轴向柱塞泵的设计.doc

1、前 言1绪 论21.轴向柱塞泵概述41.1轴向柱塞泵简介41.2 轴向柱塞泵的分类51.3斜盘式轴向柱塞泵的工作原理81.4 斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量91.5 轴向柱塞泵困油现象92. 斜盘式轴向柱塞泵主要零件受力分析102.1柱塞受力分析102.2滑靴受力分析142.3配流盘受力分析182.4缸体的受力分析213.斜盘式轴向柱塞泵主要零部件设计233.1主要零件的材料与技术要求233.2柱塞的结构设计243.3滑靴的结构设计293.4配流盘的结构设计313.5缸体的结构设计343.6柱塞回程机构设计363.7变量机构设计384.轴向柱塞泵的故障诊断与排除414.1柱塞泵的应用背景414.

2、2 柱塞泵常见故障的原因分析424.3 柱塞泵常见故障的排除43结论44致谢45参考文献46轴向柱塞泵的设计 【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,例如,柱塞的结构型式滑靴结构型式配流盘结构型式等进行了分析和设计,还包括它们的受力分析与计算.还有对缸体的材料选用以及校核很关键;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

3、泵的优缺点进行了整体的分析,对今后的发展也进行了展望。斜盘式轴向柱塞泵是液压系统中的主要部件，它是靠柱塞在柱塞腔内的往复运动，改变柱塞腔内容积实现吸油和排油的，是容积式液压泵。对于斜盘式轴向柱塞泵，柱塞、滑靴、配流盘、缸体是其重要部分。柱塞是其主要受力零件之一；滑靴是高压柱塞泵常采用的形式之一，它能适应高压力高转速的需要；配流盘与缸体直接影响泵的效率和寿命。由于配流盘与缸体、滑靴与柱塞这两对高速运动副均采用了一静压支承，省去了大容量止推轴承，因此它具有结构紧凑、零件少、工艺性好、成本低、体积小、重量轻、比径向泵结构简单等优点。由于斜盘式轴向柱塞泵容易实现无级变量、维修方便等优点，因而斜盘式轴向

4、柱塞泵在技术经济指标上占很大优势。关键词:斜盘,柱塞泵,轴向，液压系统,结构型式,前 言随着工业技术的不断发展，液压传动也越来越广，而作为液压传动系统心脏的液压泵就显得更加重要了。在容积式液压泵中，惟有柱塞泵是实现高压高速化大流量的一种最理想的结构，在相同功率情况下，径向往塞泵的径向尺寸大、径向力也大，常用于大扭炬、低转速工况，做为按压马达使用。而轴向柱塞泵结构紧凑，径向尺寸小，转动惯量小，故转速较高；另外，轴向柱塞泵易于变量，能用多种方式自动调节流量，流量大。由于上述特点，轴向柱塞泵被广泛使用于工程机械、起重运输/冶金、船舶等多种领域。航空上，普遍用于飞机液压系统、操纵系统及航空发动机燃油系

5、统中。是飞机上所用的液压泵中最主要的一种型式。由于科学技术日新月异的发展，在生产流程中对轴向柱塞泵的使用要求越来越高，技术要求：结构紧凑、零件少、工艺性好、成本低、体积小、重量轻、易实现无级变量、维修方便等。因此，对高校机电工程类学生来说，了解和学习这些重要技术，已是必不可少的。本设计主要是对轴向柱塞泵的斜盘、回程盘、滑靴、柱塞、缸体、配流盘和传动轴，依次进行设计和选择，以从实际出发设计高综合性能的轴向柱塞泵。本设计书的总目标是解决轴向柱塞泵的技术要求及应用问题，培养和提高自身分析问题和解决问题的能力。设计者个人认为只有掌握一定的基本原理、基本方法，通过基本技能的训练和实际使用的研究，才能真正

6、实现上述目标。本设计书在编写上力求突出针对性、实用性和先进性。叙述方法深入浅出、主次分明、详略得当，尽可能体现出技术特色，为大家在以后的学习和设计中提供一份强有力的帮助和参考。由于设计者水平有限，加之时间仓促，书中难免出现疏漏或不妥之处，恳请老师批评指正为谢。 绪 论 一、 轴向柱塞泵的发展历史我国从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

