（机械工程专业论文）集成控制轻型液压柱塞泵的关键零件工艺问题研究.pdf

附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主基毖e l 期- ! q ! z 圭= 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毯盛导师签名： 集成控制轻型液压柱塞泵 的关键零件工艺问题研究 摘要 斜盘式轴向液压柱塞泵结构紧凑，径向尺寸小、转动惯量小，转速较高，流 量大，易于变量，能用多种方式自动调节流量。由于上述特点，轴向柱塞泵被广 泛使用于航空、船舶、工程机械、起重运输、冶金等多种领域。 随着国民经济的快速持续发展，液压柱塞泵的使用数量在不断的增加，使用 范围也空前扩大，对液压泵的性能要求也越来越高。 l i o v 系列集成控制液压柱塞泵是力源液压股份公司根据国际液压泵行业的 发展趋势，在吸收消化国外同类产品技术的基础上，自行研制开发的系列变量泵。 该系列液压柱塞泵用于开式回路，公称压力2 8 m p a ，尖峰压力3 5m p a ；控制方式 有压力控制、压力流量集成控制、压力流量功率集成控制与远程压力控制等 多种控制方式。由于结构先进与价格较低，广泛用于工业机械、小型工程机械、 载重汽车等方面。 力源公司是国内第一流的液压泵、液压马达设计开发和生产的企业，利用公 司现有的科研基础和生产设备完全能进行全新的液压柱塞泵研制。本文就是以新 型集成控制液压柱塞泵为课题，在产品的设计和关键零件工艺上进行探索，研究。 关键词：柱塞泵，集成控制，关键零件，工艺，加工精度。 2 t h e s t u d yo nt e c h n i q u ea b o u tt h ek e yp a r to f t h el i g h t h y d r a u l i cp i s t o np u m p c o n t r o l l e di n t e g r a t l y s u m m x y h ；【f a l p i s t o ns w a s hp l a t eh y d r a u l i cp u m ph a st h es t r u c t u r eu r g e n t ， ，s m a l lr a d i a ls i z e ，m o m e n to fi n e r t i a ，h i g h e rr o t a t es p e e d ，b i gf l o w ，e a s y 岬r i a b l ed i s p l a c e m e n t ，a n dc a na d j u s ta u t o m a t i c a l l yd i s p l a c e m e n tw i t h s q l t i w a y a ss t a t e da b o v e ，a x i a lp i s t o ns w a s hp l a t ed e s i g np u m pi sw i d e l y j u s e df o ra i r c r a f t ，s h i p p i n g ，e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y ，l i f t i n gt r a n s p o r t ， m e t a l l u r g ye c t w it ht h ef a s td e v e l o p m e n to fn a t i o n a ld e f e n c ea n dc o u n t r ye c o n o m y t h en u m b e ro fh y d r a u l i cp i s t o np u m pu s e dk e e p si n c r e a s i n g i t sb o u n df o r u s ei sa l s o e x t e n d e da tp r e s e n t t h er e q u i r e m e n to fp e r f o r m a n c ea n d q u a l i t yf o rh y d r a u l i cp u m pi sg e t t i n gb e t t e ra n db e t t e r l i o vs e r i e si n t e g r a t i o nc o n t r o lh y d r a u l i cp i s t o np u m pi st h es e r i e s v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m pt h a tl i y u a nc o m p a n yh a ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d b a s eo nt