轴向柱塞泵设计

1、攀枝花学院毕业设计 摘要攀枝花学院本科毕业设计（论文）轴向柱塞泵设计学生姓名： 学生学号： 院（系）： 机电工程学院 年级专业： 指导教师： 攀枝花学院毕业设计 摘要摘要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油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

2、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,对今后的发展也进行了展望.关键词关键词: 柱塞泵,液压系统,结构型式,今后发展.攀枝花学院毕业设计 abstractabstractliquids pressing a pump is the motive component of oil liquid which presses system to provide certain discharge and pressure toward the liquid, it is each core component that the liquid presses

3、the indispensability in the system, reasonable of choice liquids pressing a pump can consume a exaltation the efficiency of the system to lower a zao voice an improvement work function and assurance system for liquid pressing system of of dependable work all very importantthis design filled a pump t

4、o carry on toward the pillar to the stalk analytical, mainly analyzed stalk to fill the classification of pump toward the pillar, as to its win of structure, for example, the pillar fill of the slippery xue structure pattern of the structure pattern went together with the oil dish structure patterns

5、 etc. to carry on analysis and design, also include their is analyze by dint with calculation.the material which still has a body to the urn chooses in order to and school pit very key;finally measure an organization classification towards change, the pattern also carried on detailed analysis and co

6、mpared their advantage and weakness.that design end filled the merit and shortcoming of pump to carry on whole analysis toward the pillar to the stalk and also carried on an outlook to aftertimes development.keyword: the pillar fills a pump, the liquid presses system, structure pattern, will develop

7、 from now on.攀枝花学院毕业设计 目录- 1 -目目 录录摘摘 要要 abstract 绪论绪论41 1 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 61.1 直轴式轴向柱塞泵工作原理直轴式轴向柱塞泵工作原理 61.2 直轴式轴向柱塞泵主要性能参数直轴式轴向柱塞泵主要性能参数 61.2.3 排量流量与容积效率 7 1.2.2 扭矩与机械效率.8 1.2.3 功率与效率 92 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 102.12.1 柱塞运动学分析柱塞运动学分析102.1.1 柱塞行程 s 112.1.2 柱塞运动速度分

8、析 v 122.1.3 柱塞运动加速度 a 132.2 滑靴运动分析滑靴运动分析 142.3 瞬时流量及脉动品质分析瞬时流量及脉动品质分析 15 2.3.1 脉动频率 152.3.2 脉动率163 3 柱塞受力分析与设计柱塞受力分析与设计173.13.1 柱塞受力分析柱塞受力分析173.1.1 柱塞底部的液压力17bp3.1.2 柱塞惯性力18 3.1.3 离心反力18tp3.1.4 斜盘反力 n 193.1.5 柱塞与柱塞腔壁之间的接触应力和 201p2p3.1.6 摩擦力和201fp2 fp3.2 柱塞设计柱塞设计 213.2.1 柱塞结构型式223.2.2 柱塞结构尺寸设计23攀枝花学院

9、毕业设计 目录- 2 -3.2.3 柱塞摩擦副比压 p比功验算23vp4 滑靴受力分析与设计滑靴受力分析与设计254.1 滑靴受力分析滑靴受力分析 254.1.1 分离力264.1.2 压紧力27yp4.1.3 力平衡方程式274.2 滑靴设计滑靴设计 284.2.1 剩余压紧力法284.34.3 滑靴结构型式与结构尺寸设计滑靴结构型式与结构尺寸设计294.3.1 滑靴结构型式294.3.2 结构尺寸设计 315 配油盘受力分析与设计配油盘受力分析与设计 325.1 配油盘受力分析配油盘受力分析 325.1.1 压紧力33yp 5.1.2 分离力 34fp5.2 配油盘设计配油盘设计 355.

