1、 I 轴向柱塞泵设计 摘要 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降低液压系统的能耗、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。 本次设计对轴向柱塞泵进行了分析，主要分析了轴向柱塞泵的分类，对其中的结构，如柱塞的结构型式、滑靴结构型式、配油盘结构型式等也进行了分析和设计，还包括它们的受力分析与计算。同时缸体的材料选用以及校核也很关键，本文对变量机构分类型式也进行了分析， 最后利用 Solidworks 制图软件绘 制零件图与组装成装配图 ,并进行干涉检验，无误后出图。本文 对柱塞泵今后的发展也
2、进行了展望。 关键词： 轴向， 柱塞泵，设计计算， Solidworks II DESIGN OF AXIAL PISTON PUMP ABSTRACT Hydraulic pump is the power components which can Provide a certain discharge and pressure of the oil for Hydraulic system. It is indispensable core components for each hydraulic system. It is very important to select a reas
3、onable hydraulic pump, because it can effectively Reduce the energy consumption of the hydraulic system, improve system efficiency, reduce noise, improve performance and ensure reliable operation of the system. This design analysis axial piston pump. It mainly analyzed the classification of axial pi
4、ston pump, on which the structure, such as the structure type of the plunger, the structure type of slipper and oil pan structure type carried out analyzed and designed, including stress analysis and calculation of their too. At the same time, the selection of materials and checking the cylinder is
5、also critical, the type of variable institutional classification was also analyzed in this paper, finally, Drawing parts drawing and installing Assembly body use the drawing software of solidworks, and drawing them after interference testing. The future development of piston was also discussed in th
6、is paper. KEYWORDS: axial, piston pump, design and calculation, solidworks i 目录 摘要（中文） . I 摘要（英文） . II 1绪论 . i 1.1 引言 . 1 1.2 轴向柱塞泵国内外研究现状与发展方向 . 1 2直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 . 3 2.1 直轴式轴向柱塞泵工作原理 . 3 2.2 直轴式轴向柱塞泵主要性能参数 . 4 2.2.1 排 量、流量、容积效率与结构参数 . 4 222 扭矩与机械效率 . 5 2.2.3 功率与效率 . 6 3直轴 式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 . 6 3
