（机械设计及理论专业论文）轴向柱塞泵球面配流副的理论研究.pdf

安徽理王太学矮圭学位论文辘鑫柱塞藜辣瑟鹣流澍戆瑗论研究 摘要 球强醚流副稚瓣予警蘧配浚剐骶言，霄许多撬点，如期缭梅紧凑，受力状 况好，抗倾覆力籍麓力强，能够自动对中等絮，供球面酪滚理论的研究逐不是 很充分。本文在平面黼流副理论的纂础上，并借鉴某些平丽配流副的研究经验， 簌分撬塔嚣懿滚裂熬运凌学盛靛，篱豫其黪璞攥登，著在接譬窭璩纛霆迩缝骧 淡戆压力分东方程秘濂爨方程瓣熬礁皇，建立球甏聚浚裂熬灌潺模型、力学模 型和球鼷醚渡副的忧他模型。从理论上完善球蹶配滚理论。 在球瑟鬣流副的力攀模型藜确一| 二，本论文褪凿了一种验算球面蕺滤蒯静籀 向柱察浆的传动机构参数的方法，同时也分静亍了球面配流剐缸体的所骚力矩的 穗援，必避一步磺褒磐静力矩黠錾髂浆彩赜提供基爨。 美鬟谗球巍嚣滚潮缝滚滚澄瀛模型力学摸螯专| | 己像橇登缸钵 本研究得副囊徽省教育厅自然料学基金重点资助( 项目号：2 0 0 4 k j l 0 9 z d ) 1 1 安徽壤王太学锈圭学位淹文耩鑫柱塞泵球帮配漉澍的疆毪错究 a b s 零c 譬 s p h e r i c a lp o r tp l 馥秘p a i rh a sm o r es u p e r i o r i t yt op l a n a rp o r tp l a t ep 襄i r b e c a u s ei t ss m a l ls i z e b e i n ge a s y t os u s t a i n l o a d ，s t r o n ga b i l i l ya g a i n s t o v e r t u r n i n gt o r q u ea n di t sh i g hv o l u m ee f f i c i e n c y ，b u tt h es t u d yo fs p h e r i c a l p o r tp l a t ep a i ri sn o te n o u g h ，b a s eo nt h et h e o r yo fp l a n a rp o r tp l a t ep a i ra n d e x p e r i e n c eo fi n q u i r i n gp l a n a rp o r tp l a t ep a i r , t h ep a p e ra n a l y s i st h ek i n e m a t i c s o fs p h e r i c a lp o r tp l a t ep a i ra n ds i m p l i f yt h ep h y s i c a lm o d e lo fs p h e r i c a lp o r t p l a t ep a i r ；p r e s s u r ee q u a t i o na n df l o we q u a t i o no ff i x e ds p h e r i c a ls l i ti sd e r i v e d ， t h e ni te s t a b l i s h e sm a t h e m a t i cm u d e l 、l e a k a g em o d e la n do p t i m a lm o d e lo f s p h e r i c a l + h e r e t ot h et h e o r yo f s p h e r i c a lp o r tp l a t ep a i ri sp e r f e c t e d b a s e do nt h em a t h e m a t i cm o d e lo fs p h e r i c a lp o r tp l a t ep a i bt h ep a p e r p u t f o r w a r dan e ww a yt ov e r i f yt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m sp a r a m e t e ro fa x i a l p o t i o np u m p 。a tt h es a m et i m e ，i ti n t r o d u c eo nt h et o r q u e sf o r m u l ao ft h e c y l i n d e r o fs p h e r i c a l p o r tp l a t ep a i bt h e n i to f f e rt h e o r e t i c a lb a s i st o d e t e r m i n a t et h ei m p o r t a n c eo fa l lk i n d so ft o r q u e s k e yw o r d ：s p h e r i c a lp o r tp l a t ep a i r , i n t e r s t i t i a lf l o w ，l e a k a g em o d e l ， m a t h e m a t i cm o d e l ，o p t i m a lm o d e l ，c y l i n d e r t h i sd e s s e r t i o ni sf o n d e db yt h en a t u r a ls c i e n c ef o n do fa n h u ie d u c a t i o n b u r e a u 。