（机械电子工程专业论文）多种控制高压柱塞泵设计及实验研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着制造业的发展，液压技术近年来发展很快，在各个领域得到了广泛的应用，已 成为现在传动与控制的主要技术手段。柱塞泵是液压传动的核心元件，其性能的好坏直 接影响整个液压系统，因此对柱塞泵的性能要求越来越高。 本文以多种控制高压柱塞泵为研究对象，对关键的摩擦副进行研究和分析，通过 m a t l a b 软件仿真以及a n s y s 软件进行结构强度的分析，得到了其运动变化曲线以及受 力的情况，并且得到了配流盘的结构应力和应变的云图。目的是为了提高柱塞泵的工作 性能以及延长其寿命，研究的主要内容和结果如下： ( 1 ) 对国内外的柱塞泵进行了结构分析，通过对比它们的性能，确定了本文研究 的柱塞泵的结构、控制方式及相关参数( 柱塞泵的工作压力、排量及主轴转速) 。利用 数学模型确定了柱塞的个数以及斜盘的倾斜角度，进一步分析了柱塞的个数和斜盘的倾 斜角度是否取值合理，结果是合理的； ( 2 ) 计算了多种控制高压柱塞泵的关键零部件的基本尺寸，主要为了分析其运动 过程以及动力学分析，利用m a t l a b 仿真柱塞在缸体孔中运动位移的变化，并且计算了 滑靴在斜盘上的速度是符合实际情况； ( 3 ) 通过对柱塞和滑靴的受力分析建立了数学模型再次证明了柱塞的个数和倾斜 角选择合适，并且用m a t l a b 仿真柱塞的比压和比功的变化，其最大值在许用范围内。 为了提高多种控制高压柱塞泵的容积效率，进一步研究了柱塞和缸体孔的泄露流量与缸 体孔的转角的关系，通过m a t l a b 仿真了其曲线图，确定了其间隙在l o 1 5 m 范围内其 泄露流量是较小的，为了得到这个间隙对柱塞和缸体的加工工艺进行了详细的分析； ( 4 ) 配流盘与缸体的摩擦副相当重要，故对配流盘的结构进行了分析，并且在以 往的配流盘的结构基础上进行了结构改进，采用了a n s y s 软件分析配流盘有无加强筋 的应力和应变情况，从等效应力云图可以得出有加强筋的结构的应力和应变要小得多。 结果表明改进后的配流盘性能更好，延长了其寿命； ( 5 ) 多种控制方式的实现，利用了p p c a d 绘出了其正流量、压力切断以及恒功 率的控制方式原理图，并且详细的阐述了这三种控制方式是如何实现的； ( 6 ) 此泵是建立在原有的基础上进行设计的，其最终的产品是否符合工作的需求， 进一步对其实验测试进行研究，通过油泵的测试实验台完成多种控制高压柱塞泵的实 验，记录了其实验的结果与理论上的数据对比，得出了其工作性能良好。 通过对多种控制高压柱塞泵进行了设计和实验研究，为今后的柱塞泵的发展提供了 具有使用价值的参考依据。 关键词：多种控制；高压；柱塞泵；实验研究 多种控制高压柱塞泵设计及实验研究 气 a b s t r a c t w i mt l l ed e v e l o p m e mo ft 1 1 em 卸u f a c t u r i n gs e c t o r ，l ch y d r a u l i ct e c t m 0 1 0 9 yh a v i n g d e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s 粕db e e nw i d e l y 印p l i e di i lv 撕o u sf i e l d s ，i th a sb e c o m et l l e m a i nm e a 工l so ft r 觚s l l l i s s i o na n dc o n 仃0 1 t h ep i s t o np u m pi sa h y 山a u l i c 仃a l l s 面s s i o no ft l l e c o r ec o m p o n e n t s ，w h o e sp e r f o 肌a n c eh a sad i r e c ti r l l p a c to nt h ee n t i r eh y d r a u l i cs y s t e m ，s ot l l e m c r e a s i l l g l yl l i 曲d e m a n df o rt h ep e r f o 衄a 1 1 c eo fm ep i s t o np 唧p i l lm i sp a p e rt oc o n 仃o lav 撕e t yo fl l i 曲p r e s 吼u ep i s t o np u m pf o rt h eg 叫y ；t l l e 衔c t i o n p a i ro f 嘶t i c a lr e s e a r c ha i l da i l a l y s i s ，u s 崦s i n l u l a t i o no fm a t l a bs o 脚a r ea 1 1 da n s y s s o 胁a r e 趾a l y s i ss 廿u c t u r a ls 阳l 舀h 锄dg e tm em o t i o nc u r v ea n dt h ef o r c e ，锄dh a sg o t