（机械制造及其自动化专业论文）水压轴和柱塞泵的研究.pdf

摘璺 两姜水压驱动技术因具有环保、节能、安全等突出优点而成为人们广泛关注的新型驱动技术。重视和发展水压驱动技术要求解决其存在的关键技术，如润滑性差、对一般金属腐蚀性强及泄漏量大等，才能促进水压传动技术步入新的台阶。在水压技术的研究中，以轴向柱塞泵为代表的水压泵的开发是极其关键的，也具有较大难度。参照油压技术的设计理论，并以油压轴向柱塞泵的结构为设计基础，选用新型材料，参照现代设计方法，采用新的结构，设计水压轴向柱塞泵。在轴向柱塞泵的设计中，柱塞的设计是极其关键的，柱塞的受力分析较复杂。在本文中，对柱塞进行了三维受力进行了全面分析，并用m a t l a b 语言编写了仿真计算程序，对柱塞副在不同位置时的受力情况进行求解，为选择合适可靠的设计提供依据，利用此仿真计算程序分析现有柱塞泵的接触比压值和最大受力点等设计指标。由于水压轴向柱塞泵设计繁琐，设计周期长，经常出现重复性劳动，效率较低。因此，在设计的基础上进行了水压轴向柱塞泵系统的软件开发。在分析各种数据库和网络应用技术的基础上，研究建立基于柱塞泵系统整套方案，从网络应用技术方向入手，通过分析研究客户服务器( c s ) 结构，提出一个适合于柱塞泵统的技术方案，设计、实施、开发一套适合柱塞泵系统的应用现状与需求的软件系统。系统采用客户i n 务器( c l i e n t s e r v e r ) 体系结构，及v i s u a lb a s i c 60 开发平台，开发了一套水压柱塞泵软件系统，验证了系统的可行性和优势。材料是影响水压技术发展的关键难题。由于水的特殊性能，传统摩擦副不再适应水压轴向柱塞泵，需要大力研究新型的摩擦副材料。为此，在目行研制的摩擦磨损冲蚀实验机上进行了大量的摩擦副摩擦磨损试验。并在实验的基础上，系统全面研究了不锈钢一不锈钢、不锈钢一陶瓷、聚四氟乙烯一陶瓷、不锈钢一聚四氟乙烯四对摩擦副分别在不同工作环境下的摩擦磨损状况，分析其磨损机理，计算出其摩擦系数。试验研究表明，不锈钢一陶瓷摩北京工业大学工学硕士学位论文擦副具有摩擦系数最小、磨损率最小、摩擦性能稳定等优点，可作为水压轴向柱塞泵摩擦副材料。关键词水压；轴向柱塞泵；柱塞a b s t r a c tw a t e rh y d r a u l i c s ，a sak i n do fn e wt e c h n o l o g y ，i sw i d e l yc a r e db e c a u s eo fi t se n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n s ，e n e r g y s a v i n g sa n ds a f es o l v i n gt h ed i f f l c u k i e so fw a t e rh y d r a u l i c s ，s u c ha sp o o rl u b r i c a t i o n ，s e r i o u se r o s i o nf o rc o r n o nm e t a l s ，a n dl a r g el e a k a g e ，a r et h er e q u i r e m e n tt od e v e l o pi t ，w h i c hc a na l s op r o m o t eh y d r a u l i c st oan e ws t e p o nr e s e a r c ho fw a t e rh y d r a u l i c s ，t h ed e v e l o p m e n to fw a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pi se x t r e m e l yv i t a la n di sm u c hd i f f i c u l t w a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pi sd e s i g n e d ，a c c o r d i n gt od e s i g nt h e o r yo fo i lh y d r a u l i ca n do nt h eb a s e do ft h es t r u c t u r eo ft h eo i lh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m p i nd e s i g n ，n e wm a t e r i a l s ，m o d e md e s i g nm e t h o d sa n dn e ws t r u c t u r ea r es e l e c t e dt h ed e s i g no fp i s t o ni sv i t a li nt h ed u r i n go fd e s i g no fw a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np a m p ，t h ea n a l y s i so ff o r c eo fp