（机械制造及其自动化专业论文）斜盘式轴向柱塞泵设计及其特性分析.pdf

摘要 摘要 现代液压传动中，柱塞泵是使用最广的液压动力元件之一，其性能好坏是 影响液压系统工作性能的关键。相对于日益提高的高压、大流量、高功率密度、 高集成度、多样的控制形式等要求，我国的柱塞泵设计和制造已远远落后于世 界先进水平。 本论文在详细分析国内外轴向柱塞泵结构类型及其特点的基础上，设计了 一种从结构到变量控制都较先进的新型斜盘式轴向柱塞泵，并运用键合图理论 对其变量控制机构进行了数学建模，最后运用m a t l a b 软件做了变量控制特性 的动态仿真分析以及试验研究，通过仿真，得到了改善其动态特性的较优结构 参数。 本论文设计的斜盘式轴向柱塞泵，结构紧凑合理、变量控制灵活多样、集 成性好；同时仿真和试验结果也表明，其变量控制系统稳定性好、响应速度快、 控制精确度较高，达到了预期设计要求。对今后进行轴向柱塞泵的研究和设计 具有较高的参考价值。 关键词：斜盘式轴向柱塞泵，变量控制方式，键合图，动态特性仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em o d e m h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ，t h ep i s t o np u m pi so n eo ft h em o s tw i d e l y u s e dp a r t sf o rp r o v i d i n gf l u i dp o w e r i t sp e r f o r m a n c eq u a l i t yi st h ek e yt oa f f e c tt h e h y d r a u l i cs y s t e mo p e r a t i n gb e h a v i o r a l t h o u g ht h ed e m a n du p o ni tf o rh i 2 9 hd e l i v e r y p r e s s u r e s ，l a r g eo u t p u tf l o w , h i g hp o w e r - t o - w e i g h tr a t i o ，h i g hi n t e g r a t e dl e v e l ，v a r i o u s c o n t r o lf o r m s ，e t c i si n c r e a s e dd a y b yd a y , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo f o u rc o u n t r yh a sb e e na l r e a d yf a rl a g g e db e h i n dt h ea d v a n c e di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s t h i sp a p e ra n a l y s e st h es t r u c t u r ea n ds p e c i a l t yo fd o m e s t i ca n df o r e i g na x i a l p i s t o np u m p s an e ws w a s hp l a t ea x i a lp i s t o np u m pi sd e s i g n e d ，w h i c hi sa d v a n c e di n t h es t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o l l e r am a t h e m a t i c a lm o d e lo fi t sc o n t r o l l e ri sd e d u c e db y m e a n so fb o n dg r a p h st h e o r y , a n dac o m p u t e rs i m u l a t i o ns t u d yo ni t sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e nm a d eb ym a t l a bs o f t w a r ef i n a l l y t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ， b e t t e rd e s i g np a r a m e t e r st oi m p r o v ei t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca r eo b t a i n e d t h es w a s hp l a t ea x i a lp i s t o np u m pd e s i g n e db yt h i sp a p e r , h a sr e a s o n a b l ea n d c o m p