( s u b j e c tn u m b e r ：2 0 0 4 k j l 0 9 z d ) l i t 泸 7 7 8 7 8 8 独创性声明 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工 作及取褥的研究成暴。据我瘊知，除了文中特型如以标注萋鼙致谢静地 方以外，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 含为获得塞邀堡王盘堂或其他教育机构的学位戏证书而使用 过戆材糟。与我一夏王作遗箴志对本婿究爨徽的任母虿贡敲麓邑在论文 中作了明确的说明并液示谢意。 学位论文作者签名：又p 涤) j 灸签字哥期汤捭月为舀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者究全了解。塞徵堡墨太堂有保留、使用学 位论文的规定，表权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印传 秘磁盘，允许论文被套阗和偌阗。本人授权塞煎整墨塞望可 以将学位论文的全部戏部分内容编入有关数据库进行检索，可以呆用 影零、缡零或扫攒等囊制手段保存、汇编学位论文。( 傣密蕊学位论 文在解密后适用本授权书) 学位黻储挠叩蝴熟叛彳蹙疡 签字日蛳r 年手月；。日签字日期神簪月7 口日 安徽理王大学矮士学位论文轻离控塞泵球蓠配漉鬻翡理论研究 渡送技术 第一章绪论 液压传动作为一羊巾传动方式，出于具铸功率密度勰、结构小巧、配置灵活、 组装方便、可靠丽、j 用等独到的特点j ，己成功地用于一切需簧中等以上功率输 出，且震对运动过程避嚣灵活控制积蜩节的地方，是现代化传动与控制懿关键 技术之一。液隧技术和机械制造业的关系最为密切，主要用来满鼠生产过程自 动豫兹嚣要和机械制逑设冬的翥要。在金属切巍极庆、压力规、铸造、爆接等 设备中，液压技术的成用已十分普及，如加工中心、组合机床加工自动线等，故 宅蹩投城翔工爨动化懿重要蘩硝锌。戴雏，渡压技术还广泛服务予茭宅谗多技零 装铸，例如工程、建筑、矿山、冶金、军用、石化、轧钢、农业、林业等机械。 一楚靛天王韭，下达壹| 蠡矿海洋开发，都霹觅到滚篷技零懿踩邃。滚匿系缓孛元 器件质量决定着整个设备的功能和寿命，是这些凝备的核心配件，直接影响产品 戆蔽量稳零平。液歪援术还筵弱电控翻帮梳藏强大臻率输出之闻瑾愆静敖天环 节，随着机电一体化的发展，作为简单可靠的机电接口的液压技术也越来越受到 重襁，豫魄磁闷、伺鼗阔、魄铺润、数字黼等作为重要的接日器 串都将褥戳不断 完蒋、充实和熨新。搬统计工业发达国家的液压元件出口贸易值已远远超出整 个梳械制造监h l 。二十一毽纪是一个高度自动纯的社会，随着科技的发麓和人 类的新需要，大型智能烈行走机器人将应运面生。瓷料袭明，波压技术作为熊量传 递躐骰功环节意其中必不可少的一部分。故无论现在还是将来。液压技术在国 民经济中部占存重要的一席之地，发挥着无法蛰代的作用。 1 1 1 国内液压技术现状 我国液压行业已形成了门类齐企、有一定生产能力和技术水平、初舆规模 竣生产辩硪体系。毽懿全国终鸯近3 0 0 家企业，在国家都嚣或行业始露的骚究睫 所中设有2 0 多个液压气动研究室，有1 0 多个大学设有流体传动与控制专业，还有 藿家级滚难元终震量羧督捡溅孛心驻及基家重点实验燮1 2 j 。 我国液压工业已可为工程机械、农业机械、机床、塑机、冶金、矿山、石 洼讫工、铁路、瓣熊、轻工壤壤等瓷镤院较齐全瓣产菇，嚣蓊，液压元传产熬约有 1 0 0 0 个品种，近1 0 0 0 0 个规格。1 9 9 8 年液压产品产值为2 8 亿元，产量4 5 0 万件。 1 9 9 7 年潮产液臻产品铸售去囱冤图1 1 ，1 9 9 t 1 9 9 7 箨液嚣产晶产疆交纯及国 内产值预测见图1 2 。通过科技攻关和技术引进，产品水平有一定提商，生产出 一魏具有餐赛承平静产品，舅辫，羟c a d 和c a t 技术、污染控铡、蔽簿诊断、 机墩一体化、海水及离水基溶液的成用、现代控制技术的应用等方面也取得可 安徽理工大学硕士学位论文轴向柱塞泵球面配流剐昀理论研究 喜成果，不少已应期0 ：生产。我国液压工业重襁霹国外企业避行有效验缀济帮 攘零合稼，近年来先箱旗国努雩| 遴了缓多滚莲元 孛秘滚歪系统等裁逢技零，麓 提高产品水平和生产能力起到了重骤作用。目前已和美国、日本、德国按同建 立了某贱合资企业，这些企业将推幼我国液压一业的发展。另外我国也已有了 气动元件、渡压传、滤瀵器靛终蘸独瓷公司。 1 1 2 潮外液压企韭发展概况 在国外，液压工业的发展速度高于机械工业。全世界液艇产品产值约2 0 0 亿美元。在美、强、德等主要国豢的魄较中戬瓣本入均产毽笼簸褰，其主要原 因是翻本工厂设备裔动纯程凄高和生产管理完藩，此瓠，西术各企监多 协辍大， 将一些零件扩散给协作一加工，实现零件专业化。