（机械电子工程专业论文）径向柱塞式液压泵受力分析及其配流机构的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 径向柱塞式液压泵受力分析及其配流机构的研究 摘要 本课题结合浙江省重点科研项目“工业电动车电机静压传动系 统的研究”，为正在研制的新型径向柱塞式液压泵的设计提供理论依 据，着重对新型液压泵的关键部件柱塞、滚子及配流机构进行运动学 分析和受力分析。 本课题研究工作主要包括： 1 对径向柱塞式液压泵的柱塞、滚子进行运动学分析，推导了 柱塞在不同角度的极径、速度和加速度的公式和柱塞留缸长度方程； 2 在考虑惯性力、摩擦力影响的情况下，对柱塞所受的正压力、 应变、顶部压力和压力角进行综合分析； 3 应用赫兹定理，对滚子与定子的接触应力进行分析；在纯滚 动条件下，对滚子和柱塞的相对滚动速度、自转角速度的方程作了推 导；计入摩擦时，分析了滚珠和滚柱产生的自转和自旋运动； 4 推导了径向柱塞泵密闭工作腔在预升压、预卸压时的体积和压 力变化的微分方程；分析了配流面的高压包角和倾覆力； 5 通过新型径向柱塞泵样机的台架试验，间接验证了设计的合理 性。 关键词：径向柱塞泵，柱塞，滚子，应力分析，端面配流 浙巍工业大学赋士学位论文 r e s e a r c ho nc o n l a c ，rs t l t e s so ft h ek e y c o 醚p 0 n 嚣n t sa n dt 糕嚣d l s 王翻国 疆o 鬏m a c 楚a 磁s 轰压 o fr a d i a lp i s t o np u 【p a b s t r a c t t h i ss u b j e c to r i g i n a t e df r o mt h ek e yr e s e a r c hp r o j e c t r e s e a r c ho n e l e c t r o m o t o ra n d h y d r o s t a t i c t r a n s m i s s i o n so fi n d u s t r i a le l e c t r i c a l v e h i c l e ”o fz h e j i a n gp r o v i n c e ，w eh a v em a d ek i n e m a t i c sa n a l y s i so f r o l l e r s ，p i s t o n sa n d d i s t r i b u t o rm e c h a n i s m ，w h i c ha r et h ek e yc o m p o n e n t s o ft h ep u m p t h ef o r c e sa c t e do nt h ep a r t sw e r ea l s oa n a l y z e d t h e a n a l y s i se l a b o r a t e st h en e wm o d e lr a d i a lp i s t o np u m pp r i n c i p l e ，w h i c h c o u l db es e r v i c e da sg u i d ei nt h ep r o j e c t t h em a i nw o r kc o u l db ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1 e q u a t i o no f t h ep o s i t i o n ，p o l a rd i s t a n c e ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n o ft h ep o s i t i o na td i f f e r e n ta n g u l a rw e r ei n f e r r e d t h ep i s t o nl e n g t h r e m a i n e do u t s i d ew a sd e d u c e da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h e p i s t o nw a s c a l c u l a t e d 2 t a k i n gf r i c t i o n ，s t r e s s a n di n e r t i af o r c ei n t o c o n s i d e r a t i o n ，t h e f o r c e s ，p r e s s u r ea n g u l a r a c t e do nt h e p i s t o nw e r ee n t i r e l ya n a l y z e d 3 c a l c u l a t e dt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h er o l l e ra n ds t a t o rb y a p p l y i n g t h em e t