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手动变量轴向柱塞泵设计毕业设计.doc

10SCY14-1B手动变量轴向柱塞泵结构设计【全套10张CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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定单301-10SCY14-1B手动变量轴向柱塞泵结构设计【最终】

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摘要1

Abstract2

第1 章绪论3

1.1选题的背景及意义3

1.2轴向柱塞泵概述4

1.3轴向柱塞泵研究现况5

1.4直轴式轴向柱塞泵的工作原理6

第2章总体设计与分析8

2.1主要性能参数分析8

2.1.1排量﹑流量与容积效率8

2.1.2扭矩与机械效率9

2.1.3功率与效率10

2.2柱塞运动分析10

2.2.1柱塞行程S11

2.2.2柱塞运动速度分析v11

2.2.3柱塞运动加速度a12

2.3滑靴运动分析12

第3章主要零部件设计14

3.1柱塞设计14

3.1.1柱塞结构型式的选择14

3.1.2柱塞结构尺寸设计15

3.1.3 柱塞摩擦副比压P﹑比功验算17

3.2滑靴设计18

3.2.1滑靴的结构型式的选择19

3.2.2滑靴结构尺寸设计19

3.3配油盘设计20

3.3.1过渡区设计20

3.3.2配油盘主要尺寸确定20

3.3.3验算比压p、比功pv22

3.4缸体设计23

2.4.1通油孔分布圆和面积23

3.4.2缸体内﹑外直径﹑的确定24

3.4.3缸体高度H25

3.5柱塞回程机构设计25

3.6变量机构设计27

3.6.1手动变量机构27

3.6.2手动伺服变量机构28

3.6.3恒功率变量机构29

3.6.4恒流量变量机构29

第4章主要零件受力分析与校核31

4.1柱塞受力分析与校核31

4.2滑靴受力分析与校核34

4.3配油盘受力分析与校核37

结论41

参考文献42

致谢43

附录一：英文翻译44

摘要

轴向柱塞泵（英文名：Piston pump）在机械行业中运用是相当广泛的, 特别是履带行走的机械,如履带式修路机、柏油铺路机、甘蔗收割机、番茄收割机等 ,都广泛用到这类泵体.特别是这些年来, 数控加工得到广泛应用,机械加工工艺得到全面提升 ,加工成本也得到降低,液压行走系统也越来越被一些机械设计人员所接受和选择,抛弃了传统的机械传递,改为了结构简单,重量轻,设计成本相对较低的液压系统.即提高了其机具的档次.也增加了产品的竞争力.

该类泵其原理是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,从而将机械能转化成液压能, 将带有一定压力和流速的液压油传递给液压元件使其做功.轴向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.其中SCY型轴向柱塞泵是可以手动调节输出流量的柱塞泵，其原理为转动手轮使变量活塞上下移动，带动变量头倾斜角变化，改变柱塞行程长短，达到变量的目的。

本设计对10SCY14-1B手动变量轴向柱塞泵对轴向柱塞泵进行了资料的收集和分析,主要分析了该类柱塞泵的结构组成,工作原理,例如,柱塞的结构型式﹑滑靴结构型式﹑配油盘结构型式等进行了分析和设计,还包括这些结构受力情况分析与计算.对缸体的材料选用以及校核,最后对变量机构分类型式也进行了详细的分析,比较了它们的优点和缺点.该设计最后对轴向柱塞泵的优缺点进行了整体的分析,对液压今后对我国军事工业,农业机械等行业产生的深远影响进行分析.

关键词: 柱塞泵,液压系统,履带式行走,结构型式,

Abstract

Axial piston pump is widely used in machinery industry, especially the crawler machinery, such as Caterpillar road machine, asphalt paver, sugarcane harvester, tomato harvesters etc., are widely used in this kind of pump body. Especially in recent years, is widely used in CNC machining, to improve the machining process, machining cost can be reduced, the hydraulic driving system is also more and more by some mechanical design personnel to accept and choose, abandon the traditional mechanical transmission, to has the advantages of simple structure, light weight, hydraulic system design and relatively low cost. Improve the equipment level. Also increased the competitiveness of their products

This type of pump and its principle is to rely on the piston reciprocating in the cylinder motion, make volume sealed working chamber to change oil, oil pressure, thereby converting the mechanical energy into hydraulic energy, hydraulic fluid with certain pressure and flow velocity is transferred to the hydraulic element to make it work. Axial plunger pump with a rated pressure, compact structure, high efficiency and flow and easy adjustment. The SCY type axial plunger pump plunger pump can be manually adjusted output flow, its principle is the variable rotate the handwheel piston to move up and down, driving the variable head tilt angle change, change the plunger stroke length, to achieve variable objective.

The design of the 10SCY14-1B manual variable axial plunger pump for data collection and analysis of axial piston pump, the main components of the structure, the principle of the piston pump, for example, structure type, piston slipper structure, plate structure is analyzed and designed, including analysis and calculation the force of these structures. To block the material selection and verification, the variable mechanism type are also analyzed in detail, and compares their advantages and disadvantages. The final design of axial piston pump the advantages and disadvantages of the overall analysis, the future of China hydraulic industry, analyzed influence of agricultural machinery and other industries

Keyword: The Plunger pump, hydraulic system, pedrail walking, structure, development

第1 章绪论

随着中国综合国力的增强,中国经济也得到了飞速发展,在纷繁复杂的国际环景中发展并不容易,很多关键技术受到国外封锁,而液压系统也是其中一项,很多国内知名企业如三一重工,中联重科都还在进口国外液压成套系统,很大一部分利润被分走.工业技术的不断发展，对液压元件的需求也越来越广.而作为液压传动系统不可或缺的液压泵就显得尤为重要了。轴向柱塞泵/马达在发展中基本结构保持了稳定，高速高压以及良好的控制方法是其发展的方向。随着电子、计算机、材料、制造等相关技术的发展，多学科交叉应用于泵/马达的研究，使仿真和试验更为接近现实，泵/马达设计和优化的效率大大进步。我国的轴向柱塞泵/马达技术还比较落后，但旺盛的需求对轴向柱塞泵/马达技术的发展有很大的推动作用。只有在结构和技术上不断的开拓创新，我国轴向柱塞泵/马达技术和产品一定可以上一个新台阶,我相信,随着国力的增强,国家对自我创新力和研发力度加大,中国的液压技术水平会越来越强,在关键技术上也会得到更大的突破,摆脱国外技术封锁,让国内的液压技术走在世界前列

1.1选题的背景及意义

液压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﹑降低噪声﹑改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要.

选择液压泵的原则是:根据主机工况﹑功率大小和系统对工作性能的要求,首先确定液压泵的类型,然后按系统所要求的压力﹑流量大小确定其规格型号.

一般来说,由于各类液压泵各自突出的特点,其结构﹑功用和运转方式各不相同,因此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵.一般在机床液压系统中,往往选用双作用叶片泵和限压式变量叶片泵;而在筑路机械﹑港口机械以及小型工程机械中,往往选择抗污染能力比较强的齿轮泵;在负载大﹑功率大的场合往往选择柱塞泵.

