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工程硕士学位论文 三缸轴向斜盘柱塞泵的设计与开发 摘要 斜盘柱塞泵是高压清洗机的关键零部件，对高压清洗机的性能有着重要的影响。 本文首先对斜盘柱塞泵的工作原理和设计要求作了详细的介绍，从高压、高速两方面 论述了泵的设计要领，分析了泵的方案设计、整体设计的方法和进、排水阀组设计的 原理，建立了柱塞往复运动的数学模型并进行了实际计算，得到了柱塞的升程、速度、 加速度随斜盘转角变化的运动规律。推导了流量与缸数、斜盘转角变化之间的数学方 程，给出了实际的计算结果，指出了奇数缸泵的流量脉动比偶数缸泵的流量脉动要小 的原因。调压卸荷系统是泵设计中的重要一环，针对调压系统建立了力学平衡方程， 编制了相应的计算程序为调压系统的设计奠定了理论基础。建立了柱塞副、斜盘、泵 盖在斜盘不同转角位置时的受力分析数学模型，对斜盘、柱塞、泵体、轴承进行了受 力分析与实例计算。 摩擦与润滑直接影响斜盘柱塞泵的使用寿命，为延长其运行时间应尽量降低运行 中存在的磨损，着重分析了摩擦副间磨损状况的影响因素，并给出了几类相应的改进 措施；最后根据流体动压润滑理论对柱塞泵的柱塞密封摩擦副的润滑机理进行了理论 分析，利用回程和升程时的油厚度对比，对密封的可靠性进行了判断。并根据实际研 究指出在柱塞泵的往复运行周期内，密封摩擦副处于干、混合摩擦状态，密封件的结 构设计、润滑的状态和润滑油的选择、冷却结构的设计对密封与润滑也是至关重要的。 本文对高压清洗机用斜盘柱塞泵的设计、开发和制造有很大的参考价值。 关键词：柱塞泵设计，运动学分析，润滑密封，磨损 a b s t r a c t丁程硕十学位论文 a b s t r a c t t h ea x i a lp l u n g e rp u m pi sv e r yi m p o r t a n tt oh i g hp r e s s u r ew a s h e r t h i sa r t i c l ei l l u s t r a t e t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e s i g nr e q u i r e m e n to fa x i a lp l u n g e rp u m po nt h et w oa s p e c t s ：h i g hs p e e d a n dh i g hp r e s s u r es y s t e m a t i c a l l y a n a l y s et h em e t h o d so fi n t e g r a ls c h e m ed e s i g na n dv a l v e e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp i s t o n s r e c i p r o c a t i n gm o t i o n ，a n dc a l c u l a t et h e p i s t o ns t r o k e v e l o c i t y a c c e l e r a t i o nw h i c hc h a n g ew i t ht h er o t a t i o na n g l eo fs w a s hp l a t e i n f e r i n gt h em a t hm o d e lo ff l o wr a t ec h a n g ew i t ht h en u m b e ro fc y l i n d e ra n ds w a s hp l a t e a n g l e ，e x p l a i nt h er e a s o no ft h ef l u c t u a t eo ft h ep u m pw i t ho d dn u m b e rc y l i n d e r sl a r g e r t h a nt h a to ft h ep u m pw i t he v e nn u m b e rc y l i n d e r s s a f e t yv a l v ei sv e r yi m p o r t a n tt oa x i a l p l u n g e rp u m p ，w ee s t a b l i s ht h ec a l c u l a t em e t h o do ft h es a f e t yv a l v es y s t e md e s i g n e s t a b l i s ht h es t r e s sa n a l y s i sm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp i s t o n s w a s hp l a t ea n dp i s t o ng u i d e f r i c t i o na n