t e i lt h e s t r e s sa n ds 仃a i l lo ft h es t r u c t u r eo ft h ev a l v ep l a t ec l o u d i u j p o s ei st oi m p r o v ep e r f o m l a l l c e 觚de x t e n dm el i f eo f p i s t o np u m p ，t h em a i l lc 0 n t e i l t s 锄dr e s u l t so f t h es t u d ya r ea sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) a p i s t o np u r n pa th o m e 锄da b r o a dt 0c a 力呵o u ts n l l c t 嗽l 锄a l y s i s ，b yc o m a r i r l g t h e i rp e 墒n n 锄c et od e t e m l i i l em es n l l c t u r e 锄dc o m r o lo fm ep i s t o np u i 】叩o ft l l i ss t u d ya n d r e l e v a mp a r 锄e t e r s s t o np u i 】叩w o r k j n gp r e s s u r ea n dd i s p l a c 锄即ta n ds p i d l es p e e d ) u s e d am a t h e m a t i c a lm o d e l t od e t e n n i n em en u m b e ro ft 1 1 ep l u n g e ra n dt h et i l ta n g l eo ft h es w a s h p l a t e ，a i l dm n l l e ra n a l y s i so ft h em m l b e ro ft h ep l u n g e r 锄dg l l et i l ta n g l eo ft l l es w a s hp l a t ei s w h e t h e rar e a s o n a b l ev a l u e ，w h o s et h er e s u l ti sr e a s o n a b l e ； ( 2 ) c a l c u l a t e dm es i z eo fav 州e t ) ，o fk e yc o m p o n e n t st oc o n t r o lm el l i 曲p r e s s u r e p i s t o np 岫p ，m a i l l l yi no r d e rt oa n a l y z et h ec o u r s eo fm ec 锄叩a i g r l a sw e l l 嬲d 弘1 a 】嘶c s ，t h e u s eo fm a t l a bs i m u l a t i o nm o t i 册d i s p l a c e m e n tp i s t o ni i lt l l ec y l i n d e rh 0 1 ea n dc a l c u l a t e 廿l e s l i p p e ri l lm e0 b l i q u 甜l es p e e do ft h ed i s ki sc o n s i s t e n tw i mt h ea c t u a ls i t u a t i o n ( 3 ) b u i l dam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rm e c h a l l i c a l 锄a l y s i so ft h ep l u i l g e ra n ds l i p p e r o n c ea g a i l lp r o v e dt 0s e l e c tt l l ea p p r o 研a t en u m b e ra n dt i l t 觚酉eo ft l l ep l u l l g e r a i l du s et 1 1 e m a t l a bs i i n u l a t i o n0 np g e rp r e s s u r ea n dc h a l l g e si i ls p c c i f i cw o 北a n di t sm a x 咖 a l l o w a b l ew i t l l i l l o r d e rt 0i r n p r o v e 廿l ev o l 啪e t r i ce m c i e n c yo fav a r i e t yo fc o n t r o li l i 曲 p r c s s u r ep i s t o np u i 】叩，t l l er e l a t i o i l s l l i po ft h el e a l 【n o wa n dm ec y l i n d