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浙江大学硕十学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的研制 摘要 纯水液压传动技术是咀过滤后的自然水( 含海水和淡水) 作为工作介质和润滑介质，不再需要添 加任何其它润滑剂的一门新技术，具有不燃烧、无污染、系统压缩损失小、响应快、系统温升低、系 统的沿程损失和局部损失小、系统维修方便和维护成本低等优点。它是当前液压技术的重要发展方向 之一，有着广阔的应用前景。纯水液压泵是纯水液压系统的心脏，是纯水液压系统能否正常运行的关 键。本文的中心任务就是纯水液压泵的设计、制造和仿真研究。 本文全面综述了纯水液压技术的优点及其主要研究内容，总结了国内外纯水液压泵的研究和应用 现状： 本文参考油压泵的设计原理，设计了一个半轴式纯水液压轴向柱塞泵。本文采用理论计算和 m a t l a b 仿真计算相结合的方式对泵内关键零部件如柱塞、配流盘、缸体、轴等进行了详细的设计 分析。在柱塞的设计中，用m a t l a b 软件对柱塞和缸孔间的泄漏进行了仿真分析，在综合考虑了泄 漏量和合作单位加工能力的情况下选取柱塞和缸孔间隙为6 - - - 1 0 m ；用m a t l a b 分析了柱塞受力情 况，发现柱塞前端工作条件比后端恶劣；还用m a t l a b 校核了柱塞强度： 本文改进了通轴式纯水液压轴向柱塞泵的柱塞和滑靴设计，重新考虑了该泵全部零件的制成材 料、工艺公差参数，并对其加工过程中产生的问题进行了探讨。本文提出了一种金属基体外包改性聚 醚醚酮复合材料的新型滑靴结构。本文还设计了一种无需进行压靴t 艺的滑靴，其各部分与小球头柱 塞直接组装而成。本文对纯水液压轴向柱塞泵的加工制造过程中产生的问题进行了有效的处理。本文 通过金属套管和改性聚醚醚酮复合材料棒芯的胶接实验，证明了在缸体的加工中使用胶接工艺是不合 适的。在缸体的热一模压成型工艺中，为了克服因不锈钢和改性聚醚醚酮复合材料收缩不一致而导致 的配流环破裂，本文改进了缸体模压工艺： 本文在制成材料分别为1 c r l 7 n i 2 和改性聚醚醚酮复合材料的情况下，对通轴式纯水液压轴向柱 塞泵的配流盘进行了仿真分析对它的应力分布情况、变形情况和主要影响冈素进行了探讨。结果表 明：( 1 ) 纯水液压泵配流盘摄危险的部位是高压槽内中心肋板。在保证流道顺畅的情况下，应尽可能 的加大肋板宽度。( 2 ) 应力分布由负载决定。在配流盘j l 何尺寸定的情况下，最大应力主要由泵出 口压力决定，与配流盘材质无关。( 3 ) 本课题组设计的通轴式纯水液压泵配流盎应当采用不锈钢制作， 不适合使用整体改性聚醚醚酮复合材料。 最后，本文对整个课题和论文进行了总结和展望。相信随着新材料和新j i 艺的发展，环境友好的 纯水液压传动技术将有着广阔的应用前景。 关键词：纯水液压轴向柱塞泵聚醚醚酮结构分析模撤成刑 浙江大学硕士学位论立：纯水液压轴向柱塞泵的研制 a b s t r a c t w a t e rh y d r a u l i c si san e wr e s e a r c h8 t e au s i n gf i l t e r e dn a t u r a lw a t e ro rs e aw a t e ra sw o r k i n gm e d i u m a n dl u b r i c a n tm e d i u mi nh y d r a u l i cs y s t e m si n s t e a do fm i n e r a lo i lw i t ha d v a n t a g e so fe n e r g ys a v i n g ，f i r e r e s i s t a n c e ，n op o l l u t i o n ，s t i i f , f a s tr e s p o n s e ，l e s sh e a t ，a n dl o wc o s t s i ti sav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c ha r e ai n m o d e mf l u i dp o w e rf i e l dw i t hv a s tp r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o n w a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pa r et h eb a s i c c o n s t r u c t i o n a lp a r t so fw a t e rh y d r a u l i cs y s t e m s t h em a i nt a r g e to ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e s i g na n d m a n u f a c t u r ew a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pa n dt os i m u l a