描述用于收集实验数据的实验装置，然后将会简要介绍神经网络建模程序。 2、 实验装置 实验数据是从这个将在本节中进行讨论的实验装置上得到的。 该装置的主要组成部分是轴向柱塞泵。在下面的章节中，我们将描述泵的工作原理，然后描述如何收集实验数据。 轴式轴向柱塞泵 示意图 2 显示出了在实验中使用的轴向柱塞泵的基本组件，而此泵的控制单元如图 3所示。该泵由两个主要部分组成。第一部分是旋转组，其中包括驱动轴（ 31）、柱塞（ 32）、缸体（ 33）和配流盘（ 34）。七个柱塞安装在一个位于前表面的球形组件上，并且他们同时动作使缸体旋转。缸体通过弹簧（ 35）推压控制区域的配流盘。在运行过程中，带有柱塞的配流盘和缸体可以在一个球形的滑动表面（ 36）上移动。 配流盘采用了在进油口和出油口的前缘和后缘都带有半圆形凹槽的双向配流盘。第二部分是泵的控制部分，其中包含了控制柱塞（ 37）、控制元件（ 38、 39 和 40）、调节弹簧（ 41）和控制弹簧（ 42）和（ 43）。两个主要部分是用调节销（ 44）连接在一起的。体积为 V 的泵出口腔与体积为 45）和（ 46）分别连通。控制柱塞连通开口孔（ 47）、该开口孔的大小是由活塞（ 40）（参照图 2和图 3）控制的。 当操作压力 41）的预设值，控制元件（ 38、 39 和 40）就会推压弹簧。与此同时，液压油通 过节流孔（ 45）和（ 46）从泵的出口流出。在体积为 腔体内的高压油就从开口孔（ 47）流到了控制柱塞（ 37）的大端面上。如果作用在控制柱塞上的压力大于弹簧力，控制柱塞（ 37）就会移动，直到液压力和机械力恢复平衡。缸体、柱塞和配流盘在球形滑动表面（ 36）以相反的方向移动，以减少旋转角度 运动会导致泵的流速降低。 据测量装置 利用神经网络设计的模型必须要使用从上述系统获得的一些实际数据进行检验。检验的过程对于神经网络了解它试图预测的模型是必要的。数据是从图 1所示的实验装置中收 集的。此数据是通过测量图 2所示的轴向柱塞泵的稳态和瞬态响应获得的。 图 1 实验装置的照片 图 2 斜轴式轴向柱塞泵的示意图 图 3 柱塞泵的控制单元的示意图 实验研究是在如图 1所示的测试平台上进行的，液压回路图如图 4所示。试验泵的进油管和出油管分别与吸油管和高流量计的端口（ 24）和（ 25）直接连接在一起。试验泵（ 16）是由一个高功率的可控速度的液压马达（ 13）驱动的。液压回路的工作过程如下：油从油箱（ 1）流入增压泵（ 4）的进油口。减压阀（ 7）是用来保护增压泵回路以避免其压力 过高。增压泵溢出的液压油通过一个单向阀（ 6）流入主泵（ 3）的吸油和供油线路。减压阀（ 8）是用于保护主泵回路防止压力过高。从主泵流出的液压油通过用于控制主泵流向的方向控制阀（ 9）和（ 10）流入主驱动马达回路（ 12）。试验泵的流速由数字式的流量计（ 20）显示。试验泵的从动轴的转速是由转速计（ 15）测量的，可以通过改变电动机（ 5）的速度来控制从动轴的速度。在操作过程中工作油的温度要保持在 50 5的范围内。 图 4 液压系统示意图 在稳态测量期间，当开关阀（ 30）完全关闭时供给压力 29） 调节的。压力计（ 23）用来测量进油管路中的油压，数字压力计（ 21）测量出油线路中的油压。减压阀（ 28）是用来保护试验泵回路以防过载。而在瞬态测量期间，阀（ 30）是完全打开的而阀（ 29）是完全关闭的。 的稳态响应的测量 所研究的泵的稳态性能的实验测定是通过测量不同的供给压力 P 下的泵的排出流量 验泵的参数如表 1所示。供给压力 29）控制的，其压力值由数字压力计（ 21）测得。相应的泵排量 由数字流量计（ 20）测量的。测量时预设压力相同而泵的转速不同，泵的转速分别为 550、 800和 1000 的排量 量值如图 7和图 8所示。 表 1 泵的参数 参数 描述 数值 控制柱塞的大端面 柱塞面积 控制元件（ 38）的面积 控制柱塞的小端面面积 V 泵输油管道体积 103 第一控制腔的体积 106 第二控制腔的体积 107 第三控制腔的体积 105 缸体最小倾斜角 4 缸体最大倾斜角 23 泵的瞬态响应的测量 图 2 所示的待研究的泵的瞬态响应的实验测定是通过测量不同控制腔的工作压力来进行的。在泵体的不同位置安装着三个电控压力传感器，该泵体是和体积分别为 3的控制腔直接连接在一起的，如图 3所示。另一个压力传感器被安装在泵出口体积 。这些传感器都是压阻式的，可以测量的压力范围为 00个传感的输入电压 为 10 30V，而输出电压是在 0 到 5些传感器是用来测量控制压力 （参照图 3）的 。 压力信号的时域图谱是使用 换时间为 12 2位逐次逼近转换器的数据采集板能实现 70 最大吞吐率。