dl u b d c a t i o nd e t e r m i n et h el i f eo fp u m p t oe x t e n dt h e1 i f ew es h o u l d d e c r e a s et h ew e a ra n di m p r o v el u b r i c a t i o no fp u m p sk i n e m a t i cp a i r a n a l y s et h ef a c t o r s w h i c ha f f e c tf r i c t i o na n dl u b r i c a t i o n ，g i v i n gt h em e a s u r et oi m p r o v ei t t h em e t h o dt o c h o o s em a t e r i a lo fk i n e m a t i cp a i ra n dl u b r i c a t i o n f i n a l l y ，a n a l y s et h el u b r i c a t i n g m e c h a n i s mo fk i n e m a t i cp a i ra c c o r d i n gh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nt h e o r y e s t i m a t i n gt h e r e l i a b i l i t yo fs e a l 、析t ho i lf i l mt h i c k n e s s t h es t r u c t u r eo fs e a l s t a t eo fl u b r i c a t i o n k i n d a n dn u m b e ro fo i l c o o l i n gt o p o l o g yi sk e yf a c t o r st op u m p ss e a la n dl u b r i c a t i o n i i k e y w o r d s ：d e s i g no fa x i a lp u m p ，k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，a b r a s i o n ，l u b r i c a t i o n s e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公析j 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：趸2 丞豇二讲j 月彩，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 o 一印 研究生签名：丑2 丕鱼l劫略年胡谚日 工程硕上学位论文三缸轴向斜盘柱寒泵的设计与开发 1 绪论 斜盘柱塞泵是清洗机系统中为工作介质提供能量的装置，它是一个正排量的装置， 运转时它可以不受排出管线系统压力的制约连续不断地输送流体，清洗机用斜盘柱塞 泵不同于离心泵，不会随排出压力的增加而产生“虚排”或“背离其曲线”的现象。 当压力超过泵的设计限度时就会出现机械故障造成严重损坏，因此泵上必须有压力调 节和卸荷装置，限制泵的最高压力，所有的柱塞泵都能在有很大的范围内工作，从而 当它们与不同转速的驱动装置组合使用可以产生不同的流量。每个泵都有决定额定值 的最大吸入和排出压力极限，泵可以适合低于它最大额定值的功率工况，但机械效率 稍微有所降低。 斜盘柱塞泵由于体积小，重量轻，机构简单，成本低故被高压清洗机广泛采用。 高压清沈机用斜盘柱塞泵一般为恒流量型柱塞泵。为提高水射流作业的能力和效率， 降低产品的成本。必须提升斜盘柱塞泵的输出压力，流量适当和提高泵的转速。目前 超过1 3 m p a 以上的高压清洗机基本被国外公司所垄断，国内大路货一般保持在6 m p a 左右。高速、高压、小型化成为清洗机用斜盘柱塞泵的一个发展趋势，高速、高压、 小型化带来很多问题：整机布置问题，密封问题，摩擦与润滑问题，往复惯性与强度 问题，温升问题和可靠性等问题等。这些问题的有效解决成为1 3 m p a 以上高压清洗 机用斜盘柱塞泵设计的关键内容。德国的k a r c h e r 将进、排水阀布置在同一平面，排 水阀布置在中央有效减少泵头的受力面积，改善泵头的受力状况，提升泵的寿命，而 h e l l m u t hs c h u l z 则对泵的运动学和流量脉动以及阀的设计进行了详细的分析，指出改 善泵的运动状况，减小惯性和脉动的方法与途径，而美国的w i l l i a m r c h a p l i s 和 f r e f e r i c w b u s e 则对泵的液力端理论和阀的动态特性以及磨损和结构设计作了详细的 论述。