盘配流径向柱塞泵(论文).pdf

盘配流径向高压柱塞泵 The radial flow pressure plate plunger pump 管文升 王凤林 天津市泽华源泵业科技发展有限公司研发中心 天津 300112 摘摘 要 要 本文介绍一种全新的盘配流径向高压柱塞泵 其特点是吸收了各种柱塞泵的结构优点 综合 设计形成了径向柱塞泵的第三类结构方式 主泵结构内部变化 但是外连接尺寸采用国际标准 可以采取 相应的变量形式 利用原有的伺服变量 恒功率变量 即将开发的有微机控制变量 电液比例控制变量等 变量结构方式 成为一种高性能 低成本 可修复性提高的全新产品 完全可以替代美国穆格 MOOG 产 品 该结构已经被国家知识产权局受理了发明和实用新型专利 关键词 关键词 盘配流原理 伺服变量 恒功率变量方式 径向高压柱塞泵 Summary Summary This paper introduces a new dish assignment radial high pressure piston pump Its characteristic is absorbed all sorts of piston pump structure advantages integrated design formed radial piston pump is the third class structure mode The main pump structure internal changes but the connection size adopts international standards Can adopt corresponding variables form USES the original servo variables constant power variable is the development of a microcomputer control variables and electro hydraulic proportional control variable structure mode and such variables as become a high performance and low cost can repair the sexual improve brand new products Can completely replace the U S MOOG products This structure has been accepted by the state intellectual property office invention or utility model patents Keywords Keywords dish with servo variables the principle of constant power variable voltage way radial piston pump 0 引言引言 液压泵是液压系统的动力元件 其作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能 液压 系统中的油泵 它向整个液压系统提供动力 当今常见的液压泵结构形式一般有齿轮泵 叶 片泵和柱塞泵三种 液压泵的工作原理是运动带来泵腔容积的变化 从而压缩流体使流体具有压力 能 其必须具备的条件是泵腔有密封容积变化 柱塞泵是液压系统的一个重要装置 它依靠柱塞在缸体中往复运动 使密封工作容腔 的容积发生变化来实现吸油 压油 柱塞泵具有额定压力高 结构紧凑 效率高和流量调节 方便等优点 被广泛应用于高压 大流量和流量需要调节的场合 诸如液压机 工程机械和 船舶中 1 柱塞泵综述柱塞泵综述 