正如科学技术的发展一样，现阶段科技领域中交叉学科、边缘学科越来越丰富，跨学科的共同研究是十分普遍的事情，作为泵产品的技术发展亦是如此。以屏蔽式泵为例，取消泵的轴封问题，必须从电机结构开始，单局限于泵本身是没有办法实现的；解决泵的噪声问题，除解决泵的流态和振动外，同时需要解决电机风叶的噪声和电磁场的噪声；提高潜水泵的可靠性，必须在潜水电机内加设诸如泄漏保护、过载保护等措施；提高泵的运行效率，须借助于控制技术的运用等等。这些无一不说明要发展泵技术水平，必须从配套的电机、控制技术等方面同时着手，综合考虑，最大限度地提升机电一体化综合水平。

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内容简介：: 10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 I 目录摘要 . 1 Abstract . 2 第 1 章绪论 . 3 1.1 选题的背景及意义 . 3 1.2 轴向柱塞泵概述 . 4 1.3 轴向柱塞泵研究现况 . 5 1.4 直轴式轴向柱塞泵的工作原理 . 6 第 2 章总体设计与分析 . 8 2.1 主要性能参数分析 . 8 2.1.1 排量流量与容积效率 . 8 2.1.2 扭矩与机械效率 . 9 2.1.3 功率与效率 . 10 2.2 柱塞运动分析 . 10 2.2.1 柱塞行程 S . 11 2.2.2 柱塞运动速度分析 v . 11 2.2.3 柱塞运动加速度 a . 12 2.3 滑靴运动分析 . 12 第 3 章主要零部件设计 . 14 3.1 柱塞设计 . 14 3.1.1 柱塞结构型式的选择 . 14 3.1.2 柱塞结构尺寸设计 . 15 3.1.3 柱塞摩擦副比压 P比功 vP 验算 . 17 3.2 滑靴设计 . 18 3.2.1 滑靴的结构型式的选择 . 19 3.2.2 滑靴结构尺寸设计 . 19 3.3 配油盘设计 . 20 3.3.1 过渡区设计 . 20 3.3.2 配油盘主要尺寸确定 . 20 3.3.3 验算比压 p、比功 pv . 22 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 II 3.4 缸体设计 . 23 2.4.1 通油孔分布圆 fR 和面积 F . 23 3.4.2 缸体内外直径 1D 2D 的确定 . 24 3.4.3 缸体高度 H . 25 3.5 柱塞回程机构设计 . 25 3.6 变量机构设计 . 27 3.6.1 手动变量机构 . 27 3.6.2 手动伺服变量机构 . 28 3.6.3 恒功率变量机构 . 29 3.6.4 恒流量变量机构 . 29 第 4 章主要零件受力分析与校核 . 31 4.1 柱塞受力分析与校核 . 31 4.2 滑靴受力分析与校核 . 34 4.3 配油盘受力分析与校核 . 37 结论 . 41 参考文献 . 42 致谢 . 43 附录一：英文翻译 . 44 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 1 摘要轴向柱塞泵（英文名： Piston pump）在机械行业中运用是相当广泛的 , 特别是履带行走的机械 ,如履带式修路机、柏油铺路机、甘蔗收割机、番茄收割机等 ,都广泛用到这类泵体 .特别是这些年来 , 数控加工得到广泛应用 ,机械加工工艺得到全面提升 ,加工成本也得到降低 ,液压行走系统也越来越被一些机械设计人员所接受和选择 ,抛弃了传统的机械传递 ,改为了结构简单 ,重量轻 ,设计成本相对较低的液压系统 .即提高了其机具的档次 .也增加了产品的竞争力 . 该类泵其原理是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 ,从而将机械能转化成液压能 , 将带有一定压力和流速的液压油传递给液压元件使其做功 .轴向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 .其中SCY 型轴向柱塞泵是可以手动调节输出流量的柱塞泵，其原理为转动手轮使变量活塞上下移动，带动变量头倾斜角变化，改变柱塞行程长短，达到变量的目的。本设计对 10SCY14-1B手动变量轴向柱塞泵对轴向柱塞泵进行了资料的收集和分析 ,主要分析了该类柱塞泵的结构组成 ,工作原理 ,例如 ,柱塞的结构型式滑靴结构型式配油盘结构型式等进行了分析和设计 ,还包括这些结构受力情况分析与计算 .对缸体的材料选用以及校核 ,最后对变量机构分类型式也进行了详细的分析 ,比较了它们的优点和缺点 .该设计最后对轴向柱塞泵的优缺点进行了整体的分析 ,对液压今后对我国军事工业 ,农业机械等行业产生的深远影响进行分析 . 关键词 : 柱塞泵 ,液压系统 ,履带式行走 ,结构型式 ,今后发展 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 2 Abstract Axial piston pump is widely used in machinery industry, especially the crawler machinery, such as Caterpillar road machine, asphalt paver, sugarcane harvester, tomato harvesters etc., are widely used in this kind of pump body. Especially in recent years, is widely used in CNC machining, to improve the machining process, machining cost can be reduced, the hydraulic driving system is also more and more by some mechanical design personnel to accept and choose, abandon the traditional mechanical transmission, to has the advantages of simple structure, light weight, hydraulic system design and relatively low cost. Improve the equipment level. Also increased the competitiveness of their products This type of pump and its principle is to rely on the piston reciprocating in the cylinder motion, make volume sealed working chamber to change oil, oil pressure, thereby converting the mechanical energy into hydraulic energy, hydraulic fluid with certain pressure and flow velocity is transferred to the hydraulic element to make it work. Axial plunger pump with a rated pressure, compact structure, high efficiency and flow and easy adjustment. The SCY type axial plunger pump plunger pump can be manually adjusted output flow, its principle is the variable rotate the handwheel piston to move up and down, driving the variable head tilt angle change, change the plunger stroke length, to achieve variable objective. The design of the 10SCY14-1B manual variable axial plunger pump for data collection and analysis of axial piston pump, the main components of the structure, the principle of the piston pump, for example, structure type, piston slipper structure, plate structure is analyzed and designed, including analysis and calculation the force of these structures. To block the material selection and verification, the variable mechanism type are also analyzed in detail, and compares their advantages and disadvantages. The final design of axial piston pump the advantages and disadvantages of the overall analysis, the future of China hydraulic industry, analyzed influence of agricultural machinery and other industries Keyword: The Plunger pump, hydraulic system, pedrail walking, structure, development nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 3 第 1 章绪论随着中国综合国力的增强 ,中国经济也得到了飞速发展 ,在纷繁复杂的国际环景中发展并不容易 ,很多关键技术受到国外封锁 ,而液压系统也是其中一项 ,很多国内知名企业如三一重工 ,中联重科都还在进口国外液压成套系统 ,很大一部分利润被分走 .