日本的n o k 公司对油封和水封的润滑状态采用了实验研究的方法，给出了判 断润滑与密封可靠性的公式，为密封和润滑设计提供了理论指导，而我国的薛胜雄对 柱塞泵的整机设计以及高速、高压方面做了详细的研究并根据u a d o l p h 的实验结果 给出泵阀允许关闭速度的校核公式，瞿培祥对柱塞泵的设计包括计算作了系统的论 证。我国的其他学者也尝试用实验的方法对柱塞密封摩擦副的润滑理论进行了实证研 究，同时利用有限元方法证明了密封圈在工作介质压力作用下有“偏离效应”，并利 用雷诺方程推导出油膜厚度的计算公式给出判断摩擦状态的标准。这些对清洗机用柱 塞泵的设计和开发工作有很强的参考价值。 清洗机用斜盘柱塞泵有自己的特性，到目前为止尚没有针对清洗机用斜盘柱塞泵 设计和开发的系统论述，特别是卸荷调压系统的设计。大多数文章只是论述某一方面。 本文尝试在p e 2 0 0 8 斜盘柱塞泵设计和开发的基础上对清洗机用柱塞泵的设计与开发 作一系统的论述，以设计的流程为主线，从柱塞泵的工作原理、设计要求、总体结构 1 绪论工程硕士学位论文 和参数设计，容积效率和卸荷系统的计算、运动学和流量脉动分析、零部件的受力分 析和结构强度设计计算，到润滑结构设计、密封结构设计等层面结合实际的设计工作 和实验验证工作对清洗机用斜盘柱塞泵的设计与开发做一个针对性的全面而系统的 论述和经验总结。 高压清洗机用三缸轴向斜盘柱塞泵的设计与研究，关系到很多学科：流体力学、 结构力学、材料学、阀门、摩擦与润滑、密封、机械传动等等，柱塞泵的设计过程也 就是各学科知识知识综合与创新的过程。高压清洗机柱塞泵的设计是一个复杂的过 程，我们一定要借鉴各学科的研究成果结合公司的实际情况，在关注整体设计时一定 要关注细节。利用c a d c a e c a m 进行结构设计、应力分析和虚拟装配，加快开发 进度。在进行实验时一定要寻求理论的根源，在过程设计时一定要关注批量生产的制 程能力和综合成本。同时使设计过程与制造过程有效的协调，这样才能设计一款兼顾 客户需求、成本、质量与制程能力的有市场竞争力的产品。 本人作为该项目的项目经理，主要负责了该斜盘柱塞泵的整体设计和结构布局、 运动和受力分析、关键系统的结构设计，并主导了润滑与密封结构的设计和动力匹配。 查询大量的资料结合实际实验的过程对各分系统进行了优化，跟踪开发、实验、制造 的全过程并进行理论分析和实践总结。 2 工程硕士学位论文三缸轴向斜盘柱塞泵的设计与开发 2 斜盘柱塞泵的工作原理和设计要求 2 1 工作原理 高压清洗机用柱塞泵一般有斜盘式柱塞泵和曲轴式柱塞泵由于斜盘柱塞泵具有 结构紧凑、零件少、工艺性好、体积小重量轻、成本低等优点。一般家用清洗机多选 用斜盘柱塞泵。下面以p e 2 8 0 0 斜盘柱塞泵为例说明斜盘式轴向柱塞泵的工作原理。 p e 2 8 0 0 斜盘柱塞泵的具体结构请参见图2 1 。 图2 1p e 2 8 0 0 斜盘柱塞泵 1 泵体；2 - 骨架油封； 3 深沟球轴承；4 斜盘轴；5 推力滚针轴承；6 泵盖7 泵头 8 进水单向阀组件； 9 调压阀组件；l o 出水单向阎组件；1 1 主水封；1 2 副水封 1 3 往复油封；1 4 柱塞组件；1 5 呼吸器 3 2 斜盘柱塞泵的工作原理和设计要求工程硕士学位论文 它是由泵体、泵盖、泵头、斜盘轴、轴承、油封、水封、柱塞、单向阀以及调压 机构等主要部分组成。 斜盘与轴连为一体成为斜盘轴4 ，由发动机曲轴驱动而旋转，使均匀分布于缸体 中的三个柱塞1 4 轴向往复运动，回位弹簧将柱塞压紧于推力轴承上垫圈上，起到回 位作用。柱塞1 4 下行时，工作介质通过进水单向阀组件8 进入泵头7 的工作腔；柱 塞1 4 上行时，高压介质通过出水单向阀组件1 0 进入集流腔。并根据工作的需要通过 调压阀组件9 调整额定排出压力。 为便于说明柱塞泵工作过程起见，将图2 1 从上死点到下死点沿柱塞分布圆展开， 如下图图2 2 所示；此时给泵体个与斜盘轴相反的角速度，则斜盘轴为相对静止， 而泵体、泵盖的回转角速度与斜盘轴的回转角速度大小相等方向相反。 当泵盖沿图示方向转动时，位于l 处的柱塞既不向内移动也不向外移动。相对缸体的 运动速度为零。而位于上死点，由此时进水单向阀处与关闭状态而出水单向阀处于打 开状态。当柱塞离开上死点时，因回位弹簧拖动而使柱塞相对缸体相外运动，使其底 腔形成负压。如图2 2 中2 - 4 处，水通过进水单向阀被吸到柱塞底腔内，此时柱塞处 于吸入状态，该行程直至柱塞到达5 处，即下死点为止。柱塞位于下死点的状况和位 于上死点一样，也是既不向内又不向外移动，相对移动速度为零。此时进水单向阀处 于打丌状态而出水单向阀处于关闭状态。缸体继续旋转，柱塞便离开下死点，将被斜 盘推压而向缸内移动，产生压力，压排水。如图2 2 中6 8 处，水通过排水单向阀而 排入压力管内，这时柱塞处于压排行程，该行程直到柱塞达到1 处，即上死点为止。 这样循环往复就会使缸体均布有3 个柱塞的液压泵连续不断地吸水和排出压力水，泵 在吸入和排出过程中所需的动力通常相差很大，从而使原动机的应力状态不佳，为了 改善所需动力的分布情况和体积流量均衡，通常用三个柱塞或多柱塞结构。 