e rh o l eo f l ec o n e ro f t h ep l u n g e ra n dt h ec y l i l l d e rb o r e ，a n di t sf a p hm a t l a bs i i i l u l a t i o nt od e t e n i l i l l et h eg 印w i t l 】i n i t sl e a l ( e d t l l en o wi ss m a l l e r ，m e nt l l i sg a pi i lo r d e rt 0g e tad e t a i l e da 1 1 a l y s i so ft h ep r o c e s so f t h ep i s t o na i l dc y l i l l d e r ( 4 ) w i t han o wp l a t e 锄dc y l i i l d c rb l o c ko f 衔c t i o nv i c eq u i t ei i i l p o n 习m t ，s 0t 1 1 e s 仃u c t u r eo fp o r tp l a t eo fc o n d u c tt 1 1 ea n a l y s i s ，a r l di nm ep a s tw i maf l o wp l a t eo ft h e 鳓m c t u r a lb a s i so fc 枷e do u tas m j c t u r a li i l l p r o v 锄e i l t ，u s m gt h ea n s y ss o f t w a r c 锄a l y s i s w i t l ln o w p l a t ew i t l l0 rw i t h o u ts 仃e 1 1 9 m e n i i l gt 1 1 et 胁d o n so ft l l es t r e s sa n ds 们i 1 1 ，丘0 mt 1 1 e e q u i v a l e n ts n e s sc l o u dm a pc a nb e 山a w nm a tt l l es t r e s sa n ds 仃a i l lo fn l er i b so ft h e 鼬r l l c t u i sn m c hs m a l ie r t h er e s u l t ss h o wn l a tn l ei i l l p r o v e dp e r f o n n a l l c eo ft l l ev a l v ep l a t eb e t t e r t 0 e x t e n di t sl i f e ( 5 ) v 撕e t yo fc o n 缸o lm e t l l o d st oa c l l i e v e l eu s eo fp p c a dd r a was c h 锄a t i c i i 西华大学硕士学位论文 d i a 铲锄o ft l l ep o s i t v en o w ，p r s s u r cc u to f ra 1 1 d c o n s t a n tp o w e rc o n 臼的1 ，锄dad e t a i l c d d e s c 邱t i o no f t l l e s et h r e ec o m r o lm e t l l o d si sh o wt oc l l i e v e ( 6 ) 1 l l i sp 啪pi sd e s i 盟e do nt l l eb a s i so ft l l eo r i g i n a l ，a n di t sf m a lp m d u c tm e e t s0 r n o tm en d so ft l l ew o 咄s t i l l n e e d i n gm n h e re x p 耐m e l l t a lt e s t c o m p l e t eav a r i e t yo f e x p 谢m e n t st 0c o n n d l 廿l e1 1 i 曲p r e s s i l r ep i s t o np u m p ，o i lp u i n pt e s tb e n c ht 0 r e c o r d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 锄dt l l e o r e t i c a lc 0 i n p 撕s o no ft l l ed a t aa n do b t a i n e dag o o dp e r f 0 n n a n c e t h r o u 曲av a r i e t ) ro fl l i 曲- p r e s s u r ep i s t o np u m pd e s i 萨a i l de x p 嘶m e i l t a ls t u d y ，i tw i l l p r o v i d ear e f e r e n c ev a l u ei nu s ef o rm t u r ep i s t o np 啪pd e v e l o p m e n t ， k e yw o r d s ：av 撕e t yo fc o n 仃d l ；h ) ，p e r t e n s i o n ；p i s t o np u m p ；e x p e r 曲e n t a ls t u d y m 西华人学硕士学位论文 1 绪论 1 1国内外柱塞泵研究现状和发展趋势 液压传动一直都在朝着高压、大流量以及自动化控制的方向发展，国内外企业竞争 日益激烈，目前市场上轴向柱塞泵应用非常广泛，以致柱塞泵在飞速发展尤其是斜盘式 轴向柱塞泵，各个公司都在不断的改进和创新。 