h o do f r o l l i n gb e a r i n g t h ee q u a t i o n o ft h e 儿 _ 滂 茳工韭大学颈l ：学位论文 v e l o c i t ya n dr e l a t i v ea n g u l a rv e l o c i t yc o m p a r e dw i t h t h ep i s t o n w e r ed e d u c e d a tt h ee n do ft h i sc h a p t e r , t h es p i no ft h er o l l e rw a s i n 廿o d u c e d ： 4 t h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o no fa i r t i g h tv o l u m ei nt h ec o n d i t i o no f p r e - c o m p r e s s i o na n dp r e e x p a n s i o nw e r e i n f e r r e d t h ef o r c ea c t e d o nt h ed i s t r i b u t o ra n dt h ea n g u l a ro ft h eh i g h e rp r e s s u r ew e r e d i s c u s s e d 5 p r o t o t y p e t e s tr e s u l ts h o w st h a tt h e d e s i g nm e t h o da d o p t e d i s r a t i o n a l k e y w o r d s ：r a d i a l p i s t o np u m p ，p i s t o n ，m i l e r , s t r e s sa n a l y s i s ， d i s t r i b u t o r n i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究丁作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江r 业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本义的研究作 m 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担木声明 的法律责任。 作者虢密润 臼期：o 土rf 月9 口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位沦文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论义的复印件和屯子版，允许论文 被查阅和借测。本人授权浙江工业大学可以将木学位论文的令部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扣描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、小p t fj 1 划：矽岁年广月，7 t 潺扛工盈丈学碳士学琏论吏 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 静压传动是利用液体传递动力的一种传动方式。静压传动系统主要由液压 泵、马达及各类阀等组成。泵和马达是移动车辆静压传动的核心元件，若用泵输 出的液体压力去驱动低速液压马达，则可直接驱动移动车辆的车轮；改变泵输出 油液的方向和排量，可以使车辆前进或倒退，在全速范围内实现无级变速。 静压传动系统的泵、马达与固定设备液压传动的泵和马达工作原理相同，但 由于移动车辆的载荷、行驶速度、道路阻力复杂多变、工作环境恶劣等因素，使 移动车辆对静压传动的柱塞泵或马达的工作压力、转速、体积、重量、可靠性、 耐久性、节能、噪声等方面提出了更为苛刻的要求1 1 1 。 在课题组初步研制成功等接触应力低速大扭矩液压马达的基础上，本论文结 合浙江省科技厅重点科研项目“工业电动车电机，静压传动系统的研究”，对所研 发的高速、高压、变量柱塞泵的关键部件柱塞、滚子及配流机构进行运动学分析 和受力分析，为新型径向柱塞泵的研发提供理论依据。 与齿轮泵、叶片泵、螺杆泵相比，柱塞泵输出的压力最高。柱塞泵又分为轴 向泵和径向泵两种。径向柱塞泵具有工艺性能好、压力高、抗冲击能力强、使用 寿命长等优点。但传统的径向柱塞泵的柱塞为点接触，磨损严重，不适宜高速工 作。因此，国内工程机械厂家多采用进口的径向高压泵来提高产品的整体质量。 但进口产品也存在着缺陷：采用欠平衡理论设计的泵配流轴，一部分高压载荷由 油膜承受，一部分由金属直接承受；流轴上的排油、吸油口截面较小 配流轴与 转子的摩擦副不是静压支撑：滑靴在外导圈上滑动速度过高，同时在排量较大的 情况下，还会产生抱轴、发热及噪声较大等问题。 据海关统计，目前我国每年共需进口液压泵7 万多台，其中全国6 4 家钢厂 生产线每年引进德国高压泵1 0 0 0 0 一1 5 0 0 0 台，绝大部分是高压大排量柱塞泵。