7、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

8、，是由市场需求的推动取得的。当今社会，科学技术发展日新月异，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。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

9、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。二、 轴向柱塞泵设计说明 本设计的实用性很强，由于轴向柱塞泵的显著缺点是结构比较复杂，零件制造精度高，成本也高，对油液污染敏感。这些给生产、使用和维护带来一定的困难。因此在设计时综合考虑，从实际出发设计高综合性能的轴向柱塞泵。主要设计内容是对轴向柱塞泵的斜盘、回程盘、滑靴、柱塞、缸体、配流盘和传动轴，依次进行设计和选择，综合分析、综合选

10、择、对此设计有综合的构思，从而完成此设计。1.轴向柱塞泵概述1.1轴向柱塞泵简介轴向柱塞泵是活塞或柱塞的往复运动方向与缸体中心轴平行的柱塞泵。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。由于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，因此容积效率高，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，工作压力高等优点，但对液压油的污染较敏感，结构较复杂，造价较高。这些给生产、使用和维护带来一定的困难。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，因此被应用于工作压力高、流量大而又需要调节的液压系统中。可广泛用于电厂、矿山、冶金、交通、建材等部

11、门输送灰浆、矿浆、泥浆、煤浆等含有颗粒的磨蚀性介质。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 110一250mLr规格的泵。 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

12、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

13、到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

14、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。1.2 轴向柱塞泵的分类 一、柱塞相对于中心线的位置决定了是径向泵还是轴向泵的基本形式 。 按柱塞排列方式分为：径向柱塞泵和轴向柱塞泵1. 径向柱塞泵如图1-1， 特征：各柱塞排列在传动轴半径方向，即柱塞中心线垂直于传动轴中心线 。分为： 配流轴式径向柱塞泵 阀配流径向柱塞泵2. 轴向柱塞泵 特征： 柱塞轴线平行或倾斜于缸体的轴线，沿轴向运动 轴向柱塞泵根据倾斜元件的不同可以分为：（1）斜盘式（如图1-2） 又称直轴式。传动轴中心线与缸体中心线重合,斜盘与传动轴倾斜一定角度。图1-2 斜盘式轴

15、向柱塞泵工作原理图 （2）斜轴式（图1-3） 传动轴中心线与缸体中心线倾斜一定角度1、传动轴 2、连杆 3、柱塞 4、缸体 5、配流盘图1-3 斜轴式无铰轴向柱塞泵 工作原理与斜盘式轴向柱塞泵类似，只是缸体轴线与传动轴之间存在一个摆角。柱塞与传动轴之间通过连杆连接。传动轴旋转通过连杆拨动缸体旋转，强制带动柱塞在缸体孔内作往复运动。特点 柱塞受力状态较斜盘式好，不仅可增大摆角来增大流量，且耐冲击、寿命长。二、柱塞泵与齿轮泵和叶片泵的相比较,具有以下特点: 1、压力高 2、容积效率高 3、流量容易调节 故适用于高压、大流量、大功率的液压系统中。轴向柱塞式液压泵只要改变斜盘（缸体）的斜角，使柱塞往返

16、运动行程改变，从而改变泵的排量V，就可以实现变量。三、径向柱塞泵与轴向柱塞泵相比的优缺点： 径向柱塞泵与轴向柱塞泵相比，效率较低，竞相尺寸大，转动惯量大，自吸能力差，且配流轴向受到径向不平衡液压力的作用，易于磨损，这些限制了转速和压力的提高，故应用范围较小。四、斜轴式轴向柱塞泵与直轴式轴向泵有以下特点 1、柱塞是由连杆带动运动的，所受径向力很小允许缸体有较大摆动。 2、缸体收到的倾倒力矩很小，缸体端面与配油盘贴合均匀。 3、结构坚固，抗冲击性好。 4、对油的过滤精度要求低。 5、由于须采用大容量推力轴承来承受偏心轴向载荷，而轴承寿命低，成为泵的薄弱环节。 6、缸体与传动轴在转动时存在转差速，因