t et h ep o r tp l a t eo ft h ep u m p t h e r e f o r et h e m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o i l o w s ： t h eb e n e f i t so fw a t e rh y d r a n l i c sa r ei n t r o d u c e da n dt h en e w e s td o m e s t i ca n do v e r s e a sg e n e r a l r e s e a r c h i n ga n da p p l y i n gs i t u a t i o no f w a t e rh y d r a u l i cp u m p a r ed i s c u s s e d aw a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m pw h o s ed i s p l a c e m e n ti s6 3 m l r e vh a db e e nd e s i g n e d t h ek e yp a r t s o ft h ep u m ps u c ha sp i s t o n s ，p o r tp l a t e ，c y l i n d e r , a x i a l ，e t c h a db e e nd e s i g n e db yt h e o r ya n ds i m u l m i o n i n t h ed e s i g no fp i s t o n s ，t h el e a k a g ef r o mc l e a r a n c eb e t w e e np i s t o na n dc y l i n d e rh a db e e nc a l c u l a t e db y m a t l a ba n dt h e nt h ec l e a r a n c ew a sc h o s e na s6 - - 1oum t h ef o r c ea n ds t r e s so fp i s t o n sh a da l s ob e e n c a l c u l a t e db ym a t l a b t h e p i t o n sa n ds h o e so f w a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m p w h o s ed i s p l a c e m e n ti s3 1 m l r e vh a db e e n i m p r o v e d t h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n e dan e wk i n do f s h o et h a tw a ss u r r o u n d e db ym o d i f i e dp e e kc o m p o s i t e s t h r e ep a r t sa s s e m b l e dt h eo t h e rn e wk i n do fs h o e t h i sd i s s e r t a t i o nt h o u g h to v e rt h em a t e r i a la n dt h e c l e a r a n c eo ft h ep u m pa n ds o l v e dt h eq u e s t i o n si nt h em a n u f a c t u r eo ft h ep u m p a f t e rt h ee x p e r i m e n to f g l u i n gs t a i n l e s ss t e e la n dm o d i f i e dp e e kc o m p o s i t e s ，w ek n e wt h ec y l i n d e rc o u l d n tb em a n u f a c t u r e db y g l u i n g t h i sd i s s e r t a t i o nc o n t a i n saf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ep o r tp l a t eo f t h ew a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o n p u m pw h o s ed i s p l a c e m e n ti s3 1m l r a v t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e du s i n ga n s y sp r o g r a mf o r b o t hs t a i n l e s ss t e e la n dm o d i f i e dp e e kc o m p o s i t e s