a c ts t r u c t u r e ，v e r s a t i l et y p e so fv a r i a b l e d i s p l a c e m e n tc o n t r o l ，h i g hi n t e g r a t i o n l e v e l s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t sa l s oi n d i c a t e dt h a t ，i t sc o n t r o ls y s t e mh a sag o o d s t a b i l i t y , q u i c kr e s p o n s e ，a n dh i g hc o n t r o lp r e c i s i o n t h ea n t i c i p a t e dd e s i g n r e q u i r e m e n th a sb e e nm e t i th a sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h es t u d yo nt h e a x i a lp i s t o np u m p k e yw o r d s ：s w a s hp l a t ea x i a lp i s t o np u m p ，t y p eo fv a r i a b l e d i s p l a c e m e n tc o n t r o l ， b o n dg r a p h s ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss i m u l a t i o n l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名： 力刃j 年月铝日 珏彭 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：珍之 劢铡一年多月形日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及其意义 随着科学技术的高速发展，液压传动在航空航天、起重机械、矿山机械和 船舶等各个领域中，都得到了日益广泛的应用。作为液压系统中应用最广泛的 动力元件，液压泵是整个液压系统的核心。提高液压泵的性能、寿命和可靠性， 是改善液压系统工作性能的关键。 当前，液压泵的发展趋势是：高压、大流量、低噪声、高功率密度、高集 成度、多样的控制形式以及优良的动态性能。例如：由于大型液压挖掘机每单 位土石方费用远低于中小型挖掘机，因此得到迅速发展，相应地对液压泵的高 压、高速和大流量要求就日益提高，而且为达到节能等要求，还需要液压泵的 变量机构能够进行灵活、可靠的控制。在容积式液压泵中，现在只有柱塞泵是 能够同时实现上述要求的最理想的液压泵。 相对于当前的应用需求和前景，我国的柱塞泵设计和制造技术4 0 年来却鲜 有变化，结构老化、控制方法单一，已远远落后于国外的先进水平。按所搜集 的统计资料来看，尽管进口液压泵价格不菲，却由于性能优良、可靠性高，占 据了我国一半以上的市场份额。研制我们自己的高性能柱塞泵，不仅本身具有 巨大的市场前景，而且对改变国外产品一统天下的现状，提高我国工程机械从 整机到零部件的国产化率，降低我国工程机械的制造成本并提高其在国际市场 上的竞争力，都有着深远的意义。 本课题源于某企业委托的新产品开发项目，目的是研制出我国自主设计和 生产的高性能柱塞泵，以期打破和改善现状。但事情都需要循序渐进，不可能 一次即设计出一个尽善尽美的完美产品。因此，本次设计还是立足于设计一个 结构、性能尽可能先进的基型泵，随后对泵的控制特性进行动态仿真分析和试 验，从而为泵的改进设计提供有参考价值的建议。 第1 章绪论 1 2柱塞泵工作原理及其基本分类【2 】 柱塞式液压泵是容积式液压泵的一种。相比其他容积式液压泵齿轮泵、 叶片泵和螺杆泵等，柱塞泵有结构紧凑、功率重量比大、工作压力高、流量大、 噪音等级低、可靠性高、寿命较长等优点，而且变量方便、形式多样，可以方 便地实现液压系统的无级变速和功率调节。虽然也随之带来了柱塞泵结构较复 杂、制造工艺要求较高、成本较贵、对油污较敏感等缺点，但当前各类机械中 液压系统的高压化、功能多样化、对速度、功率调节控制的要求增高等趋势， 使得柱塞泵在航空航天、工程机械、起重机械、矿山机械和船舶等各个领域中， 都得到了日益广泛的应用，有着广阔的市场前景和巨大的市场潜力。 柱塞泵是依靠柱塞的往复运动，从而改变柱塞缸内的容积以进行吸入和排 出液体的泵。虽然柱塞泵的结构多种多样，但其基本的结构原理都是图1 1 所 示曲柄滑块机构的演变。 图1 1 柱塞泵工作原理图 排 柱塞泵基本可分为轴向柱塞泵( 图1 _ 2 所示) 和径向柱塞泵( 图1 1 所 示) 两大类。轴向柱塞泵的柱塞在油缸体内沿轴向排列并沿圆周均匀分布，而 径向柱塞泵的柱塞在缸体内则成径向分布。从图中可以看出，改变轴向柱塞泵 2 第1 章绪论 的斜盘倾角，和径向柱塞泵的偏心距e 即可方便地改变两种泵的输出流量。