重 型机床、注塑机、压铸机等行业年需要量2 5 0 0 0 台以上，工程机械行业年需要量 更多，所以，高压柱塞泵的市场需求量很大。 目前，我国高压泵依赖进口的局面仍然没有改变。全国有1 0 0 0 多家钢铁公 濒涯毛监大擎矮士学位埝文 司，其中国家遵点钢铁公司7 5 家，这然公司炼铁、造铸、连轧生产线所使用的 藏压泵大部分避从德国力士乐授搏毽公司进口1 1 2 j 。德国蹲世公司磷发的薪型高 压径向柱塞荥建国际上公认的最先进的产黯，但该公弼实行技术垄断，既不转让 也不与其他公司合作生产。 对市场急需的集液压泵、马达和部分控制阀于一体的静压传动装置( 1 - 1 s t ， h y d r o s t a f i ct r a n s m i s s i o n ) ，国内各企业均采用进口低速大扭矩液压马达和高压、 高速泵。由于受到进口件价格高和交货期长的制约，很难大量推广应用h s t 装 置1 ”。为此研究开发面向静压传动的低速大扭矩马达和高速高压液压泵就显得 十分重要。 开发出技术水平先进的静压传动的泵和马达产品，不仅每年可以节约大量的 外汇，而且能极大的推动工程、农业和牵引机械领域的发展，意义十分重大。 1 2 径向柱塞泵工作原理 柱塞泵依靠柱塞在缸体内往复运动，由密封工作腔的容积发生变化来实现吸 油和排油。径向柱塞泵由定子、转子( 缸体) 、配流器、柱塞等主要部件组成。 定子内表面是圆形，转子与定子间有一偏心距e 。当转子旋转时，柱塞随转子一 起旋转，在离心力( 或低压油) 作用下，柱塞头部与定子内表面紧紧接触。由于 转子和定子间有偏心距，所以转子在半周转动时柱塞向外伸出，径向孔内密封工 作容积逐渐增大，产生局部真空，将油箱里的油液吸入；转子转到另一半周的时 候，柱塞向内推入，密封工作容积逐渐减小，将油液经配流器向外排出。转子每 转动一周，每个柱塞吸油、压油各一次。改变定子的偏心，可改变泵的排量。以 上是现有径向柱塞泵的工作的基本原理，其结构如图1 1 所示。柱塞的数量一般 为奇数。径向柱塞泵径向尺寸大，结构复杂，在轴配流式泵中配流轴受径向不平 衡液压力的作用，易于磨损；工作压力越大，磨损就越严重，引发泄漏越大，从 而限制了泵的转速和压力的提高，也限制了泵的排量。因此，径向柱塞泵的滚子 和外圈的接触形式、配流形式和配流面流道的形式都直接影响到泵的工作性能、 寿命和效率。通常径向柱塞泵的失效是由柱塞和定子内壁产生磨损及配流面受到 不平衡力作用产生的磨损所引起的。为此，国内外的学者对此作了大量的研究【”。 潺江工魏大学矮学位诧文 1 3 径向柱塞泵研究现状 剖m t t 图1 - 1 径向柱塞泵原理图 从上世纪8 0 年代初至今，德国博世( b o s c h ) 公司一直处于该领域研究、开 发及生产的国际领先地位。该公司生产的新型径向柱塞泵具有结构简单、压力高 和抗冲击性强等特点，年产量已达2 万台。德国f a g 公司生产的径向拄塞泵压 力高，但存在流量小、排量不可变的缺点。 英国m o o g 公司生产的r k p 泵采用连杆滑靴结构，滑靴和定子接触副利用 静压支撑，而且可以用数字精确控制，r k p 径向柱塞泵在工业、国防、航空领 域中广泛应用。r k p 泵的结构如图1 2 所示。 71 242 4m g f l k p - e h v 图l - 2 r k p 泵结构图 1 一驱动轴2 一十字配流轴3 一缸体4 控制轴颈5 径向柱塞6 一滑靴 7 一定子8 一限位环9 、1 0 一控制活塞对1 1 - 活塞控制系统1 2 - 电磁伺服阀 m a r y l a n dm e t r i c s 生产的j b p 系列径向柱塞泵性能可靠，经久耐用，可以保 巍江工渣丈攀赣圭学位论文 证正常工作5 0 0 0 小时，当以矿物油为介质时，可正常工作达2 4 月之久。j b p 浆 的额定工作压力为2 8 0b a r ，最裹工作压力达3 5 0 b a r 。 瑞士b i e r i 生产的b r k 径向柱塞泵，出奇数3 、5 和7 个活寨缀成，自稚气 阀门控制，体积效率高，工作压力最高达1 0 0 0 b a r ，排量0 4 7 6 3 3c m 3 r ，转数范 围5 0 0 2 0 0 0 转分。 印度卡纳塔克邦p o l y h y d r o np v t 公司生产的径向柱塞泵为缸体固定。 凸轮轴转动机构。每个单元泵有5 7 个柱塞组成，端面安装，可正反两个方向转 动，输出稳定。 国内6 0 7 0 年代发展的轴配流径向柱塞泵，由于配流轴在工作中受力不平 衡，转子与配流轴高压侧磨损严重，造成泄漏大、容积效率低等问题，从而影响 压力的提升，压力一般不超过2 0 m p a 。另外由于泵的柱塞与定子为点接触，尺 寸较大，液压力和惯性力造成柱塞与定子间压力过高磨损大，限制了转速的提高。 9 0 年代初，通过国家火炬计划和重点新产品攻关项目，我国开始着手研究 开发新型滑靴式径向柱塞泵，甘肃工业大学的卢垫和太原重型机械学院的王明智 教授采用连杆滑靴式结构、奥氏体一贝氏体合金球墨铸铁材料及相应的热处理工 艺研制的径向柱塞泵，解决了泵的抱轴、发热问题，但存在着制造工艺复杂，尺 寸较大和仍然为轴配流等缺点，影响了其在移动设备上的安装和应用u 2 1 。 