工业技术的不断发展，对液压元件的需求也越来越广 .而作为液压传动系统不可或缺的液压泵就显得尤为重要了。轴向柱塞泵 /马达在发展中基本结构保持了稳定，高速高压以及良好的控制方法是其发展的方向。随着电子、计算机、材料、制造等相关技术的发展，多学科交叉应用于泵 /马达的研究，使仿真和试验更为接近现实，泵 /马达设计和优化的效率大大进步。我国的轴向柱塞泵 /马达技术还比较落后，但旺盛的需求对轴向柱塞泵 /马达技术的发展有很大的推动作用。只有在结构和技术上不断的开拓创新，我国轴向柱塞泵 /马达技术和产品一定可以上一个新台阶 ,我相信 ,随着国力的增强 ,国家对自我创新力和研发力度加大 ,中国的液压技术水平会越来越强 ,在关键技术上也会得到更大的突破 ,摆脱国外技术封锁 ,让国内的液压技术走在世界前列 1.1 选题的背景及意义液压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声改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要 . 选择液压泵的原则是 :根据主机工况功率大小和系统对工作性能的要求 ,首先确定液压泵的类型 ,然后按系统所要求的压力流量大小确定其规格型号 . 一般来说 ,由于各类液压泵各自突出的特点 ,其结构功用和运转方式各不相同 ,因此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵 .一般在机床液压系统中 ,往往选用双作用叶片泵和限压式变量叶片泵 ;而在筑路机械港口机械以及小型工程机械中 ,往往选择抗污染能力比较强的齿轮泵 ;在负载大功率大的场合往往选择柱塞泵 . 正如科学技术的发展一样，现阶段科技领域中交叉学科、边缘学科越来越丰富，跨学科的共同研究是十分普遍的事情，作为泵产品的技术发展亦是如此。以屏蔽式泵为例，取消泵的轴封问题，必须从电机结构开始，单局限于泵本身是没有办法实现的；解决泵的噪声问题，除解决泵的流态和振动外，同时需要解决电机风叶的噪声和电磁场的噪声；提高潜水泵的可靠性，必须在潜水电机内加设诸如泄漏保护、过载保护等措施；提高泵的运行nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 4 效率，须借助于控制技术的运用等等。这些无一不说明要发展泵技术水平，必须从配套的电机、控制技术等方面同时着手，综合考虑，最大限度地提升机电一体化综合水平。 1.2 轴向柱塞泵概述本设计对柱塞泵的结构作了详细的研究，在柱塞泵中有阀配流轴配流端面配流三种配流方式。这些配流方式被广泛应用于柱塞泵中，并对柱塞泵的高压高速化起到了不可估量的作用。可以说没有这些配流方式，就没有柱塞泵。但是，由于这些配流方式在柱塞泵中的单一使用，也给柱塞泵带来了一定的不足。设计中对轴向柱塞泵结构中的滑靴作了介绍，滑靴一般分为三种形式；对缸体的尺寸结构等也作了设计；对柱塞的回程结构也有介绍。柱塞式液压泵是靠柱塞在柱塞腔内的往复运动，改变柱塞腔容积实现吸油和排油的。是容积式液压泵的一种。柱塞式液压泵由于其主要零件柱塞和缸休均为圆柱形，加工方便配合精度高，密封性能好，工作压力高而得到广泛的应用。柱塞式液压泵种类繁多，前者柱塞平行于缸体轴线，沿轴向按柱塞运动形式可分为轴向柱塞式和径向往塞式两大类运动，后者柱塞垂直于配油轴，沿径向运动。这两类泵既可做为液压泵用，也可做为液压马达用。泵的内在特性是指包括产品性能、零部件质量、整机装配质量、外观质量等在内的产品固有特性，或者简称之为品质。在这一点上，是目前许多泵生产厂商所关注的也是努力在提高、改进的方面。而实际上，我们可以发现，有许多的产品在工厂检测符合发至使用单位运行后，往往达不到工厂出厂检测的效果，发生诸如过载、噪声增大，使用达不到要求或寿命降低等等方面的问题；而泵在实际当中所处的运行点或运行特征，我们称之为泵的外在特性或系统特性。正如科学技术的发展一样，现阶段科技领域中交叉学科、边缘学科越来越丰富，跨学科的共同研究是十分普遍的事情，作为泵产品的技术发展亦是如此。以屏蔽式泵为例，取消泵的轴封问题，必须从电机结构开始，单局限于泵本身是没有办法实现的；解决泵的噪声问题，除解决泵的流态和振动外，同时需要解决电机风叶的噪声和电磁场的噪声；提高潜水泵的可靠性，必须在潜水电机内加设诸如泄漏保护、过载保护等措施；提高泵的运行效率，须借助于控制技术的运用等等。这些无一不说明要发展泵技术水平，必须从配套的电机、控制技术等方面同时着手，综合考虑，最大限度地提升机电一体化综合水平。 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 5 1.3 轴向柱塞泵研究现况轴向柱塞泵由于柱塞结构紧凑、工作压力高、效率高、容易实现变量等优点，因此被广泛应用于工作压力高、流量大而又需要调节的液压系统中。轴向柱塞泵可分为阀配流与轴配流两大类。阀配流轴向柱塞泵存在故障率高、效率低等缺点。国际上 70、 80 年代发展的轴配流轴向柱塞泵克服了阀配流轴向柱塞泵的不足。由于轴向泵结构上的特点，轴配流轴向柱塞泵耐冲击、寿命长、控制精度高。使其成为一种优良的高压泵，代表当今国际上液压泵制造的先进水平。但是，它技术含量高、加工制造难度大，国际上只有博世（ BOSCH）公司、沃依特（ VOITH）公司等少数几家公司能够生产。而博世公司只能生产 90mL以下规格的泵，沃依特公司只生产 110 一 250mL r规格的泵。我国从 80 年代末 90 年代初有很多科研机构与生产厂家开始研究开发这种产品，但都没有取得实质性进展。主要因为在理论上有待深化，在实际生产中不能解决转子与配流轴、滑靴与定子两对摩擦副烧研的问题。有些生产厂家在柱塞内孔通过浇铸轴承合金等方法来克服烧研，但效果并不理想。这种办法在小排量泵中使用，虽然能够防止摩擦副烧研的问题，但泵的使用寿命不长。由我国著名的液压专家卢望研究员和材料专家闰秉均教授及其课题组经过多年研究与开发，取得了“过平衡压力补偿方法及双排轴向柱塞泵”和“一种新型高压大排量轴向柱塞泵”两项技术专利、“合金奥氏体一贝氏体球铁开发应用研究”一项国家新材料技术成果。这些技术成果的取得，使我国轴向柱塞泵的研制在设计理论与材料工艺方面取得突破性进展。兰州永新科技股份有限公司以上述两项专利与一项新材料技术成果为支持，成功地开发生产的 JBP系列机电控制式轴向柱塞泵，是国家科技部“八五”攻关和国家科技部火炬计划项目。该泵在多家企业进行了 2-3年的工业考核试验，性能优良。泵的技术发展一如其他产业的发展一样，是由市场需求的推动取得的。当今社会，可进发展日新月异，人们在以环保、电子等领域高科技发展及世界可持续发展为主所产生的巨大需求的大背景下，对于包括泵行业在内的许多行业或领域都带来了技术的飞速变革和发展。随着电子、计算机、材料、制造等相关技术的发展，多学科交叉应用于轴向柱塞泵的研究，使仿真和试验更为接近现实，轴向柱塞泵设计和优化的效率大大提高。产品的生命力在于市场的需求。如今的市场需求正是要求创新，做到与众不同，正是这一点，造就了泵产品的多元化趋势。它的多元性主要体现在：（ 1）输送介质的多样性（ 2）产品结构的差异性（ 3）运行要求的不同性从输送介质来看，最早泵的输送对象为单一的水及其它可流动的液体、气体或浆体到nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 6 现在可输送固液混合物、气液混合物、固液气混合物，直至输送活的物体，如土豆、鱼等等。不同的输送对象对于泵的内部结构要求均不同。除了输送对象对泵的结构有不同要求外，泵的安装形式、管道布置形式、维护维修等方面对泵的内在或外在的结构也提出了新要求。同时，各个生产厂商在结构的设计上又加入了各自企业的理念，更加提高了泵结构的多元化程度。基于可持续发展和环保的总体背景，泵的运行环境对泵的设计又提出了众多的要求，如泄漏减少、噪声振动降低、可调性增加、寿命延长等等均对泵的设计提出了不同的侧重点或几个着重点并行均需考虑，也必然形成泵的多元化形式。目前我国的轴向柱塞泵技术还比较落后，但旺盛的需求对轴向柱塞泵技术的发展有很大的推动作用。