h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a t i o n a lh y d r a u l i cp u m pa n da b s o r b i n g o v e r s e a sc o n g e n e r i cp r o d u c t i o nt e c h n i c t h es e r i e sh y d r a u l i cp i s t o np u m p i su s e df o r o p e nl o o p c i r c u i t s ， n o m i n a lp r e s s u r e 一2 8 m p a ，p e a k p r e s s u r e 一3 5 m p a ；t h ew a y so fc o n t r o lh a v ep r e s s u r ec o n t r o l 、p r e s s u r ea n d f l o wi n t e g r a t i o nc o n t r o l 、p r e s s u r ef l o wa n dp o w e ri n t e g r a t i o nc o n t r o l a n dr e m o t ep r e s s u r ec o n t r o le t c f o rb e i n ga d v a n c e dc o n f i g u r a t i o na n d t w o b i tp r i c e ，t h es e r i e sh y d r a u l i cp i s t o np u m pi sw i d e l yu s e df o r a g r i c u l t u r em a c h i n e r y 、l i t t l ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r y 、c a m i o ne t c l i y u a nc o m p a n yi sab i gt i m ee n t e r p r i s ee n g a g e di nd e v e l o p i n ga n d d e s i g n i n gh y d r a u l i cp u m p m o t o ra th o m e t a k i n go ft h ee x i s t i n gs c i e n t i f i c r e s e a r c hf o u n d a t i o na n dm a n u f a c t u r ef a c i l i t y ，o u rc o m p a n yh a sap o w e r f u l c a p a b i l i t yi nd e v e l o p i n gt h ef i r e n e wh y d r a u l i cp i s t o np u m p t h i sa r t i c l e t a k e sn e wi n t e g r a t i o nc o n t r o lh y d r a u l i c p u m pt ob ed e v e l o p e da saq u e s t i o n a n dw i l le x p l o r ea n dr e s e a r c hi ti nd e s i g na n dt h ek e yp a r tt e c h n i c s g e y w o r d s ：p i s t o np u m p ，i n t e g r a t i o nc o n t r o l ，k e yp a r t ，t e c h n i c s ， m a c h i n i n gp r e c i s i o n 第一章绪论 武l 引言 根据国际液压泵行业的发展趋势，在吸收消化国外同类产品技术的基础上， 力源液压股份公司自行研制开发了l i o v 系列液压柱塞泵。该系列产品是用于开 式回路的斜盘式轴向柱塞变量泵，公称压力2 8 m p a ，尖峰压力3 5 m p a ；控制方式 有压力控制、压力流量集成控制、压力流量功率集成控制与远程压力控制等 多种控制方式。目前公司已开发出2 8 、4 5 、7 1 三种排量规格的2 8 种型号产品。 较之原有的液压泵来说，l i o v 系列液压泵可无级调节排量，并可实现对压 力、流量、功率等多参数的集成控制；该产品可实现多泵集成的通轴驱动设计； 产品的标准化程度高；允许转速高：低噪声；功率质量比高；可靠性高，寿命 长；控制响应速度快。因此l i o 、r 系列液压泵的用途十分广泛。并且通过不断的 技术攻关。在关键零件的加工和主要配对摩擦副零件选材等方面具有独到之处， 但目前仍存在产品回油量超大的技术问题需要解决。 本论文的选题直接源于本人从事液压柱塞泵生产的工作。该课题的实施不仅 是为满足国内急需集成控制轻型柱塞变量泵的需要。