泵的出口管路上安装有节流口大小固定的节流阀（ 18）和方向控制阀 17）（参照图 1和图 4）。这些阀可以使泵的出口管路的压力 门迅速关闭，泵的排出流量 被迫流经节流阀。这样设置试验台就能使电磁阀中的电流能触发数据采集系统，从 而拾取瞬间变化的压力 P 的值。这些数据的测量是在泵的转速为 550、 800 和 1000 量结果如图 9、图 10和图 11所示。 3、神经网络 在本文中，用于预测斜轴式轴向柱塞泵的动作的装置是一个被称为神经网络的计算工具。这些网络都只是一些相互联接在一起的被称为神经元的元素。这些神经元或处理单元是精心挑选的线性或非线性函数，这些函数可以处理任何应用输入以得到其输出。 神经元的输入是外部输入的加权总和，或是紧挨着它的上一个神经元的输出。一个小的加权施加到神经元的输出上就会使接下来的神经元不能处理其输入。人们就能以这种方式建立每个模式或输入的具体路线图。这种类型的模型就能使神经网络能够捕捉通常未能被普通建模技术发现的非线性信号。 一个特定的神经元的输出是关于三个主要因子：加权输入、该神经元的偏压和传递函数（参见图 5）的函数。任何神经元的输出都可按下式计算： a=f(x+ ) 其中 传递函数 我们的研究中所选用的是 该函数以能 得到理想的结果而著名，特别是对于给定的输入其输出是已知的情况。 图 5 单个神经元的示意图 任何网络通常都可划分为各个子网或我们通常所称呼的层。每个网络包含两个基本层即输入层和输出层，而且如果任务需要就会有一个或多个隐藏层。图 6显示出了一种典型的前馈式结构的神经网络。输出层的输出是网络中所有神经元的组合效果的结果。 图 6 多层、前馈式神经网络的示意图 测验 设计一个神经网络至少需要四个主要步骤：（ 1）确定网络层的层数：（ 2）确定神经 元数量：（ 3）确定传递函数的类型：（ 4）确定一个能描述系统行为实验数据组。测验过程非常耗费时间但对于网络的成功非常关键。测验中要应用几项技术，其中有一项是势能的反向传播。每一个神经元的每一个输入的权重都是从输出层和工作反馈开始连续变化更新的。在此过程中，要使目标函数最小化，而目标函数通常是误差的平方和函数。文献中应用到了几项优化技术，包括鲍威尔算法和 文所使用的是 种算法是在著名的梯度下降算法（见附录）和高斯 - 牛顿算 法之间进行切换。法中所谓的新规则的计算公式如下： 其中为每一个权重的误差的衍生物的矩阵，是一个标量，而 E 是误差矢量。 数据的选择 使得测验过程非常耗费时间的因素之一是测验数据量的大小和质量。如果数据不能包含系统行为的所有详细信息，优化程序就可能不会收敛到预期的答案。然而，获得一个能描述系统的所有方面的数据集并不是一件容易的事。此外，测验数据可能是冗余的，即几个模式都传达了相同的信息。因此，测验的时间就会因一遍又一遍地处理相同的信息而剧增。如果遇到这种 情况，就建议使用 假设在输入向量 f（ x， t）。定义这些矢量的平均值 X ： 使 协方差矩阵定义如下： 协方差矩阵的特征值和特征向量可以通过奇异值分解的方法获得。定义 投影到本征空间的矢量由下式给出： 定义集合 其中 个输入矢量的能量可以定义如下： 现在，计算坐标 下： 如果输入矢量的能量非常小，那么该点就没有与系统相关的额外的信息。假 设有量由高到低排列，那么原始数据集可以近似表示如下： 交叉验证 交叉验证的过程对于确保在网络中使用的神经元的数目是否正确是必要的。使用神经网络时，过度拟合是很常见的情况，因为人们想要是误差尽可能的小。然而，这可能会导致需要比实际需求更高价的配件。因此，应制定一个机制，以确保过度拟合不会发生。交叉验证过程包括在测验过程中没有使用的某些模式的预测。如果预测是合理的，网络保留；否则就去除。要获得最好的网络结构可以通过增加或减少神经元的数目，直到得到一个满意的神经网络。 4、 结果 人们为研究斜轴式轴向柱塞泵建造了一个实验装置。实验装置的目的是研究柱塞泵并使其在高压下工作的功率损耗最大限度地减少。我们最初的工作是获得一个模型来预测当前设计的泵的动态响应。有几种建模方案可以用来推导泵的理论模型。然而，这些方案大多数都太简单，可能无法描述泵的动态响应的各个方面，例如非线性。出于这个原因，就要使用神经网络以试图描述系统的大部分的动态现象。 在上一节所描述的程序之后要使用奔腾 最好地描述柱塞泵系统的网络有两个隐藏层，每个隐藏层有 5个神经 元。其它的大部分设计都失败了，因为他们没能通过交叉验证的过程。 神经网络建模技术准确地预测了柱塞泵在多种转速和压力设定值下的稳态响应。实验值和理论值之间的误差不超过 2（参照图 7和图 8）。 图 7 泵转速为 1000 不同的设定压力下的稳态流速：实验（）和 划线）的设定压力为 75验（）和 线）的设定压力为125验（ +）和 线）为设定压力为 160 图 8 设定压力为 75流速。