两者 相比较，轴向柱塞泵结构简单、零件数少，体积小、重量轻，制造成本较低而 容积效率和总效率稍高，缺点是轴向尺寸大，制造精度要求高，对油液污染的 敏感度高。但随着泵设计制造水平的提高，无疑轴向柱塞泵占有一定的优势。 b b b 6 图1 - 2 轴向柱塞泵工作原理图 l 缸体2 一配油盘3 一柱塞4 斜盘5 传动轴6 一弹簧 图1 3 径向柱塞泵工作原理图 1 一柱塞2 一缸体3 一衬套4 一定子5 一配油轴 3 d 第1 章绪论 按照内部结构的h i 司，轴向柱塞泵又可分为翻1 2 所示的斜盘式轴向柱雉 泵和圈1 4 所示的斜轴式轴向柱塞象两大娄。斜轴泵采用了驱动盘结构使拄 塞缸体不承受侧向力所以，缸体对配油盘的倾复力矩小，有利于柱塞与配油 部位工作，另外允许的倾角大，因此斜轴泵的排量较大。其缺点主要有：1 ) 结 构复杂、工艺性差，需要使用大容量止推轴承，因而高压连续工作时f i 】往往受 到限制，成本高。2 ) 由于结构原因，不能带辅助泵，因此只能作为开式油路系 统用泵：3 ) 由于斜轴泵变量机构是缸体摆动，因此惯性太，变量的响应速度较 低。而斛盘泵出于配油盘与缸体、滑靴与柱塞这两对高速运动的摩擦副均采用 了静压支承，省去了太容量止推轴承，则具有结构紧凑、零件少、工艺性好、 成本低、体积小、重量轻等优点，从而使谈泵得到了迅速发展，一些原来生产 斜轴式轴向柱塞泵的厂家也先后发展了斜盘式轴向柱塞泵。但在大排量的应用 场合，斜轴泵还占有一定的优势。 卜q ， r i r 图1 4 斜轴式轴向柱塞泵 综合以t 对各种柱塞泵工作原理和特点的分析，结台率次设计要求和当前 我国的应用需求以及制造能力现状，小次柱塞泵设的基本类型初步选定为斜 盘式轴向柱褒泵。 心 第1 章绪论 1 3国内外柱塞泵研究现状【2 8 2 9 1 液压传动的高压、大流量趋势，使柱塞泵尤其是轴向柱塞泵的应用日益广 泛。轴向柱塞泵主要分为斜盘式和斜轴式两大类。两种类型的泵各有所长，从 上世纪初先后出现以来，就相互竞争，各自都在不断改进和发展。 目前世界上生产斜轴泵的公司主要有三家：德国力士乐( r c x r o t h ) 公司、 林德( l i n d e ) 公司和瑞典的v o a c 公司。如上所述，斜轴泵由于其结构上的缺 点和限制，排量在2 5 0 m l r 以下的变量泵正逐步丧失竞争优势，但大排量泵还非 其莫属。如力士乐公司生产的a 7 v 系列泵，排量可达1 0 0 0 m l r 。 至于斜盘泵，目前世界上则有多家公司生产。其中比较著名的有美国伊顿 ( e a t o n ) 公司、丹尼逊( d e n i s o n ) 公司、德国的力士乐公司、林德公司等。斜 盘式轴向柱塞泵由于配油盘与缸体、滑靴与柱塞这两对运动副都采用了静压支 承，具有结构紧凑、零件少、工艺性好、成本低、体积小、重量轻等优点，从 而得到了迅速发展。 轴向柱塞泵是高技术含量的液压元件，结构、品种繁多，制造工艺复杂， 在当今许多液压元件结构发展相对稳定的情况下，轴向柱塞泵的结构、材料、 变量控制方式等方面却仍在继续发展。 目前，关于轴向柱塞泵的研究主要集中在两方面。 其一是关于滑靴和斜盘之间、配流盘和缸体之间这两对关键摩擦副的研究。 一方面从材料入手，改变材料成份或其表面处理方式，以提高材料的耐磨性和 减小摩擦副的摩擦、磨损。另一方面利用静压支承原理对摩擦副处进行分析， 对斜盘或配流盘的结构进行改进以期改善其润滑状态，减小振动，降低噪声。 例如：我国兰卅i 理工大学的那成烈教授对斜盘式轴向柱塞泵的配流原理进行了 改进和创新，并且在此基础上研究出了于1 9 9 4 年获国家发明专利的“低噪声轴向 柱塞泵的配流盘”，通过设置配流盘的错配角以及采用不同的减振槽形状等，可 以同时减弱或消除配流过程中的液压冲击和气蚀现象，并能使柱塞油缸预升、 预卸压力梯度极值的绝对值最小。 5 第1 章绪论 其二是变量控制方式的研究。由于电液比例阀制造成本低，对液压油污染 不敏感，使用可靠，维护简单，已在大部分领域取代了电液伺服阀。由电液比 例阀控制的变量泵以及由它们组成的液压系统完美地体现了电子信息技术和液 压技术的结合。如：图1 5 所示的r e x r o t h 公司生产的d f e 电路闭环控制柱塞泵。 该泵靠两个单作用的柱塞3 和4 驱动斜盘，即相当于一个双作用变量柱塞驱动 斜盘。斜盘1 位置由一个螺旋角传感器7 感应以检测泵的排量，实时系统压力 值由一个压力传感器感应，而电液比例控制阀阀芯9 的位置由位置传感器6 感 应。响应控制器将斜盘位置及压力实际值与输入命令值相比较后形成反馈信号， 再根据反馈信号改变螺线管8 的电流大小以改变阀芯9 的位置，从而改变泵的 输出流量以及系统压力，使其趋于输入命令值。这种控制能满足复杂的工作要 求，不但快速、准确，而且可靠性高。该泵集传感器、放大器、电液比例阀于 一身，比较典型地反映了轴向柱塞泵与电子技术的结合。 53 7 图1 - 5r e x r o t hd f e 电路闭环控制柱塞泵 6 第1 章绪论 1 4本课题研究的主要内容及研究方法 1 4 1本课题研究的主要内容 本论文针对国内柱塞泵结构老化、控制方法单一的现状，旨在通过对国内 外各种柱塞泵比较成熟的结构类型的比较与分析，设计出一个结构、性能尽可 能先进的基型泵，并对其关键的变量控制部分进行动态仿真，为下一步改进提 出有参考价值的建议。 