毕业设计（论文）-预应力柱塞泵的优化设计与研究.doc

毕业论文(设计)全套图纸加扣3012250582 题目名称： 预应力柱塞泵的优化设计与研究 题目类型： 毕业设计 学生姓名： 院 (系)： 机械工程学院 专业班级： 机械1103班 指导教师： 辅导教师： 时 间： 2015.3 至 2015.6 目录长江大学毕业设计(论文)任务书I预应力柱塞泵的优化设计与研究IV长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见X长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语XI长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定XII中文摘要XIII英文摘要XIV前言11绪论21.1课题研究背景及研究意义21.2课程研究内容和方法31.3柱塞泵国内外发展状况及发展趋势42预应力柱塞泵介绍62.1预应力柱塞泵的基本结构62.2预应力柱塞泵配流过程73预应力柱塞泵主要零部件优化设计103.1下体的设计113.2柱塞的设计143.3斜盘轴的设计153.4回程弹簧设计173.5上体的设计184预应力柱塞泵主要零部件受力分析204.1下体受力分析204.2柱塞受力分析205预应力柱塞泵三维建模215.1三维建模软件介绍215.2主要零件的三维模型215.3预应力柱塞泵三维装配图255.4本章小结266预应力柱塞泵有限元分析276.1ANSYS 软件介绍276.2零件的有限元分析277总结31参考文献33致谢34长江大学毕业设计(论文)任务书学院（系）机械工程学院专业机械设计制造及其自动化班级机械11103学生姓名 XXX 指导教师/职称 XXX/副教授 1 毕业设计(论文)题目预应力柱塞泵的优化设计与研究2 毕业设计（论文）起止时间2013年3月28日2013年6月17日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分） 1 杨华勇.轴向柱塞泵流体噪声的研究现状.机械工程学报，2009；09-071.2 马吉恩.轴向柱塞泵流动特性理论建模与实验分析.农业机械学报，2010；01-036.3 杨华勇.轴向柱塞泵/马达技术的发展演变.机械工程学报，2008；10-001.4 马吉恩.轴向柱塞泵流量脉动及配流盘优化设计研究.浙江大学，2009；03.5 金梅.平衡式均流量轴向柱塞泵的研究.安徽理工大学，2012-06.6 骆科技.多种控制高压柱塞泵设计及实验研究.西华大学，2012-05.7 张志鹏.55mL/r 十一柱塞斜盘式轴向柱塞泵的设计研究.西南交通大学，2009.8 杨可可.柱塞受力与分析.湖南农机，2012-09.9 张丽凯.特种维修技术在柱塞泵零件上的应用.通用机械制造，2012-11.10 徐绳武.高端柱塞泵如何创新.液压气动与密封，2012-11.11 张帆.柱塞组合收口的方法及其影响因素.学术论文，2010-3.12 张永茂.AutoCAD2008中文版机械绘图实例教程.第三版.北京.机械工业出版社.2009:10-20513 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.第二版.北京：高等教育出版社，1999：3-4514 罗圣国，李平林.机械设计课程设计指导书.第二版.北京：清华大学出版社，2001:12-5615 周元康.机械课程设计.重庆：重庆大学出版社，2002:34-12216 杨可桢，程光蕴.机械设计基础.第四版.北京：机械工业出版社，2001:22-6717 陈立德.机械设计基础课程设计指导书.第二版.北京：高等教育出版社，2004:37-5618 李正峰.机械设计基础.上海：上海交通大学出版社，2005:23-6819 锦康主编.机械设计M.北京:机械工业出版社,1998：54-9020 陆玉，何在洲，佟延伟主编.机械设计课程设计M.北京:机械工业出版社,2004：22-6521 成大先主编.机械设计手册：第15卷M.4版.北京:化学工业出版社,2002:14-29原始数据：BZ4-5004、毕业设计(论文)应完成的主要内容外文翻译资料3000汉字；撰写开题报告（不得少于3000字）；预应力柱塞泵的总体设计方案；预应力柱塞泵设计总图；预应力柱塞泵主要零件图预应力柱塞泵设计计算说明书一份5 毕业设计(论文)的目标及具体要求目标：学生通过本次毕业设计，对大学期间所学的知识进行一次综合应用训练，使学生初步具备独立从事解决实际问题的能力。具体要求： 预应力柱塞泵的特点、设计要求及工作原理的介绍，预应力柱塞泵优化设计分析，预应力柱塞泵三维建模，预应力柱塞泵有限元分析。设计图纸应采用计算机绘制，符合总图和零件图的基本要求。计算说明书应规范，语言通顺，表达清楚简练，引用资料来历明晰。