t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 小t h em o s tp a r ti np u m pi sa tt h ef i b b e ds l a bo f t h eh i g h p r e s s u r ek i d n e ys l o t t h ew i d t ho f k i d n e ys l o t s h o u l db eb r o a da sp o s s i b l e b ) t h el o a d sd e c i d et h es t r e s so f p o r tp l a t e w h e nt h es h a p eo f p o r tp l a t ei sf i x e d ，t h ew o r k i n gp r e s s u r e d e c i d e st h em a x i m u ms t r e s s c 、t h ep o r tp l a t es h o u l db em a n u f a c t u r e db ys t a i n l e s ss t e e la n dn o tb ym o d i f i e dp e e kc o m p o s i t e s c o n c l u s i o na n dp r o s p e c to ft h ew h o l ep r o j e c ta n dt h i sd i s s e r t a t i o ni sp o i n t e do u t t h i sd i s s e r t a t i o n b e l i e v e sw a t e rh y d r a u l i c sw i l lh a v eap r o s p e c t i v ef u t u r ew i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e wm a t e r i a l ，n e w t e c h n o l o g ya n dn e wp r o c e s s k e y w o r d s ：w 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 e e k ，s t r u c t u r a la n a l y s i s ，m o u l d 浙江大学硕士学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的研制 本文所用符号的含义 p s 泵的出口压力 p m 泵的额定工作压力 a 泵的理论排量 。一泵的额定流量 n 。泵的理论输出功率 q - _ 一泵的机械效率 n 2 泵的输入功率 d 柱塞直径 r 柱塞分度圆半径 f ，一高压水对柱塞的作用力 f 。缸体对柱塞前端的作用力 f 2 缸体对柱塞后端的作用力 n 斜盘对滑靴柱塞的支反力 。轴转动的角速度 b 斜盘倾角 巾柱塞从上死点转过的角度 6 。柱塞和缸孔的单边配合间隙 。0 _ 一偏心率 f 一柱塞和缸孔间的摩擦系数 l 柱塞长度 1 0 柱塞最小留缸长度 l 柱塞在缸孔中的瞬时k 度 u 水的粘度 v 柱塞的滑动速度 z 柱塞的个数 n 轴的转速 口一柱塞外径 d ，柱塞内径 w 抗弯截面模量 m 弯矩 o 应力 巾以y 轴正向为起点，沿旋转方向夹角最小的柱塞的相位角 r 1 内密封带内径 r 2 腰形槽内径 r 3 腰形槽外径 r 4 外密封带外径 d 5 滑靴密封带内直径 d 。滑靴密封带外直径 e 压紧系数 i l j r 一配流盘腰形槽间隔角 b o 腰形槽的宽度 u r 一腰形槽中心处的圆周速度 连筋角 l i 浙江大学硕士学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的研制 巾t 封闭加压范围角 a 巾t 封闭减压范围角 p o 柱塞腔吸水压力 e 弹性模量 v o 柱塞在下死点时柱塞腔内残留的容积 卜三角眉毛槽槽宽 b t 三角眉毛槽撮大槽宽 f b _ 一三角眉毛槽过流面积 c a 三角眉毛槽流量系数 f s 弹簧最小预压力 l s 弹簧力的力臂 z 0 _ 吸水侧柱塞数 d i 一回程盘盘孔直径 d 。回程盘的最大外径 1 r 止推盘腰形窗口长度 b 。一止推盘腰形窗口宽度 1 r 缸体长度 i v 独创性声明 y7 7 8 4 0 3 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究_ ：作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：淑 签字日期：埘年2 月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论史被查阅和 借阅。本人授权盘姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 、 学位论文作者签名：江趾 导师签名： 媚华 签字日期：朋，年2 月) 歹+ 日签字日期：加j 年二月巧日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学硕士学位论文：纯水液压轴向柱塞采的研制 第一章绪论 1 1 纯水液压传动技术发展概况 纯水液压传动技术以过滤后的自然水( 含海水和淡水) 作为工作介质和润滑介质，不再需要添加 任何其它润滑剂。