本课题主要研究内容如下： 1 ) 总结归纳国内外现有各类型柱塞泵的技术现状，并详细分析其结构特点， 选择较先进的结构类型作为本次设计分析及研究的基型； 2 ) 进行柱塞泵主要技术参数的分析计算； 3 ) 针对影响泵性能和寿命的关键部位( 如配流盘等) ，进行进一步的分析， 确定其较优结构和尺寸参数； 4 ) 分析几种常见泵的变量控制方式，确定本次设计的变量控制方案，并对 主要的变量控制特性进行动态仿真分析和试验，为下一步改进提出有参考价值 的建议。 1 4 2本课题研究的基本思路和方法 根据以上所确定的课题研究内容，本课题的基本研究思路和方法是：首先 广泛收集和查阅柱塞泵的相关资料，并进行详细分析和归纳总结，以确定所设 计柱塞泵的基本结构类型；再利用液压系统设计手册和柱塞泵设计相关参考资 料等对柱塞泵进行具体的结构尺寸设计；最后利用m a t l a b 等软件对所设计柱 塞泵的变量控制特性部分进行动态仿真、分析和归纳总结，并通过试验对其可 行性进行研究。 7 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 早在1 9 0 2 年，美国h a r v e yw i l l i a m 和r e ) m o l dj a n n yt 程师就设计了第一 台斜盘式轴向柱塞泵。斜盘泵的结构特点是：缸体中心线和传动轴中心线重合， 缸体转动，用斜盘摆动实现变量。其结构由早期的单铰或双铰连杆传动， 演变为无铰点接触式，直至现在的滑靴式结构。由于滑靴式斜盘泵的斜盘和滑 靴之间为静压支承，使之可以应用于较高的工作参数，因此成为现代斜盘式轴 向泵的主要结构。 2 1 主体设计方案的确定 斜盘式轴向柱塞泵自1 9 0 2 年出现以来，至今其结构形式和变量控制方式仍 处在不断研究和发展之中。本节旨在分析归纳其基本结构类型，以确定所设计 斜盘泵的主体结构方案。 2 1 1斜盘式轴向柱塞泵的的基本分类及其特点圆 3 1 斜盘式轴向柱塞泵按其缸体的支承方式不同可分为两大类：轴承支承缸体 的非通轴式和轴支承缸体的通轴式。 图2 1 所示即为轴承支承缸体的非通轴式轴向柱塞泵的结构图。传动轴8 不 穿过斜盘，悬臂带动缸体转动。其优点是：斜盘作用在柱塞上侧向力的合力， 通过大轴承的中心平面，使大轴承作为缸体的支点，柱塞上的侧向力对缸体不 产生倾复力矩，泵的传动轴只传递扭矩而不传递弯矩，有效地保证了缸体和配 流盘之间接触良好。但传动轴悬臂布置，刚度有所降低，而且还需装置一个转 子轴承以支承缸体，同时传动轴另外一端封闭，不能带辅助泵，不能用于闭式 回路液压系统，也不利于提高液压泵的集成化。 8 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 图2 1 非通轴式轴向柱塞泵结构 1 转动手轮2 斜盘3 一回程盘4 滑履5 柱塞6 缸体7 l 配油盘8 传动轴 图2 _ 2 所示为通轴式轴向柱塞泵。采用通轴结构，传动轴穿过斜盘，两端 支承，提高了泵轴的刚度，缸体靠传动轴支承定位，省去了转子轴承，不仅有 利于提高转速，以满足大输油率的要求，而且还能在另一端设置辅助泵，适应 了现在液压系统集成化的要求。另外，通轴式柱塞泵可以采用大小不同的两个 活塞实现变量控制，控制方式灵活多样，便于控制件的集成。其缺点是：传动 轴支承缸体，不仅要传递扭矩，而且要承受柱塞侧向力所产生的弯矩，因此不 易保证泵在高压时，缸体和配油盘能够接触良好。 9 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 图2 - _ 2 通轴式轴向柱塞泵结构 2 1 2主体设计方案的确定 综合分析两种结构的斜盘式轴向柱塞泵，考虑非通轴式轴向柱塞泵适用范 围的局限性，以及现在液压系统对集成化的要求日益提高，最后确定本次设计 的主体结构方案采用通轴式轴向柱塞泵结构。至于由采用这种结构而导致的缸 体和配油盘不易保证良好接触的缺点可以在后续设计中通过其它结构措施予以 考虑修正。 2 2 斜盘泵柱塞回程机构的基本设计 2 1 在斜盘式轴向柱塞泵的吸入行程中，柱塞移向缸外，使其底腔因容积增大 而形成负压以吸入油液。为使柱塞不因吸入力作用而脱离斜盘，需要有一个与 1 0 第2 章斜盘式轴向柠塞泵的基本设计 吸入力作用方向相反的压紧力使其紧贴斜盘表面，比较常用的有以下两种方法： 、 _ _ 一 一 z ；奎囫三纫缔何何雠 附 v 。 图2 - 3图2 _ 4 图2 - - 3 所示为在每一个柱塞腔底部都设置一根回程弹簧，缺陷在于缸体每 转一周，弹簧就要被压紧放松一次，在长期交变应力的作用下容易引起弹簧的 疲劳失效，一旦失效还可能造成柱塞卡死于腔内。 图2 4 所示结构则只在传动轴上用一个中心加力弹簧，通过压盘( 回程盘) 将滑靴顶在斜盘表面，该弹簧预压力还同时使配油盘和缸体之间保持预封。只 要吸入力不超出设计范围，中心弹簧就不会压紧。图2 一l 和图2 - 2 所示结构 中所采用的都是这种设计。 由上分析可见，图2 - 一4 所示只用一个中心加力弹簧的方案，结构简单而且 利于延长弹簧寿命，所以确定为本次设计方案。 