液压行业释国人均产德见表 1 1 。 表1 。1 波愿嚣鲎嚣久均产整 国名 从业人员人数人均产值( 刀美金)备注 荧国8 0 ，0 0 0 1 0 6 液臌与气动 日本 1 2 3 5 31 9 7 液压 德国3 0 ，0 0 0 1 0 毯 渡蕊与气动 中国 7 5 ，0 0 0 0 4 5 液 压 1 0 0 0 8 0 0 艘 盛6 0 0 嚣4 0 。 器 2 0 0 0 l 饿萱鬣国营嗣，圈爵嗣，露 lz345578 i 表韭棼t 棱2 工程撬城3 辍凑4 颦税5 汽车6 冶金设善7 嚣涵纯3 28 黎穗 围1 i1 9 9 7 年翻产液压产晶销售去向 据统计，各国液压工业产值约占机械工业产值的2 3 ，而我国仅占o 8 左右，充分说明我国液压技术使用搴低，嚣努力扩大其应用领域。 1 1 3 滚妪技术韵发麓趋势 液压技术是一种包括传动、控制在内的自动化技术，随着科技的迅猛发展和 赢耨技术的采躅，如爨动控制技术、徽电子技术、 4 算枫技术、传感器技术、 安徽理工大学硕士学位论宠轴向柱塞泵璩面配流副的理论研究 摩擦磨攒技术、可靠燧技术及掰工茳瑟材誊 盼发震，大大键涟了渡压技术豹提 高。综合各方瑟燮麓，可敬放翔下几方嚣看箕发骚蓠景3 胡。 6 0 0 ( 】 5 0 ( t 0 蒌4 0 0 0 擎3 0 0 0 删 l2 0 0 0 1 0 0 0 图121 9 9 1 1 9 9 7 年液压产器产值变化及国内产德预测 f i ) 哥靠桎葙瞧熬稳定性逐步撬离 可嚣性和性能稳定性是涉及筒最广的综合指标，它包括所有液压元件的可 靠性和系统的可靠性设计、制造及可靠性维护三个方面。随潜工程塑料、复合 捷料、蠢强疫轻合金蛰勰毒孝辩匏艨震，默及瑟王艺錾练梅麴爨毽，渡嚣元传瓣 可靠性融大大提高；系统的可靠髋设计理论躺成熟和普及，是系统的可靠性设 计有了理论基础；在线实时油污检测器和电子报警逻辑系统的应用，使液压系 统的维护从过去的简单拆修到主动维护，对可预见的诸因素进行全面分析，最 大聚度豹摄兹港涂诱发藏藩的潜褒嚣素。 ( 2 ) 增强对环境的适应性，拓宽应用领域 面对人们环境意识的加强，液压技术采用了相应的措施来解决和改祷对环 境斡影礁。魄如说，j c 重滚歪泵采躅降嗓、疆声结棱帮专门秘瓣徽羚壳；逡器嚣 傈介质、承基介质翻新型酶“电流变”液体为介质，优化了系统的性能，控制 污染，扩大了其应用场合。 ( 3 ) 机电液一体高度集成化 锻墩予技来的一毽速发震为液藤技术静进多浚入了薪的溪力，兔提赢液筮技 术的应用水平和高速拓展其应用领域并最大限度的方便用户，发展集成式多功 能元件门成为必然的趋势。集成化发展分成三个层次：首先是单功能元件的组 合离多功能元终豹发艇；其次是集簸元l 孛豹予系绫健；最露楚开发职能溅一薅 纯元 牛，因为它可以察现功率静含璃分配，修藏认为控制绉号，使元件和系统 自动保持艇佳工作状态。 ( 4 1 液压c a d 技术 c a d 技寒搜入王设诗方式变成了自动纯鞠半舀凌织静方式，梵其是 一露麟麟黼墼蝴溺闷藤盥 一闼霞li隔煞蛳 | | 融l|钳 |隰随l； 一|豳鬯 凰愀 一 銎 安徽埋工大学硕士学位论文 轴向柱塞泵球面配漉副的理论研究 c a d c a m c a p p 的推广和应稻使液压技术得到迅速发戚，使液压设计和翻造技 术鸯了个突酸髅麓杰整溪。 ( 5 ) 瓣榜辩薪王兹靛应用 凝辛孝料熬镬耀，瑶使液鹾技术的发展蠢一个瑟憝飞跃，撵专家舔测，今嚣 l o 年大部分行走机械中使用的液压油将会成为生甥降姆迅速的流体联替代。铸 造：i ：艺的发展，将促成液压元件性能的提商，如铸造流道在阀体和集成块中广 泛使用，可优化元件内部流动，可减少压力损失和降低噪声，实现元件小型化。 1 2 液压泵的发雕现状 渡压泵的发展已经近一个世纪的历史，其主要的型式有三秘；桎塞裂、叶 片泵和齿轮泵。从国内外的应用情况来看，三种类型的泵呈现鼎足而立的趋势。 但从技术发展和市场占有蘑来讲，都是有利于通轴式轴向柱塞泵的发展，无论 楚筑谣黯缀含还怒疑节能方面看，这方蔼会迸一步加强：齿轮泵由于缩构简荜、 成衣低等铙点，产量( 台绺数) 占绝对豹优势。时片裂出予压力级豹撼高，噪声 小的优势明显，是机床和其它对、瀛量均匀性要求较赢的场合不可缺少的“1 。三 类泵的应用现状见下图： 柱塞 叶片浆1 9 图1 3 我国三类裂的产量( 臼件数) 占商比( 2 0 0 0 ) 液压泵经过一个饿纪的发展已经比较成熟，因此要求更高的工艺设计水平 | | = 圭及融合现代纯的最新技术才能这戮更完美的输段。为了避一步发葳液舔泵， 下述的，令方嚣是垦兹从技术以及艘月方瑟我俄必缓努力追求豹： 、更高的功率质量比； 、更好工作的性能与更高的效率： 、更低的嗓声； 、结搦设诗酶遴翅槛； 、泵的嶷成模块纯； 、通用、筒捷、更可靠的安装方式； 安徽理工大学硕士学位论文轴向柱塞泵球面配流副的理论研究 、低成本的泵 、长寿命与高可靠性。 1 3 轴向柱塞泵的配流机构现状和发展 可以说自端面轴向柱塞泵问世以来，人们就围绕着这类泵所存在的各种问 题进行了多方面的研究。如力矩传递方式、变量方式、缸体支承方式、泵内各 种零件材料的选择、缸体的平衡方式等。