因此只要能紧跟国际技术潮流，发挥后发优势，一定能赶上国际先进水平，甚至后来居上。 1.4 直轴式轴向柱塞泵的工作原理轴向柱塞泵是依靠柱塞在缸体孔内的往复运动，造成密封容积的变化，来实现吸油和排油。直轴式轴向柱塞泵的结构如图 1-1 所示，柱塞的头部安装有滑靴，滑靴底面始终贴着斜盘平面运动。当缸体带动柱塞旋转时，由于斜盘平面相对缸体平面（ xoy 面）存在一倾斜角 r，迫使柱塞在柱塞腔内作直线往复运动。缸体按 n 方向旋转，在 180 360 范围内，柱塞由 180 开始不断伸出，柱塞腔容积不断增大，直至 0 。在这过程中，柱塞腔刚好与配油盘吸油窗相通，油液被吸人柱塞腔内，这是吸油过程。随着缸体继续旋转，在 0 180 ，柱塞在斜盘约束下开始不断进入腔内，柱塞腔容积不断减小，直至下孔点止。在这过程中，柱塞腔刚好与配油盘排油窗相通，油液通过排油窗排出。这就是排油过程。可见，缸体每转一圈，各个柱塞有半周吸油、半周排油。如果缸体不断旋转，泵便连续地吸油和排油。如果改变传动轴的旋转方向或斜盘的倾斜方向，就可改变泵的吸、排油方向；泵的排量大小可通过改变斜盘的倾角 r 的大小来实现。这也是斜盘式轴向柱塞泵通常为双向变量泵的原因。 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 7 1-斜盘 2-回程盘 3-滑靴 4-柱塞 5-缸体 6-配油盘 7-传动轴图 1-1 直轴式轴向柱塞泵工作原理 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 8 第 2 章总体设计与分析 2.1 主要性能参数分析 10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵参数如下：最大工作压力 m a x 3 1 . 5P M P a 公称排量 0 10 /Q ml r 额定流量 Q =15L/min 最大流量 m a x 2 1 / m i nQL 额定转速 n=1500r/min 2.1.1 排量流量与容积效率轴向柱塞泵排量 bq 是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出油液的容积，即 2m a x m a x4b X xq F s Z d s Z= 2( 1 9 . 5 0 . 2 ) ( 1 9 . 5 0 . 2 2 ) 94 10ml 不计容积损失时，泵的理论流量 tbQ 为 2 m a x4tb b b x bQ q n d s Z n =0.01 1500=15(L) 式中 xF 柱塞横截面积； xd 柱塞外径； maxs 柱塞最大行程； Z 柱塞数； bn 传动轴转速。泵的理论排量 q 为 1 0 0 0 1 0 0 0 1 5 1 0 . 5 3. 1 5 0 0 0 . 9 5vQq n （ ml/r）为了避免气蚀现象，在计算理论排量时应按下式作校核计算： nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 9 13max. pn q C133000 7 0 . 2 2 0 660 pC 式中 pC 是常数，对进口无预压力的油泵 pC =5400；对进口压力为 5kgf/cm 的油泵pC =9100，这里取 pC =9100 故符合要求。排量是液压泵的主要性能参数之一，是泵几何参数的特征量。相同结构型式的系列泵中，排量越大，作功能力也越大。因此，对液压元件型号命名的标准中明确规定用排量作为主参数来区别同一系列不同规格型号的产品。从泵的排量公式 24b x fq d D Z tg 中可以看出，柱塞直径 zd 分布圆直径 fD 柱塞数Z 都是泵的固定结构参数，并且当原动机确定之后传动轴转速 bn 也是不变的量。要想改变泵输出流量的方向和大小，可以通过改变斜盘倾斜角来实现。对于直轴式轴向柱塞泵，斜盘最大倾斜角 max 15 20 ，该设计是通轴泵，受机构限制，取下限，即 15g O= 。泵实际输出流量 gbQ 为 gb tb bQ Q Q=15-0.5=14.5（ ml/min）式中 bQ 为柱塞泵泄漏流量。轴向柱塞泵的泄漏流量主要由缸体底面与配油盘之间滑靴与斜盘平面之间及柱塞与柱塞腔之间的油液泄漏产生的。此外，泵吸油不足柱塞腔底部无效容积也造成容积损失。泵容积效率 VB 定义为实际输出流量 gbQ 与理论流量 tbQ 之比，即 gbVBtbQQ = 14.5 96.7%15 轴向柱塞泵容积效率一般为 b =0.94 0.98，故符合要求。 2.1.2 扭矩与机械效率不计摩擦损失时，泵的理论扭矩 tbM 为 2bbtb pqM = 1 2 1 0 1 9 . 1 ( . )2 Nm nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 10 式中 bp 为泵吸排油腔压力差。考虑摩擦损失 bM 时，实际输出扭矩 gbM 为 g b tb bM M M=1 9 . 1 2 2 1 . 1 ( . )Nm 轴向柱塞泵的摩擦损失主要由缸体底面与配油盘之间滑靴与斜盘平面之间柱塞与柱塞腔之间的摩擦副的相对运动以及轴承运动而产生的。泵的机械效率定义为理论扭矩 tbM 与实际输出扭矩 gbM 之比，即 1 1 9 . 1 9 0 . 5 2 %2 1 . 11t b t bmbbg b t b bfbMMMM M MM 2.1.3 功率与效率不计各种损失时，泵的理论功率 tbN 2tb b tb b g bN p Q n M = 15002 2 1 . 1 3 . 3 1 ( )60 kw 泵实际的输入功率 brN 为 122b r b g b b t b mbN n M n M = 1 5 0 0 12 1 9 . 1 3 . 3 1 ( )6 0 0 . 9 0 5 kw 泵实际的输出功率 bcN 为 b c b g b b t b bN p Q p Q = 3 1 9 . 1 1 4 . 5 2 . 5 ( )kw 定义泵的总效率为输出功率 bcN 与输入功率 brN 之比，即 12b t b bbcb b m bbr tbmbpQNN M = 0 . 9 0 5 0 . 9 6 7 0 . 8 7 5 上式表明，泵总效率为容积效率与机械效率之积。对于轴向柱塞泵，总效率一般为bh =0.85 0.9,上式满足要求。 2.2 柱塞运动分析柱塞运动学分析，主要是研究柱塞相对缸体的往复直线运动。即分析柱塞与缸体做相对运动时的行程速度和加速度，这种分析是研究泵流量品质和主要零件受力状况的基nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 11 础。 2.2.1 柱塞行程 S 图 2.1 为一般带滑靴的轴向柱塞运动分析图。若斜盘倾斜角为，柱塞分布圆半径为fR ，缸体或柱塞旋转角为 a，并以柱塞腔容积最大时的上死点位置为 0 ，则对应于任一旋转角 a 时，图 2.1 柱塞运动分析 c o sffh R R a=- 所以柱塞行程 S 为 1 ( 1 c o s )s h t g R t ggg= = - 当 180a O= 时，可得最大行程 maxs 为 m a x 2 ffs R tg D tggg=3 9 1 8 0 3 9 ( )t g m m 2.2.2 柱塞运动速度分析 v 将式 1 (1 c o s )s h tg R tg 对时间微分可得柱塞运动速度 v 为 . s i ns s aft a td d d R t g ad d du w g= = = 当 90a 及 270 时， sin 1a ，可得最大运动速度 max 为 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 12 m a x 15001 9 . 5 2 . 1 5 8 1 9 ( / )60fR t g t g m m s 式中 w 为缸体旋转角速度， atw=。 2.2.3 柱塞运动加速度 a 将 . s i ns s aft a td d d R t g ad d d 对时间微分可得柱塞运动加速度 a 为 2. c o saft a td d da R t g ad d d 当 0a 及 180 时， cos 1, 可得最大运动加速度 maxa 为 2m a x15008 1 9 2 1 2 9 ( / )60fa R t g m s 柱塞运动的行程 s速度 v加速度 a 与缸体转角 a 的关系如图 2.2 所示。图 2.2 柱塞运动特征图 2.3 滑靴运动分析研究滑靴的运动，主要是分析它相对斜盘平面的运动规律，即滑靴中心在斜盘平面xoy ? 内的运动规律（如图 2.3），其运动轨迹是一个椭圆。椭圆的长短轴分别为 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 13 长轴 2 392 4 0 . 