国外液压发展比较早，所以研究泵的公司也很多。德国力士乐r e 煳t h 在8 0 年代 末至9 0 年代初开发了斜盘泵a 1 1 v o 系列，其中有1 6 0 、2 0 0 和2 5 0 等产品。而近年来 力士乐开发了1 9 0 和2 6 0 ，主要目的是为了提高零部件通用化程度和技术参数，特别是 油泵的转速，并且根据主机技术发展的要求，还开发了几种新型的控制调节装置。从通 轴驱动的6 种增加到s a e 和d 标准1 7 种，而且从a 1 1 v o 油泵还派生出了a 2 0 v 0 双联泵，采用了一个进油口，高速型的a 2 0 v l o 双泵共用成一个泵| l j o 而美国伊顿e a 幻n 是靠做摆线元件起家的，至今仍是主要领域之一，然而在市场日益竞争的形式下，伊顿 早期也开始研究斜盘柱塞泵，对缸体与配油盘、柱塞与滑靴这两对运动副采用了静压支 承，从而减少了两对运动副的摩擦和损坏，使运动更加紧凑，同时也提高了使用的寿命， 在市场上也具有相当大的竞争力i 引。 丹尼逊d e l l s i o n 公司通过消化和吸收其它发达公司研发的斜盘柱塞泵，并且改进了 其结构，提高了整个泵的工作性能。同时国外在柱塞泵理论上也有很多的研究，早在 1 9 9 0 年n a g u c l l i 进行了不同柱塞结构与缸体之间运动实验研究，目的为了减少柱塞 泵的泄露【引。1 9 9 3 年k o b a y a s l l i 锄dm a t s 啪o t 0 进行了柱塞泵的柱塞与缸体之间的薄膜 厚度波动和泄露的分析研究，通过雷诺方程计算来考虑其径向和切向的压力分布【引。 2 0 0 9 年英国卡蒂夫大学j o s e pm b e 曙a d a 教授在试验台做液压柱塞泵里面的每只柱塞的 脉动冲击实验说明了正确设计柱塞与缸体表面运动十分重要【5 j 。 国内的液压起步很晚，相对国外来说技术还很落后，并且相应的研究论文也比较少， 兰州理工那成烈教授改进和创新了斜盘式轴向柱塞泵的配流原理，在1 9 9 4 年那成烈教 授获得低噪声轴向柱塞泵的配流盘的国家发明专利，通过改变配流盘的错配角和采用不 同的减振槽，从而能够同时消减配流过程中的冲击和气蚀现象，并且让柱塞和油缸预升 以及预卸压力梯度极值的绝对值最小1 6 j 。2 0 0 5 年兰州理工大学魏列江博士研究了端面 配流轴向柱塞泵的油膜厚度控制系统，其目的是使得缸体处于最佳润滑状态，避免缸体 与配流盘摩擦副油膜或水膜的破坏所导致的缸体和配流盘的干摩擦，从而避免配流盘烧 盘的故障的产生，提高泵的使用寿命，有效的降低噪声【引。2 0 1 1 年浙江大学徐兵教授 申请了一种基于压力平均的低噪声轴向柱塞泵国家专利，它包括：斜盘、若干个滑靴和 柱塞、缸体、配流盘、壳体、主轴、后单向阀、前单向阀和压力回收容腔。高压柱塞腔 多种控制高压柱塞泵设计及实验研究 结束排油过程进入配流盘过渡区之后，柱塞腔内高压油经过前单向阀流入压力回收容 腔，高压柱塞腔预降压，压力回收容腔压力升高，而低压柱塞腔结束吸油过程进入配流 盘过渡区之后，储存在压力回收容腔的高压油液经过后单向阀流入低压柱塞腔，低压柱 塞腔预升压，压力回收容腔压力降低。在压力平均作用下，柱塞腔的预升压和预降压效 果约等于轴向柱塞泵高压排油腰形槽和低压吸油腰形槽压力差的一半，轴向柱塞泵出口 流量脉动降低，斜盘转动力矩降低，泵出口平均流量增加1 8 j 。而目前国内做低压柱塞泵 逐渐成熟，并且已经获得了自己的技术知识产权，还申请了多项国家专利，贵州省力源 液压股份有限公司率先发展了液压产品，力源公司不断的吸收国外的先进技术，自己开 发了l 1 0 v 液压柱塞泵系列，近年来已经取代了_ 些国外的柱塞泵产品，拥有巨大进口 替代空间1 2 j 。普什驱动有限责任公司成立于2 0 0 5 年，发展了6 年多的时间，研发了b k 泵系列，主要应用注塑机，目前技术已经很全面，而目前研究的1 9 0 泵技术还不够完善， 泵工作时泄露以及柱塞拉断现象没有完全解决。1 9 0 以后主要是应用与工程机械，并且 有可能替代国外的产品，满足国内市场的需求。 国内的液压技术是一个正在蓬勃发展的行业，我国目前大多数都是用进口国外的 产品，自身的研发水平还比较低，而工程机械，汽车等一些方面应用液压越来越来广泛 了，所以国内市场的需求量也越来越大，解决柱塞泵工作过程中遇到的问题将是主要研 究的方向。 1 2 课题研究的背景和意义 多种控制高压柱塞泵具有结构紧凑、单位功率小、重量轻、工作压力高( 额定工作 压力一般可达3 5 ) 、在高压下仍能保持较高的容积效率( 一般在9 5 左右) 、控制方 式有多种( 可以实现正流量控制、压力切断控制、恒功率控制) 以及容易实现变量等优 点。 