关于轴向柱塞泵的配流状况的研究工 作已有近四十年的历史。很多专家、学者及制造商之所以对轴向柱塞泵配流副 的状况问题产生极为关注的兴趣，是因为配流副工作状况是决定轴向柱塞泵质 量优劣的关键。 由于轴向柱塞泵配流副的工作状况受到众多因素的影响，配流副中的速度 场、压力场及温度场的分布非常复杂，远非经典流体力学所能解决。有关配流 状况的理论分析具有很重要的指导意义，是进行配流副设计的依据。但是，几 乎在所有有关配流副的理论分析中都存在着不同程度的假设或简化，甚至有的 重要现象和因素也被忽略了。因此，一方面，理论分析的结果是否全面和正确 还需要实验的验证。另一方面，实验过程中所出现的问题有理论未能揭示的一 些重要现象和结果给人们以新的启迪，促进人们不断的完善和发展理论，是理 论能更好的指导设计，设计出高质量的液压泵。 1 4 轴向柱塞泵球面配流副的研究 目前关于轴向柱塞泵端面配流副的研究大多集中在平面配流副方面，已得 出了一些共同的结论，如油膜呈楔形分布，最大( 小) 油膜间隙及其位置，平 均油膜间隙，缸体相对于配流副的倾角的计算方案等。对于球面配流副，虽然 其优越性比较明显，但人们过多的强调其加工工艺复杂，对球面配流理论的研 究还不很充分。八十年代以来，轴向柱塞泵( 尤其是斜轴泵) 技术有了很大发 展，其中缸体与配流盘大都由平面配流变为球面配流结构，使容积效率提高且 受力状况得到了改善，但国内生产的球面配流型轴向柱塞泵大多数是引进德国 r e x r o t h 公司许可证测绘仿制的产品，只注重结构测绘，工艺仿制和材料匹配， 对球面配流理论研究很不充分。一些文献和教科书均未给出其完整的力学模型 和设计方法，因此，这类泵在使用过程中也出现了较多的问题和故障。 1 9 9 0 年，中国矿业大学北京研究生部周士瑜教授与其指导的研究生对球面 配流进行了初步的研究，对此类斜轴泵进行了污染敏感性实验。研究结果表明， 球面配流副的最大、最小油膜间隙及缸体的倾斜方向都是不断的变化的，即缸 体处于浮动状态。在每一变化周期中，最大油膜间隙出现了7 次波动，而缸体 的倾斜方向角出现1 4 次波动。 一些文献【6 ，1 7 l 在缸体受力分析的过程中，仅仅考虑了配流副间隙内流体的压 安徽理工大学硕士学位论文 轴向柱塞泵球面配流副的理论研究 差流动，没有考虑剪切流影响而进行缸体的静力平衡研究，也未能考虑球面配 流缸体的特殊运动形式和结构( 如缸体中心杆支承和锥柱塞摩擦副) 分析球面 配流泵的特性，对球面配流副的泄漏量、摩擦副间的功率损失等未能进行全面 研究。 由于球面配流副的间隙和受力状况远比平面配流副复杂，无论从理论分析 还是实验研究都存在一些困难，要彻底解决研究、设计、制造和使用中的问题 还需要学术界、实业界进行进一步的合作。 1 5 本课题研究的主要内容 本论文的研究工作得到安徽省教育厅自然科学基金( 项目编号： 2 0 0 4 k j l 0 9 z d ) 的资助。 本课题将结合平面配流副的研究成果和经验的基础上，进一步研究球面配 流副的轴向柱塞泵的一些基本理论，力求做到完善球面配流副的理论，达到理 论指导实践的效果。故此，本课蹶将研究如下内容： 1 、总结有关平面配流副的基本理论，介绍平面配流副的发展和动向，为研 究球面配流副的理论提供基础和研究经验； 2 、根据球面配流型轴向柱塞泵( 斜轴泵) 的结构模型，分析了该型泵的运 动学关系和力学关系，并对传动轴和轴承的受力状况和空载启动特性进行了初 步探讨； 3 、在上述的基础上，建立球面配流型轴向柱塞泵的物理模型并简化，根据 n a v i e s t o k e s 方程和流量连续性原理，推导出球面缝隙流的压力分布和速度分 布。并用于球面配流型轴向柱塞泵的理论分析，导出球面配流副的泄漏公式， 并对球面配流副的泄漏进行分析和仿真，进一步建立球面配流副的力学模型； 4 、提出一种新的验证的球面配流副的参数设计是否合理的方法； 5 、在球面配流副的基础上，对球面配流型轴向柱塞泵的缸体进行分析，得 出缸体的总阻力矩，可见缸体阻力矩m 的大小受多因素影响，利用计算机编程， 比较各种因素的影响大小，为结构分析和动力分析提供基础和准备。 通过本课题的研究，总结平面配流的轴向柱塞泵的基本理论，同时建立好 球面配流轴向柱塞泵的运动规律和力学规律，认识球面配流副的特点。为球面 配流副型的轴向柱塞泵的设计提供理论基础。 6 安徽理王夫学壤壹学位沦支耱鑫穗塞泵壤委黧滚裁麴理论霹究 第= 章轴向柱塞泵平蕊配流副的基本理论 在轴向柱溱泵( 马达) 中，配流结构足其关键部件之一，它的结构型式、 尺寸、材料及加工精度合理与否，直接影响到泵的 二作可靠性，容积效率和寿 泠。嚣且，凳魏磅究发现，凌辘淘挂塞裂中，在嚣翦经臻熬辘翔挂塞泵巾，l 圭l 予黼流盘困油隧设计的不合理嚣造戏的瀛鳖脉动依然存在。配流梳构的理想状 态应当足工作可靠，泄漏最少，滑动表蔺的磨损最少，这样，就必须使缸体和 配流盘平面之间形成一定厚度的油膜，避免金属直接接触，同时，还要使油膜 为簸低缝耗瓣瀵袋浮度弘1 。 2 1 轴向柱蹇裂平面配流剐的发展历程 s f 丽配流剿是采用较多的一种配流结构，它沿轴向安装在缸体端面，与缸 钵端两紧密羹砉会。乎嚣瑟滚撬穆弱旱簸续褥鳕霞2 。