1 4 配流机构的研究进展1 9 - 1 4 】 目前各种柱塞泵的配流方式大体有阀配流、轴配流、端面配流3 种且以端 面配流( 配流盘配流) 和阀配流为主。因配流机构的性能直接影响了泵柱塞泵的 质量，长期以来，前苏联、英国、德国、美国、日本、法国、芬兰、丹麦以及中 国的学者围绕着配流副状况问题，进行了多方面的研究，取得了不少理论与实验 研究成果。 1 4 1 轴配流 轴配流是曲轴连杆式液压马达及泵最早配流形式，至今仍被广泛应用，国产 曲轴连杆液压马达普遍采用轴配流结构。配流轴具有结构简单、零部件少的优点。 但存在如下缺陷：密封长度长，密封面之间有相对运动；运动副密封间隙要求严 辑江工大学硬士学位谚文 格，对配流轴及轴套的加工和装配工艺要求很高；若径向力平衡不够理想，造成 酝流轴与轴套阐蘑摄，影响了马达低速稳定性，著且出于磨损不能补偿，搜间隙 不断增大，、灌漏醚趋严重；在工作溜液添瘦较高，马运转转冷帮屠爵寤动时，熟 油突然进入马达、泵，配流轴处易发生“热冲击”，导致转子抱轴。 甘肃工业大学与首都钢铁集团胜利枫械厂合作研制的j b p 薪型离班径向柱 爨疑_ 稻太原羹黧祝槭学院与国西平阳橇被厂合作研制黥瓶型电液魄锱受载敏感 变照径向柱塞聚都是采用轴配流方式。由予轴配流存强以上难于克服的缺陷，严 黧隈铡了蓝轴浚抒液压泵性熊鲍进一步掇岗，因此国终囊八十年代越，摇继推出 备稀结构的鞴躐配流寒取代辅配流，健褥浆、骂这煎效率、低速稳定链、额定工 作压力、可靠蚀、寿命等主婺性能指标均得到较大幅度的提高。 1 4 2 壤羲琵滚戮 端面配流剐由配油盘与钒体组成。配流副作相对旋转运动，为了使配油盘在 爨甏蒜鹁王援下稳定工撵，激漉裁斑毙承受莲紧力窝基蠢密嚣窝溺淫等功戆。要 使得配油盘稳定工作，必须使得配油盘所照到的压紧力能对中心线平衡，不产生 瞬覆，同时为了使得工作的柔顺性，摩擦副问形成适当的油膜。由于油膜的存在， 激免了酝涵蠹帮錾转夔毫接接魅摩擦，改饕了滤t 潦条转，减少 瘗损秘翡率损失， 弱一方面油膜油液的不断愿祷，将摩擦产生的热量带走，傈持零件的濑度的稳定。 摩擦副问的油膜的厚度是矛腐的结合体，油膜厚度越薄，承载压力的作用越好； 菇了避免边赛戆攘，潼貘霉痰应壤燕，露漕骥霉瘦携增糖，凌弓l 起瀵潺严重，怒 不到密封作用，造成泵的容积效率的下降，功率损失增加。 配流副主嚣设计目标可以概括为三点： ( 1 ) 簿诋澄溺彝减小囊豢，疆褰现壤效攀霹骞积效率； ( 2 ) 改善零部件受力情况以延长配流机构工作性能和寿命； ( 3 ) 结构简单。零件数少髓加工工艺性好，低成本。 麓了实嚣一艺遽懿设诗嚣拣，人爨舅震怒浚鑫与鲢舔簿擦甏熬疆究瑟莠一令整 纪的历史。 1 9 0 2 年，蔑国h a r v e yw i l l i a m s 教授和r e y n o l dj a n n e y 工程师设计一了第1 台 滋嚣配滚貔裁焱式辘逡楚褰凝，惩予零鼹疑缝塔滚匿煲淤装霆主。这台端嚣繇滚 浙江工业大学硕十学位论文 轴向柱塞泵可实现变量，缸体与配流盘之间是一对主要的相对运动摩擦副。 1 9 6 9 年，j 托马提出：在缸体一配流盘摩擦副的辅助支承面上，周期性地 引进高压油，通过一定的油槽、油腔，形成压力场，来平衡缸体传来的巨大载荷。 这种思想的提出，为以后的配流盘的设计提供了一个方向。但他并没有给出具体 的理论分析和设计方法。1 9 7 0 - 1 9 7 1 年，日本的市川常雄在其著作中也谈到：“最 近有一种趋势，就是在结构上开设适当的小油道，将压力油液供入配流盘与缸体 之间的滑动部分。”但也未见提出具体设计的方法。1 9 7 5 年，日本的小曾户博研 究了这种间歇供油的配流盘，发表了论文，但其结构复杂，至今未被生产所采用。 英国f e r m e r 公司1 9 8 8 年研制出压力分别为1 4 m p a 和1 0 m p a 的海水液压泵 ( 马达) ，其结构采用轴向柱塞式、端面配流、定隙回程，相对运动的摩擦副均 由海水润滑。缸体端面采用增强聚酰亚胺塑料，配流盘采用a i s l 3 1 6 不锈钢。 1 9 9 6 年，英国h u u 大学采用整体陶瓷做缸体和配流盘，在1 2 0um 粗过滤海 水润滑条件下试验，效果良好。该泵( 马达) 已用于海洋水下作业工具系统和海 底石油天然气井口启闭自给控制系统。 1 9 9 4 难，芬兰h y t a r o y 公司和t a m p e r 理工大学合作研制出用于海洋水下作 数工兵霞揍式蚤力源懿蠛褒配滚麓淘装塞袋式结擒，全部麓海寒满清。该裂缝擒 简瞎、噪声低、压力脉动小，并可作为马达使用。篡关键对偶摩擦剐均采用纤维 增强塑辩与硬纯的金属或陶瓷缀合，容获效率这9 2 。诧并，丹麦d a n f o s sn e s s i e 淡墩轴向柱塞马达的所有摩擦固体表面的对偶材料均为增强塑料与不锈钢j 。 国内对端面配流机构的研究主溪集中在单作用低速大扭矩液压马达上，如宁 滚英跨姆液压马达厂与塞大利s a i 等公露会资生产n h m 壤瑟配浚麓辘连耱滚蓬 马达，哈尔滨工业大学与徐州液压件厂联合承担“八五”规划项目“新型柱销铰 鸹辘连秆式滚莲马达磺稍”都采薅l 了类似德国d u s t e r l o h 公司液舔马遮的端 面酉己流机构。 