6 完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求要进行项目调研，参观相关工厂的生产，了解相应设备使用情况，拆装研究相关设备，温习相关知识，需要机械设计手册一套，上机100学时。任务书批准日期 2015 年 3 月 25 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2015 年 3 月 25 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2015 年 5 月 29 日 学生（签名） 预应力柱塞泵的优化设计与研究一、题目来源 题目来源：生产实践二、研究目的和意义柱塞泵是向液压系统提供一定流量和压力的油液的动力元件，它是每个液压系统中不可缺少的核心元件，合理的选择液压泵对于液压系统的能耗、提高系统的效率、降低噪音、改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要。随着工业技术的不断发展，液压传动也越来越广，而作为液压传动系统心脏的液压泵就显得更加重要了。在容积式液压泵中，惟有柱塞泵是实现高压。高速化、大流量的一种最理想的结构，在相同功率情况下，径向柱塞泵的径向尺寸大、径向力也大，长用于大扭矩、低转速工况，做为按压马达使用。而轴向柱塞泵结构紧凑，径向尺寸小，转动惯量小，故转速较高；另外，轴向柱塞泵易于变量，能用于多种方式自动调节流量，流量大。由于上述特点，轴向柱塞泵被广泛的使用于工程机械、起重运输、冶金、船舶等多种领域。在工业现代化和大规模城市化进程中,工程机械、塑料机械、冶金、机床和农业机械等领域对轴向柱塞泵的需求十分旺盛,对于企业来说如何分的更多的利润占领市场，提高轴向柱塞泵的经济性就显得十分迫切,对轴向柱塞泵技术革新的要求也十分紧迫，并且这在加快我国轴向柱塞泵技术的发展都有着重要的指导意义和现实意义。三、阅读的主要参考文献及资料名称1 杨华勇.轴向柱塞泵流体噪声的研究现状J.机械工程学报,2009；09-071.2 马吉恩.轴向柱塞泵流动特性理论建模与实验分析J.农业机械学报，2010；01-036.3 杨华勇.轴向柱塞泵/马达技术的发展演变.机械工程学报J，2008；10-001.4 马吉恩.轴向柱塞泵流量脉动及配流盘优化设计研究J.浙江大学，2009；03.5 金梅.平衡式均流量轴向柱塞泵的研究J.安徽理工大学，2012-06.6 骆科技.多种控制高压柱塞泵设计及实验研究J.西华大学，2012-05.7 张志鹏.55mL/r 十一柱塞斜盘式轴向柱塞泵的设计研究J.西南交通大学，2009.8 杨可可.柱塞受力与分析J.湖南农机，2012-09.9 张丽凯.特种维修技术在柱塞泵零件上的应用J.通用机械制造，2012-11.10 徐绳武.高端柱塞泵如何创新J.液压气动与密封，2012-11.11 张帆.柱塞组合收口的方法及其影响因素J.学术论文，2010-3.12 张永茂.AutoCAD2008中文版机械绘图实例教程.第三版J.北京.机械工业出版社.2009:10-20513 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册.第二版J.北京：高等教育出版社，1999：3-4514 罗圣国，李平林.机械设计课程设计指导书M.第二版.北京：清华大学出版社，2001:12-5615 周元康.机械课程设计M.重庆：重庆大学出版社，2002:34-12216 杨可桢，程光蕴.机械设计基础.第四版M.北京：机械工业出版社，2001:22-6717 陈立德.机械设计基础课程设计指导书M.第二版.北京：高等教育出版社，2004:37-5618 李正峰.机械设计基础M.上海：上海交通大学出版社，2005:23-6819 锦康主编.机械设计M.北京:机械工业出版社,1998：54-9020 陆玉，何在洲，佟延伟主编.机械设计课程设计M.北京:机械工业出版社,2004：22-6521 成大先主编.机械设计手册：第15卷M.4版.北京:化学工业出版社,2002:14-29四、国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 1.发展历史轴向柱塞泵的雏形可以追溯到16世纪初，RAMELLI开发了用于从矿井里往外汲水的皮革密封的轴向柱塞泵，它和现在的柱塞泵已经十分相似。直到1905年，美国HARVEY William教授和REYNOLD Janny工程师设计了端面配流的斜盘泵的静液传动装置，用在军舰炮塔转向的液压系统中，后来人们称此结构的泵为Janny泵。1907年，美国人RENAULT改进了Janny的这种柱塞传动机械，有效提高了它的运行效率。斜轴式柱塞泵发展较晚，1930年，瑞士HANSThoma教授设计了第一台斜轴泵，后人常把斜轴泵称为Thoma泵。