以上所述的液压泵是容积式的，其流量取决于斜盘的转速和泵的容积常数，亦即 改变其中任一个均可改变泵的流量。通常将容积可变的( 即斜盘倾角可调的) 泵称变 量泵，将容积常数不可变的( 即斜盘倾角不可调的) 液压泵称为定量型液压泵。高压 清洗使用的柱塞泵一般为定量柱塞泵，本项目的p e 2 8 0 0 型柱塞泵即为斜盘和轴压铸 成型为一体，不可调节。 4 t 程硕上学位论文三缸轴向斜盘柱塞泵的设计与开发 唇 裂 隶 01 0 02 0 0 2 2 主要设计技术指标 图2 2 柱塞泵运行原理图 3 0 04 0 0 转角。 本项目的设计参数为： 额定排出压力： 1 9 0 m p a 额定流量 ：7 9 l h 峰值压力： 2 1 0m p a 额定转速：3 4 0 0r m i n 吸入压力 ；0 2 o 3m p a 压力调节范围：0 1 9 0 m p a 发动机功率：6 5 h p 柱塞直径：1 2t o n i 柱塞分布圆直径：3 9n l n l 2 3 柱塞泵的运动学分析 2 3 1 运动方程的求解 给斜盘与柱塞一个与旋转方向相反，大小相同的转速，则斜盘相对静止，柱塞则 相对斜盘作旋转运动，同时柱塞相对于泵体做往复运动。运动简图如下： 5 o 9 8 7 6 5 4 3 2 l o 2 斜盘柱塞泵的工作原理和设计要求工程硕士学位论文 厂b ， 乏一一 图2 3 柱塞运动分析图 设斜盘相对缸体横截面的倾角为口，取坐标系o x y z ；o x 。y 。z ，斜盘平面坐标。 以柱塞相对于缸体最大外伸位置a ( 下止点) 为起始点，当柱塞转动任一角度缈时， 柱塞球头中心转至b 点，此时b 点的坐标为： lx = 一y t a n 口= - r c o s q ，t a n 口 弋y = r c o s ( p ( 2 1 ) l z ：只s i n 9 其中r 为柱塞的分布圆半径 3 z ：y 2 + z 2 = r 2 ( c o s 2 缈+ s i n 2f o ) = r 2 ， 可见在o y z 平面内柱塞球头的运动轨迹为半径r 的圆。 点b 在o y l z l 平面中的坐标为： f ，= 0 _ j y l ：上：rc o s ( p r ：c o s 缈：a c o s 缈( 令d ：上) ( 2 2 ) ，y l = 一= = 够=矽k 气f d = 兰， t z z j 、。c o s 口c o s 口c o s 口c o s a k = z = r s i n 伊= b s i n 伊 ( 令b = r ) 现在o y 。z 。平面内，长轴位于y 。轴，短轴位于z ，轴的椭圆，对应任一转角缈的矢 径p 为： p = 、y 1 2 + 乙2 = r 1 + t a n 2acos2伊(23) 矢径为p 与椭圆长轴的夹角为名： 6 t a l l 允2 y z l 。= r l s i n c 。r p i 2 c 。s 口伽伊( 2 4 ) 工程硕+ 学位论文 三缸轴向斜盘柱塞泵的设计b 开发 故： 名= a r c t a n ( c o s a t a n 伊) 柱塞头部绕o 旋转的角速度为： d 2d 2d 够c o s o c 缈l2 5 一工。c o s 2q ，+ s i n 2 ( p c o s 2a dt d c pd t 彩 l ( 2 5 ) ( 2 6 ) 故当： 伊：垒学万时，皑达到最大值，最大值为： c 0 ：l ( 2 1 ) l 懈2 u j 矽= 刀万时，劬达到最小值，最小值为： 彩l m 抽= ( - o c o s 2 ( 2 8 ) 由于柱塞球头在o y 。z 。平面( 斜盘平面) 内旋转一周的时间与斜盘本身旋转一周的 时间相等，故其平均旋转角速度相等 柱塞球头沿斜盘表面椭圆轨迹相切的滑移速度为圪： 故圪5 鹏2 尺厅丽i 慕篱蕊 当妒= 考，等时，v 。达最大值，最大值为： r 功 v a 懈2 c o s c z 当9 = 0 ，乃时，。达最小值，最小值为： p h m i n = r a j 平均滑移速度： 2 主fv 加竺f 南 22 尺彩 舻! c o s 2 再+ s i n2丽9cos2cos s i nc o s ， 口 2 3 2 柱塞的位移s 柱塞处于下止点时，球头中心a 在x 轴上的坐标为 x 0 = = - r t a n a c o s 0 = - r t a n c 柱塞转过任一角度后，其球头中心a 在x 轴上的坐标而为 五2 一r t a n 口c o s ( o 柱塞位移为与而的差 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 7 2 斜盘柱塞泵的工作原理和设计要求工程硕士学位论文 s = x o 一而= r t a na rt a na c o s c p = 2 rt a nas i n 2 ( 罢) ( 2 1 5 ) 式中：r 柱塞分布圆半径i r l m ，口斜盘倾角。， 柱塞转到上死点时q ，= 1 8 0 。