这里所说的纯水包括下列几种( 见表1 1 ) ： 表1 1 纯水的分类 在液压传动技术的发展进程中，纯水作为动力传递、交换和控制的媒体曾起着非常重要的作用。 在1 7 世纪末及随后的一百多年里，液压传动的介质一直是纯水吐 在2 0 世纪初期，石油工业的兴起和耐油合成橡胶的出现促使液压传动技术由初始的水压传动阶 段进入了油压传动阶段，矿物型液压油也以良好的综合性能取代水成为主要的工作介质，液压组件和 系统的性能也因此得以大大提高，从而极大地推动了液压传动技术的进步”。 但用矿物型液压油作为液压传动介质存在着严重的环境污染和易燃烧问题，这是世界各国现代 经济发展和人类生存环境所不允许的。而水本身所固有的清洁性和阻燃性正好满足了现代社会对t 业 发展所提出的安全、环境友好的要求，这也是最近2 0 年来纯水液乐传动技术持续复苏的根本动力。 加之新型材料的发展、精密加上技术的进步和新结构的液压组件研制成功，基本克服了初始水压传动 存在的诸如易腐蚀、易磨损、泄漏大、效率低等缺点，使纯水液压传动技术在最近十年内取得了长足 的进步【5 j ，并重新开始广泛进入食品”1 9 8 11 9 9 1 、造纸、医疗器械【1 3 j 、消防1 1 4 - 17 1 、冶金l 1 ”、工程机 械1 9 - 2 0 | 9 4 】1 9 6 ) 1 9 7 1 、海洋开发 2 1 - 3 0 】、半导体制造、塑性加工旧等工业应用领域。 对环境保护、安全主题与日俱增的关注，使得可靠、干净、安全和廉价的纯水液胜传动在世界工 业领域起着日益扩大的作用，它已经成为液压领域新的重要发展方向之一m l 。b a c k e 教授预计纯水液 压传动在今斤将占整个世界液压行业的1 0 i ”1 。 1 2 纯水液压传动技术的优点 如果要求液压介质对环境没有任何负面影响，不会存在任何火灾危险，完全有利于操作人员的身 体健康，那么只有一种液体符合要求：纯水”】。纯水液压传动技术应用纯水作为液压系统的工作介质， 有以下优点：l i 】川 第1l 其6 9 顶 浙i e 大学硕上学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的珂f 制 ( 1 ) 环境友好。当前，环境保护受到世界各国的普遍重视，美欧等发达国家制订了严格的法律法规 要求厂家承担他们自己给环境带来的负担，除了交纳环境税外，还必须回收生产使用过程中产生的不 利于环境的有害物质，否则将增收高额的罚款。我国也出台了“准污染谁治理”、“谁污染谁付费”的 环境保护政策。 矿物型液压油对环境的污染是业内众所周知的严蘑问题。一升矿物油可使一百万升水受到污染 i l l , 泄漏的油液可使周围的植物和动物死亡，使上作场所的地而打滑，空气中充满异味，工作环境变 得恶劣。统计表明，有大约8 5 液压介质由于密封失效或事故而晟终从系统中泄漏掉i ，这些泄漏掉 的液压介质本身绝大多数难于生物降解或含有有毒的化学添加剂，对地下水以及生物环境会造成严重 的污染。而用纯水作为液压介质，对环境和人体没有任何危害，无需做特别的回收处理，即使泄漏， 也与环境完全兼容，无论在陆地、海洋还是在空中使用，系统中水的泄漏或排放均不会对环境造成任 何污染。这将使得液压机械的应用范围得到拓展，在一些环境保护严格的地方也得到应用。 ( 2 ) 购买和使用成本低。地球上有丰富的水，随地可取，方便而实用，不受市场供求的影响。它不 存在液压油的冶炼提纯、运输仓储、废液处理等问题。其中特别是废液的处理费用很高，通常处理费 用与购买成本相近。综合计算，纯水的购买和使用成本仅为液压油的1 5 0 0 0 ”，如果大型和特大型的 液压系统换用纯水液压传动技术可节省大量的矿物油经济效益相当可观。 ( 3 ) 系统响应速度快、控制精度高。水的弹性模量比典型液压油的大可压缩性小，刚性大，因而 系统响应速度快：加之水的黏温、黏压系数小，系统工作稳定，使纯水液压系统可以获得比油压系统 更为精确的位置控制精度。 ( 4 ) 系统效率高。水的粘度低，系统的沿程阻力损失小；水的弹性模量大，压缩损失小；冈此，纯 水液压系统的效率可大大提高。 ( 5 ) 可避免或减少产品污染。产品污染是许多生产行业格外关注的事情，泄漏的油液和水基液会使 纺织制品、术质胶合校受到玷污，也会使纸张变色、约晶变质和食品变味。污染还会使某些产品根本 不能出售，只好销毁。但如果纯水渗进产品中，害处要相对小很多或者根本没有害处。 ( 6 ) 阻燃性、安全性好。纯水无毒、不可燃烧，可以用来灭火，能消除火灾危险，且工人不用再呼 吸有害的油蒸汽，也不用担心皮肤和眼睛受到液压油的伤害。所以席川纯水发生火灾的几率、环境的 清除和对工业健康的抱怨就会少得多，厂家要付出的意外事故保险和j j ：人健康保险费用也相应会低根 多。 ( 7 ) 有利卜设备的小型化。由于水的黏性比油要小，在相同的压力损失r 允许流过更大的流量。冈 此在相同的压力损火和流量r ，纯水液压元件可以采取更紧凑的结构形式。这将使得液压机械的机动 性得到提高。 