实验（）和 划线）为 1000 验（ +）和 线）为 800 实验（）和线）为 550 可以看出对于压力 P 的预测是准确的，特别是在 t =以后。开始时，数据非常杂乱，这时如果用最常见的拟合技术就可能会出现问题。使用了正确类型的传递函数的神经网络可避免这类问题，并确保不发生过度拟合。尽管测验数据有杂乱的特性，所设计的神经网络会以一种我们可以接受的方式来预测压力。 图 10和图 12 显示出了神经网络的预测值与实验数据之间良好一致性。在实验开始 阶段，即 之前，数据看起来很杂乱，很难适应。所设计的网络会近似化处理该区域的数据而并不是顺从其杂乱。 图 9 压力 P 的预测值（孔口直径 = 米）：实验（）和 测（固体）泵的转速为 1000 验（ +）和 线）泵的转速为 800 图 10 压力 口直径 = 米）：实验（）和 线）泵的转速为 1000 验（ +）和 线）泵的转速为 550 图 11 压力 口直径 =实验（）和 测（实线）泵的转速为 1000 验（ +）和 线）泵的转速为 800 图 12 压力 的转速 =800 孔直径 = 实验（）和 线）。 同样的，图 9 显示了神经网络模型能很好地预测压力 值。预测值和实验值之间的误差小于 7。这是一个很好的迹象，表明神经网络建模技术在模拟复杂的系统，如斜轴式轴向柱塞泵时是一个可行的工具。 5、 结论 人们已经开始用神经网络建模 技术来预测斜轴式轴向柱塞泵的稳态和动态响应。实验数据是从一个用来测验网络的实验装置收集来的。所得出的模型能准确地预测压力。因此，神经网络对于模拟复杂的系统，如斜轴式轴向柱塞泵具有很大的潜力。 附录 梯度下降法 梯度下降法常用于在测验阶段更改权重系数。假定网络有 x 的输出的计算方法如下： 其中 k = 0 对于方程（ 1）当设定 k = n 时，就可以获得输出层的输出。网络的误差平方和（ 下式给出： 其中 别是输出层 j 的期望 和实际输出。下标 验过程的目的是获得一组合适的能得到最小的误差平方和 其中 输入向量为 p 时神经元梯度矩阵如下式所示： 相应的权重矩阵如下式所示： 输出层的梯度下降的值如下式所示： 其中 按照上面描述的过程，我们可以从输出层开始一层一层地计算出所有层的梯度下降值。当所有层的所有梯度下降值都计算出来后，就可使用以下的更改规则来计算以对权重进行调整： 常数称为学习速率。实际权重可以如下计算： 当误差 的平方和函数最小而且没有出现过度拟合时就得到了一组最好的权重值。 参考文献 1 A. V. 过程控制期刊，第 6版（ 1996年）， 17 2 J. 动态系统的测量和控制期刊， 111（ 1989）， 307 3 R. M. A. 洪水的表现的人工神经网络 9版（ 1995）， 894 4 动态系统 量与控制， 116（ 1994）， 281 5 P. 机械原理， 30（ 1995） 599 6 . 摩擦学， 30（ 2）（ 1997年）， 139 7 I. N. 流体控制杂志， 22（ 1994）， 7 8 L. 最优控制的应用与理论， 16（ 1995） 251 9 G. 0届技术大会及展览会，达拉斯，德克萨斯州， 10月 221995年） . 购买后包含有 纸和说明书 ,咨 询 Q 197216396 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 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 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 . 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 s a is of to it is in of s a a of to a an of of a to on to to of as to its of of ue of s to on is by a to in to an on of to on to on an to s a 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 1 - 目 录 摘 要 绪论 4 1 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 6 轴式轴向柱塞泵工作原理 6 轴式轴向柱塞泵主要性能参数 6 量流量与容积效率 7 矩与机械效率 . 