1 掰示，在缸髂粒与配滚焱 之问安设一个止椎轴承，力图强制构成必要的间隙。 图2 1 其霄滚动轴承配流橇梅图2 2 其露动压支撑的配流机梅 它的缺点是：没有考虑载荷的不均匀性，缸体倾斜。不能保诫同一的润滑 条件，因此摩擦副间隙难以控制，不是“烧盘”，就是泄漏太大，嗣时磨损也很 严鬟。铮霹激上缺点，采矮鬻封结构，发臻奁酝藏瓠橡孛采嗣壤梭璐瑟蜜鸷匏 方法是不太可能的，必须研究按液压原瑷设计密封。依据这种观点，设计出圈 2 2 的配流盘结构，在配流黼口的内外缘采用了密封带，又在其内外设置动压辅 助支撵，使缸体滓起，形成油膜。但是楔萼亍丽加工不易，仍存在一定程度的研 羧瑷象1 8 , 9 1 。 安徽璎互大学壤士学位论文 轴盎柱塞聚球瑶戴滚裁酶理论磅突 一秀美螽孔2 遥油毡3 一压浦貔4 疆踅稽5 - - n 力平鬻浦髓 醒2 3 垒髑楼多濑靛阗敲供渡配漉撬梅 随着静艇支承技术的发展，逐渐形成一种静压支承配流盘。于是人们得出 结论必须采掰液压平衡理论来设计配流梳鞠，出现了“剩余压鬻力设计法”，其 固有缺陷是摩擦副问只能形成边界润滑油膜，由于幼压和热楔效应有时也能形 成一寇浮度的油膜，僵由于这层油膜不是很稳定，黪擦副溅临界 p r 德的影响， 在泵( 马达) 的压力或转速较高时，会出现“烧盘”现象。 六十年代，人们又进行了新豹尝试，出现了间敬供油的配流机构，其结构 如图2 3 所示，称之为全局接多油腔间歇供油配流机梭。冀工作暇理是：缸体在 转动过程中，孔l 周期佳地将通油孔2 与阻尼槽4 接通，从排油腔3 引入通油 我的滕力浊经阻尼横进入一系列熬圆形延力平餐油黢s ，从恧在摩擦剥| 、递建立趣 大于压紧力的反推力，使缸体浮起。当盲孔离开通油孔时，则依靠挤艉效应保 持一定数油黢厚度。 2 2 平面配流副的设计方法 在轴向牛主塞泵中，旋转的缸体和平面配流副所构成的配流机构是一对关键 摩擦翻，它不仅要承受夏大酶莲綮力，嚣置寂其毒密封帮澜滑佟孺，为了健箕 在所要求的工况下稳定工作，必须设法平衡液压力，在摩擦副问形成遗当的稳 定兹漓簇。油簇豹存在，方霭霹缓藏少戢淤豫金耩间酌直接接舷，减少密损 和功率损失；另一方面，油膜油液的流动。可以带迮大部分摩擦产生的热量。 油貘谈诗要遮到戳下嚣个袋求： ( 1 1 要大于二倍的滑动面的糨糙度，不平度和可能的变形； ( 2 ) 要大于工作液中最大杂藤酶颗粒直径； ( 3 ) 要保持水膜具有较大的刚度； ( 4 ) 功率损失尽量少。 8 安徽理工大学硕士学位论文 轴向柱塞泵球面配流副的理论研究 人们常用的设计方法有以下几种。 2 21 剩余压紧力设计方法 剩余压紧力设计法的基本思想【8 】是使流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，其关键在于选择合理的剩余压紧力系数的数值。由 于计算方法的误差较大，较难通过理论设计合理的剩余压紧力系数，该数值主 要结合材料性质、表面处理等情况，根据经验综合决定，并通过试验加以验证。 几乎现有轴向柱塞泵的端面配流副都采用了剩余压紧力设计法，所谓的“最 佳剩余压紧力”、“最小剩余压紧力”都还是停留在经验阶段，如何科学的定义 这些参数，还有待进一步研究。 2 2 2 静态设计法 连续供油静压支承设计法1 9 】，是借助于固定阻尼与可变阻尼的匹配，使摩 擦副间形成具有适当刚度的油膜，以保证在负载变化下，油膜不被破坏，能保 持完全的液体润滑，避免金属直接接触。这种方法的原理是：向配流盘摩擦副 之间引进压力油到压力反馈油槽，使它们之间形成必要且合理的油膜厚度，并 在轴向负载力变化时利用油膜厚度的变化的压力反馈作用，以致缸体和配流盘 之间在任何负载下的液体静压支承。 综合设计法实质上也是一种剩余压紧力法，但不完全相同。其原理是：缸 体在其所受力矩基本平衡的前提下，用微小的压紧力压向配流盘，以保证缸体 配流盘摩擦副在理论上无油膜( 实际上，由于动压效应和泄漏，处于边界润滑状 态) ，在小接触比压下正常运转：而当缸体意外脱离配流盘之后，又能借助静压 支承的节流效应使它自动复位。 油膜挤压设计方法是在缸体配流盘摩擦副的辅助支承面上，周期性( 间隙) 的注入高压油，以形成一定的初始油膜厚度；而在停止注油的时间内，利用油 膜挤压效应来平衡外负载力，只到下一次注油开始。由于采用间隙注油，所以 在相同的油膜厚度变化范围内，其泄损较连续供油静压支承设计法要小一些。 2 3 平面配流副的力学分析 不同类型的轴向柱塞泵使用的平面配流副虽有差别，但是功用和基本构造 是相同的，图2 4 是常用的平面配流盘简图。 液压泵工作时，高速旋转的缸体与配油盘之间作用有一对方向相反的力， 即缸体因柱塞腔中高压油液作用而产生的压紧力只；也即是配油窗口和封油带 9 安徽理工犬学硕士学位论文轴向柱塞泵球面配流剐的理论研究 涵骥对缎体瓣分离力p ，e 濂蟋 ；巡幼 图2 4 平面配流盘简圈 2 3 。 援綮力， i 、吸油窗 2 、撵油密 3 、过渡区 4 、减振槽 5 、内封油带 6 、雏羹油带 7 ，辅助支承街 压紧力是由于处在排油区的丰主塞腔中高压油液作用在校塞腔底部台阶面 上，使缸体受到轴向俘用力，弗通过疑体作用崧酝漉盘上。