7、.1 柱塞运动学分析 . 6 3.1.1 柱塞行程 S . 7 3.1.2 柱塞运动速度分析 V . 7 3.1.3 柱塞运动加速度 a . 7 3.2 滑靴运动分析 . 8 3.3 瞬时流量及脉动品质分析 . 9 3.3.1 脉动频率 . 11 3.3.2 脉动率 . 11 4柱塞泵主要部件的设计与受力分析 . 12 4.1 柱塞设计与受力分析 . 12 4.1.1 柱塞结构形式 . 12 4.1.2 柱塞结构尺寸设计 . 12 4.1.3 柱塞受力分析 . 13 4.2 滑靴受力分析与设计 . 16 4.2.1 滑靴受力分析 . 16 4.2.2 滑靴设计 . 18 4.2.3 滑靴结构型
8、式与结构尺寸设计 . 19 4.3 配油盘受力分析与设计 . 22 4.3.1 配油盘设计 . 22 4.3.2 配油盘受力分析 . 23 ii 4.3.3 验算比压 P 、比功 Pv . 26 4.4 缸体设计 . 27 4.4.1 缸体的稳定性 . 27 4.4.2 缸体主要结构尺寸的确定 . 27 4.5 斜盘力矩分析 . 29 4.5.1 柱塞液压力矩 1M . 30 4.5.2 过渡区闭死液压力矩 2M . 30 4.5.3 回程盘中心预压弹簧力矩 3M . 32 4.5.4 滑靴偏转时的摩擦力矩 4M . 32 4.5.5 柱塞惯性力矩 5M . 33 4.5.6 柱塞与柱塞腔的摩
9、擦力矩 6M . 33 4.5.7 斜盘支承摩擦力矩 7M . 33 4.5.8 斜盘与回程盘回转的转动惯性力矩 8M . 33 4.5.9 斜盘自重力矩 9M . 33 5柱塞回程机构设计与变量机构 . 34 5.1 柱塞回程机构设计 . 34 5.2 变量机构 . 35 6 SolidWorks 三维制图 . 36 6.1 Solidworks 简介 . 36 6.2 主要零件三维图与工程图 . 37 6.2.1 柱塞的三维图与工程图 . 37 6.2.2 滑靴的三维图与工程图 . 37 6.2.3 配油盘的三维图与工程图 . 38 6.2.4 缸体的三维图与工程图 . 39 6.3 轴向
10、柱塞泵的装配体 . 40 结论 . 41 参考文献 . 42 致谢 . 43 1 1 绪论 1.1 引言 轴向柱塞泵 /马达是液压系统中重要的动力元件和执行元件，广泛地应用在工业液压和行走液压领域，是现代液压元件中使用最广的液压元件之一。 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。 轴向柱塞泵的优点是结构紧凑， 运转平稳，流量均匀性好，噪声低 ， 径向尺寸小，转动惯量小，工作压力高 ， 效率高 ， 并易于实现变量 。 此外，由于轴向柱塞泵 /马达结构复杂，对制造工艺、材料的要求非常高，因此它又是技术含量很高的液压元件之一。 近年来，随着材料、制造、电子
11、等技术的发展，轴向柱塞泵 /马达的新技术层出不穷，例如荷兰 Innas 公司开发的 Float Cup 结构轴向柱塞泵，丹麦的 Saur-Danfoss 公司为工程机械量身定做的 H1 系列的多功能泵，德国 Rexroth 公司推出的电子智能泵等等。而我国自 20 世纪六、七十年代开发了 CY 系列和引进 Rexroth 技术的泵 /马达后，轴向柱塞泵 /马达技术进展缓慢。近年来，随着我国经济的腾飞，在工业现代化和大规模城市化进程中，工程机械、塑料机械、冶金、机床和农业机械等领域对轴向柱塞泵 /马达的需求十分旺盛，因此提高我国轴向柱塞泵 /马达的性 能显得十分迫切，对轴向柱塞泵 /马达技术革新