其缸体中心线与传动轴中心线成一夹角，使缸体对配油盘的倾复力矩减小，因此允许的倾角较大。20世纪50年代中期，美国Denison公司和英国Lucas公司摆脱Janny泵的传统，设计了轴承支承缸体的斜盘泵。这种泵传动轴只传递转矩，不传递弯矩，保障了配流副的良好接触，加上制造水平的提高，使其工作压力提高到35 MPa，转速也大幅提高，引起斜盘泵历史上的一次飞跃。20世纪60年代中期，由于对液压系统集成化的要求，特别是在行走车辆闭式回路的应用，通轴泵获得了新的发展。主轴尾端可以安装辅助泵或其他作用的泵，使通轴泵具有集成多种元件的复合功能，大大简化了液压系统，这是斜盘泵发展的另一次飞跃。20世纪70年代以后，欧美很多轴向柱塞泵的制造商逐渐崛起，针对不同领域做了很多技术革新，比如Viekers针对注塑机节能的要求推出PVB轻型泵；泵和电子技术结合也越来越紧密，出现了多种多样控制方式。1966年，我国综合了国外后斜盘式柱塞泵的特点，设计出CYl4-1型轴向柱塞泵。经过30多年的实践，对CYl41相继做过四次大的改进，前两次以标准化和缩小体积为主，改进为CYl41A型。第三次针对配油盘烧损和斜盘磨损以及工艺问题，形成了CYl41B型泵。第四次针对CYl41B型噪声高、转速低、易松靴脱靴、可靠性差、自吸能力差，规格不全和无通轴泵等缺陷，开发了Q*CYl4-1Bk系列开式低噪声泵和QT*CYl4-1Bk系列通轴泵。进入20世纪90年代后，德国Rexroth公司开发了A4V泵。柱塞与传动轴成一交角，工作时离心力有助于柱塞的回程，也有利于减小配流盘直径，降低缸体配流面的线速度；采用球面配流，有利于补偿轴向偏载对缸体产生的倾复力矩。进入21世纪，荷兰Innas公司设计了一种名为Floating Cup结构的轴向柱塞泵。这种泵为双层柱塞结构，类似于将两个泵面对面的叠加，它可以平衡泵一部分的轴向力，减轻轴承的工作负载，减少流量脉动，降低噪声。2. 发展现状国产轴向柱塞泵主要有引进国外技术的产品和我国自主研发的CY系列柱塞泵。引进国外技术Rexroth、Yuken等系列，性能介于国外产品和CY泵之间。纵观国产轴向柱塞泵发展现状，主要有以下特点：(1)就性能指标来讲，国产Rexroth系列的排量、额定压力、转速都要比CY系列的大一些。其额定压力35 MPa，峰值压力达40 MPa；转速达到2 000 rmin以上，而CY系列额定压力在315 MPa，转速一般限定在l 500 rmin。(2)就市场份额来看，CY由于价格优势仍稳定占有一定的低端市场份额，但利润率低。由于性能不稳定很难应用于工程机械、注塑机等领域。国产Rexroth产品有少量应用于起重机等领域。国外产品凭借性能优势占据了较大的高端市场份额。(3)就企业情况来看，在欧美，轴向柱塞泵的生产厂家是比较多的，但在国内比较有影响力的也只有68家，而且其中多数采用的是国外的技术。由于我国液压行业的基础薄弱，和国外的技术水平相比，国内还是比较落后的，在轴向柱塞泵领域主要表现在以下几个方面。(1)和国内屈指可数的几个企业相比，国外企业数目很多、规模很大。比如Rexroth、Eaton、Parker、Denison、Yuken等；另外小松、川崎和三菱等一些企业，生产的泵直接为自己的工程机械整机配套。(2)国外的厂家有丰富的产品线，产品系列多，产品型号全，比如Rexroth的AF系列、AV系列、KVA系列等，为工业液压和工程机械液压行业配置了丰富的产品线。(3)国外产品性能出色，技术更新快。排量从几毫升到上千升，额定压力有的可达40 MPa以上，自吸转速大多都在2 000 rmin以上，个别小排量的甚至达到8 000 rmin以上，而且寿命长、噪声低。(4)就变量控制方式来讲，国外产品变量方式比较多，而且各种变量方式又有很多可选功能。虽然有差距，但我国对轴向柱塞泵的需求却一直很旺盛，这对轴向柱塞泵的发展是一个很大的机遇，只要能够在结构和技术上不断的开拓创新，我国轴向柱塞泵技术和产品一定可以上一个新台阶。3. 发展趋势随着生产的不断发展，对液压元件的结构和性能的要求也越来越高，纵观国内外轴向柱塞泵的发展趋势，主要有以下几点：高速化和高压化是轴向柱塞泵的发展方向。这体现了其功率密度的提高，而且使其可以直接与发动机匹配，应用更为方便；轻型轴向柱塞泵由于成本仅比叶片泵高20%左右，但是性能却比其高不少，可以和叶片泵进行竞争，这也是轴向柱塞泵的一个发展方向；和电子技术相结合，实现多种控制方式。Rexroth公司推出的电子泵，实现对压力流量进行精确的闭环控制。此外变频控制也在液压电梯、注塑机等领域逐步展开应用。5、 主要研究内容、重点研究的关键问题及解决问题1.主要研究内容 本课题是在柳工欧维姆公司原有的柱塞泵产品ZB4-500 的基础上进行的改进，首先对原有的产品直轴式滑履柱塞泵的机构参数设计，主要结构尺寸的设计以及柱塞、滑履、缸体、斜盘等部件的运动学分析、强度校核和寿命估算。