国内最早出现的配流机构是程缸体与凝流盘之间安装一个止推轴承。由于轴 承受至q 较大的偏心负载，黪攫不均，且摩擦剥闯隙赡于控制，不是烧盘，就是泄 漏太大。为了解决载荷不均匀的问题，出现了开设卸荷槽道的结构，但实际应用 缝祭劳不溪怒。螽寒，大们又采用撬攘密懿懿方法，毽密辩俸援荔按环，瀵潺还 是很大。通过这些尝试以后，人们得出的结论是必须采用液压平衡的原理设计配 6 浙江丁业大学硕上学位论文 流结构，于是，出现了“剩余压紧力设计法”。 剩余压紧力设计法的基本思想是使缸体所受的压紧力适当大于油膜产生的 分离力，即要求有合适的剩余压紧力，使摩擦副间既形成适当的边界润滑油膜， 又有一定的密封性能。剩余压紧力设计法的固有缺点是摩擦副间只能形成边界润 滑油膜，虽然动压和热效应能形成一定厚度的油膜，但这层油膜是不稳定的。因 此，摩擦副受临界【p v 】值的限制，在泵的压力或转速较高时，会出现“烧盘”现 象。为了克服上述剩余压紧力设计法的缺陷，人们又作了进一步的探讨：能否在 配流机构摩擦副间形成宏观的稳定油膜，利用流体力学将压紧力全部平衡掉，从 而使边界润滑过渡到纯液体润滑口6 1 。 1 9 7 5 筇哈尔滨工业大学教授许耀铭提出了间歇供油的油膜挤联效应设计法， 并将之疲溺于国产c y 2 5 0 轴向柱塞泵韵敬造并取褥了显著的效果。间歇供油的 配流结构的工作原理是：锻体在转动过程中，盲孔周期性地将通油弛与阻尼槽接 通，从排油腔引入通油孔的压力油经阻尼槽进入一系列的嘲形压力平衡腔，从而 在摩擦副阏建立怒大于悉紧力蛉蔽雄力，使缸体浮起。当蠢我离秀遇酒孔辩，黠 依靠挤压效应保持一定的油膜厚度。间歇供油的配流机构可以形成较为理想的动 态平驽洼貘，克服了裁余辍紧力竣存在懿疑熹，程实矮孛赣褥了蠹好熬教聚。 此外还有连续供油的静压支承设计法。这种方法是借助于固定阻尼与可变阻 懋麓匹配，使摩擦戮翔形成其有遥当刚度的涵骥，叛保证程负载交他辩，浦膜不 被破坏，能保持完全的液体润滑，避免金属直接接触。目前，按照这种方法设计 的有阻尼管型连绥供油静聪支承配流盘和阻尼槽受连续静滕支承配流盘。黼尼管 型连续静压支承配流盘，虽在理论一e 是可程的，但出于阻懋喾细长加工困难且容 易堵塞，实际上并末得到广泛应用。 最近，郅戒烈提出了锩黧是聪滚分掇方式。对瓣濑酌越始羚段避霉分攒，缓 设流体为可压缩流体，对预卸压、预升压的过程中径向柱塞泵密闭工作腔的压缩 魄、歪力兔疫熬菹霭霹瑟漓盘赢毯密电囊及经覆力遗专亍分褥甥。 端面配流设计的关键是解决配流盘与缸体接触顽之间的静压平街问题。其研 究的重点怒： l 。配流副的力学特性。包括柱塞受力的分析与诗算、阙死体积寮封区泄漏特 性( 容积效率分析) 、柱塞运动的摩擦特性以及配流副的气蚀特性等，这是募的结 浙江工业大学硕上学位论文 构设计、水力计算以及控制机构等计算的力学基础； 2 配流副密封区压力的变化规律。即如何使闭死体积中压力的变化与吸、排 水腔接通时的压力相适应； 3 ，建立配流过程的数学模型并进行仿真研究。建立泵配流过程中单个柱塞腔 压力瞬变过程的数学模型是泵配流机构设计的关键之一： 4 配流副动、静态特性的定性、定量的分析。 1 5 本课题的研究内容 1 5 1 新型径向柱塞泵简介 本课鼷组在己研制成功的等接触应力液压马达的基础上，研制了新型径向柱 塞式渡压裂，与镗缝懿点接触桂塞象摆毙，该毅委疑巍柱纛泵具骞以下特感( 结 构如图1 3 和图l _ 4 所示) ： 凋1 - 2 传统径向柱塞泵圈1 - 3 新型径向柱塞泵 酮1 - 2i - 定予2 往塞帮3 一转予4 - 酝流鞠 图1 - 3i - 定子2 娃子柱塞3 转予4 滚予 l 、用滚子柱塞替代了传统柱塞秆，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，减小了摩 擦；滚子和柱塞底部之圊袋用静压支撑，掇高了承裁缝力。 2 、柱寨和缸孔之间加复合材料作衬垫，使得柱塞与缸孔的接触比压降低， 鲻蹲复合挂骜增强了密嚣魏，在密瓣垫鞠桉塞熬缝台楚豹濑膜氇缝藏静歪支撵， 自润滑性能良好，使柱塞浆的自吸能力、密积效率提高。 浙江工业大学硕士学位论文 3 、采用端面配流，解决了抱轴、发热等问题，且磨损能自动补偿。 4 、采用的滚予柱塞副与连杆滑靴式相比较，其结构及制造工艺简单，容易 小型化，受尺寸限制少，适用于多种场合。 目前，该径向柱塞泵仍在台架上试验和持续改进设计中。 1 5 2 论文研究内容 本论文罄在必开发毫效率、嵩潜禽豹静压传动麓高速、嵩莲柽懿挂塞聚疆供 设计的理论基础，主要从以下几个方面进行研究： 1 、眈较深入遗了解静藤传动系统的组成、特煮及主要羽配套元件： 2 、对经向柱塞裂柱塞的运动原理进行分板。利用矩阵理论对径向柱塞裂的运 动进行分析，推导出不同转角下柱塞的极径速度和加速度； 3 、拄塞及滚予的受力分橱。锋对桂塞泵的具体结橡，攫导了接塞的蘩缸长 度公式；考虑接触时产生的惯性力、摩擦力，当泵的各个因素变化时，对柱塞所 受戆摩擦力、歪压力、应交移柱塞壤熬压力秘压力爨瘊发黛豹程瘦变耗遗缮综合 分析： 4 、辩灞覆酝流梳秘避行分析鞠诗算：鬣流静形式，配浇面流i 鏊瀚形状( 压力 场的分布) ； 5 、通_ i 遘新型径向柱塞泵样机韵台架试验，验谥设计的理性。 