，柱塞的位移最大： = 2 r t a n 口( 2 1 6 ) 2 3 3 柱塞的速度v p 、滑移速度v h 以及流量波动初步分析 = 坐= 熹塑- - 0 ) 一d s = c a r t a n 删n 伊= 鳖( o s i n 缈(217)art d tdd e j 2 7、 式中：缈斜盘的转动角速度 当缈= 5 万- ，要时柱塞的速度达到最大值： i g m a x i = r c o t a n a t( 2 1 8 ) 柱塞运动的平均相对速度为： v p m 删= 1 ，f= 昙r 国t a n 口= 1 1 5 r n t a n 口 ( 2 1 9 ) 从“式( 2 1 7 ) ”可以知道柱塞的速度按照正弦曲线变化，不带空气室的往复柱塞泵 的体积流量与柱塞的速度成正比，而不管柱塞速度波动究竟有多大。若z 个相同的单 作用泵一起并联运行，彼此相位差为3 6 7 0 。，则流量波动将会减弱。通过单个柱塞速 度的叠加，可以求的总的柱塞速度k ( 用粗实线表示) ，z 为柱塞的个数，假定谐波 运动的振幅即“式( 2 1 7 ) ”中的：r c o t a n a = l ，纵坐标为r m t a n a = 1 时的柱塞速度 v p 值，横坐标为斜盘的转角。 从图2 4 中可以看到单作用双缸泵在体积流量波动方面并未带来多大好处，与此 相反，三只相同泵缸的配置却显著改善了流量的波动。随着缸数的增多，流量波动也 随之减弱，而且奇数缸泵的流量波动要比偶数缸泵的波动要好。四缸泵的流量波动明 显大于三缸泵。 图2 4 吸入冲程中单缸泵的柱塞速度v 和多缸泵的柱塞速度矿与斜盘转角矽的 关系。 单缸柱塞速度曲线 8 三堡硕十学位论文 三缸轴向斜盘柱塞泵的设计与开发 1 2 l 0 8 趔0 6 蜊0 4 o 2 0 一o 2 两缸柱塞速度曲线： 1 2 1 o 8 蜊0 6 喇0 4 0 2 o o 2 三缸柱塞速度曲线： 1 2 1 0 8 蜊0 6 蜊0 4 o 2 0 0 2 八 7 一 ，tttt，tvtt )1n n9 n n爻n na f 角度。 7 qq 卜一v 卜 1n n9 n nq n n4 r 角度。 角度4 0 9 2 斜盎柱寒泵的t 作原理和设计要求工程硕上学位论文 四缸柱塞速度曲线： 1 6 1 4 1 2 1 蜊0 8 蝴0 6 o 4 0 2 0 一o 2 l ，学兰些：i 乏弋f 舱阵 玉z 厂一 钐以i 、1 1n nn n n n i - iaj 角度。 图2 4 吸入冲程中单缸泵的柱塞速度和多缸泵的柱塞速度与斜盘转角的关系 2 3 4 柱塞的加速度分析 口= 坐= 妥塑= 缈要( r 缈t a n 心n 缈) ：r 缈2t a n a c o s c p ：垒# c o s 缈( 2 2 0 ) d t d d 够td 、 “ 2 i、 当缈= o ，万时，也即柱塞处于上下止点时，柱塞的加速度最大，最大加速度为： i a m a x i = r 缈2t a n 口 ( 2 2 1 ) 柱塞的振荡运动使柱塞在前半冲程中加速，在后半冲程中减速。如果是谐波运动， 假定谐波运动的振幅r o j t a n a = 1 ，则加速度的最大值为1 。在三缸泵或多缸泵中，柱 塞的加速度相互重叠。总加速度a ，用粗实线表示。 图2 5 为吸入冲程中单缸泵的柱塞加速度a 与多缸泵总的柱塞加速度a ，与斜盘转 角矽的关系。 如果排除弹性变形这一因素，则液体在连接管路中的加速度与柱塞的加速度成正 比。就六缸泵而言，在相同管路断面下的流量虽然达六倍之多，然而加速度并不大于 单缸泵。只有把单缸泵和六缸泵的管路断面积选得使其平均速度相等时，六缸泵管路 内的质量加速度和它引起的压力波动才会缩小六倍。因此奇数的泵缸数越多，则在平 均流速相同的情况下，流量波动、管路中质量加速度波动和压力波动就越小f l 】。 下图为吸入冲程中单缸泵的柱塞加速度和多缸泵的柱塞加速度与斜盘转角的关 系，双缸柱塞加速度曲线： 1 0 工程硕+ 学位论文 三缸轴向斜盘柱塞泉的设计与开发 1 5 1 0 5 蜊 瑙0 口 - # 一0 。5 1 - 1 5 、。j jj | 。苏 、 2 0 0 、即0 4 1 三缸柱塞加速度曲线： 1 5 1 0 5 堪 蝴0 七工 氖 一0 5 1 - 1 5 四缸柱塞加速度 1 5 1 0 5 魁 删0 最 一0 5 一l 一1 5 角度。 角度。 角度。 图2 5 吸入冲程中单缸泵的柱塞加速度和多缸泵的柱塞加速度与斜盘转角的关系 2 3 5 柱塞在斜盘平面内的运动轨迹 2 斜盘柱寒泵的工作原理和设计要求 下程硕十学位论文 r 2 r 2 l z i = o j ， c o sc z r s i n q ， 2 3 6 柱塞在垂直于泵体轴线平面内的运动轨迹 仨 2 3 7 柱塞球头沿斜盘表面的滑移速度 尺缈 v 2 c o s c z v h 面= r o ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 从上述的计算可知，柱塞与斜盘除了往复运动和相对运动外，还会因滑移运动和 摩擦而产生绕其自身轴线的转动，这无论对于均匀磨损还是对于改善润滑都是有利 的。 