8 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 10 塞行程 S 11 塞运动速度分析 v 12 塞运动加速度 a 13 靴运动分析 14 时流量及脉动品质分析 15 动频率 15 动率 16 3 柱塞受力分析与设计 17 17 塞底部的液压力 17 塞惯性力 18 心反力 18 19 塞与柱塞腔壁之间的接触应力1 20 20 塞设计 21 塞结 构型式 22 塞结构尺寸设计 23 塞摩擦副比压 P比功 23 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 2 - 4 滑靴受力分析与设计 25 靴受力分析 25 离力 26 27 平衡方程式 27 靴设计 28 余压紧力法 28 29 靴结构型式 29 构尺寸设计 31 5 配油盘受力分析与设计 32 油盘受力分析 32 33 离力 34 油盘设计 35 渡区设计 35 油盘主要尺寸确定 37 p比功 38 6 缸体受力分析与设计 40 体的稳定性 40 体主要结构尺寸的确定 40 油孔分布圆半径面积 F 40 直径1D2 42 43 7 柱塞回程机构设计 44 8 斜盘力矩分析 46 塞液压力矩1M 46 渡区闭死液压力矩 46 有对称正重迭型配油盘 46 重迭型配油盘 47 卸荷槽非对称正重迭型配油盘 47 程盘中心预压弹簧力矩3M 48 靴偏转时的摩擦力矩4M 48 塞惯性力矩5M 48 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 - 3 - 塞与柱塞腔的摩擦力矩6M 49 盘支承摩擦力矩7M 49 盘与回程盘回转的转动惯性力矩8M 50 盘自重力矩9M 50 9 变量机构 51 动变量机构 51 动伺服变量机构 53 功率变量机构 55 流量变量机构 56 结论 57 参考文献 58 致谢 59 攀枝花学院毕业设计 绪论 4 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，同时需要解决电攀枝花学院毕业设计 绪论 5 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。 攀枝花学院毕业设计 1 直轴式轴向柱塞泵 工作原理与性能参数 6 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 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（ ） 存在一倾斜角 ， 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 轴式轴向柱塞泵工作原理 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 m a x 40P M 定流量 Q =100L/大流量 m a x 2 0 0 / m i 枝花学院毕业设计 1 直轴式轴向柱塞泵 工作原理与性能参数 7 额定转速 n=1500r/大转速 m a x 3 0 0 0 / m i 排量流量与容积效率 轴向柱塞泵排量部柱塞腔所排出油液的容积，即 2m a x m a s Z d s Z= 2( 1 9 . 5 0 . 2 ) ( 1 9 . 5 0 . 2 2 ) 94p 创 创 创 ) 不计容积损失时，泵的理论流量2 m a b b x bQ q n d s Z n =1500 =1260(L) 式中 柱塞横截面积； 柱塞外径； 柱塞最大行程； Z 柱塞数； 传动轴转速。 泵的理论排量 q 为 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 7 0 . 2. 1 5 0 0 0 . 9 5n 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： 13pn q C133000 7 0 . 2 2 0 660 式中进口无预压力的油泵400；对进口压力为 5油泵100，这里取100 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。 攀枝花学院毕业设计 1 直轴式轴向柱塞泵 工作原理与性能参数 8 从泵的排量公式 24b x fq d D Z 中可以看出，柱塞直径布圆直径塞数 且当原动机确定之后传动轴转速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 来实现。对于直轴式 轴向柱塞泵，斜盘最大倾斜角5 20 ，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 tb Q=1007（ ml/ 式中 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。 