浙江工业人学硕士学位论文 第二章柱塞刚体的运动分析 本章主要对柱塞泵在不同滚子形式下的运动进行了分析，推导了滚子相对于 柱塞的旋转速度和角速度公式并给出仿真曲线，分析了滚子的自转、自旋运动。 2 1 刚体位姿描述 刚体的位置可以通过刚体上任意一点和以基准点为原点固联于刚体的坐标 系相对于参考坐标系的坐标和方向正弦来描述1 5 1 6 】。 固联坐标系 b ) 的原点在 a 冲的位置和f b 】的3 个轴相对于 a ) 的方向分别 表示了刚体g 在( a ) 中的位置和方向。这样，在描述刚体的位姿时，我们可以不 顾具体的刚体，而抽象讨论不同坐标系之间的关系。 空间一点p 的位姿在不同坐标系中的描述各异，但在各个坐标系中的转换存 在定的关系。 2 1 1 平移坐标变换 假设坐标系 b ) 与坐挺系 a 】盼方趣相阕，坐标毒虫摺互警程，但簌点不同， b 的原点o b 在f a ) 中的位置矢量为p s a ，则在这种情况下， b ) 可以瓣作是首先余 a 重舍，然蜃溢琢a 平移 嚣褥劐熬褥一个坐标矢爨“砚8 稚，坐标系 b 窝蹩蠡系 f a ) 重合鼹一种特例。 图2 i 物体位震的表示方法 o 浙江工业大学硕十学位论文 如果点p 在坐标系( b ) 中的位置矢量为p b ，点p 在( a 坐标系的矢量p a 可通 过坐标平移方程计算： 尼= b + ( 2 - 1 ) 2 1 2 坐标旋转变换1 9 在坐标系下作旋转变换，若将点( 工，y ) 逆时针绕原点旋转口角，如图2 - 2 所 示，则： ，= a c o s ( a ! + 0 ) = a ( c o s o r - c o s 0 一s i n a s i n 0 ) = 工c o s 0 一y s i n o y = a s i n ( a + o ) = a - ( s i n g c o s o 1 - c o s o f s i n 们 2 y c o s 0 + x s i n 0 赣应懿簌阵形式两： x y ： = 。s 。i n s o 一一c 蛀o s n o 口 戈y t 2 一z ， l jij i j 0 | ， 疑j ? j ? h 1 p f9 2 ，可， ” “ r 鹞 。 ， 、，7 i 立l 一，一j 瓣2 - 2 旋转交换 点p 沿x 轴征向平移t x ，相当于坐标系沿x 轴反向平移t x ；点p 在燃标系 旋转0 霸，等徐予鳌标系绕派点疆对舒转0 螽。 假设搬标系 a i n i b 的原点爨合，但方向不同。 a 和 b 】的转化过程可以 瓣成： a j 首先绕x 轴旋转得到 b ， b 在绕赣y 轴稔转- - n n 褥n i b ” ，再 旋转一角度得到坐标系 b l 。用r 滚示l b 相对于 a 的旋转矩蹲，r ”表示 b ” 浙江工业大学硕士学位论文 布丑对于 b ) 明旋转矩阡，r 是f bj 利盯于 b 】明旋转矩睁。田坐标明张秧任j 以求得： 阡篇甜豳 陋。， 阡瞄瑚豳 c z q p c = r b c p a ( 2 5 ) 若点p 在f b 中的位置矢量为p r ，点p 在f g l 中的位置矢量h 可 ：式求得。 2 1 3 复合变换 坐标系 b 与 a 】的原点重合为特殊情况，一般情况为原点不重合，方位也不 相同，通常是先经过旋转，在通过矢量平移得到 2 2 奇次她标变换 尼= b + ( 2 6 ) 空间任意两个赢角坐标系之间的关系都可以澍成是平穆变换和旋转变换的 合成结采。已知一坐标系中莱点的坐标，剡该点在另一坐标系中的艇标可以通过 式( 2 6 ) 液示的复台变换求褥。为了方便坐标变换的计算，因此袭示成与上式 等价的奇次变换形式，可得通式f 1 6 1 阡降ij 删l i ( 2 - 7 ) 霹激曩4 1 黪列彝量来表示三缍袋拣系内豹熹戆熊标，拣为点懿奄次坐标，餐 然记作p a 和p s ， = i 台l 陆s ， 剐上式可化成如下形式： p a = t b a 2 9 ) 矩阵被称为奇次变换矩阵。如果己知点p 在 a ) b 中的位鼹矢量，则可 溃旺工韭丈学鹾擎建谊文 以通过奇次变换式( 2 - 8 ) 泳得在另一嫩标系中的位鼹矢量。 从奇次变换矩阵z 二的搀造可以看出它懿些性质： 1 ) 7 i 代表了坐标系 日) 相对于 a ) 的描述，式( 2 9 ) 中点 曰) 的原点在 a ) 中的位黄矢量，r 。则代表 b 】在 a 】中的姿态； 2 ) t b n 表示了 b 】从与 a ) 重合开始，沿进行平移变换，而后再按照旋转矩 阵r 。进行旋转变换得到变换结果。对于仅有平移变换的情况，7 k 记作： = 10 0 以 010 p y 0 0i p ： 0001 ( 2 一i o ) 对于仅有基本旋转的情况， 占) 绕着 a ) 的轴旋转的奇次变换矩阵分别记为 r o t ( x ) = r o t ( x ) = r o t ( x ) = l0oo 0c o s 0 一s i n 00 0s i n 0c o s 00 ooo1 c o s 00s i n 00 0loo s i n 00c o s 00 ooo1 c o s 0 一s i n 000 s i n 0c o s 000 o0lo 0ool 陀一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 对予只有基本旋转的情况，姿态是由其中的锭姿矩阵中问的方向余弦矩阵决 定的，耐这些变量中只商3 个独立的自变量，因此可取绕三个轴的转角作为独立 鹣参数淡示姿态篷簿。 