4 ( )c o s c o s 1 5fRb m mg O= = =短轴 2 2 3 9 ( )fa R m m= 设柱塞在缸体平面上 A 点坐标为 sincosffx R ay R a如果用极坐标表示则为矢径 2 2 2 2 21 c o shfR x y R t g a 极角 ( c o s c o s )a r c t g a 滑靴在斜盘平面 xoy 内的运动角速度 h 为 2 2 2c o sc o s c o s s i nh tdd a aq wgw g= + 由上式可见，滑靴在斜盘平面内是不等角速度运动，当2a 32时， h 最大（在短轴位置）为 m a x c o shww g=1500 2601 6 2 ( / )c o s 1 5 r a d s当 0a 时， h 最小（在长轴位置）为 m i n 1500c o s 2 c o s 1 5 1 5 2 ( / )60h r a d s 由结构可知，滑靴中心绕 o 点旋转一周（ 2 ）的时间等于缸体旋转一周的时间。因此，其平均旋转角速度等于缸体角速度，即 1500 2 1 5 7 ( / )60ap r a d s nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 14 第 3 章主要零部件设计 3.1 柱塞设计 3.1.1 柱塞结构型式的选择轴向柱塞泵均采用圆柱形柱塞。根据柱塞头部结构，可有以下三种形式： 1）点接触式柱塞如图 2-1（ a）所示，这种柱塞头部为一球面，与斜盘为点接触，其零件简单，加工方便。但由于接触应力大，柱塞头部容易磨损剥落和边缘掉块，不能承受过高的工作压力，寿命较低。这种点接触式柱塞在早期泵中可见，现在很少有应用。 2）线接触式柱塞如图 2-1（ b）所示，柱塞头部安装有摆动头，摆动头下部可绕柱塞球窝中心摆动。摆动头上部是球面或平面与斜盘或面接触，以降低接触应力，提高泵工作压。摆动头与斜盘的接触面之间靠壳体腔的油液润滑，相当于普通滑动轴承，其 pv值必须限制在规定的范围内。 3）带滑靴的柱塞如图 2-1（ c）所示，柱塞头部同样装有一个摆动头，称滑靴，可以绕柱塞球头中心摆动。滑靴与斜盘间为面接触，接触应力小，能承受较高的工作压力。高压油液还可以通过柱塞中心孔及滑靴中心孔，沿滑靴平面泄漏，保持与斜盘之间有一层油膜润滑，从而减少了摩擦和磨损，使寿命大大提高。目前大多采用这种轴向柱塞泵。图 2-1 柱塞结构型式可见，柱塞大多做成空心结构，以减轻柱塞重量，减小柱塞运动时的惯性力。采用空nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 15 心结构还可以利用柱塞底部高压油液使柱塞局部扩张变形补偿柱塞与柱塞腔之间的间隙，取得良好的密封效果。空心柱塞内还可以安放回程弹簧，使柱塞在吸油区复位。但空心结构无疑增加了柱塞在吸排油过程中的剩余无效容积。在高压泵中，由于液体可压缩性能的影响，无效容积会降低泵容积效率，增加泵的压力脉动，影响调节过程的动态品质。综上，本设计选用图 2-1（ c）所示的型式。 3.1.2 柱塞结构尺寸设计 1）柱塞直径Zd及柱塞分布塞直径fD柱塞直径Zd 柱塞分布直径fD和柱塞数 Z 都是互相关联的。根据统计资料，在缸体上各柱塞孔直径Zd所占的弧长约为分布圆周长fD的 75%，即 0.75ZfZdD 由此可得 7 3 . 8 20 . 7 5 0 . 7 5fD Zmd 式中 m 为结构参数。 m 随柱塞数 Z而定。对于轴向柱塞泵，其 m 值如表 2-1所示。表 2-1柱塞结构参数 Z 7 9 11 m 3.1 3.9 4.5 当泵的理论流量tbQ和转速bn根据使用工况条件选定之后，根据流量公式得柱塞直径Zd为 . 7 m m214d 3 tgZnm QbtbZ（ 2-1）式中斜盘最大倾角，取 =20 由上式计算出的Zd数值要圆整化，并应按有关标准选取标准直径 ,应选取 22mm. 柱塞直径d确定后，应从满足流量的要求而确定柱塞分布圆直径fD，即 mmdZntgd QD ZbZtbf 4395.14 （ 2-2） nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 16 2）柱塞名义长度 l 由于柱塞圆球中心作用有很大的径向力 T，为使柱塞不致被卡死以及保持有足够的密封长度，应保证有最小留孔长度0l，一般取： 20bp Mpa0 (1 . 4 1 . 8 )zld30bp Mpa0 ( 2 2 .5 )zld这里取 mmdl z 4420 。因此，柱塞名义长度 l 应满足： 0 m a x m i nl l s l 式中 maxs 柱塞最大行程； minl 柱塞最小外伸长度，一般取 mmdlZ 4.42.0m in 。根据经验数据，柱塞名义长度常取： 20bp MpaZdl )37.2( 30bp Mpa( 3 .2 4 .2 )zld这里取 mmdlZ 775.3 。 3）柱塞球头直径1d按经验常取1 ( 0 .7 0 .8 ) zdd，如图 2-2 所示。图 2-2 柱塞尺寸图这里取 mmddZ 188.01 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 17 为使柱塞在排油结束时圆柱面能完全进入柱塞腔，应使柱塞球头中心至圆柱面保持一定的距离dl，一般取( 0 . 4 0 . 5 5 )dzld，这里取mmdl Zd 115.0 。 4）柱塞均压槽高压柱塞泵中往往在柱塞表面开有环行均压槽，起均衡侧向力改善润滑条件和存储赃物的作用。均压槽的尺寸常取：深 h=0.3 0.7mm；间距 t=2 10mm。这里取 mmtmmh 2,5.0 。 3.1.3 柱塞摩擦副比压 P比功 vP 验算对于柱塞与缸体这一对摩擦副，过大的接触应力不仅会增加摩擦副之间的磨损，而且有可能压伤柱塞或缸体。其比压应控制在摩擦副材料允许的范围内。取柱塞伸出最长时的最大接触应力作为计算比压值，则 M pald ppZ23121m a x（ 2-3）柱塞相对缸体的最大运动速度maxv应在摩擦副材料允许范围内，即 smvsma tgRv f /8/55.0m a x （ 2-4）由此可得柱塞缸体摩擦副最大比功max maxpv为 sM p a mpvsM p a mtgRld pvp fZ/60/5.11211m a xm a x （ 2-5）上式中的许用比压 p许用速度 v许用比功 pv的值，视摩擦副材料而定，可参考表 2-1。表 2-1材料性能材料牌号许用比压 pMpa 许用滑动速度 vm/s 许用比功 pvMpa.m/s ZQAL9-4 30 8 60 ZQSn10-1 15 3 20 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 18 球墨铸铁 10 5 18 柱塞与缸体这一对摩擦副，不宜选用热变形相差很大的材料，这对于油温高的泵更重要。同时在钢表面喷镀适当厚度的软金属来减少摩擦阻力，不选用铜材料还可以避免高温时油液对铜材料的腐蚀作用。 3.2 滑靴设计目前高压柱塞泵已普遍采用带滑靴的柱塞结构。滑靴不仅增大了与斜盘的接触面减少了接触应力，而且柱塞底部的高压油液，经柱塞中心孔0d和滑靴中心孔0d，再经滑靴封油带泄露到泵壳体腔中。由于油液在封油带环缝中的流动，使滑靴与斜盘之间形成一层薄油膜，大大减少了相对运动件间的摩擦损失，提高了机械效率。这种结构能适应高压力和高转速的需要。滑靴设计常用剩余压紧力法。剩余压紧力法的主要特点是：滑靴工作时，始终保持压紧力稍大于分离力，使滑靴紧贴斜盘表面。此时无论柱塞中心孔0d还是滑靴中心孔0d，均不起节流作用。静压油池压力1p与柱塞底部压力bp相等，即 1p=bp将上式代入式2 2112221ln2 ( ) c o szbRdpRp R10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 I 目录摘要 . 1 Abstract . 2 第 1 章绪论 . 3 1.1 选题的背景及意义 . 3 1.2 轴向柱塞泵概述 . 4 1.3 轴向柱塞泵研究现况 . 5 1.4 直轴式轴向柱塞泵的工作原理 . 6 第 2 章主要零部件设计 . 8 2.1 柱塞设计 . 8 2.1.1 柱塞结构型式的选择 . 8 2.1.2 柱塞结构尺寸设计 . 9 2.1.3 柱塞摩擦副比压 P比功 vP 验算 . 11 2.2 滑靴设计 . 12 2.2.1 滑靴的结构型式的选择 . 13 2.2.2 滑靴结构尺寸设计 . 14 2.3 配油盘设计 . 14 2.3.1 过渡区设计 . 15 2.3.2 配油盘主要尺寸确定 . 15 2.3.3 验算比压 p、比功 pv . 16 2.4 缸体设计 . 17 2.4.1 通油孔分布圆 fR 和面积 F . 17 2.4.2 缸体内外直径 1D 2D 的确定 . 18 2.4.3 缸体高度 H . 20 2.5 柱塞回程机构设计 . 20 2.6 变量机构设计 . 21 2.6.1 手动变量机构 . 22 2.6.2 手动伺服变量机构 . 23 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 II 2.6.3 恒功率变量机构 . 23 2.6.4 恒流量变量机构 . 24 3 主要零件受力分析与校核 . 26 3.1 柱塞受力分析与校核 . 26 3.2 滑靴受力分析与校核 . 29 3.3 配油盘受力分析与校核 . 32 结论 . 36 参考文献 . 37 致谢 . 38 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 1 摘要轴向柱塞泵（英文名： Piston pump）在机械行业中运用是相当广泛的 , 特别是履带行走的机械 ,如履带式修路机、柏油铺路机、甘蔗收割机、番茄收割机等 ,都广泛用到这类泵体 .