同时也是很有应用价值的工 程技术项目，它将使国内该行业向新的科技至高点迈进，大大地缩小与国际同行 的差距，并接近世界先进水平。 1 2 液压柱塞泵简介 液压柱塞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，是容积式液压泵中的一种。柱塞式液压泵由于其主要零件柱塞和缸体均为圆 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，按柱塞运动形式可分为轴向柱塞式和径向柱塞式两大类， 4 前者柱塞平行于缸体轴线，沿轴向运动；后者柱塞垂直于配油轴，沿径向运动。 在相同功率的情况下，径向柱塞泵的径向尺寸大、轴向也大，常用于大扭矩、 低转速工况，作为马达使用。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，流量可 达4 0 0 l r a i n 以上。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、航空、船舶等多种领域。 轴向柱塞泵按结构分可为两大类；直轴式轴向柱塞泵和斜轴式柱塞泵。直轴 忒( 也称斜盘式) 轴向柱塞泵缸体轴线与传动轴轴线相重合，如图1 所示。斜轴 式( 也称摆缸式) 轴向柱塞泵缸体轴线与传动轴轴线相交成一定角度，如图2 所 示。 一辄 图1 直轴式轴向柱塞泵简图图2 斜轴式轴向柱塞泵简图 第二章课题主要的研究内容 本课题是以集成控制轻型液压柱塞泵为研究内容，根据产品设计方案，进行 各项理论计算、分析，进行产品设计、制造，并对关键零件的工艺方法进行改进， 完成产品装配和验证试验，达到主机提出的转速，压力、流量、可靠性等性能指 标的要求。 根据对提出的技术要求、指标的分析，确定该液压泵的结构型式为斜盘流体 静压轴承支承直轴式轴向变量柱塞泵。其结构原理如图3 。柱塞的头部安装有 滑履6 ，滑履底面始终贴着斜盘平面运动。当缸体4 带动柱塞3 旋转时，由于斜 盘2 平面相对缸体平面存在一倾斜角y ，迫使柱塞在柱塞腔内作直线往复运动。 如果缸体按图所示n 方向旋转，在1 8 0 。3 6 0 。范围内，柱塞由下死点( 对应 1 8 0 。位置) 开始不断缩回，柱塞腔容积不断增大，直至上死点( 对应0 。位置) 止。在这个过程中，柱塞腔刚好与配油盘5 吸油窗相通，油液被吸入柱塞腔内， 这是吸油过程。随着缸体继续旋转，在0 。1 8 0 。范围内，柱塞在斜盘约束下 由上死点开始不断地进入腔内，柱塞腔容积不断地减小，直至下死点止。在此过 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。 、由此可见，缸体每旋转一周，各个柱塞有半周吸油、半周排油。如果缸体不断旋 输液压泵便能连续地吸油排油。通过不同调节机构的设置，控制液压泵斜盘倾 角便可以实现不同控制功能。 l 一传动轴2 料盘3 一柱塞4 转子5 一配油盘6 滑履 图3 斜盘流体静压轴承支承直轴式轴向柱塞泵结构原理图 本课题的主要研究内容是： 1 ) 液压泵主要参数的设计与计算 2 ) 液压泵运动分析 3 ) 主要结构件的受力分析 4 ) 液压泵动态分析 5 ) 关键零件的工艺分析及改进 6 ) 产品试验及验证 液压泵的参数计算及受力分析是关键零件工艺分析的基础。 6 x 第三章柱塞泵的性能参数与工作原理 上述各项工作内容并非一个个独立的工作，各项工作问不但得交叉迸行，而 且相互包含，并且对柱塞泵的设计计算是关键零件工艺研究的基础。由于l i o v 系列液压泵包含各种排量和控制方式的液压泵，为了论述方便，现以 l 1 0 v o t l 9 f l r 3 1 l - p s c l l n 0 0 泵为讨论基础，以此对l i o v 系列泵作分析。 | 3 1l i o v 7 1 泵的主要性能参数和要求 1 ) 额定出口压力2 8 m p a 2 ) 尖峰出口压力 3 5 m p a 3 ) 最大排量7 1 m l r 4 ) 最高转速n2 2 0 0 r m i n 5 ) 进口压力0 0 8 0 3m p a 6 ) 回油压力牛0 1 5m p a 7 ) 工作液温度一2 5 + 9 0 8 ) 工作方式开式系统 3 2l i o v 7 1 泵的结构及工作原理 l i o v 泵的结构和压力流量功率集成控制的液压原理如图4 所示。 曲泵结拇嗣 渍压原理图 图4l i o v 0 7 1 泵的结构及液压原理图 7 l i o v 7 1 泵主要由主轴、壳体、斜盘、柱塞、转子、控制阀及端盖等组成，液 压泵由主机发动机带动其传动轴转动，传动轴带动转子、转子内的柱塞在随转子 转动的同时，在斜盘的倾角作用下、沿转子柱塞孔作直线往复运动，产生转子油 腔内容积随转速变化而变化。并通过配油盘的进出口油槽，从而产生高压液压油 输出。通过管路和阀与主机液压系统连接，使系统获得液压能源。它主要用在波 压传动系统里，作为系统的动力源。 