浙江大学硕十学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的研制 ( 8 ) 易维护保养。水本身就具有清洁功能所以纯水液乐系统的维护保养非常方便，维护成本比油 压系统低。 ( 9 ) 对温度不敏感。由于水的比热较矿物油大，在系统产生相同热量时，纯水液压系统的温升比油 压系统要低。 1 3 纯水液压传动技术的研究内容 与液压油相比，纯水的粘度低、润滑性差、汽化压力高、对金属的腐蚀性强，这给纯水液压元件 的研究带来了巨大的挑战。传统的油压液压元件无论从结构上还是材料上都不能适应纯水介质的需 要。针对纯水的物理特性，纯水液压传动技术的研究主要集中在介质、利料、元件、控制等方面，如 图1 1 所示： 图】纯水液压传动技术研究内容 介质的研究主要包括细菌控制、硬度和酸碱度控制、去除污染物、提高润滑性等内容。当水箱与 外界环境接触，并维持在正常的二l ：作温度，各种细菌就会生长和繁殖起米，如不加以控制，可能会阻 塞过滤器、发出异味。磨粒磨损在任何类型材料的摩擦过程中部是常见的。在水中，磨粒比在油中更 容易到达磨擦表面，而且纯水元件的摩擦表面的间隙更小，所以磨粒磨损的速率更人。因此必需提高 系统的过滤精度，过滤掉更多的坚硬颗粒。 采用正确的材料对纯水液压系统米说是很重要的一点。材料必须具有4 i 生锈、抗腐蚀、抗机械切 削和流体冲蚀的能力，因为水流速度比油液流速大得多，而水的汽化压力又很高，1 f 常容易发生气蚀 和气蚀破上1 ：。不锈钢由丁具有很高的抗腐蚀能力、较高的拉伸强度和其它良好的机械性能，冈而在水 压传动中得到了j 、泛虑j j 。也可以选择青铜或者特殊处理的铝台金材料。此外工程陶瓷、增强塑料 和某些涂层金属零4 1 也有应用 】j 。 纯水液压元4 1 的研究已经达到了一定的水平，其总体一件能已基本与油压元件的性能相近。目前世 界市场上已有系列的纯水液压元件供应，但总体而言，现有的纯水液压元件价格比较昂贵，从而造成 第3 页共6 9 负 浙江大学硕上学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的研制 纯水液压系统成本过高，妨碍了纯水液压技术的推广应用。因此通过研究降低成本，使纯水液压系统 得到更多席_ f j 应该是今后的研究重点之一。 纯水液压传动的控制技术研究包括电液比例、伺服阀和系统的研究。现在纯水比例或伺服控制技 术主要用米在安全、防火和水下场所获得高精度的位置、力和速度控制。 1 4 纯水液压泵国内外研究现状 1 4 1 国外研究现状 发达国家包括美国、丹麦、芬兰、德国、英国、日本等自2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初开始研制 纯水液压泵，现基本都己研制成功并进入实用推广阶段，已在消防、食品加工、工程机械、水f 作业、 海洋开发等领域得到应用1 3 7 j 4 1 1 9 4 刖。国外纯水液压泵的基本研究应用情况如下： ( 1 )美国 。 1 9 6 7 年，v i c k e r s 公司的j p r y a n 发表了有关高压海水泵工程材料研究情况的报告，这被认为是 现代纯水液压传动技术领域最早的一篇文献”i 。6 0 年代末，美国海军土木工程实验室为研制适用于 海洋开发的水下作业工具，开始进行海水液压传动技术的研究。1 9 8 0 年研制成功7 m p a 的单向叶片马 达 ”j ；1 9 8 4 年研制成功1 4 m p a 的海水液压泵；1 9 9 1 年又研制出冲击钻、带锯等水下作业工具，都 已交付美国海军使用川 2 3 - 2 5 1 。 美国普渡大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 在纯水液压缸、纯水润滑齿轮箱等方面做了不少研究i ：作 】。 2 0 0 0 年普渡大学用纯水液压系统取代油压系统，对j a c o b s o ng r e e n sk i n gv i 型割草机进行了改造。初 步的试验表明，就割草机而言，用纯水液压系统是可以取代油压系统的。如图1 2 为收割机的液压系 统简幽。该系统采用丹麦d a n f o s s 公司p a h 8 0 型定量轴向柱塞泵，该泵的最高f 。作压力为1 6 m p a ， i5 0 0 r r a i n 时的最大流量为1 1 2 l r a i n 。 图12 收割机液压系统简图 ( 2 )丹麦d a n f o s s 公司 该公司与丹麦理l ：人学( d t u ) 合作研制的n e s s i e 系列纯水液压泵( 如幽1 3 ) 采用端面配流轴 第4 负共6 9 负 浙江大学硕士学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的研制 向柱塞式结构，通过浮动缸体端面来实现浮动配流，轴承和滑靴都采用静压支撑，关键摩擦副采用碳 纤维增强塑料与不锈钢配对。该公司的系列产品目前在食品加工业、包装机械、上程机械、木材加工 业、消防等各行业中得到了较为广泛的应用i ”1 1 9 8 1 9 9 j 。 图l _ 3d a n f o s s 公司产品外观图 作为n e s s i e 纯水液压泵应用于食品加工业的一个例子，如图1 4 的切肉锯由纯水液压驱动。