柱塞泵柱塞泵又分为轴向柱塞泵轴向柱塞泵和径向柱塞泵径向柱塞泵两种代表性的结构形式 轴向柱塞泵轴向柱塞泵是利用与传动轴平行的柱塞在柱塞孔内往复运动所产生的容积变化 来进行工作的 径向柱塞泵径向柱塞泵是活塞或柱塞的往复运动方向与驱动轴垂直 同样其产生容积变化进 行工作的柱塞泵 由于柱塞泵的柱塞和柱塞孔都是圆形零件 加工时可以达到很高的精度配合 目前 行业公认的径向柱塞泵可分为阀配流与轴配流两大类 曲轴式阀配流径向柱塞泵存在故障率高 效率低 体积大等缺点 现今已经在较 复杂的液压系统中很少采用 国际上 70 80 年代发展的轴配流径向柱塞泵克服了阀配流径向柱塞泵的不足 由于径向泵结构上的特点 决定了轴配流径向柱塞泵比轴向柱塞泵耐冲击 寿命长 控制精度高 变量行程短是该泵的得一大特点 变量原理是在变量柱塞和限位柱塞作 用下 改变定子的偏心距来实现的 而定于的最大偏心距为 5 9mm 根据排量大小 不同 变量行程很短 且变量机构设计为高压操纵 由控制阀进行控制 故该泵的 响应速度快 径向结构设计克服了如轴向柱塞泵滑靴偏磨的问题 使其抗冲击能力大 幅度提高 德国博世 BOSCH 生产和制造径向柱塞泵有 80 多年的历史 并拥有多项技术 专利 德国 BOSCH 的径向柱塞泵一直是国外高压液压泵的首选 广泛应用于军事装 备 挖掘机械 开矿机械 橡胶机械 注塑机等 陶瓷机械等行业 BOSCH 集团公 司由于欧盟反垄断法在并购力士乐液压后将柱塞泵事业部卖给了全球最大的伺服阀 生产公司 美国 MOOG 穆格 公司 因此现在 BOSCH 径向柱塞泵的采用 MOOG 的 商标 在泵的铭牌上有明显的 MOOG 标记 如 0514005033 排量按 32ml r 45ml r 63 ml r 80 ml r 90 ml r 等等 控制方式按远程控制 直接控制等方式 原厂生产 的泵都带自动控制的平衡阀 美国 MOOG 径向柱塞泵常用的一种是恒压变量泵 就是设定工作压力 通过平 衡阀调节 后泵可以根据系统流量的需要调节泵的供油量 并保证系统压力的平稳 同时 也是最关键的就是采用这种恒压变量径向柱塞泵可以达到节能的目的 恒压变 量径向柱塞泵比其他同样功率的液压泵要节省电 30 以上 目前 MOOG 已经采用新的编号 例如 D954 2011 10 HPR18A1 RKP063KM28J 1Z00 新型泵与原来的泵完全兼容 安装和性能与原编号泵完全一样 我国早在 80 年代 也已经开始研制这种产品 但是均没有形成批量生产能力 近几年 随着国家产业政策的调整 液压技术与液压工业中的高新科技研究项目成为国 家重点支持发展的对象 受到了各企业和科研部门的高度重视 天津市泽华源泵业科技发展有限公司 在几年前了解到国内外高新液压技术发展动态 捕捉到市场对径向高压柱塞泵需求的信息 准确及时地进行了新型高效节能的轴配流变量径 向高压柱塞泵项目开发与研制 结合公司的具体情况及合作单位部分精密设备及先进的检测 手段 很快研制生产出 JB 型径向高压柱塞泵这种机 电 液一体化的高 精 尖产品 并 形成一定的生产能力 同时 在原有恒压变量泵的基础上 自主开发了具有独立知识产权的 不同于美国 MOOG 公司结构设计的伺服变量和恒功率变量两种新产品 既可以利用成熟技 术 又填补了国内的空白 2 盘配流径向柱塞泵简介盘配流径向柱塞泵简介 随着市场销售和用户需求的深入 公司不断在提高产品性能和降低成本上下功夫 为此 公司的科技人员 认真分析了各种柱塞泵的优缺点 综合考虑设计出一种全新的 结构简单 工艺性强 性能优良 可修复性提高的 PJB 型盘配流径向高压柱塞泵 成为径向柱塞泵分 类的第三方式 这在国内外是绝无仅有的结构形式 轴配流径向柱塞泵的最大缺陷是配流轴与转子配流孔这对摩擦副的磨损后不方便修复 问题 当然 国外在处理配流轴的时候 有其特殊的工艺控制 