泵容积效率义为实际输出流量 = 97 97%100=轴向柱塞泵容积效率一 般为b=符合要求。 不计摩擦损失时，泵的理论扭矩2= 6 61 2 0 . 8 4 1 0 1 . 6 1 0 ( . )2 ?式中排油腔压力差。 考虑摩擦损失际输出扭矩g b tb M= 6661 . 6 1 0 0 . 2 1 0 1 . 8 1 0 ( . )? 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 661 1 . 6 1 0 8 8 . 9 %1 . 8 1 01t b t b t b = = = = =+?+ 攀枝花学院毕业设计 1 直轴式轴向柱塞泵 工作原理与性能参数 9 不计 各种损失时，泵的理论功率b tb b g bN p Q n M= 615002 1 . 8 1 0 2 8 3 ( )60 ? 泵实际的输入功率122b r b g b b t b n M n M = 61 5 0 0 12 1 . 6 1 0 2 8 2 ( )6 0 0 . 8 8 9 创 =泵实际的输出功率b c b g b b t b bN p Q p Q =3 63 1 . 6 1 0 9 5 4 2 6 7 ( ) 定义泵的总 效率 为输出功率 12b t b b m h hp h= = = =0 9 0 0 ? 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，总效率一般为式满足要求。 攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 10 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。 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。 图 若斜盘倾斜角为 ， 柱塞分布圆半径为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 塞运动分析 攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 11 c o R a= 为 1 ( 1 c o s )s h t g R t = 80a O= 时，可得最大行程m a x 2 3 9 1 8 0 3 9 ( )t g m 柱塞运动速度分析 v 将式1 (1 c o s )s h 对时间微分可得柱塞运动速度 v 为 . s i ns s a ft a td d d R t g ad d du w g= = = 当 90a 及 270 时， a ，可得最大运动速度 m a x 15001 9 . 5 2 . 1 5 8 1 9 ( / )60fR t g t g m m su w g p O= 创 =式中 w 为缸体旋转角速度， 塞运动加速度 a 将 . s i ns s a ft a td d d R t g ad d d 对时间微分可得柱塞运动加速度 a 为 2. c o sa ft a td d t g ad d d 当 0a 及 180 时， , 可得最大运动加速度2m a 9 2 1 2 9 ( / )60 t g m sw g = 创 = 桫柱塞运动的行程 s速度 v加速度 a 与缸体转角 攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 12 图 塞运动特征图 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 ? 内的运动规律（如图 其运动轨迹是一个椭圆。椭圆的长短轴分别为 长轴 2 392 4 0 . 4 ( )c o s c o s 1 5m = = =短轴 2 2 3 9 ( ) m m=设柱塞在缸体平面上 A 点坐标为 a如果用极坐标表示则为 矢径 2 2 2 2 21 c o x y R t g a 极角 ( c o s c o s )a r c tg a 滑靴在斜盘平面 内的运动角速度h为 攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 13 2 2 2c o sc o s c o s s i nh a aq g= + 由上式可见，滑靴在斜盘平面内是不等角速度运动，当2a 32时，h最大（在短轴位置）为 m a x c o g=1500 260 1 6 2 ( / )c o s 1 5 r a d 当 0a 时，h最小（在长轴位置）为 m i n 1500c o s 2 c o s 1 5 1 5 2 ( / )60h r a d sw w g p O= 创 =由结构可知，滑靴中心绕 o 点旋转一周（ 2 ）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 2 1 5 7 ( / )60ap r a d sw w p= = ?