液压传动应用越来越广泛，目前在工程机械、起重运输机械设备、冶金设备、农林 机械、船舶甲板机械、航空航天等领域都应用的非常广泛。尽管国内发展比较晚，但是 发展速度很快，国内的航空航天事业在蒸蒸日上，那么对其液压系统要求也越来越高， 而柱塞泵作为液压的动力以及整个液压系统的核心，提高其性能、可靠性和寿命是相当 重要的1 9 j 。 ， 一 i 目前，国内的很多工程机械厂生产的挖掘机的液压核心元件很大一部分是购买国外 的产品，这样公司就需要很高的成本，而且一旦出现了问题，返修也很困难。当然力源 液压股份有限公司做中低压的柱塞泵相对已经成熟了，而且应用于各个领域，但是高压 相当还是不成熟，所以无法满足现在对于液压传动要求很高的领域，三一的混凝土输送 泵、混凝土输送泵车、混凝土搅拌站等全系列混凝土产品。现已成为全球最大的混凝土 机械制造商，但是很多产品的液压核心还是进口国外的，国内液压柱塞泵的生产商并不 2 两华大学硕士学位论文 能够满足需求。普什驱动有限责任公司2 0 0 9 年开始研究德国力士乐1 9 0 柱塞泵，其目 的就是想取代国外的1 9 0 柱塞泵，因为目前很多的工程机械公司都在用力士乐1 9 0 柱塞 泵，公司通过消化和吸收力士乐1 9 0 ，并且经过多次试验和结构的改进设计，最后已经 研发成功并且申请了国家专利。 从以上的分析来看，一方面，多种控制高压柱塞泵目前市场上需求逐渐增加，其前 景是非常好的，靠国外进口，价格不仅很高、而且维护和调试比较困难。很有必要加强 国产柱塞泵的研发，提高其性能，寿命和可靠性。另外一方面，从柱塞泵在工业现场应 用情况来看，虽然其寿命和稳定性都有所提高，但是在其控制方式上比较单一和压力方 面还有再研究，进一步研究一种具有自主知识产权，能够实现多种控制方式高压的柱塞 泵。 1 3 柱塞泵的简述 柱塞泵的柱塞在缸体柱塞孔中作往复运动时，由柱塞与缸孔组成的密闭工作容腔发 生容积变化而实现吸、排油过程。柱塞泵的结构有多种多样，其基本的结构原理图都是 由( 图1 1 ) 曲柄滑块机构演变而来。 图1 1 柱塞泵工作原理图 f i g 1 1 t h ew o r kp 血c i p l eo f p i s t o np u m p 捧 根据柱塞泵在缸体中的不同排列形式，柱塞泵可以分为径向式柱塞泵和轴向式柱塞泵。 以下是径向柱塞泵和轴向柱塞泵工作原理图，径向柱塞泵( 图1 2 ) 的柱塞是径向分布 的，缸体是偏心的，油路是从a 方向流进，b 方向流出，改变径向柱塞泵的偏心距就可 以获得不同的输出流量。而轴向柱塞泵柱塞的轴线与缸体轴线平行，通过变化斜盘的角 度y 来改变输出流量。轴向柱塞泵又可分斜盘式( 图1 3 ) 、斜轴式。通过两者之间的比 较，径向柱塞泵结构复杂，体积交大，在许多场合已经逐渐被轴向柱塞泵取代。轴向柱 塞泵具有结构紧凑、重量轻、单位功率体积小、工作压力高、容积效率好、容易实现变 量等优点；不足之处在于对油液污染敏感、加工精度要求也很高、轴向尺寸大、使用和 维护也比较严格【1 0 j 。 多种控制高压柱塞泵设计及实验研究 b 1 一柱塞2 缸体3 一衬套4 一定子5 一配流轴 图1 2 径向柱塞泵工作原理 f i g 1 2 i h ew o r kp 血c i p l eo fi a d i a lp i s t o np u m p 1 一缸体2 一配流盘3 一柱塞4 一斜盘5 一传动轴6 一弹簧 图1 3 斜盘式轴向柱塞泵工作原理 f i g 1 3 t h ew o r kp 咖c i p l eo fs w a s h p l a t ea ) 【i a lp i s t o np u m p d 斜轴式轴向柱塞泵发展较早，机构成熟。与斜盘式轴向泵相比，斜轴式轴向柱塞泵 中的柱塞所受径向力很小、排量大、传动轴要承受很大的径向力和轴向力，需采用推力 轴承来承受载荷、不能够增加辅助泵、运动部分的惯量大，动态响应慢，但是其在大排 量使用很广泛，所以端面配流的斜盘泵和斜轴泵是目前使用最广泛的柱塞泵【l 。 通过以上的几种泵的分析，本论文选择斜盘式轴向柱塞泵作为研究对象，并且对其 结构和控制方式进行改进和创新。 4 西华大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的主要内容及研究方法 1 4 1 主要内容 目前国内生产的都是一些结构老化，工作方式很单一的柱塞泵，本课题就是在以前 的产品基础上进行改进和创新，实现一种排量大与多种控制方式相结合的新型柱塞泵。 