该系 统工作压力为1 0 m p a ，由一个排量为1 2 5 m l r e v 的轴向柱塞泵驱动。与传统气动切肉机相比，该纯水 液压切肉锯不仅降低了噪声( 降低1 8 d b ) ，而且使用成本低，操作方便。【6 ) 1 9 8 图1 4 纯水液压切肉锯 ( 3 ) 芬兰h y l a r o y 公司 该公司与t a m p e r e 理i 人学( t u t ) 液压及自动化研究所( i h a ) 合作开发的纯水液压泵( 如图 】5 ) 采用端面配流轴向柱塞式结构，浮动配流盘配流，关键摩擦副采用碳纤维增强塑料与金属或陶 瓷配对。该公司的产品目前在造纸、水处理、食品加工业、林业机械、木材加工和清洁行业得到了一 定的应崩【。幽1 6 为使用h y t a r 泵制成的驱动器，它以海水为工作介质0 0 i 。目前该公司止在开发 纯水液压的变量泵i ”o i 。 浙江大学硕上学位论文：纯水液压轴向柱塞象的研制 图1 5h y t a r 公司产品外观图 图1 6 使用中的h y t a r 泵 ( 4 ) 英国f e n n e r 公司 该公司的纯水液压泵( 如图1 7 ) 采用端面配流轴向柱塞式结构，缸体和主轴通过花键啮合传动， 使缸体相对与主轴可浮动，形成浮动缸体配流，关键摩擦副采用增强聚酰亚胺塑料与不锈钢配对。该 公司产品已用于港口疏浚、海洋水卜作业和海底石油_ 大然气井口启闭自给控制系统。m 5 q 幽17f e n n e r 公司产晶外观图 ( 5 ) 德国h a u h i n c o 公司 该公司的纯水液压泵( 如图1 8 ) 采用阀配流径向拄塞式结构。这种结构采用平扳喇配流，梓 塞及缸孔在相对丁主轴的圆周上呈径向均布，依靠土轴上的偏心轮和各柱塞根部的回程弹簧来实现柱 第6 负共6 9 负 浙江人学硕上学位论文：纯水液压轴向柱寒泵的研制 塞的往复运动。关键摩擦副采用碳纤维增强t 程塑料与耐蚀合金配对【4 ”。这种结构径向尺寸大，整个 装置体积大，比功率小。这种结构目前只有该公司一家采用。其产品以用于海底管道敷设和维护等海 洋开发机械设备| 4 2 】。 1 轴2 、1 2 滑动轴承3 偏心凸轮4 滑靴 5 柱塞6 缸套7 缸体8 吸入阀 9 压出阀1 0 吸水通道1 1 弹簧 图1 8h a u b i n c o 纯水液压泵结构简图 ( 6 ) 日本公司 日本公司的纯水液乐泵均是为了用于驱动海洋水卜作业的机械手而开发出来的。其中小松 ( k o m a t s u ) 制作所的纯水液压泵，采用端面配流轴向柱塞式结构，球面配流盘配流，前、历滑动轴 承均开有螺旋槽，以实现动压润滑，配流盘和滑靴均采用静压支承，而且主铀可以承受轴向力的作片j ， 关键摩擦副采用碳纤维增强高分子塑料与陶瓷配对l 。k a y a b a 公司的纯水液压柱塞泵，采用阎配流轴 向柱塞式结构，缸体不动，主轴与斜盘做成一体，并采用两个径向陶瓷球轴承和一个轴向动压润滑陶 瓷r 推轴承支承主轴和斜盘旋转，关键摩擦副采用碳纤维增强塑料与陶瓷配对3 0 1 。 1 4 2 国内研究现状 我国自2 0 世纪9 0 年代初开始进行纯水液压技术方面的研究工作，最先开始的是华中科技大学 1 4 5 - a 9 1 ，他们于国内率先研制成功第台海水液压泵，工作压力6 3 m p a i ”1 。2 0 0 3 年9 月又研制出了l ： 作压力1 4 m p a 、流量4 0 l m i n 的轴向柱塞式海( 淡) 水液压泵( 如图】9 ) ，并通过敏育部科技司和有 关主管部门的鉴定”。华中科技大学的纯水液压泵是阀配流的轴向托塞式结构，甲板阀配流，关键摩 擦副采片j 碳纤维增强l 苛分子复合材料与耐蚀合金配对”“。 第7 负共6 9 负 浙江大学硕士学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的研制 图1 9 华中科技大学纯水液压泵结构简图 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室于2 0 世纪9 0 年代后期开始有关纯水液压泵的研究工作 【5 ”1 6 7 - 7 6 1 。2 0 0 0 年本课题组通过盐雾实验考察了退火、淬火、调质和渗氮等热处理t 艺对马氏体不锈 钢和铁素体不锈钢耐蚀性能的影响，发现： ( 1 ) 退火和淬火状态的马氏体不锈钢耐腐蚀性能较差，不适合做水压元件的材料； ( 2 ) 退火状态的铁素体不锈钢耐腐蚀性能强，调质处理更会增强其耐蚀性，它们都可以做水压元件 的材料； ( 3 ) 渗氮处理可以明显提高马氏体不锈钢的耐蚀性，但会降低铁素体不锈钢的耐蚀性。此时，它们 的耐蚀性主要是由表面渗氮层决定的。在液压介质是自来水时，它们是适用的；当介质是海水时，则 不能长期使用。 同年本课题组针对纯水柱塞泵摩擦副其体工作状况，在滴水润滑条件p ，对不锈钢一陶瓷、不锈 铡一工程塑料、陶瓷陶瓷、陶瓷涂层和氧化锅配对的摩擦磨损情况进行了试验研究，摩擦系数和磨 损量随时间的变化曲线和实验研究结果表明：1 5 8 - 5 9 1 ( 1 ) 不锈钢一陶瓷配对时磨损机理为粘着磨损，摩擦系数和磨损量较大，不适合作为纯水液压柱塞 泵的摩擦副材料： ( 2 ) 不锈铜一塑料配对时摩擦系数较小，两者的磨损量都较少，可作为纯水液压柱塞泉的摩擦副材 料； ( 3 ) 陶瓷陶瓷摩擦副的强度高，抗污染性强，摩擦学性能较好，可作为纯水液压柱塞泵的摩擦副 材料，但它们的摩擦系数偏高，真l e 进入工程实用阶段，还需做大量的t 作。