用角班、所r 分别袭示绕z 轴、y 轴、x 轴的角度。转动次序先绕参考系的x 轴转y ，褥绕y 轴转，最后绕z 辍转动g ，此时的姿态矩蹲为； r o t ( x ，y ，z ) r o t ( z ，r o t ( y ，历+ r o t ( x ，” ( 2 ，1 4 ) 浙江工业大学硕上学位论文 愕- 警s i n o 雌氍；：纠 s i n a c o s f ls i n _ ( z c o s y + c o s o c s i n f l s i n ys i n o r s i n y + c o s 盯- s i n - c o s2 1 = ls i n a c o s f lc o s o ! c o s y + s i n f x s i n f l s i n y c o s 口s i n y + s i l l 口s i n f l c o s yl i s i n f lc o s f l - s i n rc o s f l c o s y i 若t b a 为 曰) 相对于 a ) 的奇次变换矩阵，t b c 蔓j c ) 相对于 b ) 的其次变 换矩阵，那么 c ) 相对于 a ) 的其次变换矩阵l 。为： 耻降州以j 耻 警件。 p = 台 = c z 啪， 2 3 液压泵柱塞位置关系 2 3 1 柱塞的坐标位置 为了便于计算，假定刚体位姿的旋转都绕动驱幼轴转动。 溥定予的圆心点定义是o g 点，转予戆中心失键，转子粒定子豹孛心羹镰心 距，记o g 、o g 两点之间的距离为偏心e ，以0 g 为原点，地平线方向为x 轴， 耄赢方蠢淹y 辅，按警专尔堡标系，z 辘剐好穿逡转子酌赣线，另耱建立一个坐 标系b ，该坐标系和刚体a 固联在一起，假设其原点和p 点重台，则b 坐标轴 稽对于g 鹃方向就完全确定了剐体在坐标系g 中的方向。b 的坐标轴相对于g 的方向可以用前面提到的魉阵式表示。 外圈轨道固定不动，转予作圆周旋转，取柱塞滚柱几何中心为p 点，柱塞一 边隧羞转子俸圆尉运魂，一选又终经彝 圭复运动。蕊运魂关系据罄2 - 3 赝示。 根据几何关系求得o g p l l 9 】f 2 0 1 ： 浙江工业大学硕士学位论文 口2 = p 2 + r 2 2 c o s ( a + f 1 ) e r ( 2 1 7 ) 因柱塞的转角是转子的角速度和时间的乘积，柱塞的行程随之变化，故柱塞 的行程可用下式表示 卢= a s i n ( e - s i n t z r ) ；a = 翻t p = x e 2 + 尺2 2 c o s ( z 一w t a s i n ( e s i n a t r ) ) e r ( 2 1 8 ) 图2 - 3 柱塞泵的几何位置图 图中：1 一液压泵定子内湖； 2 一柱塞运动魏逡； 3 一转子半径。 式中： 甜一转子熊速疫，m d s ； e 一转子偏心，u n ： f 一转子转动时间，8 ： r 一定子中心到柱察滚动中一t l , 的距舞，r a d s ； p 一转子轴, t i , n 柱寨滚动中心的距离，m m ； p 点静姿态可以表示蓟下： 啪国= 墨碰胁侉y z t 】， 塑婆王些查堂婴圭兰焦翌苎 f c o s c o 够p + ( - s n a c o s t + c o s a s i n f l s i n ”只1 l + ( s 弧搿s i n y + c 。s 撤s 够c o s 力置+ u c o s o ij ( s i n a c o s f l p ，+ ( c o s a c o s 7 + s i n a s i n f l s i n 7 ) p y 1 l + ( - c o s ( w 4 t ) * s i n ( g m a ) + s i n a s i n f l c o s t ) p ：+ r o u s i n a ) 一s i n f i p ，+ e o s f l s i n 线+ c o s 爹c o s 缓 l 把p 的位移代入( 2 1 9 ) ，得点在各个坐标方向上的分量： 只= 只= p z = 弓= 1 ( 2 + 1 9 ) 琅+l。-s。i。na5c；o。妒s7。+i。 + r o u c o s a s血。s(乒i；i：习碉琅s酣l(。c；ons船acio。肛st+m刊)1 1 ：i i ：；：i ：甯t s t n 盯+ r 。u s ；n 口j 删( 厣五可忑习求卜+ c 。叫厣五可忑哥求卜 2 3 2 柱塞速度及加速度 为了计算的便捷，把坐标在径向方向投辫，柱褰的径向相对速度为】【2 2 1 。 