2 3 整体基本结构选定 通过上述对于柱塞泵结构设计的分析，在经过对多种方案的筛选后，基本 确定了所设计斜盘式轴向柱塞泵的整体结构，泵基本结构如图2 _ 7 所示。其中 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 变量控机构部分的结构设计和控制原理将在第3 章中详细介绍 脚27 柱塞泵整体摹本结构 本次设计的斜盘式变量柱塞泵有如下特点： 1 、国内传统的斜盘式轴向柱塞泵均采用图2 1 所示的非通轴式结构，而本次 设讣则采用了较先进的通轴式结构。该结构有如下优点：可以外接辅助泵， 有利于液压系统的集成化；变量控制机构可沿轴向前，置而非以前的垂直巾 置，减小了泵的径向尺、j 结构紧凑；同叫省去了支承缸体的转了轴承，不 仅简化了工艺，而且有利于提高柱塞泵的转速以增大泵的输出流量；另外， _ j 以吐置更小的卸荷排黾以减小无功消耗。 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 2 、本次设计的变量控制采用了先进的电液比例控制和数字控制技术，而且控制 阀独立布置在泵体外，只需添加必需的传感器等组件和采用相应的控制算法 即可实现多种变量控制形式，以满足不同应用场合的变量需求。 3 、在变量柱塞上设置了独特的限位卸荷机构，可以保证泵有一定的最d , 丰l l e 油 量，避免了液压系统部件在极限情况下的干摩擦。 2 4柱塞泵的主要技术指标及设计计算 a l 3 1 【2 q 液压泵的主要参数，是指其泵轴单转的理论排量( 或称为理论容积常数) 、 工作转速、以及额定压力与峰值压力等，是进行泵结构尺寸设计的依据。本节 将根据有关资料和公式确定斜盘式柱塞泵设计的主要技术指标和参数。 2 4 1柱塞泵主要参数 根据市场需求和我国的应用现状，确定所设计柱塞泵的主要技术指标如下： 理论排量q i = 5 0 c m 3 r ；额定压力p p = 3 0 m p a ：额定转速n = 2 2 0 0 r m i n 最高转 速i l m a x = 2 6 0 0 r m i r a 总效率r 。苫o 8 5 。 2 4 2柱塞数和其直径的确定 1 、柱塞数z 的确定 根据对柱塞泵瞬时输油率的计算，可得斜盘式轴向柱塞泵的输油脉动率为： 盯仃。旦t 锄旦z 为奇数 ( 2 2 ) 盯口。西锄石 刀讨致 。乙z ) 仃疗。兰t 锄三z 为偶数 ( 2 3 ) 仃q2 i 锄西 乙刀1 内叙 。厶。j 由上式可看出，其输油脉动率只与柱塞个数z 有关，经计算可得表4 _ 1 ： 表4 1 输油脉动率与柱塞个数关系表 z567891 0 1 1 g r q 4 9 81 3 92 5 3 7 8 1 5 35 1 0 2 1 3 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 从表中可看出，输油脉动率随柱塞数增多而减小，且柱塞数为奇数时，输 油脉动率较小。考虑到柱塞分布圆直径大小，斜盘式轴向柱塞泵的柱塞数一般 取7 或9 ，z 太小则输油脉动率较大，太大则缸体强度不够。故取柱塞数z = 9 。 2 、柱塞直径的确定 柱塞轴线在缸体中的分布圆半径r 可按理论排量和柱塞数估算如下： r 一( 0 2 2 以2 7 ) z 警乩2 2 9 厕- o 0 3 5 0 7 m - 3 5 0 7 r a m 已知理论排量q r 芍咖1 3 厂，其计算公式如下： ”三班2 r z t 柚卢一 ( 2 4 ) 式中，户一为斜盘的最大倾角，一般取1 5 2 0 度，现取1 6 度，则可反算 柱塞直径为： d 一再历函西瓦而百。4 5 0 1 0 。6 ( z 省o 0 3 5 x9xt a n l 6 。) = 1 8 7 7 r a m 将柱塞直径圆整为1 8 8 m m ，代入式( 2 4 ) 可得实际理论排量为： 幻一三0 0 1 8 8 2 2 0 0 3 5 9 t a n l 6 0 1 5 1 0 矿一5 0 1 5 c m 3 ， ( 2 5 ) 2 4 3柱塞泵其它参数的确定 1 、实际排量的计算： 根据式( 2 5 ) 计算得出的理论排量劬，柱塞泵的实际输出流量可按容积效 率r 矿一0 9 5 计算如下： aa 鸟rn r y - 5x 1 0 。5 2 2 0 0 x0 9 5 = 0 1 0 4 5 m 3 m i n ( 2 6 ) 2 、柱塞泵所需输入转矩的计算： 泵的峰值压力砖妇代表着泵的短时超载能力，一般取额定压力的1 2 5 1 4 倍左右，已知p s = 3 0 m p a ，现取p s , , = - - 3 5 m p a 。 1 4 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 泵的吸油口压力r 为保持一定的真空度，一般取0 5 个大气压，另取泵的 机械效率r 。一0 9 ，则泵的输入转矩为： m ，堡! 亟二盟。兰兰! q ：q q 兰! q ! q ：q 至兰! q 尘2 6 6 5 砌 铆。 