其中，a 1 2 0 3 + 1 3 t i 0 2 配a 1 2 0 ”a 1 2 0 3 配a 1 2 0 3 可优先选作纯水液压柱塞泵的摩擦副。 2 0 0 1 年3 月，在前面工作的基础上，本课题组完成了第一台纯水液压轴向枉塞泵的设计旧。2 0 0 2 年奉课题组进一步考察了水润滑状态i - i 程塑料一陶瓷、不锈钢t 程塑料、陶瓷一陶瓷二种配对的 摩擦学特性，测量了摩擦副的摩擦系数，材料的质量损失或体积损失，利用扫描电子显微镜( s e m ) 分 第8 负共6 9 页 浙江火学硕上学位论文：纯水液压轴向柱采泵的研制 析了磨损表面及磨屑形貌，用x 射线能量色散谱仪( e d s ) 分析了磨损表而的元素组成和物质组成， 研究结果表明：1 5 6 1 1 6 0 - 6 4 1 ( 1 ) 水润滑条件卜陶瓷与陶瓷配对时的摩擦系数较高，为o 2 5 左右，磨损率较低，主要磨损机 理为微切削和疲劳磨损； ( 2 ) 水润滑条件下改性聚醚醚酮复合材料与陶瓷配对时，摩擦系数稳定在o 1 4 ，改性聚醚醚酮 复合材料的磨损率较低，低载荷下主要磨损机理为疲劳磨损，高载荷下主要磨损机理为微切削和挤压 变形。添加碳纤维可显著降低改性聚醚醚酮复合材料的磨损率，石墨可以减轻改性聚醚醚酮复合材料 对对偶的划伤，p t f e 的加入使改性聚醚醚酮复合材料的磨损率上升。在高速( o 8 4 m s ) f ，载荷是 影响改性聚醚醚酮复合材料摩擦学特性的重要因素，摩擦系数随载荷的增大呈现出先降低后上升的变 化趋势，磨损率呈持续上升的趋势； ( 3 ) 水润滑条件下改性聚醚醚酮复台材料与等离子陶瓷涂层配对时，摩擦系数较低为0 0 4 0 1 ， 且随载荷的增大而降低，磨损速率为1 0 。m m 3 n m 量级，几乎不随载荷的变化而变化。改性聚醚醚酮 复合材料磨损表面较光滑，呈现出被对偶抛光的特征，其主要磨损机理为疲劳磨损。 其中，本课题组对改性聚醚醚酮复合材料的摩擦学特性进行了着重研究，焦素娟博士认为： 5 6 1 1 6 5 6 6 】 ( 1 ) 改性聚醚醚酮复合材料与等离子陶瓷涂层对磨时的摩擦学性能优于与不锈钢对磨时，6 种 不同复合材料的摩擦系数和磨损率平均f 降3 0 h1 3 0 。同种材料在3 0 0 n 9 0 0 n 载荷范围内，摩擦 系数下降3 0 - 一5 0 ，磨损率下降6 1 一8 2 ： ( 2 ) 改性聚醚醚酮复合材料与等离子陶瓷涂层对磨时的主要磨损机理为疲劳磨损，吊现出被对 偶抛光的机制。摩擦系数随载荷的增加持续下降，改性聚醚醚酮复合材料的磨损率随载荷的变化不明 显： ( 3 ) 政性聚醚醚酮复合材料与不锈钢对磨时，低载荷f 主要磨损机理为疲劳磨损，高载荷下主 要磨损机理为微切削和挤压变形。随着载荷的增加，摩擦系数先降低后升高，改性聚醚醚酮复合材料 的磨损率持续上升； ( 4 ) 改性聚醚醚酮复合材料的磨损率随碳纤维含量的增加而降低，碳纤维含量超过一定量时， 磨损率降低不明显。改性聚醚醚酮复合材料的磨损率随p t f e 含量的增加持续上升。加入i i 暴主要是 降低了对偶件( 等离子陶瓷涂层或不锈钢) 的磨损； ( 5 ) 改性聚醚醚酮复合材料与等离子陶瓷涂层或不锈钢对磨时的摩擦系数较低( o 0 5 - - 4 ) 1 4 ) ，且 比较平稳，改性聚醚醚酮复合材料的磨损率在1 0 - 6 r a m 3 n m 量级，对偶均没有可量测到的磨损率，该 两对摩擦副适合作为纯水液压柱塞泵的摩擦副配对材料。 第9 页共6 9 页 浙江人学硕士学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的研制 通过大量实验，焦素娟博士成功研制了一种改性聚醚醚酮复合材料耐磨配方i “i 。该配对在水润滑， 载荷9 0 0 n ，滑动速度o 8 4 m s 下的摩擦系数为0 0 5 ，磨损率为】5 1 0 。7m m 3 n m 。研制的材料配方在 纯水液压柱塞泵台架实验中的结果表明，能够满足纯水液压柱塞泵对摩擦副材料的要求【”j 。在此基础 上，焦素娟博士成功研制了全水润滑的纯水液压轴向柱塞泵i ”】。该泵采用小球头柱塞，盘配流，间隙 密封，尺寸紧凑。该泵在转速为1 4 5 0r m i n ，压力9m p a 下的容积效率为7 6 ，机械效率8 4 ，总效 率6 4 。 1 5 本课题的研究意义和主要研究内容 随着新技术、新材料的日益发展，纯水液压传动技术必定会越来越受到人们的重视。纯水液压元 件的研制是纯水液压传动技术开发的首要课题，而纯水液压泉的研制则是纯水液压传动系统成功应用 的关键。纯水液压泵是纯水液压系统中的关键动力元件，其性能指标限制了整个纯水液压系统的性能 指标。纯水液压泵的研制是研制各类纯水液压组件的重中之重。研制出一个性能优良的纯水液压泵可 以大大促进纯水液压技术的市场推广和产业应用，不但具有科研价值，还有极大的经济价值。 本课题主要着眼于纯水液压技术的民用，所以设计制造寿命长、成本低、综合性能好的纯水液压 泵是本文的首要目标。本文在参考国内外纯水液压泵研究成果的基础上，采用了本课题组在材料学、 摩擦学等学科上取得的研究成果，将其应用到纯水液压泵的设计制造中，力争研s f j l 上j , 的纯水液压泵达 到预期目标。