配流盘的静平衡计算和滑履的副静压平衡分析和计算。以理论分析研究和实验相结合进行柱塞泵的特性分析，并且借助Pro-e 软件建模进行分析，得出新的参数，将新的参数与原有参数进行比较。在设计过程中，在保证材料强度满足实际工作的基础上将柱塞的数量由六根变成五根，根据工作中的额定标准设计斜盘倾角，然后对设计成本进行对比，得出优化后的柱塞泵的最佳参数，并对可行性和使用前景进行分析研究。本课题研究的最大难点是柱塞泵的内部结构优化参数设计以及校核。根据柱塞泵领域的普遍意见总结得出来减少柱塞数量会对柱塞泵的特性产生多方面影响,当然也会带来噪声、泄露、振动、脉动等一系列问题,需要进行反复论证研究,所以这些问题是本课题拟解决的关键问题。2.需要重点研究的问题本课题研究将理论与实践相结合,首先进行理论分析与计算,在进行理论分析时，因为已经有了成熟ZB4-500 型号柱塞泵设计参数，所以优化设计没有必要对每一个参数进行分析；然后对工作环境进行调查分析，再有针对性的进行优化改进；最后利用Pro-e软件进行模拟仿真,并结合ANSYS 系统进行模拟校核。以原有成果进行优化设计,将理论与实际相结合，解决所研究问题,实现研究目标。第一,理论分析设计。综合国内外柱塞泵领域研究现状,着重对柱塞泵优化设计理论进行汇总,将已成熟的ZB4-500 型柱塞泵设计思路与五柱塞斜盘式柱塞泵的优化设计方案相结合，改进设计图纸并进行特性分析,按照工作要求确定最终的设计方案。第二，借助Pro-e 和ANSYS 软件平台进行模拟分析，因为工作量大，考虑到节约成本、缩短周期,首先利用Pro-e 平台对优化后的柱塞泵进行结构模拟，并将其导入到ANSYS 软件中进行系统工作强度分析，然后汇总分析结果。6、 完成毕业设计所必须的工作条件（如工具书，如计算机辅助软件，某类市场调研，实验设备和实验环境条件等）及解决的办法（1）所需资料：各种计算机辅助软件如ANSYS、AutoCAD、SolidWorks等的操作指导书；上机100学时。（2）解决办法：1）充分利用学校图书馆纸质图书和电子书的资源；2）老师提供的相关书籍和论文等资料；3）学院机房电脑上的相关计算机软件及资料；4）综合已学的机械设计，材料力学，理论力学等课程知识进行设计计算；5）到工厂了解真实情况，调研山楂切片装置具体结构，创新地解决自己遇见的问题。 七、工作主要阶段、进度和时间安排第 6 周 查阅资料，找出与题目相关英文材料，完成翻译第 7 周 阅读资料，理清思路第 8 周 完成开题报告，准备开题报告答辩第 9 周 确定设计方案第 10 周 学习三维软件第11-12周 主要部件的设计，计算参数的选择第13-13周 设计优化初步绘制平面图和三维图第15-16周 撰写并修改毕业论文，准备答辩八、指导教师审查意见长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名XXX专业班级机械11103毕业论文(设计)题目预应力柱塞泵的优化设计与研究指导教师XXX职 称副教授评审日期评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语学生姓名XXX专业班级机械1103毕业论文(设计)题目预应力柱塞泵的优化设计与研究评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名XXX专业班级机械11103毕业论文(设计)题目预应力柱塞泵的优化设计与研究答辩时间 2015 年 3 月 4 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况 评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)预应力柱塞泵的优化设计与研究学生：XXX，长江大学机械工程学院指导老师：XXX，长江大学机械工程学院摘要预应力柱塞泵是一种高压小流量斜盘式轴向柱塞泵，与预应力千斤顶配合使用，油泵产生的高压油液为预应力千斤顶的张拉和回顶提供动力。预应力柱塞泵与一般轴向式柱塞泵不同，其采用缸体固定、斜盘旋转、阀式配流的结构特点，泵体内部结构紧凑，外形尺寸小，输出油液压力高、流量小，满足液压千斤顶的供油特点，对液压千斤顶的供油自动化具有重要意思。本次优化设计旨在满足额定流量和额定压力不变的条件下，对ZB4-500柱塞泵内部结构进行优化，把泵体内柱塞个数由六个减少至五个，减小流量脉动，降低噪声。优化设计过程中尽量保证柱塞泵泵体尺寸参数不变，适当修改斜盘倾角、柱塞直径等一系列参数。优化设计后的柱塞泵在内部结构和性能参数上与优化前的柱塞泵变化不大，但是高精度配合的柱塞、柱塞套组件的减少降低生产成本，提高柱塞泵市场竞争力。优化后的设备安全可靠，运行稳定，达到优化目的并且提高利润。 