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 2 s i nt i z t f F R t g a 式中24。 泵柱塞数为 9，柱塞角距（相邻柱塞间夹角）为 22 0 . 79Z ，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 123s i ns i n ( )s i n ( 2 )t z ft z ft z R t g R t g R t g g qw g q=+ 0s i n ( 1 ) t z R t g a Z 泵的瞬时流量为 1 2 0t t t Q Q 攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 14 0100s i n ( 1 )1s i n s i n ( )s i t g a t 由上式可以看出，泵的瞬时流量与缸体转角 与柱塞数有关。 /2/2/2/2图 奇数柱塞泵瞬时流量 对于奇数柱塞，排油区的柱塞数为 当 0 时，取1 9 1 522Z +=，由泵的流量公式可得瞬时流量为 c o s 22 s i z Q F R t 当 2时，取0 12，同样由泵的流量公式可得瞬时流量为 3c o s i z Q F R t 攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 15 当 a=0Z 2Z时，可得瞬时流量的最小值为 m i s i n 2t z R 奇数柱塞泵瞬时流量规律见图 2 3 我们常用脉动率 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 这样，就可以进行流量脉动品质分析。 动频率 当 Z=9，即为奇数时 15002 2 9 4 5 0 ( )60f n Z H z= 创 =动率 当 Z=9，即为奇数时 . ( ) 0 . 0 2 6 %2 4 2 9 4 9t g t p p = ?创利用以上两式计算值，可以 得到以下内容： 表 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%从泵的Z （ %） 6 0 2 4 6 枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 16 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 流量的脉动必然要引起压力脉动 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 几分钟之内 管路或附件即可达到疲劳破坏极限 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 一般是最容易受到破坏的部位 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（ 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 17 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。 塞受力分析 图 柱塞受力分析简图 。 图 柱塞受力分析 作用在柱塞上的力有： 塞底部的液压力用于柱塞底部的轴向液压力2 3 6m a x ( 2 0 1 0 ) 4 0 1 0 1 2 5 6 0 ( )44d p = 创创 =式中大工作 压力。 攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计 18 塞惯性力对缸体往复直线运动时，有直线加速度 a，则柱塞轴向惯性力2 c o s 1 0 1 ( )zB z m a R t g a Ng - = - = 惯性力加速度 a 的方向相反，随缸体旋转角 a 按余弦 规律变化。当0a 和 180 时，惯性力最大值为 223m a x 0 . 6 1 5 0 01 9 . 5 1 0 2 1 5 2 4 3 ( )1 0 6 0P R t g t g Ng w g = 创创 ? 桫 心反力向心加速度生的离心反力 径向力。