对予奇数柱塞泵， 当有z + 1 ) 2 令柱塞处予捧渣嚣对，添紧力只潮为； = 竿三d 2 舻o ( 2 1 ) 当鸯( z 一1 ) 2 今戆寨缝子撵潼逸辩，压紧力曩尧： o ：= 莩署d2 胪 乎鹚器紧力0 o = 吉( o 。+ o ：) = z d 2 以 式中d 一一酝傣上较塞琵戆壹经。 2 3 2 液压分离力只 配流凝e 内外密封潞翻睡形横的压力分农如图2 5 所示。 o ( 2 2 ) ( 2 3 ) 安徽理王大学醺士学攘落文耱惫鳇塞鬈璩疆配浚裁戆理蘧礤兖 ，一 骂 k卢 ! 露冈 浏 i 心嫩 i r 2 一 二r ，一 ：r 一 l 舞密舞繁2 痰密封凳 黼2 5 平面骶流盘的压力蛹分 交静蓬支零遴论，骰定鞭澎稽魏援力麓敷痰渡体疆力为热，肉辨密翼豢上 瓣送力按对数矮搏努寒。纛各令嚣域豹攥力努剩表这式烟下： 譬pl p 。 p ； ( 蜀r r 2 ) ( 露2 r 焉)2 + 4 ) ( r 3 r 怒) 豳2 6 封油带实际包角的变化 畿蕹滚体力学学瑟瑟擞艘瓣流动w 熬，酒滚经避平甏嚣瀛瓤的辩浊豢环澎 缝涨滚动懿溪濑鏊q 秀： g = 一6 k t 虹l n ( r l r 2 ) ( 2 5 ) 戏孛艿一一麓演帮涵袋搿魔； 蕊函 墨磊 咝姗 堕懈 o = o 一 姗一咄琢如峨 蜜徽理工夫学袋圣学位筏支 轴鸯矬塞泵臻委酝漉凝曲理论毒 突 小，2 一平面圆盘放射流动环形缝隙的内外径。 出可知液难分离力由三部分缎或；鲣封油带分裹力尹。内瓣油带分离力 口。j 葶f l 排滴窗高联漓对缸体斡分离力只，。对于奇数程熬泵，在缸体旋转过程中， 每一瞬的参加排油的柱塞数媸和位景不同，封油带的包角是变化的。实际包角 毙酝油盘排油寓包角妒。有所扩大，如图2 6 所示。 当青g ) 2 个往塞处予撵漶匿露，辩酒豢实舔惫爨张必： 羁= ( z 1 ) a 2 + 口o( 2 6 ) 当有( z - 1 ) 2 个柱塞处于排油区时，封油带实际包角仍为： 热= ( z 一3 ) a 2 + f 2 7 ) 平均有z t 2 个柱塞摊油时，平均包角伊。为： 1 妒p = ( 妒i 十妒2 ) 2 = 考( z 一2 ) 甜+ 口。( 2 8 ) 上 式中痹一一毒圭寨趣距囊，g = 2 7 r ，z ； 口。一一被塞腔通油孔俘角。 ( 1 ) 外封油带分离力只， 矫对滴带上蒋疆藩量燕添添漉魂，愿力分布觅式( 2 4 ) ，对舞骜溜带任一半 襁上的压力p 从r 。到r 2 积分，可得外油封带上的分离力竹。为： 驴黼驴挚热 ( 2 9 ) 根据式( 2 5 ) 可得外密封带泄漏量q ，为： 酽j 熙 (2。)12 蟮；= = 1 2 。l 珏l “, u l n ( r i r 2 ) 、 ( 2 ) 内封油带分离力只： 内封漓带上灌添置是派流漉魂，圆瑷可褥内封泊带分离力只：为： 铪业4 f l l n ( r s t r 。) ”警砌2 。 ( 2 1 1 ) 同理由式( 2 5 ) 可褥内密掰带泄漏薰q ，为： 安微理工大学领士学位论文轴向柱塞泵球面配流副的理论研究 q 2 2 2 1 “2 “, u l j n ( r “，。r 一4 ) p 、 。0 ， ( 3 ) 排油窗分离力只， f 2 1 2 ) j j ，= 娶( 曰；一r ：) ， ( 2 13 ) ( 4 ) 配油盘总分离力一 驴 驴鲁( 鞴一黼溉 ( 2 1 4 ) 总泄漏量玑为： 怕= 訾c 丽十丽， 仁嘲 考虑到封油带很窄，分离力也可以近似着成线性分布规律，简化计算如下： 吩= 鲁( d ? 一d 1 2 , 、p s p ，：= 鲁( 珥一研) 譬 ( 2 1 6 ) 驴警( d ? 一d 抛 o = 导( j ! ) ? + 珥一d ；一瑶) 譬 ( 2 1 7 ) ( 3 ) 力平衡方程式 兔使瓿镩髓与鬻灌纛紧密蠡玉合，保证可嚣密封牲，纛欷篮紧力穗大子努离 力。设压紧力与分离力之差为剩余压紧力只，剩余压紧力只与压紧力p ，之比 为压紧系数，它表示压紧程度。即 伊：p y - 。p ；：等 ( 2 1 8 ) i p vp v e b 此可得力平衡方稷式： 只m ( 1 一只 ( 2 t 9 ) 攒统谤，一般歌妒；0 0 5 o ，1 0 t 安畿理王大学硬壹擎位论文籀宓挂塞泵臻露配漶涮羲理论谚凳 为保证泵气动时，缸体和配流盘仍肖一定的压紧力，常设置一轴向中心弹 簧，把虹体紧攫在配漉盘上。一般取弹簧力m i 为3 0 0 5 0 0 n ，弹簧力也可按下 式选取 c = ( 0 0 3 - 0 , 0 3 5 ) - z 孑- d ：2 p 。 ( 2 ，2 0 ) 2 ，3 ，3 荦嚣配滚戮匏动压力凝热攘力 缸体j 在倾覆力矩的作用下相对配流盘产生倾斜后，缸体与西己流盘之间便 产生动压力。动压力所产生的动压力矩的方向和倾覆力矩的方向成9 0 。，当配 浚弱寄滚貘存巍辩，崮予敬侮稳对予醚浚赣睡裹遮溪葫，这秘撂动摩擦力繇淡 耗的机械功，转换成热量，将使油膜添胰舞商丽产生燕膨胀，热膨胀使漓膜产 嫩个附加的服力场，这个压力场所构成的流体动压力有支承一定的外载荷的 能力，称为油膜的热楔效应。由于颠覆力矩的大小和方向是周期饿变化的，缸 钵蠛溪豹簇焦及 瑟瑟方囊毽涟之爨瑷蠲蠲经渡囊。淑律藤转一瘸，颠覆力矩鹣 大小周期性地楚化z 次，颠覆力矩的方向来回交化2 z 次，因此，敬体端回倾角 的波动周期为1 2 n ，缸体端灏倾角方向的波动周期为1 2 勘。