l i o v 系列产品出口压力油由控制阀控制作用于油泵斜盘上，推动斜盘转动， 改变斜盘倾角，油泵的排量随之无级改变。油泵的基本控制方式为压力流量集 成控制，其工作原理是当油泵从出口排出压力油后，压力油在通过系统上设置的 可调节流阀，形成一个压力差，节流后的压力通过反馈油路x 口作用在油泵控制 阀阀芯一侧，阀芯的另一侧常通出口节流前压力，通过调节节流阀节流孔尺寸， 改变节流前后的压差，作用在控制阀阀芯两侧的压力差随之而改变，使控制阁芯 打开并随压差变化开口尺寸，使油泵变量，以此实现油泵输出排量的无级调节。 配合相应的控制阀，可以实现多种多样的控制方式，而多数控制方式的主要控制 阁是通用的，通过增加不同的辅助控制部件，就可以对油泵压力、流量、功率实 现所需要的不同的控制方式，具有很强的互换性和可扩展性。 图4 的原理图为压力流量恒功率集成控制，通过加装一个集成的功率阀实 现恒功率控制，功率阀实际上是一个精度要求很高的伺服溢流阀，通过调节功率 弹簧设定变量曲线，当压力升高达到设定的变量点时，阀芯打开开始溢流，此时 作用在主控制阀阀芯上的压力随之减小，阀芯向开启方向移动，压力油通过控制 阀作用于斜盘上，使斜盘向小角度转动，使油泵排量减小，斜盘的转动带动功率 阀阀芯向关闭方向移动，当压力与流量达到平衡点后，油泵排量稳定在设定点， 压力减小时，功率阀阀芯关闭，油泵主控制阀阀芯也随之关闭，斜盘向大角度方 向回转，油泵排量同时增大。通过这种对压力信号的响应，实现压力与流量的反 比变化，达到恒功率控制的目的。 第四章主要结构参数的设计 通过与现有产品进行对比分析和初步计算后，试取l i o v 0 7 1 液压泵结构参数 为：以配流盘配油，柱塞个数z - - 9 个；该泵斜盘设计为可调式，最大斜盘沿轴 的倾角为，= 1 7 5 。，见图5 则通过排量公式：叮= 手彩哆忍以及考虑到液压 8 z 7 斜盘呷 l 笛力 f ， 7 t ! t 么么t 入建- z 油l 、 n 、 1 8 0 。 一一一 一7 长孓j ，乡二= 9 二烽么 ? 7 2 7 0 三量， g - 油窗，0 。 、油窗 图5 斜盘转角增大时上下死点位置变动图 泵的总效率和缸体的强度，初步确定缸体的柱塞分布圆直径d f = 0 8 1 m m ；则柱塞 直径为d z = o2 0 m m 。以上这些参数均是设计初步计算确定的参数，其合理性需要 通过以下各项分析后才能得到确认。 4 1l l o i 0 7 1 液压泵的运动分析 4 ，1 1 柱塞运动位置图 从上图可以看出，柱塞体在缸体内作直线往复运动，柱塞滑靴紧贴在斜盘平 面上作圆周运动，以上下死点为分界线，可以将油液分成吸油区( 低压) 和排油区 ( 高压) ，泵的旋转方向为逆时针，当柱塞体和缸体所密封的空间逐渐增大时， 所产生的区域为吸油状况，当柱塞体与缸体所围的空间逐渐减小时，所产生的油 窗为排油区域，通过负载该区域能够产生高压：根据斜盘与缸体间的几何关系， 可以推导出一个柱塞运动时的位移。 9 4 1 1 1 求柱塞的位移 设柱塞在任意点的位移为h 时： h ：堡一( c o s o s i ny + s i ny ) ( 4 1 ) 2 c o s y 其中：d ，缸体的柱塞分布圆直径： y 斜盘以转轴为中心的转角； 妒柱塞的转角； 液压泵柱塞位移的变化如图6 。 图6 柱塞转动时的位移变化 h 一2 淼( c o s c t s i n l 7 5 + s i n l 7 5 ) = 2 5 2 1 4 1 1 2 求斜盘最大倾角y 一 按图5 的几何关系及t g y 一2 ，y 一= 1 7 5 。 4 1 1 3 求排量q a = 孚灿。z 其中：d ：柱塞直径 z 柱塞数 q = 7 1 2 5 ( m l r ) 说明前面对斜盘倾角及排量的取值是合理的。 4 1 2 l l o v 0 7 1 液压泵的柱塞运动速度y 根据式( 4 1 ) 微分求柱塞的轴向运动速度v ， v ：婴：坐s 1 - n 伊s i n y ( 4 2 ) v = 一= 三一s 伊s l ny【4 2 ) d t2 c 0 5 y 薯莘中：。缸体的旋转角速度 液压泵运动速度的变化如图7 。 v ( m s ) ，。二i忒。9。m。2 17 5 ，9 。汾心o o 椭 4 1 3 l 1 0 v 0 7 1 液压泵柱塞的运动加速度a z 对式( 4 2 ) 求微分得到柱塞的轴向运动加速度a z 为； a z = 盟( - c o s 矿s i n y ) 2 c o s y 液压泵柱塞运动加速度的变化如图8 。 度 ( 4 3 ) ，。i：!i：；jjjjjj：j；!i q 。m a = 1 75 。1 飞6 0 椭“ 4 l4 滑履旋转时的角速度 当斜盘以斜盘转轴为中心逆时针转动1 7 5 。时，滑履的运动轨迹呈椭圆形， 其长轴a 为： 2 a ：旦 ( 4 4 ) c o s y i m a = 8 4 9 3 m m 其短轴： b = 8 1 m 由于缸体以做等角速度转动，因而滑履在斜盘平面上运动为不等角速度运 动。其角速度最大的点在( 詈一a1 ) ，( 等一。