10、2.1 过渡区设计35 5.2.2 配油盘主要尺寸确定375.2.3 验算比压 p比功 pv 386 6 缸体受力分析与设计缸体受力分析与设计40 6.16.1 缸体的稳定性缸体的稳定性40 6.26.2 缸体主要结构尺寸的确定缸体主要结构尺寸的确定40 6.2.1 通油孔分布圆半径和面积 f 40fr 6.2.2 缸体内外直径的确定 421d2d6.2.3 缸体高度 h 437 7 柱塞回程机构设计柱塞回程机构设计448 8 斜盘力矩分析斜盘力矩分析 468.1 柱塞液压力矩柱塞液压力矩 461m8.2 过渡区闭死液压力矩过渡区闭死液压力矩46 8.2.1 具有对称正重迭型配油盘46 8.2

11、.2 零重迭型配油盘478.2.3 带卸荷槽非对称正重迭型配油盘47攀枝花学院毕业设计 目录- 3 - 8.3 回程盘中心预压弹簧力矩回程盘中心预压弹簧力矩 483m8.4 滑靴偏转时的摩擦力矩滑靴偏转时的摩擦力矩 484m8.5 柱塞惯性力矩柱塞惯性力矩 485m 8.6 柱塞与柱塞腔的摩擦力矩柱塞与柱塞腔的摩擦力矩496m 8.7 斜盘支承摩擦力矩斜盘支承摩擦力矩497m 8.8 斜盘与回程盘回转的转动惯性力矩斜盘与回程盘回转的转动惯性力矩508m 8.9 斜盘自重力矩斜盘自重力矩509m9 变量机构变量机构51 9.1 手动变量机构手动变量机构519.2 手动伺服变量机构手动伺服变量机构

12、53 9.3 恒功率变量机构恒功率变量机构55 9.4 恒流量变量机构恒流量变量机构56结论结论 57参考文献参考文献58致谢致谢 59攀枝花学院毕业设计 绪论 4绪论绪论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

13、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统中。是飞机上所用的液压泵中最主要的一种型式。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

14、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、

15、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。攀枝花学院毕业设计 绪论 5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

16、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。柱塞式液压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。攀枝花学院毕业设计 1 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 61 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数11 直轴式轴向柱塞泵工作原理直轴式轴向柱塞泵工作原理直轴式轴向柱塞泵主要结构如图 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，迫使柱塞在柱塞腔内作直线往复运动。

17、如果缸体按图示 n 方向旋转，在范围内，柱塞由下死点(对应位置)开始180360180不断伸出，柱塞腔容积不断增大，直至上死点(对应位置)止。在这过程中，0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，在范围内，柱塞在斜盘约束下由上死点开始不断进入0180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。由此可见，缸体每转一跳各个往塞有半周吸油、半周排油。如果缸体不断旋转，泵便连续地吸油和排油。图 1.1 直轴式轴向柱塞泵工作原理1.2 直轴式轴向柱塞泵主要性能参数直轴式轴向柱塞泵主要性能参

18、数给定设计参数最大工作压力 max40pmpa额定流量 =100l/minq攀枝花学院毕业设计 1 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 7最大流量 max200 /minql额定转速 n=1500r/min最大转速 max3000 /minnr1.2.11.2.1 排量排量流量与容积效率流量与容积效率轴向柱塞泵排量是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出油液的容积，即bq 2maxmax4bxxqf szd sz =2(19.50.2)(19.50.22)94p 0.84(l)不计容积损失时，泵的理论流量为tbq2max4tbbbxbqq nd szn =0.841500 =1260(l)式中 柱塞

19、横截面积；xf 柱塞外径；xd 柱塞最大行程；maxs z柱塞数； 传动轴转速。bn泵的理论排量 q 为 （ml/r）10001000 10070.2.15000.95vqqnh=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： 13max.pnqc 13300070.220660pc=式中是常数，对进口无预压力的油泵=5400；对进口压力为 5kgf/cm 的油pcpc攀枝花学院毕业设计 1 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 8泵=9100，这里取=9100 故符合要求。pcpc 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。

20、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。从泵的排量公式中可以看出，柱塞直径分布圆直径24bxfqd d ztgzd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也fdbn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，该设计max1520是通轴泵，受机构限制，取下限，即。15go=泵实际输出流量为gbq =100-3=97（ml/min）gbtbbqqq式中为柱塞泵泄漏流量。bq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