特别是这些年来 , 数控加工得到广泛应用 ,机械加工工艺得到全面提升 ,加工成本也得到降低 ,液压行走系统也越来越被一些机械设计人员所接受和选择 ,抛弃了传统的机械传递 ,改为了结构简单 ,重量轻 ,设计成本相对较低的液压系统 .即提高了其机具的档次 .也增加了产品的竞争力 . 该类泵其原理是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 ,从而将机械能转化成液压能 , 将带有一定压力和流速的液压油传递给液压元件使其做功 .轴向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 .其中SCY 型轴向柱塞泵是可以手动调节输出流量的柱塞泵，其原理为转动手轮使变量活塞上下移动，带动变量头倾斜角变化，改变柱塞行程长短，达到变量的目的。本设计对 10SCY14-1B手动变量轴向柱塞泵对轴向柱塞泵进行了资料的收集和分析 ,主要分析了该类柱塞泵的结构组成 ,工作原理 ,例如 ,柱塞的结构型式滑靴结构型式配油盘结构型式等进行了分析和设计 ,还包括这些结构受力情况分析与计算 .对缸体的材料选用以及校核 ,最后对变量机构分类型式也进行了详细的分析 ,比较了它们的优点和缺点 .该设计最后对轴向柱塞泵的优缺点进行了整体的分析 ,对液压今后对我国军事工业 ,农业机械等行业产生的深远影响进行分析 . 关键词 : 柱塞泵 ,液压系统 ,履带式行走 ,结构型式 ,今后发展 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 2 Abstract Axial piston pump is widely used in machinery industry, especially the crawler machinery, such as Caterpillar road machine, asphalt paver, sugarcane harvester, tomato harvesters etc., are widely used in this kind of pump body. Especially in recent years, is widely used in CNC machining, to improve the machining process, machining cost can be reduced, the hydraulic driving system is also more and more by some mechanical design personnel to accept and choose, abandon the traditional mechanical transmission, to has the advantages of simple structure, light weight, hydraulic system design and relatively low cost. Improve the equipment level. Also increased the competitiveness of their products This type of pump and its principle is to rely on the piston reciprocating in the cylinder motion, make volume sealed working chamber to change oil, oil pressure, thereby converting the mechanical energy into hydraulic energy, hydraulic fluid with certain pressure and flow velocity is transferred to the hydraulic element to make it work. Axial plunger pump with a rated pressure, compact structure, high efficiency and flow and easy adjustment. The SCY type axial plunger pump plunger pump can be manually adjusted output flow, its principle is the variable rotate the handwheel piston to move up and down, driving the variable head tilt angle change, change the plunger stroke length, to achieve variable objective. The design of the 10SCY14-1B manual variable axial plunger pump for data collection and analysis of axial piston pump, the main components of the structure, the principle of the piston pump, for example, structure type, piston slipper structure, plate structure is analyzed and designed, including analysis and calculation the force of these structures. To block the material selection and verification, the variable mechanism type are also analyzed in detail, and compares their advantages and disadvantages. The final design of axial piston pump the advantages and disadvantages of the overall analysis, the future of China hydraulic industry, analyzed influence of agricultural machinery and other industries Keyword: The Plunger pump, hydraulic system, pedrail walking, structure, development nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 3 第 1 章绪论随着中国综合国力的增强 ,中国经济也得到了飞速发展 ,在纷繁复杂的国际环景中发展并不容易 ,很多关键技术受到国外封锁 ,而液压系统也是其中一项 ,很多国内知名企业如三一重工 ,中联重科都还在进口国外液压成套系统 ,很大一部分利润被分走 .工业技术的不断发展，对液压元件的需求也越来越广 .而作为液压传动系统不可或缺的液压泵就显得尤为重要了。轴向柱塞泵 /马达在发展中基本结构保持了稳定，高速高压以及良好的控制方法是其发展的方向。随着电子、计算机、材料、制造等相关技术的发展，多学科交叉应用于泵 /马达的研究，使仿真和试验更为接近现实，泵 /马达设计和优化的效率大大进步。我国的轴向柱塞泵 /马达技术还比较落后，但旺盛的需求对轴向柱塞泵 /马达技术的发展有很大的推动作用。只有在结构和技术上不断的开拓创新，我国轴向柱塞泵 /马达技术和产品一定可以上一个新台阶 ,我相信 ,随着国力的增强 ,国家对自我创新力和研发力度加大 ,中国的液压技术水平会越来越强 ,在关键技术上也会得到更大的突破 ,摆脱国外技术封锁 ,让国内的液压技术走在世界前列 1.1 选题的背景及意义液压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声改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要 . 选择液压泵的原则是 :根据主机工况功率大小和系统对工作性能的要求 ,首先确定液压泵的类型 ,然后按系统所要求的压力流量大小确定其规格型号 . 一般来说 ,由于各类液压泵各自突出的特点 ,其结构功用和运转方式各不相同 ,因此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵 .一般在机床液压系统中 ,往往选用双作用叶片泵和限压式变量叶片泵 ;而在筑路机械港口机械以及小型工程机械中 ,往往选择抗污染能力比较强的齿轮泵 ;在负载大功率大的场合往往选择柱塞泵 . 正如科学技术的发展一样，现阶段科技领域中交叉学科、边缘学科越来越丰富，跨学科的共同研究是十分普遍的事情，作为泵产品的技术发展亦是如此。