17、而在大容量时，允许转速低。五、斜盘式轴向柱塞泵的结构特点 1、三对磨擦副：柱塞与缸体孔，缸体与配流盘，滑履与斜盘。容积效率较高， 额定压力可达40MPa。 2、泵体上有泄漏油口。 3、传动轴是悬臂梁，缸体外有大轴承支承。 4、为减小瞬时理论流量的脉动性，取柱塞数为奇数：5，7，9。 5、为防止密闭容积在吸、压油转换时因压力突变引起的压力冲击，在配流盘的配流窗口前端开有减振槽或减振孔。1.3斜盘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1-5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

18、塞旋转时，由于斜盘平面相对缸体平面（xoy面）存在一倾斜角，迫使柱塞在柱塞腔内作直线往复运动。缸体按n方向旋转，在范围内，柱塞由开始不断伸出，柱塞腔容积不断增大，直至。在这过程中，柱塞腔刚好与配流盘吸油窗相通，油液被吸人柱塞腔内，这是吸油过程。随着缸体继续旋转，在，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，柱塞腔刚好与配流盘排油窗相通，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

19、角的大小来实现。这也是斜盘式轴向柱塞泵通常为双向变量泵的原因。1-斜盘 2-回程盘 3-滑靴 4-柱塞 5-缸体 6-配流盘 7-传动轴图1-5 斜盘式轴向柱塞泵工作原理 1.4 斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量 若柱塞数目为z，柱塞直径为d,柱塞孔的分布圆直径为D,斜盘倾斜角为，当缸体转动一转时，柱塞泵的排量 (V) 式中 z柱塞数，d柱塞直径; h柱塞行程；D柱塞中心分布圆直径;斜盘倾角。实际输出流量(q)式中 z柱塞数，d柱塞直径; h柱塞行程； D柱塞中心分布圆直径;斜盘倾角。流量脉动1、随着柱塞数的增加，流量不均匀系数减小 2、流量不均匀系数，奇数柱塞明显优于柱塞数相近的偶数柱塞，这就是

20、轴向柱塞泵采 用奇数柱塞的原因。3、大多数轴向柱塞泵柱塞数z采用7或9个，有时小排量可采用5个 1.5 轴向柱塞泵困油现象柱塞泵困油问题 为了保证密封，配流盘吸、排油槽的间隔角应该等于或略大于缸体底部腰形孔所对应的中心角。柱塞在偏离上、下死点位置时，柱塞在缸孔中的往复运动会使工作容积发生变化。如果配流盘吸、排油槽的间隔角大于缸体底部腰形孔道的包角 ，就会在这一区域内产生困油现象。 解决困油现象： 开设减振槽（阻尼槽、眉毛槽） 或减振孔（阻尼孔）图1-5 配流盘困油现象分析a)无减震槽配油盘 b)有减震槽配油盘 2. 斜盘式轴向柱塞泵主要零件受力分析2.1柱塞受力分析柱塞是柱塞泵主要受力零件之一

21、。单个柱塞随缸体旋转一周时，半周吸油一周排油。柱塞在吸油过程与在排油过程中的受力情况是不一样的。下面主要讨论柱塞在排油过程中的受力分析，而柱塞在吸油过程中的受力情况在回程盘设计中讨论。图2-1是带有滑靴的柱塞受力分析简图。图2-1 柱塞受力分析作用在柱塞上的力有：（1）柱塞底部的液压力柱塞位于排油区时，作用于柱塞底部的轴向液压力为 （2-1）式中 泵最大工作压力。（2）柱塞惯性力柱塞相对缸体往复直线运动时，有直线加速度a，则柱塞轴向惯性力为 （2-2）式中为柱塞和滑靴的总质量。惯性力方向与加速度a的方向相反，随缸体旋转角a按余弦规律变化。当和时，惯性力最大值为 （2-3）（3）离心反力柱塞随缸