i s t o ni sc o m p l i c a t e d ，i nt h i sa r t i c l e ，t h r e e d i m e n s i o n a lf o r c es i t u a t i o ni sa l l s i d e da n a l y z e d t h ee m l u a t o ri sc o m p i l e di nm a t l a b t h ef o r c i n gs i t u a t i o na td i f f e r e n tp l a c eo ft h ep i s t o ni ss o l v e da n dp r o v i d ei n f o r m a t i o nf o rs e l e c t i n gc r e d i b l ed e s i g n a n a l y z ev a l u eo fp va n dt h ep o i n to ft h el a r g e s tf o r c i n gs i t u a t i o nm a k i n gu s eo ft h ee m l u a t o r ，t h ed e s i g no fw a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pi sc o m p l i c a t e d ，t h ep e r i o do ft h ed e s i g ni sl o n g ，t h el a b o ri sr e p e a t e d ，t h ee f f i c i e n c yi sb a ds o ，t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mo fw a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pi se m p o l d e r e d b u i l d i n gt h ew h o l ep r o j e c tf o rt h ea u t o m a t i z a t i o ns y s t e mo ft h ep u m po nt h eb a s i co fa n a l y z i n gd a t a b a s ea n dn e t w o r ka p p l y i n gt e c h n i q u e t h r o u g ha n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo fc s ，ab l u ep o i n tf o rb u m pa u t o m a t i z a t i o ni sp u tf o r w a r d ，t h es y s t e ma d o p tt h es t r u c t u r eo fc sa n dt h ee x p l o i t u r ep l a t f o r mo fv i s u a lb a s i c 60 as o f t w a r es y s t e mf o rp u m pi se x p l o i t u r e d v a l i d a t i n gt h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g eo ft h es y s t e m m a t e n a li sav i t a ld i f f i c u l t yo fi n f l u e n c i n gt h ed e v e l o p m e n to fw a t e r1 1 1 一北京工业大学工学硕士学位论文h y d r a u l i c i ti sn o ts u i tf o rw a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e ra n dn e e d i n gu st or e s e a r c hs t r o n g l yn e wm a t e r i a l so ff r i c t i o nm a t c h i n gt h e r e f o r e ，w em a d eal o to fe x p e r i m e n to ft h ef r i c t i o na n dw e a r i n go ft h em a t c h i n go nt h eb a s i co ft a k ea d v a n t a g eo ft h eh o m e m a d ee q u i p m e n t o b s e r v i n gs e p a r a t e l yt h es i t u a t i o no ff r i c t i o na n dw e a r i n go ft h es t e e l s t e e l 、s t e e l c e r a m i c 、s t e e l t e f l o n ，、t