加工精度较高 肯定成本也 一定很高 我公司进行同类产品的生产中 在同时保证性能的前提下 也在努力降低这方面 的费用 但是 仅表面处理配流轴 转子 柱塞和连杆这四种零件的费用 就要占到总成本 的 11 5 同样 配流轴与转子配流孔这对摩擦副的磨损后不方便修复问题没有解决 公司科技人员总结了 CY 型轴向柱塞泵 A2F 弯轴泵等盘配流结构的特点 以及轴配流 径向柱塞泵轴向尺寸短 耐冲击的优势 大胆提出盘配流径向柱塞泵的设计方案 具体结构示意见附图 1 图 1 主要零件名称如下 配油盘等见图 2 1 转子 2 定子 3 旋转轴承 4 柱塞 5 泵壳 6 限位机构 7 摆动销轴 8 恒压变量阀 9 变量柱塞 11 传动轴 其结构特征为以下几点 1 增加配油盘结构 改轴配流为盘配流 使得可修复性提高 2 去掉配流轴 变半轴泵为通轴泵结构 增加了结构钢性 3 由于去除了配流轴 这就改变了转子与配流轴这对摩擦副的作用关系 解决了他们 之间磨损后修复难度问题 4 转子柱塞孔与传动轴成一定夹角 产生轴向分力 对配油盘 转子和泵壳形成一定 的预压紧力 5 主泵定子 采用镶嵌轴承这一标准件 其中轴承稍加改动制成 降低了成本 6 由于定子采用镶嵌轴承 就可以去掉了连杆这一形状较为复杂的难加工零件 同时 去掉了回程环零件 相对简化了结构 7 柱塞回程靠回程弹簧和柱塞运转时的离心力完成 也简化了结构 8 泵的变量偏心机构 由平动改为以销轴 5 为圆心的摆动 减小了推动力 9 由于结构简化 使得装配工艺性大为增强 工作效率提高了 3 5 倍 10 3 MOOG 公司公司轴轴配流结构配流结构与与我公司我公司盘配流结构盘配流结构的对比 的对比 盘配流结构简图及主要零件名称 盘配流结构简图及主要零件名称 图 2 主要零件名称如下 1 泵壳 2 配油盘 3 转子 4 柱塞 5 销轴 6 柱塞轴承 7 定子 8 泵盖 9 传动轴承 10 轴封 11 平键 12 传动轴 MOOG 公司轴配流结构件图及主要零件名称 公司轴配流结构件图及主要零件名称 图 3 主要零件名称如下 3 泵壳 4 连杆 柱塞 5 转子 6 回程环 7 定子 9 十字滑块 10 泵盖 12 传动轴 13 轴封 14 传动轴承 15 平键 17 配流轴 从图 2 图 3 对比可以看出 盘配流结构比 MOOG 公司的典型轴配流结构简单了许多 其主要不同点见表 1 表 1 主要项目对比 项目名称 盘配流结构 轴配流结构 泵主体零件个数 18 减少连杆 回程环 25 传动轴 通轴结构 刚性好 半轴结构 刚性差 轴径 可以较细 必须足够刚度 配流方式 平面 摩擦副易修复 轴圆周 摩擦副难修复 柱塞回程 弹簧力 离心力 连杆 回程环 柱塞运动方式 与传动轴成夹角 径向力小 与配流轴垂直 径向力大 转子 配流面平面 工艺性好 配流面为圆柱面 工艺性一般 摩擦副热处理 相对简单 成本低 要求复杂 成本高 定子 镶嵌结构 要求高 单一材质 要求低 定子移动方式 摆动 推动力小 平移 推动力大 泵壳 平面加工要求高 平面加工要求一般 表中 可以看出盘配流在工艺性 结构复杂程度 控制力以及降低成本等方面有一定 的优势 特别是关于摩擦副的热处理技术 相对简单了 同时由于采用转动轴承 使得原有 的一些滑动摩擦 如连杆与定子之间 改为由轴承转动运动 对于泵的使用寿命大为提高 4 连杆 柱塞运动连杆 柱塞运动方式及力方式及力分析分析 常见 MOOG 公司的径向柱塞泵的柱塞运动是由回程环带动连杆柱塞组件来完成的 其 中 连杆 滑靴 与柱塞之间用卡簧连接 其结构简图如下 图 4 其中 回程环没有表示出来 对于连杆 滑靴 与定子之间的高速相对运动 达到 12 25m s 理论推算如下 公式 Vmax 2 n e D 2 其中 按照 45ml r 的规格产品计算 规格越大 定子直径越大 高速相对运动数值越 大 