2 z r x o 9 ( 2 7 ) 本章计算所得结果为后续章节进行设计和计算的依据，故有必要将所有计 算结果最后总结如下：取柱塞数z - - 9 ，柱塞直径d = o 0 1 8 8 m = 1 8 8 m m ，柱塞分 布圆直径r - - 0 0 3 5 m = 3 5 m m 柱塞泵斜盘最大倾角夕一= 1 6 0 ；柱塞泵实际排量 q - 0 1 0 4 5 m 3 m i n ，所需输入转矩m z 一2 6 6 5 n m ，额定转速n = 2 2 0 0 r m m 。 2 5配油部位的设计 缸体与配油盘部位的设计是端面配流轴向泵设计中最重要的问题之一。设 计不良，不仅影响泵的效率，而且可能造成过早磨损，甚至引起烧盘。 2 5 1缸体与配流盘之间的自位补偿1 2 3 1 如前所述，在通轴式斜盘泵中，由于传动轴受柱塞侧向力引起的弯矩作用， 使传动轴产生弯曲，引起缸体的倾斜，易造成缸体和配流盘的局部接触和剧烈 磨损。因此，缸体和配流盘之间必须采取一定的补偿措施。 斜盘泵常用的补偿措施有： 1 、正确设计支承位置，选择键联接的适当间隙； 2 、缸体与轴之间采用鼓形花键联接，使缸体有一定的浮动能力； 3 、浮动缸体或浮动配油盘结构。 上述措施中第一种最简单，但补偿效果最差。第三种措施效果比较理想， 但结构复杂，需要在缸体与配流盘的接触部位另外设计可浮动的过渡联接机构。 第二种效果虽然不如后一种理想，但结构简单，容易实现，在液压泵的容量不 特别大时也能满足设计要求。因此，综合考虑，确定采用鼓形花键联接的自位 1 5 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 补偿方式。 2 5 2配油面的设计 一、配油面的结构 2 1 配油面结构大致可分为球面配油面和平面配油面两种。 图2 一球面配油 球面配油面如图卜5 所示，将缸体和配油盘的接触表面加工成球面。在配 油过程中，即使缸体受到不平衡力矩的作用，缸体也会沿球面进行自我调整， 不会出现由于缸体倾斜而造成半边油膜破坏，以至金属直接接触磨损的情况。 但其与平面配油相比，劣势亦相当明显：从图中不难看出，呈球面的配油表面 以及数个倾斜的配油口加工起来难度较大，工艺性差，故此种结构不常被采用。 在前面所述及的图例中，所采用的均为平面配油形式。由于缸体受不平衡 力矩的影响已经在上节配油盘与缸体的自位补偿措施中加以考虑，为简化工艺， 确定采用平面配油形式。 二、配油冲击和噪声的减小措施【1 0 】 随着现代工业的飞速发展，噪声已成为公害，越来越引起人们的注意。对 于噪声的研究是当前液压元件及液压系统设计中有待解决的重要课题之一。振 动是产生噪声的本质因素。振动除产生噪声而污染环境外，还将造成各种机件 的损坏。据有关统计资科，在液压系统的维修工作中发现，由于机械振动和液 1 6 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 压冲击引起的振动所造成的附件损坏率占总损坏率的5 0 以上，因此就液压系 统和部件工作的安全、可靠性和经济价值而言，也必须引起我们对噪声问题的 充分重视。 如图2 “所示，在轴向柱塞泵的配油盘上为了防止缸体转动时柱塞孔把吸、 排油窗口沟通，在两配油窗口之间设置了过渡区。当柱塞窗口从一个配油窗口 经过过渡区到另一个配油窗i ：1 肘，柱塞缸内压力将从排油压力p 口瞬时下降到吸 油压力p 0 ，或由e o 跃升为易，因而发生冲击。为避免冲击，现在常用的有以下 两种方法： 1 、增大过渡区 图2 1 配油盘结构 油口 为了防止冲击，把偏向高压区的过渡区加长，使柱塞转过上死点以后，柱 塞开始被迫下移时柱塞腔仍被封闭，既不与吸油口相通，也不与排油口相通， 这样封死在柱塞腔中的液体随着柱塞下移，容积被压缩而压力升高。而且，压 力的升高程度将随柱塞下移行程的增大而增大。反之，当柱塞窗口由高压区移 向低压区时，也可做类似处理。因此可根据所需的柱塞位移量求得相应的缸体 1 7 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 转角红和够：。根据推导，铣和仍可由以下关系式估算： c o s 驴l = 1 - o + 袅，学小惫学他1 ) 式中，为柱塞运行到下死点( 即排压行程末端) ，柱塞与缸体底部距离最 小时，缸体底腔的容积。由柱塞、缸体腔尺寸及柱塞行程可得v o 一5 8 x 1 0 7 m 3 ， e 为油液弹性模量，在油液含有空气时大约为8 xl o s m p a ，将已知代入式( 2 1 ) 得： 妒l 一1 7 。，伊2 6 。 考虑与进油出油口相通的窗口个数，并参考有关经验资料，取纯1 仍- 1 7 。 2 、开预升预卸压槽 根据式( 2 1 ) 计算出来的角吼和伊2 ，在泵的结构尺寸确定之后，取决于吸 排油压力差的大小。在实际工况条件下，泵排油压力常随负载改变而变化。要 避免在新工况条件下的压力冲击，应改变红和驴：以适应压力差的变化。可以用 旋转配油盘的方法改变压缩角，但实现起来较为困难。简单易行的方法是分别 在排油窗口与吸油窗口前沿开设v 形沟与直沟，即预升预卸压槽。如图2 6 所 示。 