关键词斜盘式轴向柱塞泵；缸体固定；优化；高压小流量The Optimized Design and Research of Prestressed Plunger PumpName: Wang Jun, Yangtze University School of Mechanical EngineeringTeacher: Peng San he ,Yangtze University School of Mechanical EngineeringAbstract Prestressed plunger pump is a kind of high pressure small flow slanting axial piston pump, used with hydraulic hoisting jack, high pressure oil of the oil pump power tension and return of hydraulic hoisting jack. Prestressed plunger pump is different from general axial plunger pump, The pump has the structure of cylinder body fixed，swash-plate rotating，and valve distributingIts characteristic is compact，small sizeAnd its output oil is the characteristic of high pressure and low flow rate，which meets the oil supplying of hydraulic hoisting jacksIt is significant to achieve automation of oil supplying for hydraulic hoisting jackThe Optimized Design aims to meet the condition of rated pressure and flow remain unchanged, optimized the internal structure of ZB4-500 plunger pump, Reduce the number of plunger in the pump body by six to five, reducing the flow pulsation and noise. Try to remain the size parameters of plunger pump body unchanged in the process of optimization, swash plate angel ,plunger diameter and a series of parameters will be adjusted. Internal structure and performance parameters of the plunger pump after optimal little unchanged than before, however decrease on the numbers of high precision plunger and piston sleeve components reduces the cost of the production, enhancing the competitive ability of the plunger pump market. The optimized equipment stable and reliable, smooth operation, achieving optimization and increasing profiles. Key Words Slating axial piston pump; cylinder fixing; optimization; high pressure low flow XIII前言预应力柱塞泵的优化设计与研究前言随着目前重型机械设备的飞速发展，液压千斤顶成为安装和维修重型机械设备的不可或缺的重要工具。预应力千斤顶是用于张拉钢铰线等预应力筋一种比较重要的千斤顶，预应力千斤顶配合高压小流量柱塞泵使用效果更佳，回顶和张拉的动力均由预应力柱塞泵的高压油供给。在工程结构构件承受外荷载之前,对预应力张拉构件提前施加一个拉应力，让其提前发生变形，来应对钢结构本身所受到的荷载。对于受拉模块中的钢绞线，需要施加预压应力,提高构件的抗弯能力和刚度, 增加构件的耐久性，推迟裂缝出现的时间。