本文的具体研究内容如下： 1 调研、分析、追踪国内外纯水液压泵相关技术研究的晟新进展，为确定纯水液压泵的设计指标 和技术路线提供参考： 2 在本课题组以前的研究基础上，结合合作加t 单位的实际加= ：【：能力，设计一个、r 轴式纯水液压 轴向柱塞泵。采用理论计算和m a t l a b 仿真计算相结台的方式对泵内关键零部件如柱塞、配流盘、 缸体、轴等进行详细的设计分析； 3 确定通轴式纯水液压轴向柱塞泵的加工工艺和具体制成材料，对通轴式纯水液压轴向柱塞泵各 零件的加工精度、形状公差逐一作修改，对其滑靴和柱塞作局部改进，对其关键零部件强度进行校核。 联系通轴式纯水液乐轴向柱塞泵的加t 事宜，对加t 中的产生问题进行分析并改进之： 4 在制成材料分别为1 c r l 7 n i 2 和改性聚醚醚酮复合材料的情况f ，对通轴式纯水液雎轴向柱塞 泵的配流盘进行应力仿真分析，对它的应力分布情况、变形情况和主要影响因素进行探讨。 第1 0 页共6 9 负 浙江大学硕士学位论文：纯水液压轴向柱塞泉的研制 第二章半轴式纯水液压轴向柱塞泵的结构设计 2 1 纯水液压泵内部结构的选择 设计一台纯水液压泵的第一步就是选择泵的结构形式。一般容积式液压泵包括柱塞采、齿轮泵、 叶片泵和螺杆泵。目前，国内外纯水液压泵全部采用的是柱塞泵。梓塞泵分为轴向柱塞泵和径向柱塞 泵。轴向柱塞泵简单，零件数少，体积小，重量轻，成本低7 8 - 7 9 。按配流方式，径向柱塞泵分为阀配 流和轴配流；轴向柱塞泵分为阀配流和端面配流。端面配流式结构排量人，转速高，结构简单，白吸 性好，还可用作马达 7 8 - 7 9 】。端面配流的轴向柱塞泵又分为斜轴式和斜盘式。斜盘式结构简单，抗扭振 性能好，集成化容易 7 8 - 7 9 】。 目前国内外已研制出的纯水液压泵采用的结构形式如下表 按柱塞放置方式按配流方式按端面形状缺点 径向柱塞泵 | 径向尺寸大，比功率小 轴向柱塞泵阀配流 | 不能作马达使用，转速不 高，自吸性较差 端面配流球面配流球面配流盘加工困难 平面配流配流副设计复杂 综合比较以上各种结构型式，考虑到本课题组已有的基础，本文设计纯水液压泵内部结构采用浮 动端面配流的半轴式结构，并且是采用有滑靴的斜盘式结构。 2 2 半轴式纯水液压轴向柱塞泵的结构及参数 图2 1半轴式纯水液压轴向柱塞泵结构简图 本文改计的半轴式纯水液压轴向柱塞泵结构简图如图2 1 所示。它的构成情况如f ： 外壳由左端盖、z ，端盖、壳体组成，左端盖和壳体焊接在一起，右端盖和壳体通过螺钥连接；缸 第】1 负共6 9 负 浙江大学硕十学位论文：纯水液压轴向柱塞泵的研制 体装在壳体内的缸体轴承中，可绕轴旋转，缸体同一圆周上均布有与缸体轴线平行的9 个缸孔；柱塞 滑靴组件中的柱塞置于缸孔内，与柱塞构成柱塞副；缸体一端装有止推盘，置于缸体中心孔中的弹簧 的一端经压紧塑料棒将止推盘压在配流盘上，中心弹簧另一端通过缸体、缸体外的球铰、球铰外的回 程盘将每个柱塞滑靴组件中的滑靴压在斜盘上；轴的一端穿过左端盖中心的滑动轴承插入缸体中心， 与缸体牢固结合；每个配流套一端相应地装入一个缸孔中，配流套的另一端装入止推盘上相应的孔中， 止推盘相对于缸体浮动；在右端盖中心装有配流支柱，配流支柱和定位销将配流盘固定在右端盖上， 另外两个定位销将斜盘固定在左端盖上；滑动轴承和缸体轴承内均开有导水沟槽，起导流、润滑、冷 却作用，缸体轴承的导水沟槽还连通了左右两边的水腔；轴端密封依靠骨架式轴封完成。 柱塞滑靴组件中的柱塞置于缸孔内，缸孔内壁牢固结合有一层改性聚醚醚酮复合材料，该改性聚 醚醚酮复合材料层和金属的柱塞构成柱塞副。柱塞滑靴组什中的滑靴包括：金属材料制成的半圆形基 体，在基体球窝内、基体圆柱面外、基体侧面覆盖改性聚醚醚酮复合材料层，覆盖有改性聚醚醚酮复 合材料层的球窝与柱塞的球头构成球窝副，覆盖有改性聚醚醚酮复合材料层的基体圆柱面装入网程盘 的孔中，覆盖有改性聚醚醚酮复合材料的侧面与斜盘构成滑靴副。回程盘包括：多孔的圆形金属基体， 在基体中心孔内表面紧密结合的改性聚醚醚酮复合材料层，改性聚醚醚酮复合材料层与球铰构成球铰 副。配流盘包括：圆盘形的金属基体，在基体外表面紧密结合的改性聚醚醚酮复合材料层，改性聚醚 醚酮复台材料层的侧面与i i i 推盘构成配流副。 本文设计的半轴式纯水液压轴向柱塞泵采用配流盘端面配流，靠斜盘和中心弹簧来实现柱塞的往 复运动：所有摩擦副均直接用水润滑、冷却，径向尺寸小，体积小，重量轻，比功率大。它采用半轴 式结构，轴的一端插入缸体中心，与缸体牢固结合，缸体由缸体外的缸体轴承支撑。这样缸体与轴同 心度高，缸体运转平稳，轴的长度短、形变小。泵的轴向尺寸小，整个装置结构紧凑。配流套与缸孔 有一定的径向间隙，使止推盘相对于缸体可以浮动。浮动端面配流可咀自动补偿零件加工和安装的误 著。配流套顶端有o 形橡胶密封圈，确保高压水不从配流套的径向间隙中泄漏。左滑动轴承安装于左 端盖内，支撑轴：缸体轴承安装于壳体内，支撑缸体。这样采轴基本不受弯矩的作用，只承受扭矩， 从而减少了轴的磨损，可以延长轴的使用寿命。缸孔和柱塞之间有一定间隙，靠此间隙实现密封。在 排水过程中，缸孔中是高压水，在缸孔和柱塞密封间隙两端形成高低压力差，使得缸孔中的高压水通 过密封间隙泄漏到低压的壳体内。此部分泄漏水在间