22、体绕主轴作等速圆周运动，有向心加速度，产生的离心反力通过柱塞质量重心并垂直轴线，是径向力。其值为 （2-4）（4）斜盘反力 斜盘反力通过柱塞球头中心垂直于斜盘平面，可以分解为轴向力P及径向力 即 （2-5）轴向力P与作用于柱塞底部的液压力及其它轴向力相平衡。而径向力T则对主轴形成负载扭矩，使柱塞受到弯矩作用，产生接触应力，并使缸体产生倾倒力矩。（5）柱塞与柱塞腔壁之间的接触应力和该力是接触应力和产生的合力。考虑到柱塞与柱塞腔的径向间隙远小于柱塞直径及柱塞腔内的接触长度。因此，由垂直于柱塞腔的径向力T和离心力引起的接触应力和可以看成是连续直线分布的应力。（6）摩擦力和柱塞与柱塞腔壁之间的摩擦力为

23、 （2-6）式中 为摩擦系数，常取=0.050.12，这里取0.1。 分析柱塞受力，应取柱塞在柱塞腔中具有最小接触长度，即柱塞处于上死点时的位置。此时，N和可以通过如下方程组求得 （2-7）式中 柱塞最小接触长度，根据经验=，这里取=44mm； 柱塞名义长度，根据经验=，这里取=189mm； 柱塞重心至球心距离，=-以上虽有三个方程，但其中也是未知数，需要增加一个方程才能求解。根据相似原理有 （2-8）又有 所以 将式代入求解接触长度。为简化计算，力矩方程中离心力相对很小可以忽略，得 （2-9）将式代入可得 （2-10） 将以上两式代入可得 （2-11）式中为结构参数，且 （2-12）2.2滑

24、靴受力分析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，经柱塞中心孔和滑靴中心孔，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。液压泵工作时，作用于滑靴上有一组方向相反的力。一是柱塞底部液压力图把滑靴压向斜盘，称为压紧力；另一是由滑靴面直径为的油池产生的静压力与滑靴封油带上油液泄漏时油膜反力，二者力图使滑靴与斜盘分离开，称为分离。当压紧力与分离力相平衡时，封油带上将保持一层稳定的油膜，形成静压油垫。

25、柱塞滑靴组件的受力分析1、柱塞的回程辅助泵供油，强制回程分散弹簧回程 ，集中中心弹簧回程定间隙强迫回程 2. 、为了使滑靴以一定大小的力紧贴斜盘回程，中心回程弹簧必须克服以下诸力：a、柱塞滑靴组件往复运动的惯性力。b、吸油真空造成吸油区柱塞脱离斜盘的力。在正常工作时，工作容腔内的吸油真空可取0.05MPa。 c、柱塞外伸运动的摩擦力。 e、还需要保持一定的剩余压紧力使滑靴紧贴斜盘，缸体紧贴配流盘，以免在吸油过程中这两对摩擦副的密封漏气。通常，中心弹簧的剩余压紧力使这两对摩擦副的接触比压保持在0.1MPa。3、 滑靴的受力（确定集中弹簧力） 如图2-2所示，滑靴除承受来自柱塞球头中心的压力、弹簧

26、力和斜盘的垂直反力外，还要承受离心力和摩擦力。a、 离心力、摩擦力和所需要的压紧弹簧力 b、滑靴气密所需要的弹簧力4、柱塞滑靴组的受力分析 离心力 液压力 轴向惯性力 摩擦力 斜盘的垂直反力下面对分离力 和分离力进行分析。(1)分离力 图2-3 滑靴结构及分离力分布 图2-3为滑靴结构与分离力，根据流体学平面圆盘放射流动可知，油液经滑靴封油带环缝流动的泄漏量q的表达式为 （2-13）若，则 （2-14）式中为封油带油膜厚度。封油带上半径为的任仪点压力分布式为 （2-15）若，则 （2-16）从上式可以看出，封油带上压力随半径增大而呈对数规律下降。封油带上总的分离力可通过积分求得。如图4-4，取

27、微环面，则封油带分离力为 （2-17）油池静压分离力为 总分离力为 （2-18）（2）分离力滑靴所受压紧力主要由柱塞底部液压力引起的，即 （2-19）（3）力平衡方程式当滑靴受力平衡时，应满足下列力平衡方程式 即 （2-20）将上式代入式中，得泄漏量为 =3 L/min （5-26） 除了上述主要力之外，滑靴上还作用有其他的力。如滑靴与斜盘间的摩擦力，由滑靴质量引起的离心力，球铰摩擦力，带动滑靴沿斜盘旋转的切向力等。这些力有的使滑靴产生自转，有利于均匀摩擦；有的可能使滑靴倾倒而产生偏磨，并破坏了滑靴的密封，应该在滑靴结构尺寸设计中予以注意。2.3配流盘受力分析不同类型的轴向柱塞泵使用的配流盘是