本论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 调研了国内外生产柱塞泵的公司的情况、发表的期刊论文和硕士论文资料， 并且详细地参考和对比了柱塞泵的结构特点，在此基础上研究了目前在国内比较先进的 柱塞泵的结构和性能，并且把某公司的柱塞泵作为课题的研究对象； ( 2 ) 通过对多种控制高压柱塞泵的结构研究，对其关键性的零部件进行了基本尺 寸的设计计算，并且确定了柱塞的个数和斜盘倾角； ( 3 ) 分析了柱塞在缸体孔的运动过程，利用m a t l a b 仿真出所有柱塞在缸体孔运动 位移的变化；计算了滑靴在斜盘上的最大运动速度和平均速度；同时也对缸体进行了动 力学分析，建立了数学模型，重点研究了柱塞的受力情况，并且对柱塞的比压和比功利 用m a t l a b 进行仿真以及分析了柱塞和缸体的泄露情况； ( 4 ) 设计了配流盘的结构并且改进了以往无加强筋对配流盘的受力的影响，采用 了a n s y s 软件仿真了其等效应力和应变； ( 5 ) 阐述了多种控制高压柱塞泵的控制方式，并且利用p p c a d 绘制了其工作原 理图； ( 6 ) 对设计出来的多种控制高压柱塞泵的性能能否达到使用的要求，介绍了如何 对其进行实验分析，通过实验数据判断其各个性能参数是否合理。 1 4 2 研究方法 本课题来源某企业，通过在该企业实习之后，对柱塞泵的设计、生产及实验等有一 个全过程的认识，然后收集国内外的相关资料，总结出了这种柱塞泵的结构特点，并且 通过查阅柱塞泵的相关资料、利用s o l i d w o 舾软件建立三维模型及p p c a d 设计了平面 图，同时采用了m a t l a b 和a n s y s 软件对其进行仿真研究。结合相关资料进行结构分析、 动力学分析、工艺分析及控制方法的研究。最终通过泵装配测试试验台如何测试其各个 性能参数进行了分析，通过参数的对比可知设计是否合理以及运行是否正常。 1 5 本章小结 介绍了国内外的液压柱塞泵的发展，调研了国内外目前生产柱塞泵的情况，结合相 关文献，分析了本课题的设计目的和意义。 液压传动应用越来越广泛，目前在工程机械、起重运输机械设备、冶金设备、农林 机械、船舶甲板机械、航空航天等领域都应用的非常广泛。尽管国内发展比较晚，但是 多种控制高压柱塞泵设计及实验研究 发展速度很快，国内的航空航天事业在蒸蒸日上，那么对其液压系统要求也越来越高， 而柱塞泵作为液压的动力以及整个液压系统的核心，提高其性能、可靠性和寿命是相当 重要的。 多种控制高压柱塞泵具有结构紧凑、单位功率小、重量轻、工作压力高( 额定工作 压力一般可达3 5 ) 、在高压下仍能保持较高的容积效率( 一般在9 5 左右) 、控制方 式有多种( 可以实现正流量控制、压力切断控制、恒功率控制) 以及容易实现变量等优 点。 6 西华大学硕士学位论文 2 多种控制高压柱塞泵的结构设计 1 9 0 2 年美国h a r v e yw i l l i 锄工程师设计了第一台斜盘式轴向柱塞泵。其结构有早 期的连杆运动演变为无铰点接触式，为了克服点接触型的不足，后来出现了带滑靴的轴 向柱塞泵，使滑靴与柱塞之间为球面接触，而滑靴与斜盘之间又以平面接触，从而改善 了柱塞工作受力状况。另外，为了减小滑靴与斜盘的滑动摩擦，利用流体力学中平面缝 隙流动原理，采用静压支承结构【l j 。所以现在生产的柱塞泵都是在其基础上研发的。 2 1 主体结构的设计 斜盘式轴向柱塞泵从出现以来，其结构和变量的控制方式都是在不断的发生改变 的，在结构上增加了辅助泵，提高其排量和出口压力，从过去的手动调节变量到现在的 伺服控制系统的研究，然而这些性能更高的柱塞泵都在前人类设计的基础上发展的，多 种控制高压柱塞泵也是在基本的结构类型上来设计的。 2 2 斜盘式轴向柱塞泵的分类 斜盘式轴向柱塞泵按其缸体的支承方式不同可以分为两类：轴承支承缸体的半轴型 和轴支承缸体的通轴型。 半轴型( 图2 1 ) 的结构特点是，传动轴8 是半轴，悬臂端通过大轴承来支承缸体； 柱塞5 底部的弹簧改为了集中弹簧，并通过回程盘3 使柱塞5 紧贴斜盘2 ；采用这种结 构，其额定工作压力可达到3 2 m p a 。但是，由于缸体6 外的大轴承不宜用于高速，使泵 的转速提高受到限制；并且其结构也很复杂，使用维护要求都很高u 2 | 。 多种控制高压柱塞泵设计及实验研究 l 一手轮2 一斜盘3 一回程盘4 一滑靴5 一柱塞 6 一缸体7 一配流盘8 一传动轴 图2 1 半轴型轴向柱塞泵 f i g 2 1 a x l et y p ea n da x i a lp u m p 通轴型轴向柱塞泵( 图2 2 ) 与半轴型相比，去掉了缸体外的大轴承，将传动轴设 计成了通轴，并且在两端用滚动轴承支承。这样不仅改变了传动轴的受力，而且提高了 泵的转速；传动轴穿过了斜盘的中心孔，右端外伸用来驱动泵后盖的辅助泵，可以简化 管路和系统；变量机构运动的活塞与传动轴平行，从而可以减小径向尺寸【l 3 i 。 西华大学硕士学位论文 图2 2 通轴型轴向柱塞泵 f i g 2 2 t h el i i l l ( a x i st y p eo fa x i a lp i s t o np u 埘l p 2 3 主体结构确定 综合上面两种斜盘式轴向柱塞泵的结构原理分析，由于半轴型的一些局限性，目前 随着工业的发展，对泵的性能要求更高，而且以前通轴型柱塞泵的工艺、发展较晚及结 构不成熟的问题现在已经有了新的突破，通过进口国外先进的加工设备、检测设备、实 验设备来提高加工质量。所以本论文设计的主要结构是在通轴型的基础上完成的，其创 新点如下： ( 1 ) 柱塞的回程机构的改进，以往的柱塞底部是装了弹簧的，靠弹簧的伸缩使柱 塞往复运动，而安放弹簧后又因弹簧频繁地承受交变压应力而疲劳破坏，可能造成柱塞 卡死现象，影响了泵的使用寿命和工作可靠性；因此柱塞的回程机构设计成没有弹簧直 接与滑靴和缸体相配合运动，优点是不会造成柱塞卡死，减少了成本、运动更平稳。 ( 2 ) 传动轴上增加了一个叶轮，叶轮相当一个辅助泵，可以调节压力和流量，从 而简化了液压系统和管路。 ( 3 ) 多种控制方式的设计，这种控制是通过阀、活塞杠杆机构、斜盘机构来实现 恒功率控制、正流量控制、压力切断控制。 9 多种控制高压柱塞泵设计及实验研究 整体方案的结构原理图的确定( 图2 3 ) 。 123456789 2 12 01 9 1 817161 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 1 一传动轴2 一泵体3 一滑靴4 一柱塞5 缸体6 一控制阀7 一泵盖沪_ o 型圈 9 一孔用挡圈1 0 _ o 型圈1 l 一安装板1 2 一花键套1 3 一轴用挡圈1 4 一叶轮1 5 一 调整垫1 6 一回程弹簧1 7 一球铰1 8 0 型圈1 9 一油封座2 0 一孔用挡圈2 1 一油封 图2 3 多种控制高压柱塞泵结构原理 f i g 2 3t h es t r u c t u r ep r i n c i p l eo fav a r i e t yo fc o n t r 0 1o fh i g hp r e s s u r e 2 4 几种关键零部件的设计计算 柱塞泵的主要参数依据是指其传动轴每转周的理论排量、额定工作压力及最高允 许工作压力、工作转速等。基于目前市场的需求，本次设计的基本参数定为：排量 v = 1 9 2 m l r ，额定工作压力尸 2 3 5 m p a ，最高允许工作压力p 一= 4 0 m p a ，传动轴额定转速 n = 2 1 0 0 r m i n 、最高转速刀懈= 2 5 0 0 r m i n ，容积效率7 7 ，9 5 ，总效率叩：8 0 。 2 4 1缸体的设计计算 ( 1 ) 确定斜盘角度y 、柱塞个数z 、柱塞直径d ：和柱塞轴线在缸体中分布圆半径 l o 西华大学硕士学位论文 毽。 由泵的排量公式v = 芋z 2 尺g t a i l y 可知，增大y ，在其它参数不变的情况下，排 量也增加；如果不改变排量，那么可以减小其他尺寸，但是，增大对柱塞的受力影响很 大，一般y = 1 5 。1 8 。，初步定y = 1 6 。，y 一= 1 7 。 这三个参数相互联系和制约，且与柱塞泵的结构类型有关。在确保强度、刚度、性 能的前提条件下，用绘制草图的方法，试计算出最紧凑的结构尺寸，同时考虑其工艺性 较好。 一般半轴型多数取z = 7 ，通轴型的多数取z = 9 ，根据对柱塞泵的瞬时输油率的计算，推 导出其输油脉动率为： 叼。：三t a l l 三 ( 2 1 ) 叩m 2 云a n 石 2 1 其中z 为奇数。 其中z 为偶数。 死兀 刁m 2 j a n 西zz z 由公式可知柱塞泵的输油脉动率只与柱塞的个数有关，经计算可得表4 1 。 表4 1 柱塞个数与输油脉动率 1 a b 4 1 p 1 u 1 1 9 e rn 曲e ra n d o i lp u l s a t i o nr a t e ( 2 2 ) 从表中可以看出，当柱塞个数为奇数时，输油脉动率随着柱塞个数的增加而减少， 当柱塞个数为偶数时，输油脉动率也随着柱塞个数的增加而减少，但是两者的区别在于 柱塞个数为奇数时输油脉动率要比偶数时小的多，相对运动要平稳，而考虑到柱塞的分 布直径的大小，一般不宜选的过大，所以取柱塞个数z = 9 ，能使结构较为紧凑。 根据经验公式，可以先取等o 7 5 ，在按公式计算尺；( 单位m m ) ： z 7 气 毽= = 把嚣瑙忽删 3 ， 多种控制高压柱塞泵设计及实验研究 吐= = 2 9 0 3 m m( 2 4 ) 由泵的排量公式： v ：丛z 2 尺。t a i l y ：型竺丝堡9 2 5 6 2 2 t a i l l 6 。1 0 3 ：1 9 1 9 7 m 忻 ( 2 5 ) 4 8 4 得到了实际理论排量为1 9 1 9 7 m l r ，把柱塞轴线在缸体中分布圆半径毽取舍为 5 6 2 5 m m ，柱塞直径畋圆整为2 9 m m 【9 】。 ( 2 ) 传动轴直径d 。的估算 根据给定的排量v ，可由传动轴的驱动转矩估算出传动轴与缸体花键配合的直径 d 。，为了便于绘制草图，确定缸体的其它相关尺寸。 呼蹶= 蹋 ( 2 6 ) 式中 【f tj 传动轴所用材料的讦用勇切应力( m p a ) ； p 泵的额定工作压力( m p a ) ； 叩。泵的机械效率。 传动轴的材料为3 8 c r i i 伽a ，查机械设计手册传动轴的屈服点为 盯。】，估算出 f 。】 等于4 2 7 2 盱卺= 篙= 8 4 2 1 【1 5 】。 d ：o 兰：! 兰! ! 耋! 竺型竺二5 3 l i l m ( 2 7 ) 钆2 可百西而再丽”眦 u 7 一般把缸体的受力简化成厚壁筒的模型进行计算。设柱塞孔与柱塞孔之间的最小壁 厚为t l 、缸体与柱塞孔内圆之间的最小壁厚为t 2 、缸体与柱塞孔外圆之间的最小壁厚为 t 3 。三者可能不相等或者其中连个相等或者全部相等( 图2 4 ) 。计算时取三者之中最小 值作为筒的壁厚，记为f 曲，则厚壁筒的外径矽1 = 矽2 + 2 f 曲，在压力作用下，筒内壁任 一点的最大切向拉应力为 矾：蝼p 产三q ：! 