2 4 流量与脉动分析 2 4 1 流量分析 容积式柱塞泵的理论排量是其柱塞单位时间内所划成的几何容积。 平均理论流量绋，斜盘每旋转一周，柱塞完成一次吸水和排水，在此期间密封容 积的最大变化量为： a v = 去刃2 r t a n g ( 2 2 6 ) 1 2 若柱塞的个数为z ，则泵每旋转一周，理论排量： q ，= 1 5 7 d 2 r z t a n a f 所以泵的排量与斜盘倾角的正切成正比 若泵的转速为n 则泵的平均理论流量： 绋= n q ，= 1 5 7 d 2 r n z t a n o t ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 工程硕士学位论文三缸轴向斜盘柱塞泵的设计与开发 泵在工作时，由于阀系的泄漏，使泵的实际流量低于理论流量设泵的容积效率为r 。， 则泵的实际流量： q = 1 5 7 d 2 z n r r i 。蚀口 ( 2 2 9 ) 一个柱塞的瞬时理论排量 = 弓珈， ( 2 3 0 ) 其中：d 一柱塞的直径 ， 1 l ，- 柱塞相对缸体的移动速度 将“式( 2 1 7 ) 带入“式( 2 3 0 ) ，则得到第一个柱塞的瞬时理论排量： “= 三d 2 r c o t a n a ! s i n 妒 ( 2 3 1 ) 若泵有z 个柱塞分布于圆周，柱塞角距夕：塾，所以以下各柱塞的瞬时理论排量分 别为 2 1 ： r ，庐r 4 c d 2 灭国t 觚口s i n ( 缈+ 声) 一9 2 = ；r a ) t a n a s i n ( 矽+ 2 ) ( 2 3 2 ) lq i 。- x _ 4 _ d 2 r c o 切n 伽i n ( 伊+ 溯 在z 个柱塞中有t z + 1 个同时工作，因此i 应等于等一1 ，柱塞泵的瞬时理论排量为： 型一l 2 鳞= g 。+ g i + 9 2 + + g ，= q f ( 2 3 3 ) “式( 2 3 3 ) 经过变换整理得： 绋：耘d 2 r ( o t a n a ：喾 4 ， o 1 j 一 4 当。伊譬时取“+ 号，当譬伊时取“- 号， “式( 2 3 4 ) 表明柱塞泵的瞬时理论排量绋是斜盘转角矽的函数，瞬时理论排量 是以= 里2 = 三为转角周期变化的，其脉动的频率将为： 2 斜盘柱寨泵的工作原理和设计要求 工程硕士学位论文 q 一弦一3 0 2 3 5 ) 其中n 为泵轴的转速r m i n ，其变化如图2 6 当z 为奇数时，柱塞泵的瞬时理论排量： 在绋：o ，p _ ，、时为最小值，最小值为 q r m j n = 1 2 x n 4 d 2 r c o t a i l 口c 。t 笪4 ( 2 3 6 ) 在鳞= 鲁，等时为最大值，最大值为 o ，一= - - 三x - - 筹d 2 r a ，伽一c 鲁 ( 2 3 7 ) 柱塞泵的平均理论排量既。可以由“x - - ( 2 3 4 ) 在其变化周期譬内积分平均求得： 既蝴：羟d 2 r c o t a n o 。f 竺参 亿3 8 ， 3 i u 一 4 又积分f fc o s ( 伊- ，鲁) d 缈：2 ，所以“式。2 3 8 ，”变为也即一个周期内泵的理论平 5 儿l 4 均流量： o 砌醐= 三三dz r c o t a n a ( 2 3 9 ) 7 4 咿訾= 如果z 为偶数， 脉动率为： 兀冗 c r q2 j 蚀万 由式“( 2 4 0 ) 的个数z 有关。 1 4 窖跏缈叫蛙1 - c o s - - ) 24 、 万 7 三互d 2 足缈t a n 口 万4 = 三三 ( 2 4 0 ) t a n 2 = l z z 4 z 、 则绋在缈= o ，, a y 撮d 、，而在矽= 譬，警时为最大。经整理可得其 ( 2 4 1 ) 、“式( 2 4 1 ) ”可以看出斜盘式轴向柱塞泵的排量脉动率只与柱塞 下图是本泵流量脉动图，纵坐标为流量，横坐标为转角。 工程硕上学位论文三缸轴向斜盘柱塞泵的设计与开发 = = 面圃 嫣 1 9 0 1 7 0 1 5 0 l3 0 llo 9 0 7 0 5 0 一实际流量一平均流量 7 气i i 一= 7 芦一一! i = 么 03 06 09 0 转角4 图2 6流量脉动曲线图 奇数的泵缸数越多，则在平均流速相同的条件下，流量波动和管路中的加速度波 动和压力波动就越小，多缸泵这类作用明显减小。从速度、加速度、与流量波动来看， 缸数为奇数的泵尤为适宜。 不同柱塞个数的流量不均匀系数见下表： 表2 1d 】流量脉动与柱塞个数之关系 z3456789l o1 11 2 1 3 。94 9 82 5 31 5 31 0 2 仃 3 1 31 3 97 85 o3 5 2 5 实际体积流量，容积效率 柱塞泵不可能输送由柱塞挤压量求得的理论体积流量q t ，实际体积流量q 通常 小于q t ，并把其比值表示为： 驴蚤 仁4 2 ， 玑称为泵的容积效率。容积效率与比值r 成反比，与产生的压力成正比。