12、的要求也十分紧迫！纵览国内外轴向柱塞泵 /马达技术的发展演变对认识轴向柱塞泵/马达的发展趋势和加快我国轴向柱塞泵 /马达技术的发展都有着重要的指导意义和现实意义。 1.2 轴向柱塞泵国内外研究现状与发展方向 对轴向柱塞泵的研究可谓历史悠久，其中为了改善轴向柱塞泵流量脉动，减小振动和噪声，国内外液压界科技工作者作了大量的研究和实验工作，研究表明：轴向柱塞泵的实际流量受到各种因数的影响，其流量脉动远远大于理论流量脉动，且脉动系数与柱塞数的奇偶性无关。 就轴向柱塞泵柱塞数的奇偶 选择问题，中国学者王意在 1982年提出了“偶数泵可以和奇数泵工作一样好”的观点，并在 1984年，选择九柱塞泵与他设计的
13、八柱塞泵进行流量脉动对比测试，实验表明：八柱塞泵略小于九柱塞泵。 1985年，德国 Achen大学流体动力研究所从理论上得出：八柱塞泵在受力、噪声方面优于九柱塞泵，模拟实验装置上测得结果是八桩塞泵的压力脉动约为九柱塞泵的 122。叶敏则考虑配油盘的偏转安装，并对传统公式进行了修正，已看不出奇数泵的流量脉动远远小于偶数泵。在“流体控制与机器人” 96学术年会上，北京理工大学的张百海教授就通常工况下， 带有预压缩角的轴向柱塞泵流量脉动作了分析，认为其流量脉动系数远远大于其固有流量脉动系数，且2 偶数泵和奇数泵具有相同的流量脉动频率，但他没有给出实验证明。邹骏则在九柱塞泵的基础上，设计并制造出一个八
14、柱塞泵，对八、九柱塞泵作了仿真分析及实验对比，认为八柱塞泵的总体性能优于九柱塞泵。此外，北京航空航天大学的王占林教授与博士生从柱塞泵的计算机辅助设计入手，对斜盘式轴向柱塞泵作了运动学分析，给出了柱塞分别处于预升压过渡区和预减压过渡区柱塞腔中油液的压力分布及求解方法，对柱塞泵作了流量仿真分析，得出奇偶数柱塞泵的流量脉动 相差无几的结论。 目前，国内对轴向柱塞泵的实际流量及脉动系数研究较多的是甘肃工业大学的那成烈教授和安徽理工大学的许贤良教授，他们以各自不同的角度对轴向柱塞泵的实际流量及脉动系数进行了较深入的研究。 那成烈教授在国家自然科学基金资助项目“轴向柱塞泵噪声控制”的研究中，指出轴向柱塞泵
15、流量脉动不仅决定于供油质量，也是流体噪声控制的主要因素之一。他主要从配油盘的结构上对流量脉动进行了全面的分析研究。他的多位学生在他的指导下，对轴向柱塞泵的实际流量及脉动系数做了大量的研究。 兰州理工大学的那焱青针对轴向柱塞泵的流量脉 动是工程噪声控制的主要因素之一，找出了轴向柱塞泵瞬时流量的影响因素，并运用计算机仿真分析给出了减小流量不均匀系数的方法。 西南交通大学的邓斌在配油过程流量仿真中，对瞬时理论流量和倒灌流量分别进行了仿真，提出了倒罐流量引起的流量脉动比柱塞泵的几何流量脉动大，因此对于柱塞水压泵的流量脉动应从减小倒灌流量入手，即减小柱塞腔内压力的脉动。在对实际流量进行分析仿真时，利用
16、b 紊流模型和 SIMPLEST算法对水压轴向柱塞泵配油过程中的流场进行了三维模拟，揭示了流量变 化及柱塞腔和配流窗口中的流速分布规律，并指出转速和负载压力对水压轴向柱塞泵的流量脉动有较大影响。 甘肃工业大学的刘淑莲通过对对称偏转配油盘的轴向柱塞泵流量脉动形成机理进行理论分析，提出了计算流量脉动的修正公式。并用计算机仿真研究轴向柱塞裂流量脉动与柱塞奇偶数、阻尼形式及通油比例等影响因素的关系。同时对带有横向倾角减振机构的斜盘酌两种结构形式的泵流量进行了分析与仿真。 兰州理工大学的尹文波主要从几何因数，即配油盘的结构对实际流量的影响进行分析和仿真，指出轴向柱塞泵瞬时流量脉动系数比工作介质不可压缩时
17、大一个数量 级，且与柱塞数的奇偶性无关。同时指出流量脉动系数最大的影响因素是油液的弹性模量和油泵静工作压力，其次是柱塞数。 安徽理工大学的许贤良教授从几何角度分析了配流结构与流量脉动之间的关系，提出了偶数柱塞的流量特性及流量脉动是由 (两相邻柱塞间夹角 )、 f ， (缸孔腰形角）、p （配油 盘腰形角 )的组合确定的。他的学生，安徽理工大学刘小华对影响轴向柱塞泵的几何因素和非 几何因素 (包括泄漏 )进行了理论分析，同时对实际流量脉动进行了计算3 仿真和动态测试，最后得出结论：流量脉动剧烈，且流量脉动频率只与柱塞数有关，与奇偶性无关。中国矿业大学的刘利国则考虑配油盘实际几何参数，根据柱塞实际