开预升预卸压槽的实质，就是在吸( 排) 油窗口与柱塞窗口之间设置一个 其节流面积逐渐变化的可变节流孔，使柱塞腔在与吸( 排) 油窗口直接接通之 前，在封闭区中预先通过预升预卸压槽逐渐接通，从而使柱塞腔中的油压有一 个预升或预卸压的过程，避免了配油压力的急剧变化。实践证明，这是一种很 有效的方法。 本文中按照有关资料将槽形分别取为三角形槽和孔形槽，其具体结构尺寸 可按文献【1 0 【2 7 】进行计算。 1 8 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 三、配油面润滑油膜的保证【2 】 4 1 由于缸体和配流盘之间的漏损边界比滑靴大得多，为使泵具有较高的容积 效率和总效率，要求缸体和配流盘之间具有良好的密封；同时还要求配油面有 一定的油膜厚度，以减少磨损、提高效率。这就要求设法平衡压紧力，并在摩 擦副间形成适当的油膜。一方面可以改善润滑，另一方面油膜油液的新旧更换 还可以带走大部分摩擦产生的热量。 为保证配油面有一定的油膜厚度，有多种结构措施可供选择。 其一为机械端面密封。在缸体与配油盘之间设置一止推轴承，力图强制构 成必要的间隙，但由于轴承受到较大的偏心负载，磨损不均，且摩擦副间隙难 于控制，结果不是“烧盘 就是泄漏太大，实验表明，此种措施不可取。 既然机械密封措施不可行，只能研究按液压平衡原理设计配流机构。根据 设计原理不同又可分为热楔支承、动压支承以及静压支承。热楔支承是利用高 速剪切油膜后，油液升温产生的热楔支承力而形成稳定油膜；动压支承是利用 沿配油窗口内外周的小斜面产生稳定油膜；静压支承则是另设支承油室，将压 力油通过节流装置引入油室，以此产生静压来维持稳定油膜，油膜厚度可由节 流装置调节。 在几种液压支承方式中，动压支承的动压楔斜面不易加工；静压支承设计 法没有考虑冲击载荷的影响，只是一种理想状态，实际应用较少；而热楔支承 结构最为简单，只要保证油温在1 2 0 摄氏度以下就可以正常运行，因此确定采 用热楔支承结构为本次设计中配油面的基本设计方案。 按液压平衡原理设计配流机构的具体设计方法是“剩余压紧力设计法”。其 基本思想是：使缸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。下面将利用剩余压紧力设计法结合热楔支承理论对配油面的具体结构尺寸 进行设计和校核。 1 、配油面内、外密封带尺寸的确定 1 9 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 根据缸体受力平衡条件和力矩平衡条件可知，配油面内密封带的内、外半 径r l 、r 2 和外密封带的内、外半径恐、风必须满足以下两式： 巡一巡 l l l 堕l l l 鱼 r 3r l r ；一尺；r ；一尺? - _ _ _ _ _ _ - _ 。一一 l i l 里 r 3 l i l 生 r k b 砸2 z ( 2 2 ) 塾垡：墨 ： ( 2 3 ) 口 口一口 苎s i l l 一c 0 s 22 式中，口为各柱塞间的角距： 口孕；口为柱塞缸体窗口包角，口= 3 5 。； 取平衡系数瓯= 0 9 2 ( 也即剩余压紧系数所一0 0 8 ) ；其余符号含义同前。由于 上述二方程有四个未知数，故根据柱塞分布圆半径r = 0 。0 3 5 m ，在进行多次试算 r 2 一r - 0 0 4 0 0 3 1 m r 3 一r + 0 0 4 0 0 3 9 m r r 2 0 0 0 2 8 = 0 0 2 8 2 m r 4 一r 3 + 0 0 0 2 8 0 0 4 1 8 m 2 、油膜厚度核算 根据受力平衡条件可得，油膜支承力为： 啦酗j 吾三d 2 ( , p , + p o ) - 吾一丐r ；- r ? ) 汜4 ， ( 2 ，咒一1 k + 2 a 。】( p ，+ p 。) + e 。3 5 3 4 n 式中，瓯：、e 和f s 分别为缸体配流部位所受的平均推压力、平均支承力 则根据热楔支承理论可反算其油膜厚度为： 第2 章斜盘式轴向柱塞泵的基本设计 a o 一；1 6 5 x 1 0 5 肌一1 6 5 m n ( 2 5 ) 式中，口。为油液容积膨胀系数，取为7 5 5 x 1 0 4 c ；) ，o 为油液密度，取为 8 5 0 k g m 3 ；t o 为油液粘度，取为o 0 2 p a s ；c o 为油液比热，取为2 0 9 3 4 j 船。 由文献 4 n - i 知，一般轴向柱塞泵配油面处的最佳油膜厚度在o 0 1 加0 2 m m 范围 内，故本次设计的配油面油膜厚度合适。 3 、配油窗r 3 流速核算 取单个柱塞平均输油率鼋一i e 4 d2 ，p 一，缸体配油窗口处断流面积 4 一蠡口僻一尺；) _ o 2 1 5 ( r ，一r ：) 2 ( 2 6 ) 则缸体配油窗1 2 1 处流速 堡d 2 兰础t 锄口 比；垃。l 望乙二一 _ 旦3 6 0 口静寥2 1 5 ( 恐删2 ( 2 7 ) 堡x 0 0 1 8 8 2x 2 2 3 0 4 0 0 3 5 t a n l 6 ，_ 笪歪一，1 2 4 m s 旦3 6 0 3 5 ( 0 0 3 9 2 0 0 3 1 2 ) 一0 0 2 1 5 ( 0 0 3 9 0 0 3 1 ) 2 对于斜盘式轴向柱塞泵，配油窗口许用流速1 一2 3 m s ，故可行。 