其值为 2 243 9 0 7 ( )15Zt z t m a R Ng t = = = =盘反力 N 斜盘反力通过柱塞球头中心垂直于斜盘平面 ，可以分解为轴向力 P 及径向力0c o s 1 2 5 6 0 c o s 1 5 1 2 1 3 2 ( )s i n 1 2 5 6 0 s i n 1 5 3 2 5 0 ( )P N = ?= = ?轴向力 P 与作用于柱塞底部的液压力它轴向力相平衡。而径向力 柱塞受到弯矩作用，产生接触应力，并使缸 体产生倾倒力矩。 塞与柱塞腔壁之间的 接触应力1虑到柱塞与柱塞腔的径向间隙远小于柱塞直径 及柱塞腔内的接触长度。 因此，由垂直于柱塞腔的径向力 T 和离心力 擦力1 3 柱塞受力分析与设计 19 柱塞与柱塞腔壁之间的摩擦力12( ) ( 2 0 1 0 0 5 8 2 3 ) 0 . 1 2 5 9 2 . 3 ( ) p f N= + = + ?式中 f 为摩擦系数，常取 f =里取 分析柱塞受力，应取柱塞在柱塞腔中具有最小接触长度，即柱塞处于上死点时的位置。此时， N10y 12s i n 0tN p p p 0001202 21 0 2 12c o s 03 3 202f p f p p l l p l f p p - - - =骣 骣- - + - - - 桫桫+ - =式中 0l 柱塞 最小接触长度 ，根据经验0l= ()d ，这里取0l=2d =78 l 柱塞名义长度 ，根据经验 l = (.7)d ，这里取0l=3d =117 柱塞重心至球心距离 ，l 2 7 8 5 7 . 6 2 0 . 4l m - =以上虽有三个方程，但其中2要增加一个方程才能求解。 根据相似原理有 1 m 02 m p l 又有 1 1 m a x 0 21 ()2p p l l2 m a x 212 p l d所以 2021 222() 将式 2021 222() 代入 12s i n 0tN p p p 求解接触长度 2l 。为简化计算，力矩方程中离心力 2 20 0 0206 4 3 6 7 8 1 1 7 4 7 8 3 0 . 1 3 9 7 85 7 . 6 ( )1 2 6 6 1 2 1 1 7 6 0 . 1 3 9 6 7 8l l f d ll m ml f d -? 创 ?= = =- - ? 创 -?攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计 20 将式 2021 222() 代入12c o s 0f p f p p p 可得 1 20221( s i n ) 1() 1 + +犏 犏臌3 1( 5 7 1 0 s i n 1 5 1 2 2 . 5 ) 1 2 0 . 1 ( )2 . 5 5 7 = 创 + ? = 桫 32 22022s i n 5 7 1 0 s i n 1 5 1 2 2 . 5 5 8 2 3 ( )( ) ( 7 8 5 7 . 6 ) 11117+ 创 += = =1 0 2 1 2 03 3 2 2zz l d dp l l p l f p f p p - - + - - - + - = 桫桫可得 1 2 5 6 0 1 0 1 0 . 1 1 . 7 8 1 2 2 . 55 7 ( )c o s s i n c o s 1 5 0 . 1 1 . 7 8 s i n 1 5b B f Nf jg j g + 创= = =- - ?式中 为结构参数。 2 202222022() ( 7 8 5 7 . 6 )11117 1 . 7 8( ) ( 7 8 5 7 . 6 ) 11117+= = =塞设计 塞结构型式 轴向柱塞泵均采用圆柱形柱塞。根据柱塞 头部结构，可有以下三种形式： 点接触式柱塞 ，如图 a）所示。这种柱塞头部为一球面，与斜盘为点接触，其零件简单，加工方便。但由于接触应力大，柱塞头部容易磨损剥落和边缘掉块，不能承受过高 的工作压力，寿命较低。这种点接触式柱塞在早期泵中可见，现在很少有应用。 线接触式柱塞，如图 b）所示。柱塞头部安装有摆动头，摆动头下部可绕柱塞球窝中心摆动。摆动头上部是球面或平面与斜盘或面接触，以降低接触应力，提高泵工作压。摆动头与斜盘的接触面之间靠壳体腔的油液润滑，相当于普通滑动轴承，其 必须限制在规定的范围内。 攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计 21 带滑靴的柱塞，如图 c）所示。柱塞头部同样装有一个摆动头，称滑靴，可以绕柱塞球头中心摆动。滑靴与斜盘间为面接触，接触应力小，能承受较高的工作压力。高压油液还可以通过柱塞中心孔及滑靴中心孔，沿滑靴平面泄漏，保持与斜盘之间有一层油
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