e f l o n c e r a m i co ft h ed i f f e r e n tw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n a l y z i n gt h e i rw e a r i n gm e c h a n i s m ，w o r k i n g o u tt h e i rf r i c t i o nc o e f f i c i e n t e n s u r i n gs t e e l c e r a m i co ft h eb e s tc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el e a s tf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h el o w e s tw e a r i n gr a t ea st h em a t e r i a lo fs l i d i n gs h o e sh y d r o s t a t i cb e a r i n go fw a t e rh y d r a u l i c k e y w o r d sw a t e rh y d r a u l i c s ；a x i a lp i s t o np u m p ；p i s t o n独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名日期关于论文使用授权的说明q 争ij 认。本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：迹导师签名住良生吼三坐呕第1 章绪论第1 章绪论1 。1 研究水压技术的意义水压传动技术是直接以天然淡水或海水代替矿物油作为液压传动系统工作介质的一门“新技术”。所谓“新技术”是相对目前广泛应用的以矿物油作为工作介质的液压传动技术而言。由于水具有清洁、无污染、安全、廉价、取之方便、再利用率高、处理简单等优点，用其取代矿物油不仅能够解决未来因石油枯竭带来的能源危机，而且能够解决困矿物油泄漏和排放带来的污染问题，是一种非常理想的“绿色工作介质”。目前，虽然以矿物油为工作介质的液压系统己广泛应用于机械制造、工程机械、农林机械、矿l u 、冶金、石油化工、交通运输、海洋作业、军事器械以及航空航天和原子能等技术领域，但是随着近二十年来日趋严峻的环境与能源约束，以及由此带来的绿色制造技术的逐渐兴起和社会对可持续发展的要求，这给水压传动技术的发展带来了难得的机遇，已开始引起人们的关注。目前，西方些发达国家非常重视这一技术的研究和应用，并且开始有成熟的产品出现“，走在了前面。鉴于目前这一技术尚处于起步阶段，国外对一些关键技术和资料采取了封锁和保密政策，同时面对我国目前日趋严峻的能源与环境现状，积极开展水压传动技术的研究，形成具有自主知识产权的技术和产品已非常必要，而且势在必行。1 2 水压传动技术发展的历史与现状l 。2 1 发展历史与未来趋势1 液压传动技术发展的开端一水压传动早在1 8 世纪末英国j o s e p hb r a m a h 根据帕斯卡提出的静压传递原理制成了世界上第一台水压机，它是最早出现的具有真正意义的液压传动技术，当时所采用的工作介质就是天然淡水，可以说是水压传动技术发展的开端“+ ”。在此后的一百多年呈，水作为唯一的工作介质一直使用，水压传动技术曾先后出现在阿姆斯特龙哥水压行车、奥斯特的水压电梯、爱菲尔铁塔用水压电梯“，并在压力成型机、材料试验机、港口吊车、冶炼厂等广泛应用1 北京工业大学工学硕士学位论文“3 。但由于水的粘度低、润滑性能差、饱和蒸汽压力高、腐蚀性强、易被污染等缺点以及受当时科学技术水平的限制，水压元件制作材料，特别是密封材料，一直没能得到有效解决，水压元件存在磨损、腐蚀、气蚀、冲蚀、泄漏等严重问题，使得水压传动技术的发展受到很大程度上的限制，最高工作压力仅为l o m p a “1 。2 油压传动技术全面发展阶段到了二十世纪初，随着石油工业的兴起和化学工业的发展，相继出现了矿物油和耐油合成橡胶密封材料。由于矿物油具有粘度大、润滑性能好、防锈、相容性好等优良的综合理化性能，是一种比较理想的液压传动工作介质，而且耐油合成橡胶密封材料的问世有效地解决了密封和泄漏问题，克服了水压传动技术的许多缺点，使液压元件和系统的性能大大提高，极大地推动了液压传动技术的发展，并最终取代了水压传动，使得以矿物油为工作介质的液压传动技术得到迅速推广，并一直占据主导地位，成为液压传动技术发展的主流”。到目前为止，8 5 的液压传动系统中所使用的工作介质仍然是矿物油“1 。但是矿物油也存在易燃、泄漏和排放污染环境、长期使用容易氧化和变质、抗剪切能力差、粘度受油温影响大、再利用率低、废物处理难等严重弊端，特别是随着未来石油资源的逐渐枯竭，矿物油将成为稀有资源，其成本也会急剧增加，这种传统液压技术的发展将面临严峻挑战。而且在七十年代，就曾一度因为石油危机的出现而导致了高水基液取代矿物油的研究热潮，只是到了八十年代，由于石油价格的暴跌以及技术上和经济上的原因，人们对高水基液研究的兴趣才开始下降，而且高水基液中含有的l o 化学添加剂仍然存在污染问题，目前水基液作为工作介质主要应用在些特殊的高温场合。