4 、配油面比功率核算 配油面比功率可按下式计算： p 。y 一半r w ( 2 8 ) 以印 式中，配油盘与缸体接触面积彳节。万职；一霹+ r ；一砰) ；0 0 0 1 2 3 m 2 ，则： p 。y ；旦0 0 3 5 2 3 0 4 ，2 3 2 1 0 6 嬲 一0 0 0 1 2 3 缸体配油表面材料为q t 6 0 0 ，b 。y 】；3 x1 0 7 n m s ，故合格。 2 1 第3 章变量控制机构的设计 第3 章变量控制机构的设计 端面配流轴向泵的最重要优点之一就是实现变量容易且具有多种变量特 性。采用变量泵可以实现功率调节，以节省能源、减少系统发热；或实现无级 变速。在当今能源短缺问题越来越突出的情况下，变量泵控制技术的研究和应 用也日益广泛。本章将分析变量泵的常用控制方式并确定本次设计的变量控制 方案及实现方法。 3 1柱塞泵常用变量控制形式【1 j 2 1 嘲 一、恒压变量 恒压变量泵主要用于作为要求液压换能器的输出力( 或转矩) 保持不变的 液压油源，或者为液压伺服机构提供恒压油源。图3 1 所示为恒压变量泵的静 特性图。当系统压力未达到调定值之前，泵以最大流量输出，相当于定量泵； 当压力达到调定值后，则不管输出流量如何变化，其输出压力恒定，故称为恒 压变量泵。 q 图3 1 恒压变量特性图 p q 图3 2 恒流量变量特性 p 第3 章变量控制机构的设计 二、恒流量变量 恒流量变量是使泵在转速和容积效率变化时保持输出流量不变。以满足液 压设备执行机构要求速度恒定的要求。图3 _ 2 所示为这种泵的特性曲线。 三、压力补偿变量 图3 _ - 3 所示为压力补偿变量泵的特性曲线。一般采用双弹簧和机械限位机 构实现控制。这种变量形式可以满足象压力机之类的机械要求：低压高速工作， 而当压力增高时又可自动减速工作。 q p q 图3 3 压力补偿变量图卜_ 4 恒功率变量 四、恒功率变量 p 恒功率变量即为无论负载如何变化，泵输出流量和压力的乘积也即泵 的输出功率为恒定值。按恒功率要求做出的变量泵特性曲线为双曲线，如图3 _ 4 所示。实际上，在设计压力补偿变量如图3 _ 3 所示的特性曲线时，可以通 过调整两个弹簧的刚度使其中的折线逼近恒功率控制的双曲线。 3 2柱塞泵变量控制的操纵形式【2 】【3 】【1 9 】 柱塞泵变量控制的操纵形式可分为手动、机动、电动、液控和电液比例控 制等，属于外加讯号控制变量。近年来，微型计算机的普及不断促进新型液压 第3 章变量控制机构的设计 控制技术的发展。在装配机械、注塑成型机、建筑机械、医疗机械、通信卫星 用机械、运输机械等的控制方面，现在均认为可采用高性能的电子液压控制技 术，尤其是电液比例控制技术的应用日益广泛。 电液比例控制技术是基于电液伺服技术发展起来的。与电液伺服技术相比， 电液比例控制技术成本低、对油质要求较低、节能而且维修方便，适用于尽管 要求有较高质量的控制手段，但不要求太高的控制精度或响应特性的应用场合。 因此，虽然它的发展和普及还不到五十年，然而却凭借其技术优点形成了流体 传动与控制的一个重要分支，并成为现代控制工程的基本技术之一。 二十世纪末期，随着电子技术的不断发展和计算机技术的逐渐成熟，人们 将单片机和数字控制技术与电液比例控制技术相结合，出现了变量泵的数字化 控制，从而实现变量泵更加复杂和多样化的控制。目前，电液数字变量泵按其 变量控制原理分有并行式、数模转换式、高速开关阀式和步进电机控制式等。 图3 _ 5 是实际应用较多的数模转换式变量控制原理图。计算机输出的数字量通 过d a 转换为模拟量，再经放大调节即可控制比例阀，从而对变量泵实现间接 的数字控制。 图卜5电液数字变量泵控制原理 3 3柱塞泵变量控制方案 一、变量控制原理 从前面的分析看出，现在最先进的控制实现方式是电液比例控制技术与数 第3 章变量控制机构的设计 字控制方式相结合的所谓电液数字控制变量泵。本文拟定采用其中实际应用较 多的数模转换控制方式。控制原理基于恒压变量控制形式，但结合电液比例数 字控制可以实现多种变量控制形式。 图3 6 变量控制原理图 图3 6 所示为变量控制的原理图。图中符号意义说明：肋：泵排油口处系 统压力；p t ：电液比例阀前设定压力；仇：变量柱塞缸大腔压力；a k ：阀芯有效 面积；最：阀内调节弹簧压紧力；a 。：变量柱塞缸大腔横截面积；a h ：变量柱塞 缸小腔横截面积；最：变量柱塞回位弹簧力。 当柱塞泵排油压力仰较高时，即p p a 。 p ，4 + t 时，阀芯在油压力作用下， 第3 章变量控制机构的设计 向阀腔右边移动，变量柱塞缸大腔通过控制阀与压力油联通，由于么。 a 。，此 时变量机构有以下关系：p ，x a 。+ p 。x a 。，压力油通过变量柱塞将斜盘顶 回，斜盘倾角随之减小，则泵排量减小。 反之，当柱塞泵排油压力鳓较低时，即p 口4 p 。彳。，在油压力和弹簧力的联合作用下， 斜盘倾角增大，则泵排量随之增大。 当柱塞泵排油压力昂与比例阀前设定压力p f 相当时，即p p 4 一p ，a k + 最 时，控制阀芯处于中位，变量柱塞缸大腔呈封闭状态，斜盘能在与此压力值相 对应的任意角度停留。 二、电液 匕例阀前设定压力 图3