28、有差别的，但是功用和基本构造则相同。图2-4是常用的配流盘简图。液压泵工作时，高速旋转的缸体与配流盘之间作用有一对方向相反的力；即缸体因柱塞腔中高压油液作用而产生的压紧力；配油窗口和封油带油膜对缸体的分离力。图2-4配流盘基本构造1-辅助支撑面 2-外封油带 3-内封油带 4-吸油窗 5-过渡区 6-减震槽 7-排油窗（1）压紧力压紧力是由于处在排油区是柱塞腔中高压油液作用在柱塞腔底部台阶上，使缸体受到轴向作用力，并通过缸体作用到配流盘上。 对于奇数柱塞泵，当有个柱塞处于排油区时，压紧力为 （2-21）当有个柱塞处于排油区时，压紧力为 （2-22）平均压紧力为 （2）分离力 分离力由三部分组成

29、。即外封油带分离力，内封油带分离力，排油窗高压油对缸体的分离力。对于奇数泵，在缸体旋转过程中，每一瞬时参加排油的柱塞数量和位置不同。封油带的包角是变化的。实际包角比配流盘油窗包角有所扩大，如图2-5所示。图2-5封油带实际包角的变化当有个柱塞排油时，封油带实际包角为 当有个柱塞排油时，封油带实际包角为 平均有个柱塞排油时，平均包角为 式中 柱塞间距角， ； 柱塞腔通油孔包角，这里取。1)外封油带分离力 外封油带上泄漏流量是源流流动，对封油带任仪半径上的压力从到积分，并以代替，可得外封油带上的分离力为 （2-23） =2)内封油带分离力内封油带上泄漏流量是汇流流动，同理可得内封油带分离力为 （2

30、-24）3)排油窗分离力 （2-25）配流盘总分离力 46 第 页 共 47 页 云南锡业职业技术学院毕业设计（论文） 轴向柱塞泵设计 2.4缸体的受力分析1、斜盘对缸体的作用力：斜盘对滑靴的摩擦力通过柱塞传递到缸体上；此外，斜盘对柱塞的垂直反力中，包括了侧向力和由离心力引起的摩擦力、返回弹簧力和油压力等在斜盘上引起的反力。为简化问题，现只考虑油压所引起的斜盘反力对缸体的作用力与力矩。2、 配流盘与缸体间流场的作用力：可分为两部分，一部分为从腰形进出油孔渗入两者缝隙中的油压反推力；另一部分为配流盘表面的辅助支撑力。一般把两者接触面内的摩擦力忽略不计。与类似，油压推力的计算也不考虑。3、斜盘对柱

31、塞的作用力：轴向力由液压力平衡侧向力造成缸体倾斜（缸体与配流盘之间出现楔形缝隙，泄漏增大，加剧缸体与配流盘之间的磨损）侧向力还造成柱塞与缸体之间的磨损。3.斜盘式轴向柱塞泵主要零部件设计3.1主要零件的材料与技术要求（一）柱塞与缸体柱塞与缸体有两种方案，一种是柱塞为硬的，缸体为软的；另一种则采用软柱塞硬缸体，在高压大流量泵中多采用第一种方案。硬的柱塞材料通常为18CrMnTiA、20Cr、12CrNi、40Cr、GCr15、9SiCr、CrWMn、T7A、T8A及氮化钢38CrMoAlA等。 前三种表面渗碳深度要达0.81.2毫米，淬火硬度须达到HRC5663，其它钢种热处理硬度也要达到HRC

32、60左右。CrWMn和9SiCr工具钢具有热处理变形小、金相组织稳定的优点。GCr15热处理后对应力集中敏感，曾发生过柱塞折断的现象，尽量少用。或者在上述材料的表面喷涂或熔敷各种陶瓷层，如ZrO2、Al2O3、Cr2O3及其它陶瓷粉末。缸体的材料通常为ZQSn10-1或ZQAlFe9-4，此外也可用耐磨铸铁或球墨铸铁等。为了节省铜，常用20Cr、12CrNi3A或GCr15作基体而在柱塞孔处镶嵌铜套，柱塞与孔的配合间隙，以漏损和摩擦损失的总和最小为宜，在，时，一般取为0.010.015（mm），转速提高或压力降低至10MPa以下，可酌情稍许加大。柱塞插入部分要开设深0.30.5（mm），宽0.