3 水压传动技术重新崛起阶段2 0 世纪7 0 年代以来，工业污染所导致的全球性环境恶化达到了前所未有的程度，生态危机日益严重。以液压油排放为例“。，仅美国每年所消耗的数百万吨液压油中只有百分之几能够回收利用，多达8 j 的液压油是因灾难性管道破裂或安装及密封不当缓慢泄漏，被简单地排放到大自然中，直接第1 罩错论进入大气、土壤和地下水中。据估计，全球每年约有7 0 0 万桶液压油因泄漏和管道破裂而浪费，并造成严重的环境污染和生态破坏。迫使人们开始重新重视环境、重视生态，以拯救人类生存的地球，确保人类的生活质量和经济的持续健康发展。特别是进入9 0 年代以来，世界各国的环保战略开始呈现新的绿色战略趋势，即向资源利用合理化，废物产生少量化，对环境无污染或少污染的方向发展，绿色产品逐渐兴起，绿色产品设计技术和方法成为研究的热点，而绿色产品设计的关键技术就是面向环境、面向能源、面向材料的殴计技术”。因此，随着人们对环保、安全、卫生的重视以及社会对可持续发展的要求，矿物油作工作介质时所固有的弊端逐渐暴露出来，使得传统液压技术的发展面临严峻的考验。虽然近几年也研制出可通过生物迅速降解的液体介质，如菜油基和合成脂基液体介质等。“，但水作为一种清洁能源，是任何液体所无法比拟的，其优点愈来愈显著，特别是近十年来材料学、摩擦学、润滑与密封理论、计算技术、精密加工技术等相关学科的发展，克服了水作为工作介质时的某些缺点，使得人们开始重新考虑海水和淡水这一清洁能源作为液压传动系统工作介质的重要性，引起了人们的普遍关注。自2 0 世纪8 0 年代以来，日本、美国、英国、德国、丹麦、芬兰等西方各发达国家都相继投入大量的人力、物力和财力进行水压传动技术的研究，并成立了相应的专门委员会，集中力量进行水压传动关键基础技术的研究，并取得了突破性进展，而且已有成熟的产品出现“1 。目前，水压传动技术研究已成为流体传动与控制技术领域国际学科前沿的一个重要研究方向之一，是国际液压行业一个新的经济增长点。4 水压传动技术全面发展阶段可以预测，在未来的十年、几十年，甚至上百年里，随着石油资源的不断枯竭，矿物油价格的急剧上升，加之人们环境和生态意识的不断增强，各国环保法规和政策将更加严格和规范，矿物油的使用和排放将会受到越来越严格的限制，各种新型绿色环保的液压传动介质将会不断问世，那时会出现一个竟相争鸣的阶段，但是水作为一种最为清洁和环保的绿色工作介质，是任何液体所无法取代的。特别是今后随着工业革命逐渐向海洋开发和核能工北京工业大学工学硕士学位论文业转移，水压传动技术将有着更加特殊的应用领域。因此，随着液压技术及其相关科学技术的不断丰富和完善，水压传动技术必将取代油压传动技术，占据主导地位，成为液压传动技术发展的主要趋势。纵观液压传动技术发展的历史与未来趋势，液压传动技术发展的各个阶段可以通过图1 直观的表示出来。发展趋势aa 一液压传动技术开端水压传动b 、c 、d 一油压传动技术全面发展阶段e 、f 一水压传动技术重新崛起阶段bg 、h 一水压传动技术全面发展阶段cd圉e 叨f口纯水囫矿物油囝台成脂基介质固水基液口植物油基介质口其它环保型介质gh，卜发展进程图1 1液压传动技术发展的历史与未来趋势图1 2 2 国内外研究和发展现状1 国外研究发展概况现代水压传动技术的兴起可追溯到上世纪6 0 年代束美国海军进行的海水液压传动技术的研究“。由于海水具有与海洋特定环境相容以及清洁、环保、安全、经济节能等突出优点，能够很好地满足某些特殊情况下的使用要求。从上世纪7 0 年代中期，西方一些发达国家都相继开展了海水液压传动技术的研究与开发，并在水下作业、海洋开发和舰艇上得到实用。进入9 0 年代后又出现了以自来水为工作介质的液压产品，并已应用在焊接机器人、水力切割、食品机械、锻压机械、垃圾装运、清扫机械、水压举升等设备上。从此，国际上掀起了水压传动技术研究的热潮，成为现代水压技术全面发展的开端。l j 海水液压泵和马达“。”。( 1 ) 美国第1 蕈绪论1 9 8 0 年美国海军工程实验室( n c e l ) 率先研制出海洋作业用海水叶片马达，其最大工作压力7 m p a ，转速1 8 0 0 r m i n ，总效率达8 0 。马达的叶片、配流盘和轴承材料选用t o r l o n4 3 0 1 ( 填充聚酰胺酰亚胺) ，端盖、轴、转子和定子材料选用因科合金。此后，又进行了双向海水叶片马达和潜水作业液压系统的研究，并于1 9 8 4 年研制出压力为1 4 m p a ，流量为4 5 。m i n的海水液压系统。1 9 8 5 年美国i s t id e l a w a r e 公司与d e l a w a r e 大学开始合作研制柱塞式海水泵，并于1 9 8 8 年研制成功阀配流式海水柱塞泵，泵的最大工作压力6 2 m p a ，流量1 9 i 。m i n ，容积效率达9 0 以上，泵体用填充环氧树脂，斜盘、轴、缸体衬里用奥氏体不锈钢，轴承、柱塞、滑靴等采用塑料。( 2 ) 英国1 9 7 8 年英国皇家海军与国家工程实验室( n e l ) 开始合作研究海水液压水下作业工具。1 9 8 8 年f e n n e r 公司研制出端面配流式轴向柱塞海水泵和马达，它们的最大工作压力为1 4 m p a 和l o m p a 、额定流量为7 5 l m i n 和4 0 h m ir l ，最大转速为1 8 0 0 r m i n 和3 0 0 0 r m i n 。