18、排液状况，得出八柱塞泵流量脉动和七柱塞泵流量脉动相差不大的结论。 就轴向柱塞泵的泄漏问题，国外的研究者更感兴趣于柱塞和缸体间因摩损而引起的泄漏。英国密苏里大学哥伦比亚分校的 Noah D.Manring在讨论泵的实际流量时，着重考虑了柱塞和缸体间各种磨损所带来的泄漏及泵在预升压过渡区的油液倒灌，得到了七 、八、九柱塞泵的实际流量与理论流量的比较图，结果显示：泵的实际流量脉动远远大于理论脉动，且偶数泵在数据显示上好于奇数泵。 加拿大萨省大学的李泽良在研究轴向柱塞泵中柱塞与缸体间的泄漏时，用一个压力控制伺服阀以一个高频率响应用来模拟轴向柱塞泵的柱塞与缸体间的磨损，并采用控制运算法模仿各种不同程度的
19、柱塞磨损，测出其泄漏量。实验结果指出实验系统与有真正磨损的柱塞泵相比，其流壁脉动、压力脉动相当一致，这就为进一步的深入研究提供了一定的数据依据。 德国汉堡技术大学的 RolfLasaar分别从柱塞受力角度和泵的实际流量角 度对斜盘式轴向柱塞泵柱塞与缸体的间隙进行了较为详尽的分析，从柱塞所受摩擦力角度：要求间隙取大者；从泄漏量对流壁的影响角度：要求间隙越小越好。作者通过计算和实验，得到了此间隙的最优化处理模式。 综上所述，轴向柱塞泵的实际流量脉动异常复杂，传统理论力所难及。由于柱塞泵的流量、压力脉动相当复杂，涉及若干几何因素和非几何因素，至今还没有人能够定性地、更没有人定量地给出哪些几何因素和非
20、几何因素在轴向柱塞泵的流量、压力中所起的作用和地位。业界更多地偏向于从配油盘结构的角度去分析轴向柱塞泵的实际流量及脉动系数，而且形成了 较为完善的分析计算体系；至于泄漏对实际流量及脉动系数的影响，虽进行了一定的研究，但还没一个较为完整的分析计算，更无计算公式。 轴向柱塞泵在发展中，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。 2 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 2.1 直轴式轴向柱塞泵工作原理 轴向柱塞泵是将多个柱塞配置在一个共同缸体的圆周上 ,并使柱塞中心线和缸体中心线平行的一种泵。轴向柱塞泵有两种形式 ,直轴式 (斜盘式 )和斜轴式 (摆缸式 ),如图2-1 所示为直
21、轴式轴向柱塞泵的工作原理 ,这种泵主体由缸体 1、配油盘 2、柱塞 3 和斜盘 4 组成。柱塞沿圆周均匀分布在缸体内。斜盘轴线与缸体轴线倾斜一角度 ,柱塞靠机械装置或在低压油作用下压紧在斜盘上 (图中为弹簧 ),配油盘 2和斜盘 4固定不转 ,当原4 动机通过传动轴使缸体转动时 ,由于斜盘的作用 ,迫使柱塞在缸体内作往复运动 ,并通过配油盘的配油窗口进行吸油和压油。如图 2-1 中所示回转方向 ,当缸体转角在 2范围内 ,柱塞向外伸出 ,柱塞底部缸孔的密封工作容积增大 ,通过配油盘的吸油窗口吸油 ;在 0范围内 ,柱塞被斜盘推入缸体 ,使缸孔容积减小 ,通过配油盘的压油窗口压油。缸体每转一周
22、,每个柱塞各完成吸、压油一次 ,如改变斜盘倾角 ,就能改变柱塞行程的长度 ,即改变液压泵的排量 ,改变斜盘倾角方向 ,就能改变吸油和压油的方向 ,即成为双向变量泵。 图 2 1 轴向柱塞泵的工作原理 1 缸体 2 配油盘 3 柱塞 4 斜盘 5 传动轴 6 弹簧 2.2 直轴式轴向柱塞泵主要性 能参数 给定设计参数 最大工作压力 max 40p MPa 额定流量 35Q ml/r 最大流量 max 70Q ml/r 额定转速 1500n r/min 最大转速 max 3000n r/min 2.2.1 排量、流量、容积效率与结构参数 轴向柱塞泵几何排量 bq 是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出