- ) 处；角速度最小的点在( 一a a ( 一n 。) ，处。 其中： 一2 麦 矿m l n 一- - ( ) c o s y ( 4 5 ) ( 4 6 ) 式中：m 缸体旋转角速度。 上述柱塞位移、速度、加速度曲线为研究该泵柱塞摩擦副的工况奠定了基础。 1 2 4 2l i o v 0 7 1 液压泵的柱塞强度分析 4 2 1 柱塞受力分析与设计 柱塞是柱塞泵主要受力零件之一。单个柱塞随缸体旋转一周时，半周吸油、 半周排油。柱塞在吸油区和排油区的受力是不相同的，这里主要讨论柱塞在排油 区的受力。如图9 ； p t p l m a x 广r r 1 、 y ； p l 二 f p , 观 y，n ， y ，、 。， 1 z么矛哆形f p j 嘴 彩气物v ,1 一 f p 2 且 渊l p 2 m 一 f f f 2 1 0 图9 柱塞受力分析图 4 2 1 i 柱塞底酃的液压力： 柱塞位于排油区，作用于柱塞底部的轴向液压力为： p - = 和p 6 2 6 5 9 8 n 式中：p 6 排油区压力；标准取值2 8 m p a d z 柱塞体的直径；l 1 0 v 7 1 泵的柱塞直径取2 0 , m 。 4 2 1 2 柱塞惯性力如 柱塞相对缸体作用往复直线运动时，存在直线加速度a ，则柱塞轴向惯性 力p 。为： p l 一叩一m z r f ( i ) 2 t g y c o s a = 砌z r f ( 等) y c o s u ( 4 7 ) 惯性力p l 方向与加速度方向a 相反，随着缸体转角n 按余弦规律变化，当缸体转 角o = o 。和1 8 0 。时，p i 为最大p s 一，带入有关参数计算得： p i = 4 9 ，9n 1 3 式中m ：为柱塞( 包括滑履) 质量( 按l l o i 0 。3 k g 计) ，转速n = 1 8 0 0 r p m 计； 4 2 1 3 离心反力p 工 柱塞随缸体绕主轴作等圆周运动，有向心加速度a - ，产生得离心反力p ， 通过柱塞质心并垂直于柱塞轴线，为径向力。其值为： p = m ：a i = i n z r f 2 = 1 5 8 2 6 n p l y 2 p l c o s 口 p l _ x 2 p ls i n 口 4 2 1 4 斜盘反力n 斜盘反力通过柱塞球头中心垂直于斜盘平面，可分解为轴向力p 及径向力t ： p = n c o sy t = n s i n y( 4 8 ) 4 2 1 5 柱塞与柱塞腔壁之间得接触力p 和r 该力是接触应力p ，和p 。产生得合力。由于柱塞与柱塞壁的间隙远小于柱塞 在柱塞腔内的留缸长度，故可以把接触应力p 。，p 2 看成是连续直线分布的力。 4 2 1 6 摩擦力p i f 和p 2 f 柱塞与柱塞腔壁之间的摩擦力p ，为： p f = ( p l + p of 式中f 为摩擦系数。 4 2 i 7 某时刻柱塞的力和力矩平衡方程： z y 2 0 n s i ny p 1 + p 2 一p 二，= 0 ( 4 9 ) z 一0 n c 。sy fp 1 一fp 2 一p b p g 。0 ( 4 1 0 ) m 0 2 0 1 4 p h + 删- p 2 ，睾z 分缈o 。 式中：，o 柱塞留缸长度 z 柱塞名义长度 ，l 柱塞重心至球心距离 又根据相似原理： 且= 生生 p ： ，2 而p 。= p 1 三( ，0 一厶) d ： p 2 _ p 2 主( ，2 h 旦= ( o 一，2 ) 2 ( 4 1 2 ) p 2 譬 联立以上4 9 、4 1 0 、4 1 1 、4 1 2 四个方程得到方程组，要解该方程组，首先要 计算柱塞的各个尺寸。 4 2 2 柱塞结构尺寸 由于柱塞球头中心作用有很大的径向力t ，为使柱塞不致被卡死并有足够的 密封长度，应保证有最小留孔长度，。l ，一般，。l = ( 1 4 1 8 ) d ：。( 带入d ；= 2 0 m m ，得，m l = 1 5d z 3 0 m m ) ；柱塞名义长度z 应满足； ，z i + s + ，m 式中s 。a x 为柱塞最大行程，s m a x = 2 5 u ；，。为柱塞最小外伸出长度取3 m m ，该 尺寸是为了保证柱塞在整个运动过程中缸体的柱塞孔不与滑履发生干涉。则 l i o r 0 7 1 液压泵杜塞尺寸为l ：5 8 m m ： d ：尺寸与其作用于滑履的接触应力以及球头颈部的强度有关。柱塞球头直 径应取d l = o 7 o 8d ：，取值0 7 5d z = 1 5 m m 。l i o v 0 7 1 的柱塞球头实际尺寸定 为d l ；1 5 m m 。 、4 ：2 3 滑履的结构尺寸 ：由于柱塞所受惯性力和离心力均与柱塞和滑履的质量有关，所以要计算滑履 ! 的尺寸以便子计算滑履质量( 结构示意如图1 0 ) 图1 0 柱塞滑履组件受力分布图 1 6 4 2 3 1 滑腥外径 考虑滑履外径加工误差以及滑履在运动时不产生干涉，令d 2 = d fs i n ( n z ) 一s ， 一般s = 0 2 i m m ，s 为滑履外径间的许用最小间隙。 