【《斜盘式轴向柱塞泵的性能参数与结构设计分析案例》4100字】

-0-斜盘式轴向柱塞泵的性能参数与结构设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u29045斜盘式轴向柱塞泵的性能参数与结构设计分析 1109301.1工作原理 182381.2主要性能参数与结构参数的选定 232221.2.1给定参数： 239611.2.2排量、流量与流量脉动 2251961.2.3扭矩和机械效率 2314731.2.4柱塞设计 3206641.2.4.1柱塞个数的选定 3140961.2.4.2柱塞结构形式的选择 4153401.2.4.3柱塞长度与柱塞球头直径 5309431.2.5滑靴设计 6178901.2.6回程机构的选择 7245651.2.7配油盘设计 8国产的轴向柱塞泵主要为我国自主研发的CY系列的轴向柱塞泵和Rexroth、Yuken的系列轴向柱塞泵；为了提高斜盘式轴向柱塞泵的工作性能，同时由于本论文课题的主要内容为柱塞泵的结构设计与虚拟装配仿真，所以本章以2.5CY14-1B轴向柱塞泵为参考基础，对部分要用到的零部件的尺寸进行设计与计算。1.1工作原理轴向柱塞泵工作是利用与传动轴相互平行的多个柱塞在柱塞孔内通过往复运动所产生的容积变化来实现的。当电动机带动传动轴进行旋转时，泵缸与柱塞一同旋转，柱塞头始终保持与斜盘相接触，由于斜盘与缸体成固定角度，因此当缸体旋转时，柱塞就在泵缸中做往复运动[7]。以一个柱塞分析，当它从0转到π，即转到容积最大柱塞位置的过程中，柱塞缸内容积逐渐增大，因此液体经吸油口进入油缸；而该柱塞从π转到时2π的过程中，柱塞缸内容积逐渐减小，因此油缸内液体经配油盘的出口排出液体，遮掩就位一个工作周期。只要主动轴在不断旋转，泵便不断的重复以上行为从而不断的工作。图1-1轴向柱塞泵的工作原理简图1.2主要性能参数与结构参数的选定1.2.1给定参数：额定工作压力31.5MPa额定流量2.5ml/r额定转速1500r/min1.2.2排量、流量与流量脉动排量：该斜盘式轴向柱塞泵排量qth qth=式中d柱塞直径（cm），取d=10mm;z柱塞泵的柱塞数，取z=7;FZ柱塞横截面面积FSmax柱塞最大行程Df柱塞分度圆直径，γ斜盘倾角，γ=9°理论流量：无负载时输出液体体积，即不考虑容积损失。

Qth=式中n柱塞泵的转速，n取1500r/min。流量脉动：泵在实际工作中，泵的流量并不是均匀的，而是由于柱塞的速度变化和压出区柱塞个数而出现波动，因此存在流量脉动。1.2.3扭矩和机械效率输入扭矩：轴向柱塞泵实际上是一种把机械能转化为液压油的液压能的基本元件，若柱塞泵的输入扭矩为M，角速度为ω；且吸油、排油口压力差为∆P，流量为Q；有而且忽略其效率损失，根据能量守恒定律有 M=∆Pω这表明轴向柱塞泵的输入扭矩也是脉动的，如果有以Q=Qth和 Mth=1.2.4柱塞设计1.2.4.1柱塞个数的选定实际上柱塞的个数至少为三个，且柱塞个数可分为奇数和偶数个，奇数和偶数个柱塞对应的流量脉动率大不相同。当柱塞数为奇数时：情况1：压出区的柱塞数为时