对于摩擦副越不利 定子内径 144mm 偏 心 距 6mm 转 速 1500r min 即使算结果为 12 25m s 国内为了克服相关缺陷 普遍采用的是零件表面喷涂 MoS2的解决方法 这在 径 向柱塞泵高速滑动摩擦副材料的性能分析 一文中已有详细的论述 我公司对于这种结构仍然使用的是这种工艺方法 因此成本很高 仅喷涂费用大 约占成本的 8 我公司提出的盘配流结构 不仅去掉了回程环 连杆 滑靴 两个零件 而且采 用定子镶嵌轴承 从而使得柱塞在运动中只和轴承内环接触 变原连杆 滑靴 的滑 动为轴承内环的转动 大大减小了摩擦力 同时 柱塞的回程利用复位弹簧力和运转 离心力 柱塞顶部的球面结构 可以使得柱塞在不同的位置始终与轴承内环接触面积 最小 盘配流结构简图如下 图 5 零件名称 1 泵壳 2 定子 3 摆动销轴 4 轴承 5 柱塞 6 转子 7 传动轴 8 复位弹簧 9 配油盘 10 轴套 柱塞的作用力分析 A B 图 6 图 6 中 A 为盘配流结构的柱塞作用力分析 其中 F 为柱塞压油时的作用力 Fy 为作用到传动轴的分力 Fx 为作用到配油盘的侧向压紧力 B 为轴配流结构的 柱塞作用力分析 F 力直接全部作用在配流轴上 FyA F sin60 0 866F 可见 柱塞同样的压油作用力作用在轴上时 盘配流结构要比轴配流结构减 少 13 4 左右 因此盘配流轴的直径相对轴配流轴的直径来讲可以更小 5 变量定子的运动方式变量定子的运动方式 轴配流结构的径向柱塞泵变量偏心是依靠定子的平行移动来实现的 从结构图 7A 中可以明显看出 而盘配流结构则变平移为摆动 从图 7B 中可以看出 A B 图 7 之所以做这种改变 有两个原因 1 是因为通过维修解体发现 定子的外圆表面都有几处不同程度的磨损和压 痕 这是由于泵转子在运动过程中的作用力传导给定子后 定子的反向运动不畅 容易被卡死 2 是同时分析到原有的设计结构在加工泵壳内腔时 直线部分难度较大 与 定子的外圆表面配合要求很高 后来国外的结构也做了改变 中间增加了过渡板 调整与定子的配合间隙 这样就可以减少了泵壳的加工难度 同时 降低定子外表面的精度和粗糙度 要求 使得加工成本降低 6 传动轴的结构传动轴的结构对比对比和优化 和优化 前述的结构对比表中已经提到 盘配流径向柱塞泵的传动轴已经设计为通轴结构 这样 除了有利于克服半轴泵的颠覆力矩外 由于去掉配流轴的内部过油通道 可以大大缩减轴的 直径尺寸 下图为盘配流结构传动轴简图 与定子结合的工作部分直径为 30 图 8 图 9 是轴配流结构的配流轴简图 与定子结合的工作部分直径为 55 图 9 除了上述的工作直径的差异外 还有几点不同见表 2 表 2 序号 项目内容 盘配流结构 轴配流结构 前者比后者 1 重量 40 40 优化 2 材质 40Cr 38CrMoAlA 降低成本 3 与转子的运动方式 相对静止 高速旋转 优化 4 热处理工艺性 调质淬火 氮化处理 降低成本 5 结构刚性 强 一般 优化 6 机加工艺性 简单 复杂 优化 7 泵体结构对比 泵体结构对比 该泵由于采用了盘配流结构 泵体也必须作相应的改变 为此在外连接尺寸方面 按照 国际标准的连接尺寸系列不作改变外 内部结构作了较大改变 增加了圆弧形的月牙式进出 油口 油流通道比照其他形式的液压泵优化和修改 目前的结构我们认为还不是最好的设计 下一步还要根据试制情况进行优化 做到易加工 成本低 好装配 盘配流泵体的结构示意图见图 10 轴配流泵体结构示意图见图 11 图 10 图 11 8 结论 结论 针对轴配流径向柱塞泵存在的问题 设计者研究和分析了相关的配流轴受力情况 面积 比应用 流道加工方式等技术问题 参考了国内外多种轴向柱塞泵的优点 提出了盘配流径 向柱塞泵设想并设计了具体的施工图纸 应用于 PJB 40NQF B 型径向柱塞泵 取代了传