4 2 3 一现油池尺寸d l ： ，t 一不采用辅助支承。如果按能量损失最小的关系可按下式确定d l 的尺寸d 1 2 、6 o 8 ) d 2 。 ii ，j 4 2 4 包球外径d l ： d 。可略小于d ，但尺寸的确定主要根据泵的结构安排而定，在此时应取 1 9 m m 。 4 2 5 中心节流孔直径d o ； 目前工程机械液压泵滑履的设计普遍采用剩余压紧力法。其特点为：始终保 持压紧力大于分离力，使滑靴紧贴在斜盘表面。此时无论柱塞中心孔还是滑靴中 心孔，均不起节流作用。静压油池和柱塞底部的压力一致。 4 2 6 计算柱塞和滑履的质量： 縻弹 j 劣么 竖 屹 v 4 h 2h 丑h 4 图11柱塞滑履结构示意图 1 7 图1 l 为柱塞与滑履的外形图。由于桩塞和滑履的材料不同，编制程序分别 计算它们的体积，再乘以各自的密度。柱塞为钢，取p = 7 8 5 1 0 k g m ；滑履 为铜，取p = 8 8 5 x 1 0 3 k g m 3 。 如上图，具体计算结果如下： m 柱塞2 p 钢v 柱塞。7 4 2 3 6 9 m 滑履2 p 铜v 滑履23 5 9 1 2g m ：2m 柱塞+ m 滑履21 1 0 1 4 8g 4 2 7 计算柱塞所受各力大小： 将以上各尺寸及柱塞质量代入上述方程组，忽略离心力产生的力矩( 事实上 p 2 1 5 8 2 6 n ，l1 2 2 3 1 ，而p b = 6 5 9 8n ，可见p 仅为p b 的2 3 9 8 ，也远小于 其它尺寸，所以将其忽略不计) 。可得： ，：2 6 l o i - 4 1 2 0 - 3 f d , l o p l ：( n s 嘶训f 1 + 爿 2 亿一，2 ) 2 ， l ； 1 n ：里t 堡! 皇垦 1 8 ，m l = 3 0m n l ，2 = ( 6 zm 1 ，一4 l 。l2 3 f d z ，。1 ) ( 1 2 l 一6 f d z 一6 1 ，1 ) = 1 1 8m m z l = z 。厂j 2 = 1 8 2m m j ： t ? g + l ：2 4 5 g g 1 n = 坠坠! 皇曼= 7 3 2 1 8 9n c o s t f 中s i n 3 , p - 2 ( n s i n 7 + p l ，( + i r i 乏习2 4 。7 1 4 8 n p 2：( n s i f r y + p l ) ：1 7 1 1 4 8n 根据以上液压泵结构参数设计计算可以确定液压泵的主要的结构参数： d z = 2 0 m m d f = 8 1 m m l = 5 8 m m d l = 1 6 m m d 2 = 2 6 7 咖 d o = 2 m m l 1 0 v 0 7 1 液压泵按所给定的技术条件进行设计计算的结果与最初给定的结构 参数值基本一致，因此从尺寸参数上是符合设计要求的。 4 3l 1 0 v 0 7 1 液压泵的滑履尺寸计算及参数分析 l 1 0 v 0 7 1 液压泵采用带滑履的柱塞结构。主要应该着重分析研究以下几个关 键问题。 液压泵工作时，作用在滑履上有以下两个力； 1 ) 将滑履压向斜盘的压紧力p y ； 1 9 2 ) 滑履上直径为d l 的油池产生的静压力p f l 和作用于滑履封油带上油膜形 成的压力p f 2 。二者为分离力，以p f 表示a 4 。3 。1 分离力p f 如图1 0 示，由平面圆盘放射流公式计算油液经滑履封油带平板缝隙泄露量 为： 。：堕：鱼l 二坠2( 4 1 3 ) 6 p l n r r l _ 2 略去到油压力的作用时， ：7c63p1q 2 三一 6 u l n 坠 。 r 1 式中6 为内封油带油膜厚度 封油带e 半径为r 的任一压力式为： pr 2 b p ：) 设蚓油压力为零时： l n 坠 n 3 p t 薏i n 二= 王 r 1 则封油带离心力p f 2 为： 旷萤, 2 p r 2 础3 l - 嘛一r ；) _ p l 根； 2 1 n a 2 r l 油池静压力p f l 为： ( 4 1 4 ) 毗 + 墅上坠盘 h h p f l = 兀r i p l 总分离力p f 为： 旷吖盱警旷6 0 3 2 n r 1 ( 4 1 5 ) 4 3 2 压紧力p 】， p y 2 吐2 至疋旦l 2 6 9 1 7 5n ( 4 1 6 ) c o s 7 4 。c o 计 根据剩余压紧力法设计滑履，在滑履工作时始终保持压紧力大子分离力。使 滑履紧贴斜盘表面，并使柱塞中心孔和滑履孔均不起节流作用。静压油池压力 p l 与柱塞底部压力p b 相等( p l = p b ) 。设压紧系数由= p ，pf ，应保证毒取 值在1 0 4 1 5 0 之间。由值过大，会产生过度磨损：由值过小，会产生滑履倾 覆。 带入l i o v 0 7 1 各参数计算得由= 1 1 4 6 。 这是在认为p 1 2p b 条件下得到的结果a 事实上，由于系统中总存在压力损 失，因而总有p l p b ，导致由可能大于1 1 4 6 ，压紧系数略大。