33、30.7（mm），间距310（mm）的均压环槽，保持锐边，以免楔带污物，并有利于消除污物、颗粒。 柱塞粗糙度0.40.1，不圆度、锥度允差径向间隙(0.0020.005mm)的1/4。 孔的粗糙度一般0.80.4，不圆度、锥度允差与柱塞相同。（二） 配流盘 配流盘的材料要与缸体对应选取，要配对选取材料，其中以ZQSn10-1与Cr12MoV 有最好的抗咬合能力。配流盘淬火(或氮化钢氮化)以后，为了稳定金相组织还通常进行冷处理和时效处理。 青铜的缸体端面有时为了改善其跑合性和耐腐蚀性，要镀一层铅或铟。 配流盘表面粗糙度为0.40.1左右，配流盘表面不平度允差约0.005毫米，且只 许内凹，不许外

34、凸。（三）斜盘与压盘 斜盘多用GCr15，淬火后硬度HRC5862，其支承轴瓦通常用ZQAl9-4。 压盘一般多用18CrMnTi，渗碳淬火HRC6065。为了避免压盘孔割削滑靴，应将孔边倒圆。 给定设计参数最大工作压力 额定流量 =100L/min最大流量 额定转速 n=1500r/min最大转速 3.2柱塞的结构设计柱塞运动学分析（参考液压元件）滑靴在旋转过程中，由于离心力的作用，滑靴对于斜盘产生的压紧力将偏离滑靴的轴线。在此力所引起的摩擦力的作用下，滑靴、柱塞在运动中会产生绕自身轴线的旋转运动，转动的快慢取决于旋转摩擦力的大小。但这一自旋可以改善滑靴底部的润滑，对减小摩擦、改善磨损和提高

35、效率均有利。（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3-1（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3-1（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，其值必须限制在规定的范围内。3）带滑靴的柱塞如

36、图3-1（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3-1 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，

37、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3-1（c）所示的型式。（2）柱塞结构尺寸设计1）柱塞直径及柱塞分布塞直径柱塞直径柱塞分布直径和柱塞数Z都是互相关联的。根据统计资料，在缸体上各柱塞孔直径所占的弧长约为分布圆周长的75%， 由此可得 式中为结构参数。随柱塞数Z而定。对于轴向柱塞泵，其值如表3-1所示。表3-1柱塞结构参数Z7911m3.13.94.5当泵的理论流量和转速根据使用工况条件选定之后，根据流量公式得柱塞直径为 （3-1） 式中 斜盘最大倾角，取=20由上式计算出的数值要圆整化，并应按有关标准选取标准直径,应

38、选取22mm.柱塞直径确定后，应从满足流量的要求而确定柱塞分布圆直径，即 （3-2）2）柱塞名义长度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，一般取： 这里取 。因此，柱塞名义长度应满足： 式中 柱塞最大行程； 柱塞最小外伸长度，一般取。根据经验数据，柱塞名义长度常取： 这里取。3）柱塞球头直径按经验常取，如图3-2所示。图3-2柱塞尺寸图这里取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，一般取，这里取。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

39、物的作用。均压槽的尺寸常取：深h=0.30.7mm；间距t=210mm。这里取。（3）柱塞摩擦副比压P比功验算 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 （3-3）柱塞相对缸体的最大运动速度应在摩擦副材料允许范围内，即 （3-4） 由此可得柱塞缸体摩擦副最大比功为 （3-5）上式中的许用比压许用速度许用比功的值，视摩擦副材料而定，可参考表3-2。表3-2材料性能材料牌号许用比压 Mpa许用滑动速度m/s许用比功Mpa.m/sZQAL9-430860ZQSn10-115320球墨铸铁10518柱塞与缸体这一对摩擦副，不宜选用热