对于机械结构来看，其意义是预先使其产生应力，其作用是可以提高构造本身刚性，减少振动和弹性变形，这样做可以明显改善受拉模块的弹性强度，使原本的抗性更强。预应力千斤顶结构紧凑，张拉时工作平稳，张拉力大，油压高，广泛应用于水电坝体、公路桥梁、铁路桥梁、高层建筑等预应力施工工程。为提高劳动效率、降低工作人员的劳动强度,开发与液压千斤顶配合使用的自动供油泵适应市场需求。考虑到液压千斤顶使用过程中所需要的压力高、流量小、经常露天作业且可移动等特点研制高压小流量的斜盘式轴向柱塞泵对实现千斤顶供油自动化具有重要意义。本次论文里面介绍的预应力柱塞泵ZB4-500型斜盘式轴向柱塞泵就是针对小流量需求的千斤顶而设计，而本次优化设计也将其作为模板进行优化。本次优化属于理论知识上面的设计，未能进行实验校核，可能有部分内容不准确。为了使优化的产品更贴近原产品的设计理念，与同类型产品更加兼容配合，本次设计大多数数据沿用原来的数据，或者借鉴原来的思想。但是本次的设计核心“优化”还是一直没有改变，秉着取其精髓，弃其糟粕的思想，对好的设计思路继续沿用，并对可以改进的地方进行优化。本次设计还是按照额定流量和额定压强最为原始数据进行设计，其中计算所得结果也参考原产品参数，圆整优化。本文中电动机、轴承并未进行选取和校核，沿用原产品参数，只是对深沟球轴承进行小改动，是考虑到柱塞直径变大，其它没有改动数据选用也满足新产品的要求。第 41 页 （共 49 页）绪论1 绪论本章概述了课题研究的背景、国内外现状及发展趋势，对于柱塞泵行业的大背景进行阐述，了解行业发展，说明优化设计的意义。 1.1. 课题研究背景及研究意义1.1.1. 课题研究背景液压泵是液压系统中有着非常重要的地位，它为机械设备提供动力并按照设计要求完成指定任务。其有着广泛的运用领域，像汽车、飞机、船舶、千斤顶上面都有使用，是运用最广的现代液压元件之一。在容积式液压泵中，预应力柱塞泵是一种新型的高压、小流量的斜盘式轴向柱塞泵，在相同功率的情况下，径向柱塞泵径向尺寸大，径向力也大，常用于大扭矩、低转速的工况，多数作为马达使用；而轴向柱塞泵结构紧凑，径向尺寸小，故转速较高，转动惯量小，现在大多使用轴向柱塞泵。此外,由于轴向柱塞泵柱塞需要与柱塞套等部件紧密配合，内部结构复杂,对制造工艺、材料的精度要求非常高,因此它又是技术含量很高的液压元件之一。经过几十年的研究，德国、英国、美国和日本在柱塞泵方面已经取得了巨大的成就，我国的液压行业相比来说起步较晚，但是发展速度很快。近年来,随着国家对机械行业发展的重视以及经济快速发展对于新技术的需求，越来越多的新技术泵研发出来，其中预应力柱塞泵就是针对预应力张拉行业为液压千斤顶设计的高压泵。在工业现代化和大规模城市化进程中，工程机械、塑料机械、冶金、机床和农业机械等领域对轴向柱塞泵的需求十分旺盛,对于企业来说如何分的更多的利润占领市场，提高轴向柱塞泵的经济性就显得十分迫切，对轴向柱塞泵技术革新的要求也十分紧迫，并且这在加快我国轴向柱塞泵技术的发展都有着重要的指导意义和现实意义。1.1.2. 课程研究意义目前国内的柱塞泵行业发展蒸蒸日上，许多厂家生产产品的整体性能、稳定性、噪声、泄露、使用寿命以及材料等方面与国外还有很大的差距。由于轴向柱塞泵具有体积小、传递功率大、效率高易控制等优良特点，并且其内部结构紧凑，制造精度高，好多产品被国外垄断，导致其售价居高不下，技术革新对于节约生产成本，提高产品利润至关重要。我国许多大型企业为了达到优良的性能指标而扩大市场占有率，大都通过引进国外柱塞泵技术或者仿制国外的产品，于是大多数厂家没有技术革新的意识，一味的制造而不去设计导致许多产品技术落后而且性能较差。不断的引用和仿制使厂家只为达到性能指标而忽略产品的稳定性、寿命，最后就只能通过降低质量来控制生产成本，这样制造的产品更加不可靠，最后产品只会越来越落后导致企业倒闭。本次设计就是以预应力柱塞泵为模型进行优化设计，考虑到产品的整体性能提升，对产品技术参数、稳定性、寿命都提出严格要求。也许产品设计过程中存在许多不足，但是优化设计的思路和方法都是严密规范的。1.2. 课程研究内容和方法1.2.1. 课程研究内容本课题是在柳工欧维姆公司原有的柱塞泵产品ZB4-500 的基础上进行的改进，首先对原有的预应力柱塞进行介绍，从工作原理出发，采用比较正确的机械设计方法，合理进行优化设计。由于泵体内部结构紧凑，零件结构复杂，首先借助Solidworks 软件建立柱塞泵三维模型了解其基本结构，熟悉其工作过程，并把一些设计的小细节更直观展示出来。在设计过程中，严格参考以前的设计经验，在保证材料强度满足新产品实际工作的基础上将柱塞的数量由六根变成五根，根据给定的额定流量确定更改柱塞数后的最优斜盘倾角，然后对原产品数据进行对比，权衡优劣，得出优化后的柱塞泵的最佳参数，并进行产品校核和成本的对比。本次设计中尺寸参数大多是按照原产品的标准来设计的，但是这其中最大的难点是泵体内部之间受力的计算，像斜盘与柱塞、柱塞与缸体、斜盘轴与上体的力的计算，同时对于关键零部件的校核也是课程研究内容的难点和重点。