泵体、端盖等采用铝合金，定隙回程盘、滑靴底面、球窝、柱塞套、缸体端面、滑动轴承等采用增强聚酰亚胺塑料，斜盘、滑靴、柱塞、缸体、配流盘、轴等采用a i s1 3 1 6不锈钢。1 9 9 6 年h u l l 大学采用整体陶瓷作缸体、配流盘和柱塞获得成功。( 3 ) 芬兰1 9 9 4 年芬兰h y t a ro y 公司和t a m p e r 理工大学合作开发海水液压系统，研制出端面配流式轴向柱塞高压海水泵，泵的最大输出压力达2 1 0 m p a ，转速为3 0 0 1 8 0 0 r m i n ，容积效率超过9 2 ，而且可以作马达使用，关键对偶摩擦副材料均采用纤维增强塑料与硬化的金属或陶瓷组合。( 4 ) 日本1 9 9 1 年日本小松( k o m a t s u ) 制作所研制出端面配流轴向柱塞式海水液压泵，泵的额定压力2 1 m p a ，额定转速1 5 0 0 r m i n ，额定流量3 0 。m i n ，总效率达9 2 。其配流盘、缸套、滑靴和滑动轴承采用碳纤维增强高分子塑料( c f r p ) ，缸体端面、轴径、柱塞斜盘等均采用陶瓷。1 9 8 9 年日本萱场( k a y a b a ) _ - e 业株式会社与法国b r o n z a v i af i r e q u i p m e n t 公司合作研究开北京工业大掌工学帧士学位论文发出阀配流轴向柱塞式海水液压泵，泵的最大工作压力2 1 m p a ，最高转速1 8 0 0 r m i n ，容积效率超过8 5 ，机械效率超过9 0 ，该泵的斜盘、柱塞、轴承均采用陶瓷，滑靴和缸套采用碳纤维增强塑料( c f r p ) 。1 9 8 1 年日本川i崎重工业技术研究所开始研制超高压海水液压泵，用于6 0 0 0 米深潜调查船，并与1 9 8 3 年研制成功阀配流轴向柱塞式海水液压泵，泵的工作压力高达6 3 m p a ，流量6 g l m i n ，转速2 0 0 0 3 0 0 0 r m in ，泵的缸体和柱塞的基体采用不锈钢，用a l ：o 。作缸体衬里，柱塞表面喷涂a l 。o 。和t i o 。此后，对上述液压泵进行改进，柱塞用镍合金作基体，表面喷涂w c ，配流阀用钛合金，阀体用钛材，于1 9 8 7 年研制出6 5 0 0 米深潜调查船海水柱塞泵，工作压力达6 8 5 m p a ，流量5 l m i n 。( 5 ) 德国德国h a u h i n c o 公司研制出径向5 柱塞海水液压泵，采用平板阀配流，泵的滑动轴承、配流阀体、柱塞头部滑靴及柱塞套均采用碳纤维增强工程塑料( c f r p ) ，对偶材料均为耐蚀合金，泵的流量从2 0 7 0 0 l m i n 有5 个系列，最大工作压力达到3 2 m p a 。2 ) 自来水( 淡水) 液压泵和马达”31 9 9 4 年丹麦d a n f o s s 公司率先推出了工作压力为1 4 1 6 m p a 、流量为1 5 1 4 0 l m i n 的第一代n e s s i e “系列现代自来水液压元件，生产的轴向柱塞泵的排量为4 8 0 m l r ，最大工作压力1 6 m p a ，轴向柱塞马达的排量为4 1 2 5 m l r ，最大工作压力1 4 m p a ，转速高达4 0 0 0 r m i n 。1 9 9 7 年又推出了双向自来水叶片马达，马达的最大工作压力5 m p a ，最大输出转矩l l o n m ，排量16 0 m l r ，转速为2 0 2 0 0 r m i n ，总效率为8 0 ，马达的叶片采用p e e k 聚合物材料，其它主要部件采用不锈钢。德国h a u h i n c o 公司生产的e h k 一3 k 系列柱塞泵，流量为8 7 0 0 l m i n ，压力为1 5 8 0 m p a 。日本研制的水液压泵压力达到2 1 m p a ，转速为1 8 0 0 r m i n ，容积效率为8 6 ，总效率达8 l 。3 ) 水液压阀( 1 ) 压力控制阀“美国h u n t 阀公司研制生产出先导式水液压溢流阀，工作压力为2 i m p a 。第1 苹绪论丹麦d a n f o s s 公司研制出直动式溢流阀，其最大流量为6 0 l m i n ，压力调节范围为0 2 5 1 4 m p a 。日本n a b c o 公司研制出平衡活塞式先导溢流阀，其最高工作压力达1 9 6 m p a ，最大流量1 l o l m i n 。( 2 ) 方向控制阀”31 9 9 4 月。麦d a n f o s s 公司研制生产出第一代二位二通v d h3 0 e 型方向控制阀，其最高工作压力1 4 m p a ，最大流量6 0 h m i n 。1 9 9 7 年又研制出压力为5 m p a 的三位四通电磁换向阀。美国e l w o o d 公司研制生产出三位四通手动滑阀式换向阀，其最高工作压力4 2 m p a ，最大流量4 2 l m i n 。德国h a u h i n c o 公司生产的压力为3 2 m p a 的二位三通滑阀式换向阀。