以屏蔽式泵为例，取消泵的轴封问题，必须从电机结构开始，单局限于泵本身是没有办法实现的；解决泵的噪声问题，除解决泵的流态和振动外，同时需要解决电机风叶的噪声和电磁场的噪声；提高潜水泵的可靠性，必须在潜水电机内加设诸如泄漏保护、过载保护等措施；提高泵的运行nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 4 效率，须借助于控制技术的运用等等。这些无一不说明要发展泵技术水平，必须从配套的电机、控制技术等方面同时着手，综合考虑，最大限度地提升机电一体化综合水平。 1.2 轴向柱塞泵概述本设计对柱塞泵的结构作了详细的研究，在柱塞泵中有阀配流轴配流端面配流三种配流方式。这些配流方式被广泛应用于柱塞泵中，并对柱塞泵的高压高速化起到了不可估量的作用。可以说没有这些配流方式，就没有柱塞泵。但是，由于这些配流方式在柱塞泵中的单一使用，也给柱塞泵带来了一定的不足。设计中对轴向柱塞泵结构中的滑靴作了介绍，滑靴一般分为三种形式；对缸体的尺寸结构等也作了设计；对柱塞的回程结构也有介绍。柱塞式液压泵是靠柱塞在柱塞腔内的往复运动，改变柱塞腔容积实现吸油和排油的。是容积式液压泵的一种。柱塞式液压泵由于其主要零件柱塞和缸休均为圆柱形，加工方便配合精度高，密封性能好，工作压力高而得到广泛的应用。柱塞式液压泵种类繁多，前者柱塞平行于缸体轴线，沿轴向按柱塞运动形式可分为轴向柱塞式和径向往塞式两大类运动，后者柱塞垂直于配油轴，沿径向运动。这两类泵既可做为液压泵用，也可做为液压马达用。泵的内在特性是指包括产品性能、零部件质量、整机装配质量、外观质量等在内的产品固有特性，或者简称之为品质。在这一点上，是目前许多泵生产厂商所关注的也是努力在提高、改进的方面。而实际上，我们可以发现，有许多的产品在工厂检测符合发至使用单位运行后，往往达不到工厂出厂检测的效果，发生诸如过载、噪声增大，使用达不到要求或寿命降低等等方面的问题；而泵在实际当中所处的运行点或运行特征，我们称之为泵的外在特性或系统特性。正如科学技术的发展一样，现阶段科技领域中交叉学科、边缘学科越来越丰富，跨学科的共同研究是十分普遍的事情，作为泵产品的技术发展亦是如此。以屏蔽式泵为例，取消泵的轴封问题，必须从电机结构开始，单局限于泵本身是没有办法实现的；解决泵的噪声问题，除解决泵的流态和振动外，同时需要解决电机风叶的噪声和电磁场的噪声；提高潜水泵的可靠性，必须在潜水电机内加设诸如泄漏保护、过载保护等措施；提高泵的运行效率，须借助于控制技术的运用等等。这些无一不说明要发展泵技术水平，必须从配套的电机、控制技术等方面同时着手，综合考虑，最大限度地提升机电一体化综合水平。 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 5 1.3 轴向柱塞泵研究现况轴向柱塞泵由于柱塞结构紧凑、工作压力高、效率高、容易实现变量等优点，因此被广泛应用于工作压力高、流量大而又需要调节的液压系统中。轴向柱塞泵可分为阀配流与轴配流两大类。阀配流轴向柱塞泵存在故障率高、效率低等缺点。国际上 70、 80 年代发展的轴配流轴向柱塞泵克服了阀配流轴向柱塞泵的不足。由于轴向泵结构上的特点，轴配流轴向柱塞泵耐冲击、寿命长、控制精度高。使其成为一种优良的高压泵，代表当今国际上液压泵制造的先进水平。但是，它技术含量高、加工制造难度大，国际上只有博世（ BOSCH）公司、沃依特（ VOITH）公司等少数几家公司能够生产。而博世公司只能生产 90mL以下规格的泵，沃依特公司只生产 110 一 250mL r规格的泵。我国从 80 年代末 90 年代初有很多科研机构与生产厂家开始研究开发这种产品，但都没有取得实质性进展。主要因为在理论上有待深化，在实际生产中不能解决转子与配流轴、滑靴与定子两对摩擦副烧研的问题。有些生产厂家在柱塞内孔通过浇铸轴承合金等方法来克服烧研，但效果并不理想。这种办法在小排量泵中使用，虽然能够防止摩擦副烧研的问题，但泵的使用寿命不长。由我国著名的液压专家卢望研究员和材料专家闰秉均教授及其课题组经过多年研究与开发，取得了“过平衡压力补偿方法及双排轴向柱塞泵”和“一种新型高压大排量轴向柱塞泵”两项技术专利、“合金奥氏体一贝氏体球铁开发应用研究”一项国家新材料技术成果。这些技术成果的取得，使我国轴向柱塞泵的研制在设计理论与材料工艺方面取得突破性进展。兰州永新科技股份有限公司以上述两项专利与一项新材料技术成果为支持，成功地开发生产的 JBP系列机电控制式轴向柱塞泵，是国家科技部“八五”攻关和国家科技部火炬计划项目。该泵在多家企业进行了 2-3年的工业考核试验，性能优良。泵的技术发展一如其他产业的发展一样，是由市场需求的推动取得的。当今社会，可进发展日新月异，人们在以环保、电子等领域高科技发展及世界可持续发展为主所产生的巨大需求的大背景下，对于包括泵行业在内的许多行业或领域都带来了技术的飞速变革和发展。随着电子、计算机、材料、制造等相关技术的发展，多学科交叉应用于轴向柱塞泵的研究，使仿真和试验更为接近现实，轴向柱塞泵设计和优化的效率大大提高。产品的生命力在于市场的需求。如今的市场需求正是要求创新，做到与众不同，正是这一点，造就了泵产品的多元化趋势。它的多元性主要体现在：（ 1）输送介质的多样性（ 2）产品结构的差异性（ 3）运行要求的不同性从输送介质来看，最早泵的输送对象为单一的水及其它可流动的液体、气体或浆体到nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 6 现在可输送固液混合物、气液混合物、固液气混合物，直至输送活的物体，如土豆、鱼等等。不同的输送对象对于泵的内部结构要求均不同。除了输送对象对泵的结构有不同要求外，泵的安装形式、管道布置形式、维护维修等方面对泵的内在或外在的结构也提出了新要求。同时，各个生产厂商在结构的设计上又加入了各自企业的理念，更加提高了泵结构的多元化程度。基于可持续发展和环保的总体背景，泵的运行环境对泵的设计又提出了众多的要求，如泄漏减少、噪声振动降低、可调性增加、寿命延长等等均对泵的设计提出了不同的侧重点或几个着重点并行均需考虑，也必然形成泵的多元化形式。目前我国的轴向柱塞泵技术还比较落后，但旺盛的需求对轴向柱塞泵技术的发展有很大的推动作用。因此只要能紧跟国际技术潮流，发挥后发优势，一定能赶上国际先进水平，甚至后来居上。 1.4 直轴式轴向柱塞泵的工作原理轴向柱塞泵是依靠柱塞在缸体孔内的往复运动，造成密封容积的变化，来实现吸油和排油。直轴式轴向柱塞泵的结构如图 1-1 所示，柱塞的头部安装有滑靴，滑靴底面始终贴着斜盘平面运动。当缸体带动柱塞旋转时，由于斜盘平面相对缸体平面（ xoy 面）存在一倾斜角 r，迫使柱塞在柱塞腔内作直线往复运动。缸体按 n 方向旋转，在 180 360 范围内，柱塞由 180 开始不断伸出，柱塞腔容积不断增大，直至 0 。在这过程中，柱塞腔刚好与配油盘吸油窗相通，油液被吸人柱塞腔内，这是吸油过程。随着缸体继续旋转，在 0 180 ，柱塞在斜盘约束下开始不断进入腔内，柱塞腔容积不断减小，直至下孔点止。在这过程中，柱塞腔刚好与配油盘排油窗相通，油液通过排油窗排出。这就是排油过程。可见，缸体每转一圈，各个柱塞有半周吸油、半周排油。如果缸体不断旋转，泵便连续地吸油和排油。如果改变传动轴的旋转方向或斜盘的倾斜方向，就可改变泵的吸、排油方向；泵的排量大小可通过改变斜盘的倾角 r 的大小来实现。这也是斜盘式轴向柱塞泵通常为双向变量泵的原因。 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 7 1-斜盘 2-回程盘 3-滑靴 4-柱塞 5-缸体 6-配油盘 7-传动轴图 1-1 直轴式轴向柱塞泵工作原理 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 8 第 2 章主要零部件设计 10SCY14-1B手动变量轴向柱塞泵参数如下：最大工作压力 m a x 3 1 .5P M P a公称排量 0 10 /Q ml r额定流量 Q =15L/min 最大流量 m a x 2 1 / m i nQL额定转速 n=1500r/min 2.1 柱塞设计 2.1.1 柱塞结构型式的选择轴向柱塞泵均采用圆柱形柱塞。根据柱塞头部结构，可有以下三种形式： 1）点接触式柱塞如图 2-1（ a）所示，这种柱塞头部为一球面，与斜盘为点接触，其零件简单，加工方便。但由于接触应力大，柱塞头部容易磨损剥落和边缘掉块，不能承受过高的工作压力，寿命较低。这种点接触式柱塞在早期泵中可见，现在很少有应用。 2）线接触式柱塞如图 2-1（ b）所示，柱塞头部安装有摆动头，摆动头下部可绕柱塞球窝中心摆动。摆动头上部是球面或平面与斜盘或面接触，以降低接触应力，提高泵工作压。摆动头与斜盘的接触面之间靠壳体腔的油液润滑，相当于普通滑动轴承，其 pv值必须限制在规定的范围内。 3）带滑靴的柱塞如图 2-1（ c）所示，柱塞头部同样装有一个摆动头，称滑靴，可以绕柱塞球头中心摆动。滑靴与斜盘间为面接触，接触应力小，能承受较高的工作压力。高压油液还可以通过柱塞中心孔及滑靴中心孔，沿滑靴平面泄漏，保持与斜盘之间有一层油膜润滑，从而减少了摩擦和磨损，使寿命大大提高。目前大多采用这种轴向柱塞泵。 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 9 图 2-1 柱塞结构型式可见，柱塞大多做成空心结构，以减轻柱塞重量，减小柱塞运动时的惯性力。