如果考虑滑履 中心孔的阻力损失，则p l p b ，另外如果考虑反压的影响会使由值增大。l i o v 0 7 1 液压泵的反压较大，而且滑履柱塞中心孔( d o = 0 8 ) 。因此，由值的影响是不 能忽略的。对该泵来讲能适当加大油池尺寸，给d l = 1 3 1 3 2 m m 时。由可变为 1 1 4 6 1 1 6 ，满足要求，所以滑履的结构尺寸应该做些改动，取d i = 1 3 m 。 4 4l i o v 0 7 1 液压泵的缸体力矩分析 4 4 1 缸体受力分析： 缸体的受力分析是设计具有良好的工作性能和使用寿命的液压泵的基础。 4 4 1 1 斜盘支反力 2 l 斜盘支反力通过滑履柱塞传到缸体上，它由两部分组成。一为摩擦力艮， 另一为垂直于斜盘平面的r ，p n 包括中心弹簧力p 。，摩擦力，柱塞惯性力和液 压力等。远较p h 小，故这里仅考虑r 作用。 4 4 1 2 中心弹簧力p 。 中心弹簧将缸体压向配流盘，设计中使p ，对缸体的作用力矩平衡缸体的倾倒 力矩，p 。大小应由缸体所受的合力矩决定。 4 ：4 1 3 摩擦力p 。 柱塞与柱塞腔之间存在着摩擦力： p i ，p = f ( p 。+ p 0 式中：p 1 、p 2 为某时刻柱塞与柱塞腔间的接触应力之和。f 为它们的摩擦系 数。参考柱塞受力分析部分： ：墨墨丝 c o s 7 一伯s i n y t e = ( n s i n g + p d 1 + 而丽1 _ 】 1 一“1 只：j n s i _ n r 。+ 一p 1 ( 4 1 7 ) - 一瓦可 ” ，2 如图1 2 坐标系： 氨舻一 嗲 图1 2 柱塞受力坐标图 z 在i 、i i 象限时，柱塞处于排油区，泵出口压力为高压2 8 m p a ，柱塞运动方 向为+ x 方向，受摩擦力为一x 方向，则缸体所受摩擦力方向为+ x 方向。 在i i i 、象限时，柱塞处于吸油区，泵出口压力约等于泵的进口压力，柱塞 运动方向为一x 方向，所以缸体所受摩擦力方向为一x 方向。 4 4 1 ：4 惯性力 ，惯性力对缸体的作用力，如果忽略闭死区的影响，实际上可以看成是相对于 z 舶的一组大小相等方向相反呈对称分布的力，因而作用于缸体上的惯性力相互 抵消。 4 4 1 5 离心力 离心力p l 是沿圆周分布的一组大小相等，方向相反的作用力，因而其合力为 零。 4 4 1 6 液压力r 由于吸油区压力近似等于零，远小于排油区油压力，可以忽略。则： 只= k t ”d ；p 妒，k 为某时刻处于排油区的柱塞数。k = 4 或5 。 4 4 2 配流盘作用缸体力 配流盘与缸体油膜对缸体的支承力由三部分组成：内外封油带及配油窗1 2 1 。 外封油带的支承力p l 。为： 铲c 籍+ 争峨列s ，o 口 是 式中n 为配流窗包角。 内封油带的支承力为： 铲c 籍+ 譬，喝趔，z 埘o 口 飓 排油窗口对缸体的支反力p 1 3 为： = 寺( 嘭一碍) 略= 1 0 9 4 2 7 x t z 配流盘总支反力：p | = p l 。+ + p 一 由于实际情况，窗口的过渡部分也存在支反力。对上述结构进行修正，取大 于1 的修正系数，即p 。7 = c r ( p | 。+ p i 。+ p l 。) 。 若式中口角取为伊( 实际排油包角) ，则不需要加修正系数，即当尚有5 个 - 柱塞排油时，封油带实际包角为：仍= 去( z 1 ) a + a o = 1 9 0 。当有4 个柱塞排油 ， 二 啦，封油带实际包角为：仍= 寺( z - 3 ) a + g o = 1 5 0 。，式中a 为柱塞间距角， 二 西；丝；4 0 。，o 。为柱塞通油孔包角ao - 3 0 。 ： 4 4 3 缸体力矩分析 4 4 3 1 配流盘作用于缸体的力矩 液压泵工作时由于配流盘和缸体间润滑油膜的压力作甩，缸体产生倾倒力 矩。认为内外封油带上线性分布，可以认为其分离力是沿着封油带的重心弧线 r l 、r 2 均匀分布。其中配流盘的尺寸参阅图1 3 。弧线半径为： 图1 3 配流盘结构不荩图 = r + 吾( 墨一局) = ( 日+ 2 r , ) 3 吃= 局一j 1 ( 飓一心) = ( 2 飓+ r , ) 3 由数学公式可知，弧线重心距： s i n ( 罢) o h = ，l 埘 可推得内外封油带分离力臂为： 一2 ( r l + 2 r 2 ) s i n ( 拿) o h i2 ，二红 3 二。2 陇+ 2 r 3 ) s i n ( 鲁) 一 2 ( 致等) 咖2 = l ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) 而排油窗的油压是均匀的，其分离力合力作用点可用求排油窗扇形面积重心 商得。扇形面积重心距为： 一2 ( r 3 - r 3 ) s j n ( 宰) 3 ( 尺2 一，：) 罢 则排油窗分离力臂为： 一2 ( 碍一碍) s i n ( 宰) 3 ( 碍一碍) 罢 配流盘总分离力力矩为： 埘，= 名i o h j + 名2 o h z + e 9 3 o h 3 解上面所给分离力和力臂计算公式，代入l 1 0 v 0 7 1 液压泵匿i 纸尺寸得其计算结果 如下： 当排油区柱塞数为5 时，仍= 1 9 0 。