2 0 0 0 年芬兰t a m p e r e 科技大学研制出用于低压系统的二位二通电磁换向阀，最大压力3 m p a ，最大流量l o h m i n 。( 3 ) 流量控制阀“丹麦d a n f o s s 公司研制出带压力补偿的v o h 3 0 m 型流量控制阀( 调速阀) ，其最大和最小流量分别为3 0 l m i n 和2 l m i n ，最大和最小压降分别为1 4 1 5 m p a 。( 4 ) 水液压比例阀“3 。“ ”7 。”11 9 9 7 年丹麦d a n f o s s 公司推出了用于低压系统的电磁比例流量控制阀，其最大压力7 m p a ，最大流量2 5 l m i n ，阀的主要部件采用不锈钢和聚合物材料。德国h a u h i n c o 公司研制出二位二通和二位三通比例方向球阀以及滑阀式比例控制阀，并研制出压力超过4 0 m p a 的先导式比例压力控制阀。芬兰t a m p e r e 科技大学研制出比例流量，其最高压力达4 0 m p a ，流量达】3 6 l m i n 。2 0 0 1 年日本荏原缝合所研制出电磁比例方向控制滑阀，其额定压力? m p a ，额定流量3 5 l m i n 。( 5 ) 水液压伺服阀。1 。”j日本三菱重工研制出水压伺服阀，阀的工作压力2 1 m p a ，流量l o o l m i n ，工作频率4 7 h z 。1 9 9 1 年日本小松制作所成功研制出用于水下作业机械手的海水伺服阀，其额定压力2 1 m p a ，流量4 5 l m i n ，响应频率2 0 0 h z 。1 9 9 8 年日本荏原舱合所和神奈川大学工学部合作研制出水压伺服控制阀，阀芯两端采用水压静压支承，经静压支承腔的一部分流量被引到喷北京工业大学工学魄士学位论文嘴一挡板阀口以控制阀芯的运动，阀体和大部分部件采用s u s3 0 4 j i s 不锈钢材料，阀芯和阀套采用陶瓷和不锈钢材料，阀的额定压力1 4 m p a ，额定流量8 0 l m i n ，响应频率5 0 h z 。4 ) 水液压系统”。”2 。2 ”现代水压传动系统最初是应用在海洋水下作业工具和水下机器人上，后来又逐渐发展到淡水液压传动系统，并在一些工程机械上得到应用。丹麦s f k 公司研制生产出用于肉类a n _ t _ 厂的手持式水液压切割锯，它主要由一个水压轴向柱塞泵和轴向柱塞马达组成，系统压力达i o m p a ，大大提高了切割效率，减小了噪声和污染。美国r h o w a r ds t r a s b a u g h 公司研制生产出用于半导体集成电路加工的水液压系统，代替了原来的伺服电机和一套机械传动系统，可将一只装有2 j 个硅晶片的盒子平滑精确地在电解槽中升降。德国的汽车制造厂在焊接生产线也采用了水液压驱动系统。瑞典r e n o v a 垃圾处理公司将研制出的水压驱动系统用在垃圾装载车和街道清扫车上，不仅提高了工作效率，也降低了环境污染。芬兰一造纸厂研制出用于切纸机的水力喷射切割系统，取代了原来的金属刀具切割，大大提高了操作的可靠性，同时也解决了因金属刀具严重磨损而频繁更换刀具的问题。丹麦d a n f o s s 公司和d r e s d e n 科技大学联合研制出变速式水压驱动升降和倾斜系统，并成功应用于叉式起重车。日本东京工业大学研制出一种水压驱动灭火机器人，它通过两个水液压马达驱动由12 个十字叉做成的波形回转机构，并由两个水压伺服阀来控制马达的运动。该灭火机器人不仅能够在平地上行走和回转，还可以翻越障碍物和爬楼梯，进入火场。它由两个水液压方向阀控制两个水液压缸来调节机器人爬楼梯时的姿态，以保持正确的爬行角度，能够进入人无法靠近的火场完成灭火任务。此外，还研制出由水液压马达驱动的轮式灭火机器人，该机器人的轮式驱动系统由四个活塞和两个齿轮组成，能够实现低速大扭矩运动，以便机器人能够携带较重的水龙带行走在碎石瓦砾中，完成灭火任务。2 国内研究现状“”在国内，2 0 世纪9 0 年代初期华中科技大学在高水基液压传动技术研究的基础上率先开展了海水液压传动技术的研究，拉开了国内水压传动技术研8 第l 苹结论究的序幕，并于1 9 9 6 年研制出国内第一台阀配流式海水柱塞泵”，最高工作压力6 ，3 m p a ，额定流量】0 0 l 。m i n ：随后又研制出压力为7 m p a 和1 4 m p a 、流量为1 0 0 l m i n 和1 0 i 。m i n 的直动式溢流阀和节流阀以及压力为1 4 m p a 、流量为4 0 h m in 的先导式溢流阀“。1 9 9 7 年浙江大学流体传动与控制国家重点实验室在教育部“2 1 1 工程”的支持下，自行设计并由国外公司1 r o t e 0作出一台完整的水压传动系统实验台“。目前，只有华中科技大学、浙江大学、北京工业大学、昆明理工大学、西南交通大学等部分高校在国家自然科学基金和地方自然科学基金的资助下开始开展部分技术基础研究，并且一些科研机构如北京自动化研究所、中船重工集团7 1 9 所、武汉第二船舶设计研究所等单位也准备开始涉足这一领域”。但总的来说，由于国内水压传动技术的研究起步较晚，研究力量比较薄弱，加之没有制造生产和使用的企业集团介入，政府支持的力度也远远不够，使得国内水压传动技术发展比较缓慢，尚未引起足够重视，至今还没有自主知识产权的水压产品问世。