这里r 是柱塞或活塞处于回程顶点时，阀间流体的内部体积( c + d ) 和柱塞或活塞的排量d 之比： 1 5 2 斜盘柱塞泵的t 作原理和设计要求 工程硕士学位论文 c + d ，= 一 d 钐 ( 2 4 3 ) 图2 7 1 3 1比值r 和无效容积 柱塞在缸体内进行压缩时，存在两部分容积：一部分是将被柱塞排出的液体容积 d ，它等于柱塞行程h 和柱塞面积a 的乘积：d = a h ；另一部分液体容积如图中的c ， 它只参与压缩膨胀过程，但却始终不排出缸孔以外，因而是一种无效容积。 当柱塞由吸水转向排水的开始时，柱塞虽有行程，但却不能把水压出缸体，而且 先把水压缩，直到缸体的水压提高到泵的工作压力p s 后，才开始排水，这时被压缩 的体积a v 为： a v = ( c + d ) 肥 ( 2 4 4 ) 柱塞的无效行程( 即不压水的行程) 日： a h ：坐：业矽尹 ( 2 4 5 ) 式中：水的压缩系数；a 柱塞的面积。 因而，泵所损失的容积效率日，应等于无效行程的体积( 即被压缩的体积) av 与排出体积v l 之比即： 衄，= 苦= 1 c + 厂d 乒只_ ( 1 + 台肥 ( 2 4 6 ) 或胡，= 只+ 丢肥 式“( 2 4 6 ) 第一项代表有效容积d 受压缩引起的容积效率减少量，第二项代 表无效容积c 受压缩引起的容积效率减少量。 如果我们在泵排水的高压回路上，测量体积流量，则此体积流量比理论流量减少 了，其对容积效率的影响，符合上式的规律，由于一般都是在进水管路测泵的体积流 量，因此第一部分容积效率减小是可以不作计算，故此泵的容积效率损失量为： 卸，：呈肥 1 9 ( 2 4 7 ) 由式“( 2 4 7 ) 、可以看出，无效容积c 越大，泵的工作压力p s 越高，则损失的 容积效率越多，无效容积不仅降低了泵的容积效率，而且由于它参与吸水，排水的膨 1 6 工程硕士学位论文 三缸轴向斜盘柱塞泵的设计与开发 胀、压缩过程，它在排水过程中吸收能量，在吸水过程中又释放能量，这种与无效容 积c 成正比的压缩能在突然释放时，便产生液压冲击而伴随着强烈的噪声。防止因 液体压缩引起的容积效率降低而产生噪声的有效措施是尽可能减小无效容积c ，因此 在设计中要尽量减小缸孔底的无效容积和进、排水单向阀之间的无效容积，经现实的 实验对比分析容积效率r ，有随斜盘倾角增大而增大的趋势( 在其它条件不变的情况 下，斜盘角度增加，相当于无效容积c 减小) 。随着转速的增加和压力的升高，容积 效率也下降。 导致体积流量减少得因素有： 1 、处于过压下的密封机构的泄漏( 阀门、卸荷阀、柱塞密封) ； 2 、吸入过程中，由于负压过大，流速过高( 大于2 m s ) ，带来的汽泡析出进水口 所有管道最小面积大小与最大流量需要做匹配，流速不允许大于2 m s ，一般要留一定 安全余量，不然将严重影响容积效率，由于气泡产生后，气泡压缩后突然压力减小带 来破裂。带来相当大噪声，同时还会带来穴蚀现象； 3 、阀门迟开或迟关( 由于阀门位移，吸程过大，结构不当等等) 4 、输送介质和水泵材料在高压下的弹性等。 我们对某一款泵的性能参数利用电涡流测功机进行实际测量，参见图2 8 。 该泵系我公司该年度所研发的另外款家用高速斜盘柱塞泵。 1 7 2 斜盘柱塞泵的工作原理和设计要求 工程硕士学位论文 压力容积效率 8 9 0 8 7 0 8 5 0 8 3 0 8 1 0 7 ，9 0 7 7 0 7 5 0 7 3 0 7 1 0 6 9 0 6 7 0 6 ，5 0 6 3 0 6 ，1 0 5 9 0 5 ，7 0 5 5 0 5 3 0 5 1 0 4 9 0 4 7 0 4 5 0 4 3 0 4 1 0 3 9 0 3 7 0 3 5 0 3 3 0 3 1 0 2 9 0 2 7 0 2 5 0 2 3 0 2 1 0 1 9 0 1 7 0 1 5 0 1 6 5 0 01 7 5 0 01 8 5 0 01 9 5 0 02 0 5 0 02 1 5 0 02 2 5 0 02 3 5 0 0 功率流量 ，d 一 _ e r r j a歹 r ， 、 - ，叫 口 、匕 。l ， dnr 卜、， ， 、_k 。_ _ 童 厂 、 甚一一 ， 7 ， 一 j 。 ， 歹r 、一 ， h 厂 厂 ， 7 j - r ， 一一a 芦。 z ， 一，厂 厂 ，一 f ， s ，。 ，。 6 ， ? 1 6 7 0 01 7 6 8 02 0 5 2 52 15 0 02 2 5 5 22 3 5 3 02 4 6 0 0 n ( r l m l i t ) 图2 8 本公司某型泵性能曲线图 3 0 0 o 和压力 2 9 0 0 ( m p a ) 2 8 00 小容积效率 ( 。1 0 ) 2 7 0 o + 功率 ( 1 0 w ) 2 6 0 0 弘流量 2 5 0 0 ( l h ) 2 4 0 o 2 3 0 o 2 2 0 0 2 1 0 o 2 0 0 0 1 9 0 o 1 8 0 0 1 7 0 o 1 8 0 ，o 1 5 0 o 1 4 0 0 1 3 0 ，0 1 2 0 o 1 1 0 0 1 0 0 o o 8 0 0 7 0 0 上图横坐标为泵的转速，纵坐标分别为容积效率、功率、压力与流量。