： 力臂( 舢)分离力( n ) o h l2 7 3 7 p l i 2 7 8 1 5 5 o h 2 2 1 2 8 p a 2 2 1 0 1 7 o h 。2 4 4 1 p 1 3 8 8 7 3 9 7 m c ：3 3 9 7 3 n m 。 当排油区柱塞为4 时，仍= 1 5 0 。可计算得： 力臂( m m )分离力( n ) o h l 3 3 6 p i i 2 2 9 1 5 8 o h 2 2 6 1 3 p 1 2 1 8 2 0 8 3 o h 32 9 9 9 p 1 3 7 3 1 0 8 2 m r = 3 4 3 8 3 n m 。 若按平均包角计算，q ，p = 1 7 0 。可计算得： 力臂( r a m )分离力( n ) o h ， 3 0 5 7 p | i 2 5 6 3 9 3 o h 2 2 3 7 8 p l z 2 0 3 7 。2 3 o h 。 2 7 2 9 p i 。8 1 7 9 6 7 m r = 3 5 0n m 。 4 4 3 2 柱塞作用在缸体上的力矩 液压泵工作时，由于处在排油区的柱塞数量和位置随缸体转角变化，压紧 力p y 及合力作用点也随q 变化，其相应合力矩m y 也要随转角c l 变化( 参见图 1 4 ) 。 蔽、 一 嗲 i 二! q 皿 o c 2 图1 4 合力作用点变化示意图 九柱塞在排油区的柱塞个数可能四个或五个。设柱塞l 转角n = 0 ”。相应柱 塞2 、3 、4 、5 的转角分别为0 、20 、30 、40 。可求得五个柱塞合力作用点 沿丽运动，合力臂为一o e i 并可求得合力臂： 茗：竺盘：竽兰：竺。5 伯q 瑙m 。 当缸体转过钐之后，四个柱塞处于排油区，合力点沿i i 运动，合力臂为 ：o e 3 o 鬲= 母c 。s 等c o s 吾= o 7 2 吩；2 9 1 6 缸体旋转时，五个柱塞合力作用点从e 。开始经兰转角，沿弧p l 吃运动到跳 到e 。，变为四柱塞合力作用点。四柱塞合力作用点从e 。开始，经角沿弧i i 运动 到再跳回e 。如此循环反复摆动，因此合力作用点沿e ，e ，e 。e 。的运动轨迹呈“8 ” 字形。由于合力作用点移动速度很快可以看成在某平衡点c 。附近摆动，摆动频率 为三雕，这一平衡点c 。就是压紧力的作用点。( 如图1 4 所示) 如对0 点取矩： 9 - i = 5 d 百+ 4 石 一o c ! ：5 x 0576r丁+4一x 0 7 2 r = 0 6 4 r ：= 2 5 ，9 2 总压紧力矩为： t t l ，, 2 舌d ，只= 7 6 5 4 5 ，删 4 4 3 3 柱塞轴向惯性力对缸体所产生的力矩 在如图1 2 所示坐标系中，柱塞球头中心的x 轴投影为： = 一d t g y c o s 罢 在，角改变时，加速度q = ( 鲁) 2 驴一半t 筹2 + 击万d 2 r + 丽d i d y 伪s i n 卅譬御2 c o s 妒 任一柱塞由于加速度a f 作用斜盘形成的支反力产生缸体的力矩： 研一2 一j 云品亏。0 8 仍 其中i 任一柱塞转角 _ 埘厂一柱塞的质量 各柱塞作用的合力矩 优。一器 a t 2 s i n 7 - 等c 争一击弱 2 。， 当斜盘不进行调节时，嘭= o m d ：z 国2 所一一_ 盂寿t g r 一9 9 9 m 因为惯性力只与柱塞转角伊有关，即只与t 有关，又如图1 2 所示坐标系中， 在i 、i v 象限，a 为+ x 方向，则惯性力为_ x ；同理在i i 、i i i 象限，a 为一x 方向， 惯性力为+ x 方向；所以惯性力矩沿+ x 方向。 4 4 3 4 柱塞向心力加速度所产生的离心力矩 m 出2 m z d g y 21 8 1 7 n m 在如图1 2 所示坐标系中，在i ，i v 象限，柱塞重心偏向一x 轴，而在i i ，i i i 象限柱塞重心偏向+ x 轴，故该力矩一定是沿z 轴负向。 4 4 3 5 闭死区对缸体产生的力矩 因为配流盘有闭死区，配油盘的对称性遭到破坏，使柱塞在上死点发生变化， 产生m ：力矩。( t y e a 产生的力矩很小，可以忽略) m ，m - - 鍪s i n - 挚( e , , 一e o ) = - 3 4 , 9 6 n m 式中p 为闭死区包角。该力矩沿+ z 方向。 4 4 3 6 计算合力矩和中心弹簧大小 令：所“= 肌p m f m ：= 肼p + m p t z + m 口= 一2 6 7 8 n 肼 则缸体总力矩：脚= 所二+ 坍； 中心弹簧力为：f s = m r = 7 6 0 3 n 其中：r ，为缸体对磨面外缘半径。 通过缸体及配流盘结构尺寸以及中心弹簧刚度的调整，使缸体受到的合力矩 约为零一从而使缸体在高速高压的工况下平稳工作，提高液压泵的使用寿命。 第五章集成控制机构的分析 奉j l 基本功能恒压恒流量控制 图1