1 3 水压泵要解决的几个问题由于油的润滑特性比纯水要好得多，因此在新型材料及其加工手段尚未完全成熟以前纯水仅作为能量传递和控制的载体，其轴承部位用油( 用密封件把油与水隔开) 来润滑。此时，泵一般为阀配流轴向柱塞式，柱塞与斜盘之间为点接触或线接触，其优点是泵的结构非常简单，性能稳定，可靠性好，成本低。缺点是体积大，重量大，仅适用于输出压力较小的场合，一般小于1 0 m p a 。这是因为在高压状态下，密封件磨损较快、密封效果下降，往往容易引起油和水的串通，而且柱塞的头部磨损也较快。随着材料科学和加工技术的进步，陶瓷和高分子材料的性能得以大大提高，加工和处理也较容易，元件的成本下降。于是，纯水液压泵便用纯水来润滑其所有的轴承部位，且多为端面配流轴向柱塞式，柱塞与斜盘之间为静压润滑或混合润滑的面接触。这样，泵的结构紧凑，体积小、重量轻、输出压力高，性能和可靠性也较好。水的低粘度使得水压泵的密封f q 题变得非常困难，它将直接影响到泵的容积效率。润滑性差和对金属具有较强的腐蚀性是水的又一个特点，这就对0 北京工业大学工学硕士学位论文水压泵的材料提出了更高的要求，它将直接决定泵的工作性能和使用寿命。因此，水的理化特性决定了在水的研制过程中存在如下一些问题。1 材料的选择水压泵必须首先解决腐蚀问题。即它不能生锈。并且，水的润滑往差，摩擦副对偶面上难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜，很容易产生干摩擦。此外，纯水的腐蚀作用也会引起绝大多数金属材料的电化学腐蚀和某些高分子材料的化学老化，破坏水压泵的材质。纯水的汽化压力高，容易诱发纯水汽化，导致气蚀。剥落零件表面材料，破坏过流的固体表面和密封件。气蚀还会使泵的流量发生变化产生压力脉动、振动和噪声，带来许多不良的影响。因此在水压泵中，要求对偶副的材料必须具有较高的耐磨性或自润滑性以及较好的抗气蚀能力。否则，当对偶副处于混合润滑和圆体润滑状态时，磨损现象将十分严重，导致泵的工作降低，工作寿命缩短。参照目前的研究状况，泵的非对偶副一般选用进行化学处理过的铝合金或不锈钢，而对偶副的材料一般采用不锈钢、工程塑料和陶瓷等。当然，也有全部用陶瓷材料的。2 工艺陶瓷是用于水压元件较为理想的材料，但是它的加工却十分困难。因此，目前较为普遍的做法是在对偶副的配合表面上进行陶瓷涂层的处理。然而，陶瓷涂层的理化性能存在着不足，还有待迸一步认识与探讨。水的低粘度性导致的微小间隙对加工精度提出了更高的要求，这无疑增大了水压泵的工艺难度。因此，加工制造技术是保证水压泵从理论化走向产品化的根本。3 密封在温度相同的情况下，纯水的粘度大约只有矿物型液压油的1 4 0 1 5 0 ，故在同等压力下，通过相同密封缝间隙的泄漏量将是油的2 0 倍左右，这将大大降低泵的容积效率。因此，密封是提高水压泵容积效率的关键，但它与机械效率是对立的，于是，合理的结构设计，润滑方式和高性能、高寿命的密封件是至关重要的。第1 荤绪论4 高压化高压水压泵的开发对材料和密封件提出了更高的要求。当然，新的更加合理的结构亦十分重要。对于水压泵高压化的研制具有很大的难度，但同时也应看到，水压泵的高压化是水压技术发展的方向，也是突破口。如果解决了水压泵的高压化问题，则整个水压技术将呈现出崭新的面貌，进一步巩固并拓宽其应用范围，这对整个工业发展及环境保护都具有积极的推动作用。1 4 水压传动技术的应用前景从理论上讲，油压传动技术所涉及的应用领域完全可以由水压替代，但由于目前水压传动技术对材料和设计的特殊要求，水压元件及系统的性能价格比比油压高。同时由于矿物油的优良理化性能及不断提高的其它性能使得油压在整体性能和寿命上优于水压，人们一时还很难完全接受水压传动这一新技术。目前，全世界只有近2 0 个企业生产水压元件及系统，水压元件所占的市场份额还不足整个液压元件市场的5 ”“。但是水压传动技术是当今流体传动与控制技术发展的前沿之一，已引起人们的普遍关注，新的水压元件和系统会不断出现，应用领域将不断拓展，特别是随着科学技术的进步，不断有新材料和新技术产生，水压传动技术的发展前景是非常广阔的。目前，由于环保、安全及可持续发展的要求，在一些对安全、清洁、环境无害要求较高的行业，如食品加工、化学工业、造纸、钢铁、核动力工业、消防、海运技术、地质钻探、环境卫生等特殊领域，水压传动技术具有油压所无法比拟的竞争力，开始引起人们的重视，并已在某些相关领域得到推广应用。在核动力厂“，核反应堆和冷却池的日常运行及一些非正常作业都是由功率较大的液压驱动机器人操纵一些放射性的元件来实现。但泄漏的液压油是一种非常危险的放射性副产物，必须关闭核反应堆进行清除。放射性液压油在通过树脂型过滤系统被清除时，将会诱发树脂失效而导致整个过滤系统失效，并产生放射性的树脂，造成二次污染。但是，如果采用水压驱动系统就会避免因泄露造成环境污染，同时水的分子结构也不会象液压油分子那样因伽玛射线和核辐射而发生改变，水在通过树脂型过滤系统时也具有良好北京工业大学工学硕士学位论文的相融性，不会出现上述现象。在海洋开发、船舶工业及海军装备中，用海水液压驱动系统取代目前的油压驱动可以解决许多工程实际问题。海水资源丰富，不仅能够节约能源，又没有购买、运输、存储和处理的费用和麻烦，更不会因泄漏和排放造成海洋污染，也无火灾危险。而且用海水做工作介质时，无需水箱、回水及冷却系统，可使系统大为简化，提高系统效率。