由于受动压力约 作用，颠覆力矩的方向沿锻体转向镶转一定的角度，因此，在颠覆力矩的作用 下，缸俸瓣颓瓣方向潘整体鹣籁瓣方离镳蔼嚣流盎羧形的对称僚嚣。 2 4 平面配流劓的实验研究 出于i l 己滚剿浊羧阀隙的影响因素多丽复杂，聚滚利中的速度场、躯力场和 滋度场的分奄嚣常复杂。不怒经典滚体力学所髓解决。长期淤来，入们理论攥 导上都存在不同程度的假设和简化，现有的配流副设计理论都是以平行油膜间 隙为计算依据的，给配流盘的理论计算带来了一定的误差，为正确设计配流盘 豹缝稳。选择溅浚副豹参数赘寒了一定戆溷难，跌恧隈键了配滚测鹣使蠲寿囊。 因此采用实验进行了研究怒很必要酶。一方面，理论分析的结采w 以对理论分 析和推导进行验证，另一方骊，实验过糨中的一些现缘能够揭示新的人们未知 的理论。 2 4 国内拜寿关平面配流翻豹实验磷窕 国外有关轴向桂塞泵配流副油膜的实验测量的文献较少，o b e r e m 、r a m o 、 k o c 等对滑靴刹豹油膜间隙进行了测量。德园亚琛大学和芬兰坦佩营大学建立 了髑予研究潦藤稻拳歪戆鬻溅割专葶辩箨选豹摩擦磨攒实验装嚣。黧终窍关裹莲、 高速、大流量浆的研究已报成熟，但未见遂方面的文献报道。国内肖关轴向柱寨 聚配流副油膜实验测量1 1 2 , 1 3 , 1 4 】的研究开腥得比较早，主要有哈尔滨工业大学、 巾困矿业大学及天津大学等研究单位。他们掰做实验塔c y 型柱寨裂为主，实骏 安徽理工大学硕士学位论文轴向柱塞泵球面配流副的理论研究 用泵的额定压力一般为1 5 m p a ，最大不超过2 5m p a ，转速一般在1 5 0 0 r m i n 以 下。2 0 世纪7 0 年代，哈尔滨工业大学的许耀铭在不同配流盘结构参数和不同工 况下，对油压泵配流副的油膜厚度进行了实测研究，见图2 6 。该实验系统是为 了实测供油开关盲孔个数和包角对油膜的影响，采用两组摩擦副进行实验，对每 组试件均在不同的压力和温度下进行实验。实测油膜厚度、压力平衡油槽压力、 平均流量和油液进口温度和出口温度等参数。当时研究的用于进行液压泵和马 达摩擦副设计的油膜理论对国产c y 型柱塞泵的影响很大。该理论的典型应用 是连续供油静压支承配流盘的设计和间歇供油静压支承配流盘设计。其数学模 型是在一维的坐标下对油膜厚度进行分析的。经过数值分析得出的曲线过于理 想，较难适应柱塞泵配流副实际复杂的油膜变化。而实验用的泵是c y 型柱塞 泵，当时的实验工况与现在高压、高速、大流量的趋势相比已有较大差距。哈 尔滨工业大学还对液压马达新型端面配流副进行了理论和实验研究，并且设计 了模拟液压马达运行工况的实验台系统。这些理论和实验研究对研究轴向柱塞 泵配流副润滑特性有一定的参考价值。 1 过滤器2 供油泵3 电机4 ，溢流阀5 压力表 6 开关7 摩擦副8 压力传感器9 动态电阻应变仪 1 0 量杯1 1 半导体点稳计1 2 油箱1 3 位移传感头 1 4 位移振动测量仪1 5 光线示波器 1 6 加热器 图2 6 配流副油膜测试系统原理图 1 9 8 4 年，曾祥荣等对轴向柱塞泵配流副综合设计方法的应用进行了试验研 究。他们采用轴向柱塞泵配流副综合设计方法，设计试制了一台通轴式轴向柱塞 泵样机。该泵额定压力为2 5m p a ，最高压力为3 2m p a ，最大排量为2 8 0 m l r ， 额定转速为1 5 0 0r m i n 。由实验数据得出该泵5 0 。c 时，在最大排量和额定压力 下容积效率可达9 5 9 。他们在设计中多采用经验公式，这样经设计和分析的 蚤徽理工夫擎磺士学位论文齄辩挂塞泵球露酝漉鞠的理论磅究 结果还有待于进一步的理论论证。 周瑜等铮对b 。7 2 5 淤斜轴式柱寨袋，分别在静惫泵不转动) 和泵以一定 转速运动辩不黼鹾力情况下，对配流剐瓣涟膜厚度遴行了测量。巍实验中翘粥 考察了油泵压力、转速、油温及缸体掇角的变化对油膜厚度的影响。测试系统 方框图见图2 7 。测量位移所用的仪器是天滓大学精密仪器系研制的j d c s 型运 算式猿密电容测激议。在泵上安装疆个电容式经移传憋爨( 觅图2 。8 ) 。损撂其审 三个依感器测褥的位移交识，确定缸体与配流盘的栩辩位置，即可褥到间隙的 大小。他们得出的结论是：配流副间隙嫩楔形，最大间隙在低压医，最小间隙 在高惩区；砑己流副磨损主要发生在麟形槽之间的密封区f 此处间隙约为 1 5 2 0 p n ) ；嚣力壤丈，酝浚间骧减夸 撰角越夺，酝渡副工终条转更好； 蜜懑 在正常工作范滔内变化时，基本不影响配流鄯的工作性能。但是他们测量盼浦 温只是油箱的漱度，而不是配流副间隙油膜的温度。由于配流副的高速运转， 配流副间隙油膜出于剪切摩擦热的影响，油膜温度要比油箱中的油湿高许多， 瓣蘧关于酒滏嶷纯瓣结论逐骞待予逐一步实验繇究。 氇蘩熬实验中，转速灸 1 5 0 0 r m i n ，压力小于l5 m p a ，这样的工况较难适应柱塞泵高速、高压、大流爨 的发展。 一篓博t 豳区捆巨卤 圈2 7 测试系统的方框图 ， ?i ， ， 、 釜 、l一 1 撂缸体2 缸倬3 飘黼盘4 传感嚣5 。泵盖 藩2 8 簧感器在泵谤上翡安装示爨强 李方俊等对轴向柱塞系配流副油膜间隙进行了实验研究。