善q ：嬖3 5 9 1 6 6m p a ( 2 8 ) 盱祷死2 丽丽刈弘w 内n u 岱 最大径向压应力等于额定工作压力p 。= 3 5 m p a 。前提条件是，缸体为脆性材料时， 1 2 西华大学硕士学位论文 用第一强度理论计算应力 q ：袋鬟p 。川 ( 2 9 ) 铲祷死s 【盯j 忆一 往的柱塞泵设计都是按照第一强度理论计算的，本论文设计为了柱塞与缸体的运动 更平稳、柱塞材料采用了硬的，缸体材料采用软的，但是为了节省铜。柱塞泵与缸体是 通过铜套连接的，铜套的材料是锰黄铜，是塑性材料，其所受的应力用第四强度理论计 算【1 6 】 吼= ；皇三砉手 p 瑚， 仃】 c 2 _ 。， 吼= ；芋圭三言譬 p 懈= 二生兰等x 4 。，2 9 4 7 4 m p a c 2 _ ， 吼= 巧p 懈= 1 丽耵x 4 归1 2 执4 7 4 m p a 眩川 查机械设计手册锰黄铜的许用应力【叮】1 4 0m p a ，所以缸体强度符合设计要求【j 引。 图2 4 缸体简图 f i g 2 4 t h ec y l i n d e rd i a g r 锄 ( 4 ) 柱塞的设计 确定柱塞长度乞、球头直径d 1 、d 2 如图2 5 所示【9 】。 柱塞长度t 等于柱塞留在缸体孔内的最小长度，o 、最小外伸长度l 约为0 2 d ：与 1 3 多种控制高压柱塞泵设计及实验研究 最大行程s 一= 2 恐t a l ly 啷之和。其中，o 与柱塞泵的工作压力p 。相关，通常当 p 3 0 f 时，o = ( 2 2 5 ) d ： k = ，o + l + s 懈 乞2 ( 2 2 5 ) d ：+ o 2 d ：+ 2 毽t a n y 一 乞2 ( 2 2 2 7 ) d ：+ 2 t a n y 蛳 乞= ( 2 2 2 7 ) 2 9 + 2 5 6 2 5 t a i l l 7 0 2 ( 9 8 1 9 1 1 2 6 9 ) m m ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 取乞= 9 9 5 m m 。 根据经验取球头直径d 1 d 1 = ( 0 7 o 8 ) d ：= ( 0 7 0 8 ) 2 9 = ( 1 9 6 2 3 2 ) m m ( 2 1 6 ) 取d 1 = 2 2 5 m m 为了让柱塞不挡住滑靴的中心孔，应该满足 d 2 d 1s i n y m 瓠+ d o do = ( 0 8 2 ) m m 取d o = 2 m m 。 d 2 d l s i i l y 哪。+ do = 2 2 5 s i n l 7 0 + 2 d 2 8 5 m m 取d 2 为8 5 m m 。 图2 5 柱塞 f i g 2 5p l u n g e r ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 5 ) 回程盘尺寸确定 滑靴中心在斜盘上的运动轨迹是一椭圆，其短轴为心，长轴为b c o s y 一，所以 回程盘滑靴孔的分布半径为r 。 1 4 西华大学硕士学位论文 卧扣壶， 峙鲁去，= 孚赤7 尉一 z c o s y 嘛 2c o s l l 7 口 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 取尺。为5 8 m m 。 回程盘孔直径是根据滑靴的包球外径决定的，在配合的时候需要考虑其间隙，再加 上两倍的因偏心而向外移动的量，得 d6 = d 3 + 2 l + ( 二二一1 ) ( 2 2 3 ) 式中d 3 滑靴的包球外直径定位2 7 5 m m ； l 最小间隙，取l 为o 5 m m 。 d 6 。2 7 5 + 2 加n 5 6 筋( 赤一1 ) 3 1 m m ( 2 “) 取d 为3 1 m m 。 设滑靴最大的外径为d 4 ( 如图2 6 ) ，则 排2 m 击- 1 + 2 他2 5 ) 幽利水( 击一，) 抛2 蚓搦苈( 赤一) 协，锄朋m m c 2 舶， l c o s y 嗍c o s l 。7 0 式中2 压盘与滑靴最大直径的重合量，取为1 m m 。 取j 4 为3 5 5 。 1 5 多种控制高压柱塞泵设计及实验研究 图2 6 滑靴 f i g 2 6s l i p p e r 除此之外还必须考虑回程盘的厚度，因为其必须要有足够的刚度。 ( 6 ) 斜盘尺寸的计算 滑靴底面是与斜盘相接触的，所以斜盘的最大外径设为d ，则 d ：- 二三二l l 一+ d 4 + 2 j 。c o s y 懈 式中艿斜盘的最大外径余量，艿取为1 2 m m ，取余量为1 衄。 螗毫删埘= 筹缁“2 小燃一c o s y m c o s l ，。 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 取d ，为1 5 5 m m 。 2 5 本章小结 通过对国内外的柱塞泵的结构调研，详细的介绍了几种柱塞泵的结构特点，确定了 本课题要研究的柱塞泵，分析了本课题柱塞泵的结构特点与之前生产的柱塞泵的结构区 别，然后通过对柱塞泵的几种关键零部件的设计