此外，用在潜艇上还不会因泄漏而暴露目标，可以有效地提高潜艇的隐蔽性。在消防和水力喷射方面，采用水压驱动的灭火机器人能够携带很重的水龙带，很容易的进入人无法靠近的火场完成灭火任务，可大大提高灭火效率，并能实现高压细水雾灭火。应用水压传动技术可以很容易的实现从低压到高压不同压力下的水力喷射，不仅能够完成地面、楼字、桥梁、灯箱广告、储油罐、车辆等壁面的清洗，还能进行管道解堵和实现水力切割，而且具有体积小、重量轻等突出优点，可以大大简化目前通过流体机械实现的水力喷射和水力切割系统。1 5 课题来源及本文主要研究内容本课题是北京市自然科学基金资助项目。水压技术目前还处于起步阶段，要做的基础工作很多。本文围绕水压技术主要在以下几个方面展开研究工作：1 建立水压试验平台是研究水压特性重要试验手段，轴向柱塞泵是水压系统的核心。本文根据油压泵设计理论，参考油压泵的实际结构，结合水的理化特性，从材料，结构方面对柱塞泵进行改进和设计。2 在斜盘型轴向柱塞泵设计中，柱塞副是其关键的摩擦副之一。通常都是对柱塞副进行二维受力分析。本文对柱塞副的三维受力情况进行了全面分析，并用m a t l a b 语言编写了仿真计算程序，可对柱塞副在不同位置时的受力情况进行求解，为选择合适可靠的设计提供依据，可以提供柱塞泵的p v 值和最大受力点等设计指标。3 水压斜盘轴向柱塞泵的设计还处于不成熟阶段，虽然主要是靠人的设计，但其基本参数的设计与计算极其繁多，有许多通用、复杂的计算。在设计的基础上，采用v i s u a lb a s i c 6 0 和s q ls e r v e 进行轴向柱塞泵设计的软件开发，把人从繁杂的计算中解放出来，使我们可以更加专注于水压泵的深层12 第1 苹鳍论次研究，避免了大量重复性劳动，大大提高工作效率。4 摩擦副材料的选择是水液压技术发展的另外一个重要因素，本文通过四组摩擦副分别在高、中、低载荷条件下摩擦、磨损试验，测出其摩擦系数。观察其磨损机理，初步选择出适应水压条件工作的摩擦副材料。由于水压技术正处于发展的初始阶段，因此，本文利用油压理论设计出轴向柱塞泵、分析柱塞摩擦副的三维受力情况、开发了水压轴向柱塞泵设计软件、并对几对摩擦副材料进行了摩擦磨损试验，从而有助于设计出更加合理的水压轴同柱塞泵，促进水压技术的发展。北京工业大学工学硕士学位论文第2 章水压轴向柱塞泵的设计水压驱动技术因具有环保的独特优点正得到广泛关注，该技术在基础元件和基础理论方面已取得了一。定的进展，在国外某些领域已经得到了应用。水压泵作为整个水压驱动技术的关键，一直是研究的重点和难点。如果水压泵的问题不能很好解决，则整个水压技术的发展将要受到严重的制约。因此，研制水压泵是一项及其迫切的任务。目前，我国的水压技术较国外还落后很多，需要充分借鉴国外已有的研究成果，结合我国相关学科的发展实际，有效地解决水压泵所面临地关键性基础技术问题。研制出理想的水压泵，建设水压试验平台，大力研究水压特性。通过试验反复修正设计、指导设计是研究水压特性的必经之路。本章主要是根据油压泵设计理论、考虑水的特性、采用新型材料和结构进行水压轴向柱塞泵的初步设计。2 1 主要零件尺寸的确定根据轴向柱塞泵的设计要求初步确定柱塞、滑靴、缸体、斜盘和压盘等个主要零件的尺寸，以便后面的受力分析与计算之用。1 设计要求泵的种类很多，比较常用的有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵等。其中，柱塞泵的结构比较简单，精度也较其它泵低。因此，把柱塞泵的结构稍作修改，应用到水压轴向柱塞泵上是比较容易成功的。故本设计采用油压柱塞泵为设计原型，经过改换耐腐蚀材料、改变部分结构形式满足水介质作用下的使用要求。由前人的实验及公式推导可知，斜盘式轴向柱塞泵的输油脉动率仃只与柱塞个数z 有关，如表2 1 所示。表2 1输油脉动军与柱塞个数关系柱塞个数z567891 0l l输油脉动率盯o 4 9 81 3 92j 37 81 5 35 01 0 2由表1 可以看出，当柱塞的个数为奇数时泵的输油脉动率比柱塞个数为偶数时小很多，故前人设计的斜盘式柱塞泵的柱塞数多为奇数，本设计也不例外。考虑到实验产品的成本、制造的难易程度以及泄漏量等因素，决定选第2 苹水压轴向柱塞泉的设计择柱塞数目为5 个。柱塞泵按照其工作压力分为高压泵、中压泵和低压泵，在市场上销售的油泵中，这三类泵都有成品，考虑到水的粘度比液压油要小，用水作为工作介质比用油更容易产生泄漏，故决定先设计低压泵。泵的最高工作压力定为6 3 m p a ，排量定为8 l o l m i n 。小结：柱塞数目为5 个，最高工作压力为6 3 m p a ，排量为8 l o l m i n 。2 初定各主要零件尺寸1 ) 选择合适的电动机转速、柱塞直径及其他各主要技术参数( 1 ) 选择电动机型类型，初步确定泵的工作转速。在市场上出售的工业用电动机种类中，三相异步交流电动机是应用最为广泛，也是最易买到的电动机，故本次设计初步选用三相异步电动机。此类电动机常用的的同步转速( 工作转速) 一般为3 0 0 0 r m i n ( 2 级) 、1 5 0 0 r m i n ( 4 级) 、1 0 0 0 r m i n ( 6 级) 、7 5 0 r m i n ( 8 级) 。并且在设计中经常选用同