从上图看 容积效率随着转速的上升而下降，并且变化的趋势与压力的变化趋势相反，故随着压 力的升高容积效率下降。 下面再看无效容积对容积效率的影响实例，本实验通过改变斜盘的角度而改变无 效容积，斜盘角越大则无效容积越小。同时保持枪的口径不变，利用电涡流测功机进 行实际测量，结果参见图2 9 。 1 8 工程硕上学位论文 三缸轴向斜盘柱寨泵的设计与开发 9 2 9 6 9 0 8 8 褥8 6 较8 4 9 6 鬟黧 7 8 7 6 9 6 7 4 9 6 34 56789 压力m p a 图2 9 无效容积与容积效率曲线 从上图可以看出在压力相同的条件下，斜盘角度越大容积效率越高；排出压力越 大容积效率越低。这为我们的设计指明方向。 2 6 转矩与机械效率 假定泵的吸入和排出压力保持恒定，那么柱塞泵的平均转矩则取决于泵的转速， 这意味着柱塞泵是一个“恒定转矩 装置，将含有一个平滑的转速一转矩曲线，输入 轴需要的转矩如下： m = 9 5 4 9 p n 式中：m 一泵的转矩n m ；1 3 泵的转速r m i n ；p 一泵的轴功率k w 起动转矩是泵开始运动到使其加速到恒定转速需要的扭矩。如果泵起动时依靠打 开泵的吸入旁路，则转矩需要量为运转扭矩的2 5 ，如果泵在全排出压力下起动， 则转矩需要是为运转转矩的1 2 5 ，因此在选择驱动系统时，必须考虑起动转矩，特 别是在进行感应电机的选型时。 柱塞泵的机械效率： r m = p 撇| p n 式中。 为驱动装置的输入功率。 柱塞泵的机械效率是所有液力端和动力端的摩擦损失总和，这些损失包括柱塞和 填料、活塞杆密封和轴承的损失，单作用泵的机械效率通常超过9 0 ，大多数动力 泵被设计成允许范围的柱塞尺寸。当用较大的柱塞时，填料密封圈和活塞衬套增加 的直径比应用较小部件时导致更大的摩擦损失。通常，柱塞直径增加一倍，机械效 率下降8 ，机械效率也受泵的转速和在较小的程度上也受产生压力的影响。 1 9 3 柱塞泵主要参数和总体结构漫计 工程硕上学位论文 3 柱塞泵主要参数和总体结构设计 3 1 方案设计概述 小型高压泵的设计原则是：工作压力较高，流量适中，使其以清水射流能够剥离 多种类型的表面垢层；体积小，重量轻，便于移动，使用可靠性强；操作方便，压力 脉动小，兼有吸液和调压等多种功能。 因此，高压零部件的选材，结构设计，高压动静密封的设计，进、排水单向阀组 的设计都必须十分重视，而获得压力平稳所采用的三柱塞结构，又必须依赖提高泵速 来达到高参数与小尺寸和低成本的对立统一。 p e 2 8 0 0 型柱塞泵采用1 6 8 f ( 6 5 h p ) 汽油机直接驱动，即泵速3 4 0 0 r m i n ，为把 柱塞速限制在1 8 m s 范围内，必须合理地选择柱塞分布圆直径和斜盘的角度控制行 程，柱塞的直径由下式预估柱塞直径d n ： d = ( 1 1 0 9 ) 3 q ，一z2 1 0 8 0 m m ( 3 1 ) q r 一= q ( n r l ，) - 2 1 幸3 7 8 5 1 0 ”3 4 0 0 木0 8 2 9 2 2 2 4 m m 。 ( 3 2 ) 式中：z 柱塞个数，q 流量，n 转速，r 。容积效率 根据标准选柱塞直径d 为1 2 m m ，同时考虑到径向尺寸和加工的实际情况，选择 柱塞分布圆半径r = 1 9 5 m m ，斜盘倾角q = 1 3 6 5 。，这样，由“式( 2 1 8 ) ”得柱塞的速 度为： v ：口： ：1s，mx r o t a n1 95 2 n 3 4 0 0 t a n l 36 57 m 6 0 式中：r 回转半径，彩回转角速度，口斜盘倾角 根据确定的结构参数对该泵的性能做以下计算： 表3 1 性能参数计算表 性能参数计算表 发动机转速r m i n传动比 泵轴转速r m i n 柱塞直径m m回转直径m n l 3 4 0 0 0 01 0 03 4 0 0 0 01 2 0 03 9 0 0 斜盘角度。柱塞行程m m容积效率喷射流量l p h喷射流量g p m 1 3 6 59 4 78 0 5 1 5 1 82 2 7 实际压力m p a 实际压力p s i 泵有效功率k w泵效率发动机输出功率k w 1 8 0 02 6 1 2 4 52 4 07 0 4 4 l 泵消耗功率k w枪最小口径m m枪最大口径m m 3 4 31 0 3 51 0 8 5 2 0 工程硕上学位论文三缸轴向斜盘柱寒泵的设计与开发 泵的速度是柱塞泵最关键的选择标准之一，柱塞泵的旋转和往复部件速度经常容 许是泵的实际额定速度的两倍，泵的最大速度由液力端的结构、预期的吸入系统的水 力能力，以及柱塞、填料阀门的期望寿命来决定。由于n 值大副提升，为了弥补由此 对动力端和液力端造成的不良影响，整体设计中采取了以下措施： 尽量减小行程比1 l ，现在： 1 l ，= s d = 2 r t gq d = 9 4 7 12 = 0 7 9 式中：d 一柱塞直径，r - 回转半径，口斜盘倾角 由于采用三柱塞泵，不但减少了惯性水头，柱塞力： f = 竺