i=（Z+1）/2 （1-5）

角度范围为

0≤ωt≤πZ情况2：压出区的柱塞数为时

i=（Z−1）/2 （1-7）

角度范围为

πZ≤ωt≤所以两种情况下都可以得出

ξmax=1sinπ/z （1-9）

因此，轴向柱塞泵奇数个柱塞的最大瞬时流量：

Qmax=kFω最大瞬时流量：

Qmin=kFω1sinπ/z δ1=当柱塞数为偶数时：压出区的柱塞数永远为

i=z/2 （1-14） ξmax= ξmin=故偶数柱塞泵的流量脉动率为 δ1=表1-1不同柱塞数的脉动流量率Z3456789101112δ(%)13.931.35.013.92.57.81.55.01.03.5以上分析可知：1)随着轴向柱塞泵柱塞数的增加，无论偶数个柱塞泵还是奇数各柱塞泵，流量脉动率都会有所下降。2）相邻个数柱塞轴向柱塞泵相比，奇数个柱塞泵的脉动流量远小于偶数个柱塞泵的脉动率。数据表明，偶数个柱塞的柱塞泵比奇数个柱塞的柱塞泵的流量脉动率大得多。因此轴向柱塞泵一般设计为奇数个，然而当柱塞的个数Z≥9时，流量脉动率随柱塞的个数增加而变的缓慢，故柱塞的个数一般不超过9个，因此这里选择柱塞个数为7。图1-2柱塞数Z与脉动率δ的关系1.2.4.2柱塞结构形式的选择轴向柱塞泵均采用圆柱形的柱塞。根据柱塞头部结构，大概可分为以下三种形式[8]：1）点接触式柱塞结构如图a所示，这种柱塞头部为球面，与斜盘的接触形式为点接触，其零件结构简单，加工方便。但由于接触形式为点接触，故接触应力大，柱塞的头部容易磨损﹑剥落和边缘破坏，不能承受太高的工作压力，寿命相对较低。这种点接触式柱塞在早期泵的结构中可见，但现在很少有应用。2）线接触式柱塞结构如图b所示，柱塞的头部安装有摆动头，摆动头下端可围绕球窝中心进行摆动。摆动头上部是球面或平面与斜盘接触，从而降低其接触应力，提高泵的工作压力。摆动头与斜盘之间的接触面靠壳体腔内的油液润滑，相当于普通的滑动轴承，其值必须限制在许用的值内。3）带有滑靴的柱塞结构如图c所示，柱塞头部同样安装有一个摆动头，称滑靴，可以绕柱塞球头的中心摆动。滑靴与斜盘之间为面接触，接触应力较小，能承受较高的工作压力。高压油液可以通过柱塞中心孔及滑靴中心孔，沿滑靴平面泄漏，从而使保持与斜盘之间有一层油膜，从而减少了之间的摩擦和磨损，使用寿命大大提高。现在的设计大多采用这种结构的柱塞。可见，柱塞大多做成空心形式，以减轻柱塞质量，减小柱塞在运动时的惯性。采用的空心结构还可以利用柱塞底部的的高压油液使柱塞局部发生扩张变形，进而补偿柱塞与柱塞腔之间的间隙，获得良好的密封效果。空心柱塞内还可以安放回程弹簧，从而使柱塞可以进行复位。但空心结构会增加了柱塞在吸排油过程中的剩余无效容积。在高压柱塞泵中，由于液体的可压缩性能的影响，无效容积会降低柱塞泵容积效率，增加柱塞泵的压力脉动，影响柱塞泵机构调节过程的动态品质。综上，本设计选用图C所示的带有滑靴的柱塞结构形式。图1-3柱塞结构形式1.2.4.3柱塞长度与柱塞球头直径柱塞长度为柱塞球头中心到柱塞末端的距离，当柱塞泵内部工作压力≥30MPa时，具体的计算公式如下