够= 等 啦确冲n i i 础g - w t - 掣) j d c o s ( w t ) w 、题墒) 一面d i n 丽2 ( w o ， 1 6 ( 2 2 0 ) 辑巍工业丈学颟上学位论空 上式中：r = r s r r 匙定子半校，删； 足一滚轮半径，i n n l ； v 一柱塞径向速度，m 耐s ； 图2 4 为取偏心d - = 4 r n m ，极径长度吩= l o o m m ，滚子半径耳= 7 f m 时，得 到转角与柱塞速度关系： 柱塞的向心加速度为f 2 l 】【2 2 】 d v , d l 图2 - 4 转角与柱塞速度 一w d 2 + ( r j r r ) 2 2 d ( r s r r ) c 。s 石- - w t - - a r c s i n l ( d 肛s i n ( r w ，t ) i 一o、s越蚓嗍轺 、州叫一黜 一 ri“il 吖 肛 州 渍江t 韭大学骚士学盈论文 上 + 郴小。s l ( 1 叫r - - w l - - 掣 ： d c o s ( w o w 、( r s - r r ) i ，一篱， l2 郴州r)sin剐fdsin(wt)wj f 2 1 2 ( 2 2 1 ) 从图2 5 可以看出在各转角下柱塞加速度，取值与2 - 4 相同。 转子转南( d e g r e e ) 图2 5 转角与柱塞加速度 】8 n 川 叫盟协陋掣 耐吖 一 龉 一 讲 坷 咖 和 + r 义 憎 警 扰叮 扩 恤 靠 咖 陋 肛 憎 r f芑一趔魁口暑盎*脚犁 辨汪工盐大学嫒士学霞论文 2 4 柱塞泵各因素变化的影响 2 4 1 角速度变化的影响 从图2 - 6 可以得出，一旦定子的大小确定，根据几何关系，极径和角速度不 萋 4 2 口 2 x 1 d 。4 转子角度( d e g r e e ) 图2 - 6 不同转速下极径长度 蕊 、| 、+ f 霪嘲 、 ，l ：笠! 望【 、 06 01 加 2 4 03 0 口3 朗 转予角度( d e q r e e ) 图2 7 不同转速下速度 1 9 一宅一世蚓坦搿 濒江工韭大学颧士学位遥盅 帽关。角速度的变化对在棚应角度下的檄径的变化没肖影响，而且极径的变化量 髑定，为偏心的2 倍，极径湘角速度不掬关。 从鹜2 - 7 可疆看出，衽翔速度酶缝瓣傻随着角速度的增大两璃大，健呈 醒蓬 性关系。 从图2 - 8 可以看出，当隽l 速度变化对，柱塞的相对蠢n 速度会出现嚣耪交化， 谯0 一r g l 2 区闻，径商窳速发的绝对毽随角度的增大减小，在露，2 一硝区闻，径两 加速度随角成的增大而增大，即在n 2 处啦现拐点；谯t 2 x 的变化情况与0 筇 呈对称分布。 2 4 2 滚子半径变化的影响 转子角度( d e g r e e ) 图2 - 8 不同转速下加速度 从图2 - 9 可以看出，当滚子的半径变化时，极径随着滚予半径的增大相应呈 比例减小：从图2 1 0 、2 1 1 可以看出，速度和加速度基本保持不变，只存在微 小变化量。 灏涯下鳖丈警矮学整论文 转子角度( d e g r e e ) 图2 - 9 滚子半径变化与极径的关系 转子角度( d e a r e e ) 图2 1 0 滚子半径变化与速度的关系 2 1 一邑蜞半姑糕 (s，量刨蚓”删# 菠茳工业夫攀矮士学篷论文 转子角度( d e g r e e ) 图2 滚子半径变化与加速度的关系 2 4 3 偏心距变化的影响 款圈2 - 1 2 霹戬豢爨，当偏心变化瓣，极径交识静趋势夯爨瑷一个拐点，簌零 到拐点隧间，随着偏心的增大极径灞大，在拐点弼兀区间，随潜偏心韵增大，极 艇予凳度d e g r 嘲 图2 - 1 2 偏心变化与极强的关系 一g旗辎魁鞯 浙疆业大学碗士学位论文 径变纯羹| 最0 、馥。在石2 彤区阊桂寒授径篷对稼分奄。 从图2 1 3 可以看出，当偏心变化时，在0 一硝区间，随着偏心的增大，柱塞 速度的绝对值增大，僵蹭南珏量星菲线性关系。 矿 望 量 刨 捌 曩 艄 垲 转子鸯度( d e g r e e ) 图2 - 1 3 偏心变化与速度的关系 转子角度( d e gr e e ) 图2 1 4 偏心变化与加速度的关系 浙江工业大学硕士学位论文 从图2 1 4 可以看出，当偏心变化时，加速度变化亦出现一个拐点，在0 到石 区间，随着偏心的增大加速度绝对值增大，在拐点处加速度均会出现一个方向的 转换。由于结构的对称性，加速度呈对称分布。 2 5 本章小结 本章运用矩阵理论、运动合成原理对刚体在空间状态运动进行分析，推导了 滚子的位置、滚子的运动极径、运动速度、加速度等公式 分析了各因素变化时， 极径、速度和角速度所发生的相应变化，为下一章力的分析打下基础。 新渡工业大学硕士学位论文 第三章柱塞及滚子的受力分析 本拳主要报导了柱塞及滚子的摩擦力、惯性力、正聪力的计算公式，并求得 各个力的数值解；讨论了柱塞泵酌各因豢发生的燮佬，辩力蓊影响。 3 i 径瀚柱塞式液压泵分类 径向柱塞泵由缸体、定子、柱塞组( 包括柱塞、滚予等组件) 、传力轴和外 壳等组成。液压泵的分类方法有很多，如可以按照结构特点、柱塞的排列、柱塞 副的传力方式等进行分类。但无论何种泵都可以按照液压泵的运行周期区分：一 种是单作用泵，即转子每转动一周，柱塞完成一次工作循环；另一种为多作用泵。 单作用径向柱塞式泵在结构上的共同特点是偏心放置中心轴，这类泵最早采用了 连杆式，而后发展了无连杆式、摆缸式和滚柱式 g r t , a l 。 按其切向力传递方式及柱塞副结构的不同，液压泵可分为以下四种类型： l 、柱塞传力式 结构如