23、油油液的容积，即 22m a x t a n44q d Z S d Z D 式中 d 柱塞直径； Z 柱塞数； D 柱塞分布圆直径； 斜盘倾角。 5 泵的理论排量 q 为 1000vQq n 式中： 油泵的容积效率 ，计算时一般去 0.92 0.97。本文中取 =0.95 。 1000 351500 0.95q 24.6 /q ml r 为了避免气蚀现象，在计算 q 值之后，需按下式做校核计算： 13max pn q C 式中： pC 常数，对进口无预压力的油泵 pC =5400；对进口压力为 25/kgf cm 的油泵 pC =9100。 133000 2 4 .6 1 4 5 .460 p
24、C 所以主参数排量符合设计要求。 从泵的排量公式 22m a x t a n44q d Z S d Z D 可以看出，柱塞直径 d ，分布圆直径 D,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 n 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 在 1520 之间 ， 该设计是非通轴泵，受结构限制，取上限，即 =20 。 柱塞数 Z，由泵的结构与流量脉动率 来决定，因为是非通轴式所以一般取 Z=7。 柱塞直径 d和柱塞分布圆半径 R 31803 sinqzd ztg 当 Z=7时， 330 . 0
25、 5 9 0 . 0 5 9 2 4 . 6 1 . 5 820qd cmt g t g 由于上式计算出的 15.8d mm 需要圆整化，并按有关标准选取标准直径，应选 16d mm 柱塞直径确定后，应从满足流量的要求而确定柱塞分部圆半径。即 1 . 5 4 1 . 5 4 1 6 2 4 . 6 4fR d m m 将柱塞分布圆半径进行圆整取 25fR mm 。 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，做功能力也越大。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要参数来区别同一系列不同规格型号的产品。 222 扭 矩与机械效率 6 不计摩
26、擦损失时泵的理论扭矩 tbM 为 6 61 2 0 . 0 2 4 6 1 0 0 . 0 4 7 1 0 /2 2 3 . 1 4btb pqM N m 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 6 6 60 . 0 4 7 1 0 0 . 0 0 5 1 0 0 . 0 4 3 1 0 /g b tb bM M M N m 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实际输出扭矩 gbM 与理论扭矩 tbM 之比，即 660.043 10 0.910
27、.047 10gbbm tbMM 轴向柱塞泵的机械效率 bm 0.88 0.93。所以此泵符合设计要求。 2.2.3 功率与效率 不计各种损失时，泵的理论功率 tbN 2tb b tb g hN p Q n M 615002 3 . 1 4 0 . 0 4 7 1 0 7 3 7 960tbN k w 泵的实际输入功率 brN 为 12br gb bmN nM 61 5 0 0 12 3 . 1 4 0 . 0 4 3 1 0 7 4 1 96 0 0 . 9 1brN k w 定义泵的总效率 为输出功率 bcN 与输入功率 brN 之比，即 0 .9 5 0 .9 1 0 .8 6tbv b mbrNN 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0.85 0.9b ，上式满足要求。 3 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 泵在一定斜盘倾角下工作时，柱塞一方面与缸体一起旋转，沿缸体平面做圆周运动，另一方面又相对缸体做往复直线运动。这两个运动的合成，使柱塞轴线上任何一点的运动轨迹是一个椭圆。此外，柱塞还可能有由于摩擦而产生的相对缸体绕其自身轴线的自传运动，此运 动使柱塞的磨损和润滑趋于均匀，是有利的。 3.1 柱塞运动学分析