采用空心结构还可以利用柱塞底部高压油液使柱塞局部扩张变形补偿柱塞与柱塞腔之间的间隙，取得良好的密封效果。空心柱塞内还可以安放回程弹簧，使柱塞在吸油区复位。但空心结构无疑增加了柱塞在吸排油过程中的剩余无效容积。在高压泵中，由于液体可压缩性能的影响，无效容积会降低泵容积效率，增加泵的压力脉动，影响调节过程的动态品质。综上，本设计选用图 2-1（ c）所示的型式。 2.1.2 柱塞结构尺寸设计 1）柱塞直径Zd及柱塞分布塞直径fD柱塞直径Zd 柱塞分布直径fD和柱塞数 Z 都是互相关联的。根据统计资料，在缸体上各柱塞孔直径Zd所占的弧长约为分布圆周长fD的 75%，即 0.75ZfZdD 由此可得 7 3 . 8 20 . 7 5 0 . 7 5fD Zmd 式中 m 为结构参数。 m 随柱塞数 Z而定。对于轴向柱塞泵，其 m 值如表 2-1所示。表 2-1柱塞结构参数 Z 7 9 11 m 3.1 3.9 4.5 当泵的理论流量tbQ和转速bn根据使用工况条件选定之后，根据流 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 10 量公式得柱塞直径Zd为 . 7 m m214d 3 tgZnm QbtbZ（ 2-1）式中斜盘最大倾角，取 =20 由上式计算出的Zd数值要圆整化，并应按有关标准选取标准直径 ,应选取 22mm. 柱塞直径d确定后，应从满足流量的要求而确定柱塞分布圆直径fD，即 mmdZntgd QD ZbZtbf 4395.14 （ 2-2） 2）柱塞名义长度 l 由于柱塞圆球中心作用有很大的径向力 T，为使柱塞不致被卡死以及保持有足够的密封长度，应保证有最小留孔长度0l，一般取： 20bp Mpa0 (1 . 4 1 . 8 )zld30bp Mpa0 ( 2 2 .5 )zld这里取 mmdl z 4420 。因此，柱塞名义长度 l 应满足： 0 m a x m i nl l s l 式中 maxs 柱塞最大行程； minl 柱塞最小外伸长度，一般取 mmdlZ 4.42.0m in 。根据经验数据，柱塞名义长度常取： 20bp MpaZdl )37.2( 30bp Mpa( 3 .2 4 .2 )zld这里取 mmdlZ 775.3 。 3）柱塞球头直径1d按经验常取1 ( 0 .7 0 .8 ) zdd，如图 2-2 所示。 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 11 图 2-2 柱塞尺寸图这里取 mmddZ 188.01 为使柱塞在排油结束时圆柱面能完全进入柱塞腔，应使柱塞球头中心至圆柱面保持一定的距离dl，一般取( 0 . 4 0 . 5 5 )dzld，这里取mmdl Zd 115.0 。 4）柱塞均压槽高压柱塞泵中往往在柱塞表面开有环行均压槽，起均衡侧向力改善润滑条件和存储赃物的作用。均压槽的尺寸常取：深 h=0.3 0.7mm；间距 t=2 10mm。这里取 mmtmmh 2,5.0 。 2.1.3 柱塞摩擦副比压 P比功 vP 验算对于柱塞与缸体这一对摩擦副，过大的接触应力不仅会增加摩擦副之间的磨损，而且有可能压伤柱塞或缸体。其比压应控制在摩擦副材料允许的范围内。取柱塞伸出最长时的最大接触应力作为计算比压值，则 M pald ppZ23121m a x（ 2-3）柱塞相对缸体的最大运动速度maxv应在摩擦副材料允许范围内，即 smvsma tgRv f /8/55.0m a x （ 2-4）由此可得柱塞缸体摩擦副最大比功max maxpv为 sM p a mpvsM p a mtgRld pvp fZ/60/5.11211m a xm a x （ 2-5） nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 12 上式中的许用比压 p许用速度 v许用比功 pv的值，视摩擦副材料而定，可参考表 2-1。表 2-1材料性能材料牌号许用比压 pMpa 许用滑动速度 vm/s 许用比功 pvMpa.m/s ZQAL9-4 30 8 60 ZQSn10-1 15 3 20 球墨铸铁 10 5 18 柱塞与缸体这一对摩擦副，不宜选用热变形相差很大的材料，这对于油温高的泵更重要。同时在钢表面喷镀适当厚度的软金属来减少摩擦阻力，不选用铜材料还可以避免高温时油液对铜材料的腐蚀作用。 2.2 滑靴设计目前高压柱塞泵已普遍采用带滑靴的柱塞结构。滑靴不仅增大了与斜盘的接触面减少了接触应力，而且柱塞底部的高压油液，经柱塞中心孔0d和滑靴中心孔0d，再经滑靴封油带泄露到泵壳体腔中。由于油液在封油带环缝中的流动，使滑靴与斜盘之间形成一层薄油膜，大大减少了相对运动件间的摩擦损失，提高了机械效率。这种结构能适应高压力和高转速的需要。滑靴设计常用剩余压紧力法。剩余压紧力法的主要特点是：滑靴工作时，始终保持压紧力稍大于分离力，使滑靴紧贴斜盘表面。此时无论柱塞中心孔0d还是滑靴中心孔0d，均不起节流作用。静压油池压力1p与柱塞底部压力bp相等，即 1p=bp将上式代入式2 2112221ln2 ( ) c o szbRdpRp R R 中，可得滑靴分离力为 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 13 )(3ln2)(1221221 NpRRRRpb （ 2-6）设剩余压紧力y y fp p p ，则压紧系数 0 . 0 5 0 . 1 5yypp ，这里取 0.1。滑靴力平衡方程式即为 )(8.2)1( Npp yf 用剩余压紧力法设计的滑靴，油膜厚度较薄，一般为 0.008 0.01mm 左右。滑靴泄漏量少，容积效率教高。但摩擦功率较大，机械效率会降低。若选择适当的压紧系数，剩余压紧力产生的接触应力也不会大，仍有较高的总效率和较长的寿命。剩余压紧力法简单适用，目前大多数滑靴都采用这种方法设计。 2.2.1 滑靴的结构型式的选择滑靴结构有如图 2-3 所示的 3 种型式。图 2-3滑靴结构型式图 2-3（ a）所示为简单型，静压油池较大，只有封油带而无辅助支承面。结构简单，是目前常用的一种型式。图 2-3（ b）所式滑靴增加了内外辅助支承面。减小了由剩余压紧力产生的比压，同时可以克服滑靴倾倒产生的偏磨使封油带被破坏的情况。图 2-3（ c）所示的滑靴在支承面上开设了阻尼形螺旋槽与缝隙阻尼共同形成液阻。从而实现滑靴油膜的静压支承。 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 14 经比较，本设计采用图 2-3（ a）所示的结构型式。 2.2.2 滑靴结构尺寸设计图 2-4 滑靴外径的确定滑靴在斜盘上的布局，应使倾角 0 时，互相之间仍有一定的间隙 s，如图 2-4 所示。 1）滑靴外径2D： mmsZ 152.09s in43s inDD f2 （ 2-7）一般取 s=0.2 1，这里取 0.2。 2）油池直径1D初步计算时，可设定120 .6 0 .8DD ，这里取 0.8. mmDD 12158.08.021 3）中心孔0d0d及长度0l如果用剩余压紧力法设计滑靴，中心孔0d和0d可以不起节流作用。为改善加工工艺性能，取 0d（或0d） =0.8 1.5=1.0mm 2.3 配油盘设计配油盘是轴向柱塞泵主要零件之一，用以隔离和分配吸排油油液以及承受由高速旋nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 15 转的缸体传来的轴向载荷。它设计的好坏直接影响泵的效率和寿命。配油盘设计主要是确定内封油带尺寸吸排油窗口尺寸以及辅助支承面各部分尺寸。 2.3.1 过渡区设计为使配油盘吸排油窗之间有可靠的隔离和密封，大多数配油盘采用过渡角1a大于柱塞腔通油孔包角0a的结构，称正重迭型配油盘。具有这种结构的配油盘，当柱塞从低压腔接通高压腔时，柱塞腔内封闭的油液会受到瞬间压缩产生冲击压力；当柱塞从高压腔接通底压腔时，封闭的油液会瞬间膨胀产生冲击压力。这种高低压交替的冲击压力严重降低流量脉动品质，产生噪音和功率消耗以及周期性的冲击载荷。对泵的寿命影响很大。为防止压力冲击，我们希望柱塞腔在接通高低压时，腔内压力能平缓过渡从而避免压力冲击。 2.3.2 配油盘主要尺寸确定图 2-5 配油盘主要尺寸 1）配油窗尺寸配油窗口分布圆直径一般取等于或小于柱塞分布圆直径fD配油窗口包角0，在吸油窗口包角相等时，取 120 2aa a 为避免吸油不足，配油窗口流速应满足 0022 . 3 3 /tbQ msF 满足要求。 nts10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵结构设计 16 式中 tbQ 泵理论流量； 2F 配油窗面积，2202 2 3()2F R R； 0 许用吸入流速， 0=2 3m/s。由此可得 2223RR= 002 tQv2）封油带尺寸设内封油带宽度为2b，外封油带宽度为1b，1b和2b确定方法为：考虑到外封油带处于大半径，加上离心力的作用，泄漏量比内封油带泄漏量大，取1b略大于2b，即 1 1 2 0 . 1 2 5zb R R d 2 3 4 ( 0 . 1 0 . 1 2 5 ) zb R R d 当

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