1.2.2. 课程研究方法本课题由于是优化设计，所以更多的要点是放在“优化”上面，对于一些基本参数在满足强度要求的条件下可以直接借鉴引用。但是对于一些需要优化的点，必须严格按照机械设计的逻辑来设计校核。本次的优化核心是柱塞的优化，让流量脉动更小，于是我们就要从柱塞的参数进行合理分析论证，达到原产品要求和完成优化目的。因为已经有了成熟的ZB4-500 型号柱塞泵设计参数，所以优化设计没有必要对每一个参数进行分析；针对柱塞的设计可以使用Solidworks 软件进行三维建模,并结合ANSYS 系统进行模拟校核。对校核比较后的数据严格进行分析论证，不断进行改进。第一，理论分析设计。了解预应力柱塞泵的实际应用，明白其工作原理，将已成熟的ZB4-500 型柱塞泵设计思路与五柱塞斜盘式柱塞泵的优化设计方案相结合，确定初始参数，利用Solidworks建立三维模型同时转化为二维设计图纸互相论证并,按照实际工作要求确定最终的设计方案。第二，利用 ANSYS 软件平台校核分析，对计算好的数据与分析出来的实际结果作对比，确定计算过程是否有错误。校核完成则确定其最终参数。 1.3. 柱塞泵国内外发展状况及发展趋势1.3.1. 国内外研究现状对于柱塞泵的研究多种多样，我国的浙江大学、西北工业大学、重庆大学等重点院校都利用建模进行过深入研究。整个液压系统在很大程度上受到柱塞泵性能的研究的影响，因此很多国内外液压研究机构和液压元件生产企业都对柱塞泵投入了大量的精力，进行了多方面的研究探索。目前我国液压行业尤其是柱塞泵研发生产方面存在的问题有：产品技术水平低；制造技术水平低；产品质量和可靠性有待进一步提高。德国是老牌的液压技术强国，技术实力以Bosh-Rexroth 为主，该公司从液压元件铸件起步，目前成为世界上最大的液压产品和液压技术输出国，并且在中国拥有第一大市场，推出了多种系列柱塞泵，我国许多高新技术装配都依赖该公司的产品和技术。美国是传统技术强国，虽然目前整体技术没有德国先进，但依然是世界先进水平；日本虽然是后来者，但是因为其液压技术独具特色并门类齐全，以Yuken 公司为代表目前在世界领域已经占有重要的一席之地。中国液压产业虽然起步较晚,但是一开始就受到国家大力支持，成长起来了像普什驱动等一大批大型液压企业,陆续为我国的液压行业的健康发展起到了领军作用。国产轴向柱塞泵系列产品主要有引进国外技术的Rexroth、Yuken，性能在国外产品和国内自主研发产品之间。纵观国产轴向柱塞泵的发展状况,主要有以下特点:(1)在性能方面,国产Rexroth 系列柱塞泵的排量、额定压力、转速都要比纯国产系列的大一些；(2)在市场份额方面,国产的柱塞泵因为有价格优势仍稳定占有一定份额的低端市场,但利润率比较低,并且由于性能不稳定除了国产Rexroth 产品有少量应用于起重机等领域外很少应用于工程机械等领域。国外产品凭借性能优势仍牢牢占据了较大的高端市场份额。1.3.2. 柱塞泵国内外发展趋势斜盘式轴向柱塞泵以其优势明显,目前己广泛作为机床、航空和工程机械的液压系统的动力源。近年来随着电液一体化技术的快速发展,国外产品在技术上又有大量的创新,并且国外斜盘式轴向柱塞泵经过了几十年的发展,各企业已经形成了成熟的整体设计理念,国内在柱塞泵的设计研发方面也得到了很大的发展,国产柱塞泵产品与进口柱塞泵产品的差距主要表现在产品使用寿命、精度、噪声、稳定性以及对环境污染等方面,随着能源的日趋紧张,节能型高性能柱塞泵已成为发展的重难点。柱塞泵技术提高具有重要的经济价值和社会意义，近年来,轴向柱塞泵的发展呈现出了一些新的特点：高速化、高压化。这不仅体现了其功率密度的提高,而且直接与发动机匹配后,应用更方便;轻型轴向柱塞泵与叶片泵相比，成本仅高20%左右,但是性能却相差特别大,所以完全可以和叶片泵进行竞争,这也是轴向柱塞泵能够快速发展的一个重要原因;和电子技术相结合,实现多种控制方式。Rexroth 公司推出的电子泵,可以实现对压力流量进行精确的闭环控制。此外变频控制技术也逐渐在液压电梯、注塑机等领域开始应用。所以国内外将会继续加大在柱塞泵研发,这标志着斜盘式轴向柱塞泵未来发展趋势将会在高精度、高效率、高功率、自动化、小型化、节能化等方面实现大的突破和飞跃。随着社会的发展进步，各个方面都需要使用到轴向柱塞泵，考虑到对每个不同产品的需求不同，未来柱塞泵发展会趋向于走向多元化发展的道路。排量会从几毫升到几千毫升不等，而压力也会从几帕到几十帕甚至上百帕，而且其外形也会在柱塞泵的优良基础上不断改进，以适应不同行业的需求。现在柱塞泵的生产主要还是来自于购进其它厂家的零件，主要核心零件由自己设计，可以节约更多生产成本，以后柱塞泵零部件相信会出现更多与时俱进的标准，为柱塞泵装配省去装配中的麻烦问题。