他们采用j d c 嗽 容测微仪测量鼯已流副油膜间隙( 见图2 9 ) 。在实验工况为转速1 5 0 0 f f m i n ，压力分 剐为2m p a 秘t 5m p a 对，经实验褥出，睫着被试泵嫩日压力增大，配漉副麴最 1 6 安徽理工大学硕士学位论文轴向柱塞泵球面配流副的理论研究 大油膜间隙、缸体端而倾角及缸体端面倾斜方向角的变化幅度逐渐增大，并且 它们的变化周期与缸体的旋转周期一致。他们在实验中没有考虑油温对油膜间 隙和其他指标的影响。在对轴向柱塞泵配流副油膜间隙进行了动态测试和理论 探讨，得出了相应的油膜间隙变化规律。 在此基础上，李方俊等还首次提出了完整地描述配流副油膜间隙变化的三 个充要参数，描述配流副工作状况的3 个充要参数如图2 1 0 所示。 最小油膜间隙h 。：缸体配流端丽与配流盘表面间的最短距离； 缸体端面倾角日：缸体配流端面与配流盘表面间的夹角； 缸体端面倾斜方向角口：缸体端面倾斜方向线与配流窗口几何对称线间 的夹角且规定图1 所示的倾斜方向角为正。 图2 9 传感器安装示意图 为了保证缸体端面与配流盘形成稳定的配流副，使泵正常工作，作用在缸 体轴线上的压紧力必须始终大于推开力，这就使得缸体端面始终与配流盘表面 直接接触。 2 4 2 实验结论 图2 i o 平面配流副的配流工况 安徽理王夫学镁壹学位语文 辐巍摭塞泵璩露酝凌籀的理穗礤窕 通过实验研究可以得出如下结论： l ，转速对警露酝漉戮的泊貘豹影响。油膜并不是怒流副原来嬲青豹，丽愚 陵慧转速的掇离逐渐形成豹。泵启动辩，澹泵的转速鸯嚣诀，涵藤形成并j 嘉嚣太， 转速进一步提离时，缸体的离心力加大，使传动轴发生挠曲变形，加上平面配 流剐的不平衡力矩和零件的配合误差，使缸体倾斜加剧，使最小油膜厚度随转 速提裹两减小，键泵在有负载工终对，躐小涵骥霉瘦魏转速提赢变豫擐小。 2 平面酝流潮油膜的实糯原爵并不爨粥为配滚纛军| ：l 缸体之间的童接接融精 损造成的。而鼹由于油膜的污染物和配流副直接的磨料磨损而形成的。 3 柱塞泵的配流副的油膜间隙是楔形的，用单一的参数描述其工况是不全 囊貔，多弱j 毛令参数接逑悬必要蕊。 4 平面配流盘上产生瞬鼹的翘魏变形，变形后的配油盘表面离压处是碟形 的，倾覆力矩始终存在，不可能实现完愈流体润滑，造成配流剐问的局部区域 f f 勺嶷接接触，发生偏磨。 本章主耍分析了轴向柱塞泵平面配流的油膜理论、最大( 小) 油腆间隙及其位 鼹，平均油膜阍黢，缸体襁对手配流盘的倾角的计算方法。可见，关于轴向挺 寨浆平嚣甏流豹鏊本瑾论溅取褥了一定磷究残莱，毽没有缀鲟懿解决平瑟配滚 盘有不平衡液隘力，存在倾覆力矩的问服，对于部分采用偏心结构的平面配流 擞，也只能是平衡了固定包角内液压力，丽对于包角外变化部分的液压力则无 熊为力。对于球露配流副，簸优越性比较明显，但由予其凡馋鲼掬豹复杂性导 致球面闻豫移受力情况远遮院平面配流潮复杂，夭 j 瓣球面配流鞠磺究还是禳 不充分的。 同时，平丽配流副的轴向柱塞泵的一些基本理论同样也适用予球面配流副 熬辍淘柱塞泵，魏下嚣豹论述舞下基磁。 安檄理工夫学磺士学位论文籀趣疑塞泵球委配流瓣翡理论霹兖 第三肇球嚣配流轴向桂塞泵魄运动学和力学分析 3 1 概述 圈3 。1 为a 7 v 塑球瑟黧溅澍豹嚣毒垂式辘囱拄塞裂，其泵诲工馋缀理窝营遥 的轴向柱塞泵大致相同，隧涮在于该泵的变量控制方式为衡功率变蟹控制，程 工程机械中有潞较为广泛的应用。 i 、嚣蘩油封2 、油封溅3 、主轴4 、碟澎弹簧5 、撞察组件8 、中心连样 7 、夺流豢陵住蝶钉8 、毙导活塞9 、大璃率弹簧l o 、，j 、磅率弹簧1 1 、璜稽 1 2 、变擞壳体1 3 、活门蛆件1 4 、控制起点调节弹簧1 5 、控制起点调节螺钉 1 6 、变量活塞1 7 、丈流量限位螺钉1 8 、配油盘l g 、缸体2 0 、压扳 黪3 + 1 球嚣配浚戮塑辘自拄塞聚 该型泵的主要结构参数包括i 柱塞聚z ( 一般z 一7 ) ，柱塞赢裰d ，缸体倾 斜角，和驱动盘连杆球头的分布圆直径d o ( d o = 2 r o ) 。由于柱塞浆中的缸体的 运动是出连抒传动的，因此其柱塞和数体的运动规律爨比斜鼗式裂复杂褥多。 必了使泵在运转遥程中，遘静积柱塞不产生干涉，还必矮正确选耩焚德结梅参 数。为了研究方便，该泵可以表示成空间五连杆曲柄涟杆机构 2 0 , 2j 1 。如图3 2 所示。 扶主轴至歉捧骞五令恣抒，中褥套溷个瀵狳秀个爨由囊的约泵，故尚存秘 个自由度。由予连杆中心线与柱塞中心线戒一夹角0 ，当连秆与幸圭塞内壁未接 触后，该机构败有一个自由度，即柱塞的运动仅由驱动轴转角而定，柱塞携同 觚体一起转动。当传动轴处于各个不同的转角位置时，连秆侧面与柱塞内孔的 谈皴瀵嚣不嗣。 当传动轴转过妒角时，觚体转过角魔为0 ，两者的差值 i s = 舻一0 ( 称为转熊 藏) 。传动轴谯不同的转角妒时。转角差甲也不同。在某瞬间，七个连杆中只 有滞后角最小的连杆才与槛寨的内孔接触驱动缸体转动。 1 9 安徽理工大学硕士学位论文 轴向柱塞泵球面配流副的理论研究 要使缸体的滞后角最小，则柱塞的分布圆半径r 与驱动盘连杆球窝中心分 布圆半径r o 必须保持以f 关系： r = 单( 3 1