Lz=其中LzL0LwLx取L0L Dt=0.6其中Dt柱塞壁厚

hb=其中hb（4）柱塞材料选择表1-2材料性能材料牌号许用比压MPa许用滑动速度ms许用比功MPa.msZQAL9-430860ZQSn10-115320球墨铸铁10618柱塞与缸体之间为一对摩擦副，不宜选用热变形相差较大的材料，这对于油温较高的柱塞泵十分重要。同时可以在钢表面喷镀适当厚度的软金属用来减少相对摩擦阻力，不选用铜材料还可以避免高温时的油液对铜材料的腐蚀作用。1.2.5滑靴设计目前轴向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之间的接触面、减少了接触应力，而且柱塞底部的油液，经柱塞中心孔和滑靴中心孔，再经滑靴封油带渗透到泵壳体腔中。由于油液在封油带环缝中的流动，使得滑靴与斜盘之间形成一层良好的薄油膜，大大减少了相对运动件间之间的摩擦损失，提高了轴向柱塞泵的机械效率[9]。同时为了提高滑靴的抗拉脱强度，可以将滑靴的收口部位进行加厚。滑靴的材料可采用青铜或高强度的黄铜进行制造。要特别注意材料中不允许有疏松和偏析，否则容易造成疲劳强度损坏。（1）静压支承特性值与滑靴尺寸比用符号ε代表静压支承特性值[10]，为了保持柱塞泵斜盘与滑靴间油膜之间的最大压力反馈能力，同时尽可能的减小滑靴的尺寸大小，ε通常在0.8~0.9的范围内取值，这里取ε=0.85。滑靴的尺寸比指的是滑靴外径大小和滑靴油室直径大小的比，用Rh表示滑靴的外径，用Ru表示滑靴的内油室半径；滑靴尺寸比可在1.8~2.0范围内取值，这里取(2)滑靴的外径和滑靴的内油室半径当只考虑柱塞和滑靴受液压力和液压反推力时，滑靴的外径的相关计算公式如下：

Ru=将各值代入公式1-21可得

R这里取Ru=3mm

图1-4阻尼管型静压支承滑靴的基本结构1.2.6回程机构的选择柱塞回程是轴向柱塞泵正常工作的必须条件，按结构可分为泵供压回程、弹簧回程和机械强制回程等方式图a为非通轴泵弹簧回程机构，用中心弹簧将缸体压向配流盘，保证缸体与配流盘之间的初始关系。此外，又通过内衬套、回程盘、钢球带动滑靴与柱塞回程。图b为通轴泵弹簧回程机构，用中心弹簧将缸体压向配流盘，同时通过垫片推动推杆把球铰压向回程盘，从而带动滑靴与柱塞回程。图1-5中心弹簧回程机构a）非通轴泵弹簧回程机构b）通轴泵弹簧回程机构1.2.7配油盘设计配油盘是轴向柱塞泵的核心零件之一，用以隔离和分配吸油、排油以及承受由高速旋转的缸体所传来的轴向载荷。它的设计优劣对泵的效率和寿命有较大的影响。配油盘设计主要是确定内外封油带的的尺寸、吸排油囗尺寸以及辅助支承面各部分的尺寸。（1）过渡区设计为了使配油盘吸排油窗之间有比较可靠的隔离和密封，大多数配油盘均采用过度角α1大于柱塞腔的通油孔包角α0的结构，称之为正重迭配油盘具有这种结构的配油盘，当柱塞从低压腔连通高压腔时，柱塞腔内封闭的油液会发生瞬间压缩从而产生冲压力∆Pb；当柱塞从高压腔连通低压腔时，封闭的油液会瞬间发生膨胀从而产生冲击压力∆P这种高低压交替的冲击压力会严重降低流量脉动品质，并且产生噪音和功率消耗以及周期性的冲击载荷，对柱塞泵的寿命影响很大。为防止这种压力冲击，我们希望柱塞腔在连通高低压时，腔内压力能平缓过渡，进而避免较大的压力冲击。根据式

cos∆α cos∆α由公式1-22、1-23可计算出∆α1=15°、在泵的基本结构尺寸确定后，取决于吸排有压力差的大小。在实际工况条件下，柱塞泵排油压力常随负载的改变而变化。要避免在新工况条件下的压力冲击，应改变压缩角∆α1和∆α2大小以适应压力差的变化。简单可行的方法是在过渡