未来柱塞泵发展也更多会与电子相结合，制造出机电一体化全自动的优秀产品，不管怎么改进，柱塞泵都会向着智能的方向进行，其服务更优秀，为机械行业的蓬勃发展提供动力。预应力柱塞泵介绍2. 预应力柱塞泵介绍2.1. 预应力柱塞泵的基本结构本次优化设计中高压小流量斜盘式轴向柱塞泵的基本结构如图2.1所示，它拥有轴向柱塞泵的工作特点但是与我们熟知的高压大流量柱塞泵不同，它是针对液压千斤顶的压力高、流量小的工作特点而设计，柱塞直径小，同时外观尺寸相比常见轴向柱塞泵更小，重量轻，方便自由移动。图2.1 预应力柱塞泵装配图该预应力柱塞泵壳体包括上体和下体两个结构，柱塞直接安装在柱塞泵的下体上，并且均匀分布在柱塞分布圆上，如图2.2所示。该预应力柱塞泵下体即常见轴向柱塞泵的缸体，但是与常见柱塞泵不同的是其缸体是固定不动的，而且在缸体底部的配流盘也从下面改动到缸体顶部，而且改进后的配流盘也不再承担配流的任务，而是固定图2.2 下体柱塞分布图柱塞和回程弹簧。斜盘位于上体，与传动轴固定在一起，称之为“斜盘轴”。斜盘轴由两个推力球轴承，两个深沟球轴承固定，让其在轴向和径向上不能移动，只能进行转动，传动轴带动斜盘运动，而与斜盘轴紧密配合的推力轴承给柱塞提供向下工作的压力，柱塞向下工作完成压油过程。当斜盘转动不再给柱塞压力时，柱塞在回程弹簧的弹力作用下向上顶起，造成局部真空，完成吸油过程。柱塞随斜盘运动而不断上下伸缩，不断改变柱塞腔的空间，完成吸油排油动作。2.2. 预应力柱塞泵配流过程本次设计中没有采用配流盘分配吸油和压油，而是采用阀配流方式，其结构如图2.3所示。配流阀位于下体，每一个柱塞都对应一个配流阀，其吸油是从下体底部进行，而排油通过下体侧面的油嘴。配流阀的吸油腔和压油腔是通过一个环形槽联通的，并且压油腔彼此相连在一起。图2.3 配流阀分布图如图2.4所示，当柱塞在回程弹簧弹力作用下向上顶升柱塞密封工作腔内容积不断增大，产生局部真空，吸油口与外界连通，在外界大气压的作用下。油箱中的油液通过滤网和丝堵作用于单向阀2上，推开单向阀，油液不断涌入密闭的工作腔，与此同时单向阀1在也会受到其它柱塞排油腔排出的高压液的作用，将配流阀的排油腔堵死，这样就可以压油腔与吸油口分开，不会干扰吸油过程。当柱塞受到推力轴承的压力向下压缩时充满油液的工作腔容积不断减小，柱塞腔里的油液压力逐渐升高，当上升到足够的压力时，推动单向阀1打开，同时单向阀2闭合。油液从密封工作腔通过单向阀1流入压油腔油液穿过环形槽到达排油腔，通过油嘴排出油液完成压油过程。上面的下体结构中5个相通的柱塞依此顺序吸油排油，其吸油腔和压油腔相通在下体内部完成配流过程，油嘴直接出油。图2.4 配流阀结构图原产品配流阀三个配流阀通过下体内部配流孔循环工作，共有两组分别工作，而且出油嘴也是有两个，虽然原来的三个配流阀一组，配流过程中的流量脉动率相对偶数个数来说小很多，但是优化后的五个配流阀通过配流孔直接相连的工作方式，流量脉动更加小，工作也更加稳定，同时噪声更小。而且原来两组配流工作组是分上下两层分别工作，需要开两组配流孔操作难度高而且是下体内部结构复杂，生产成本高。而五个配流腔相连结构相对来说简单，降低加工成本。考虑到柱塞腔内的高压液体的压力，在配流阀上面安装两个垫圈，一个铜垫，一个钢垫，紧密配合，把压油腔和排油腔与柱塞腔隔离开来，防止泄露。排油腔外有一个安全泄流阀，当工作发生异常时可以通过打开与单向阀相连的紧定螺钉，泄流然后在拆开内部结构进行维修。图中配流阀安装位置与图2.3中不一定完全对应，可能发生一些旋转，这是不影响柱塞泵正常工作的。预应力柱塞泵主要零部件优化设计3. 预应力柱塞泵主要零部件优化设计本章原型采用与预应力千斤顶相配合的六柱塞斜盘式预应力柱塞泵ZB4-500 轴向柱塞泵技术参数为基础，改进为ZB4-500.1预应力柱塞泵，并对其主要零部件进行设计。表3.1 ZB4-500参数1转数1420r/min2柱塞直径X 行程X 个数10X6.5X6mmmm个3理论排油量3.2ml/r4额定压力50Mpa5额定流量4L/min6容积效率85%7试验压力61.25Mpa8电机功率3Kw9外形尺寸120x195mmmm10自重10.5Kg在优化设计中考虑到原产品的兼容性，尽量遵循原来的参数进行改进，ZB4-500参数如表3.1所示。本次设计为保证与外接液压千斤顶配合，所以理论排油量、额定压力、额定流量、电机功率保持不变，并且改变柱塞个数、柱塞直径、斜盘倾角、柱塞分度圆直径等参数来实现该产品的技术要求。下面将分别对主要零部件进行优化设计分析，确定大体外形尺寸。 3.1. 下体的设计在本次设计中，下体主要包含零部件有丝堵、配流阀、柱塞套、以及柱塞。下体固定不动，采用阀式配流的方式，不采用以往配流盘配流的方式，与以前相比，整体尺寸更小，结构更为紧凑。如图3.1所示是下体装配截图。图3.1 柱塞泵下体装配图下体的设计需要确定柱塞的直径、柱塞分布圆直径 、斜盘倾角、柱塞个数Z等参数。在本