21、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。泵容积效率定义为实际输出流量与理论流量之比，即 vbgbqtbq =gbvbtbqq9797%100=轴向柱塞泵容积效率一般为=0.940.98，故符合要求。b1.2.21.2.2 扭矩与机械效率扭矩与机械效率 不计摩擦损失时，泵的理论扭矩为tbm =2bbtbp qm66120.84 101.6 10 (. )2n mp=式中为泵吸排油腔压力差。bp考虑摩擦损失时，实际输出扭矩为bmgbm =gbtbbmmm6661.6 100.2 101.8 10 (. )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与斜盘平面

22、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与实际输出扭矩之比，即tbmgbm攀枝花学院毕业设计 1 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 96611.6 1088.9%1.8 101tbtbmbbgbtbbfbmmmmmmmh=+1.2.31.2.3 功率与效率功率与效率不计各种损失时，泵的理论功率tbn=2tbbtbbgbnp qn m6150021.8 10283()60kwp=泵实际的输入功率为brn =122brbgbbtbmbnn mn m61500121.6 10282()600.889kwp= 泵实际的输出功率为bcn =3bcbgbbt

23、bbnp qp qgh=63 1.6 10954267()kw=定义泵的总 效率为输出功率与输入功率之比，即bcnbrn = 12btbbbcbbmbbrtbmbp qnnmgghhh hph=0.8890.970.86=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=0.850.9,上式满足要求。bh攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析102 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析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，

24、使柱塞轴线上任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转运动，此运动使柱塞的磨损和润滑趋于均匀，是有利的。2.12.1 柱塞运动学分析柱塞运动学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础。2.1.12.1.1 柱塞行程柱塞行程 s 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，缸体或柱塞旋转角为 a，并以柱塞腔容积最大时的上死点fr位置为，则对应于任一旋转角 a 时，0图 2.1 柱塞运动分析 攀枝花学院

25、毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析11 cosffhrra=-所以柱塞行程 s 为 1(1cos)shtgrtggg=-当时，可得最大行程为180ao=maxs max2ffsr tgd tggg=3918039()tgmmo=2.1.2 柱塞运动速度分析柱塞运动速度分析 v将式对时间微分可得柱塞运动速度 v 为1(1 cos)shtgrtg .sinssaftatdddrtgaddduw g=当及时，可得最大运动速度为90a270sin1a max max150019.52 . 15819(/ )60frtgtgmm suw gpo=式中为缸体旋转角速度， 。watw=2.1

26、.3 柱塞运动加速度柱塞运动加速度 a将对时间微分可得柱塞运动加速度 a 为.sinssaftatdddrtgaddd 2.cosaftatdddartgaddd当及时，可得最大运动加速度为0a180cos1, maxa 2ma/ )60fartgm swgp=柱塞运动的行程 s速度 v加速度与缸体转角 a 的关系如图 2.2 所示。a攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析12 图 2.2 柱塞运动特征图2.2 滑靴运动分析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内的运动规律（如图 2.3） ，其运动轨

27、迹是一个椭圆。椭圆的长x o y 短轴分别为 长轴 239240.4()coscos15frbmmgo= 短轴 2239()farmm=设柱塞在缸体平面上 a 点坐标为 sincosffxrayra如果用极坐标表示则为矢径 222221coshfrxyrtga极角 (cos cos )arctga滑靴在斜盘平面内的运动角速度为x o y h攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析13 222coscoscossinhtddaaqwgwg=+由上式可见，滑靴在斜盘平面内是不等角速度运动，当时，最2a32h大（在短轴位置）为 maxcoshwwg=1500260162(/ )c

28、os15rad spo=当时，最小（在长轴位置）为0a h min1500cos2cos15152(/ )60hrad swwgpo=由结构可知，滑靴中心绕点旋转一周（）的时间等于缸体旋转一周o2的时间。因此，其平均旋转角速度等于缸体角速度，即 15002157(/ )60aprad swwp=2.3 瞬时流量及脉动品质分析瞬时流量及脉动品质分析柱塞运动速度确定之后，单个柱塞的瞬时流量可写成 2sintiztftqff rtga式中为柱塞横截面积， 。zf24zzfd泵柱塞数为 9，柱塞角距（相邻柱塞间夹角）为，位于220.79z排油区的柱塞数为，那么参与排油的各柱塞瞬时流量为0z 123si

29、nsin()sin(2 )tzftzftzfqf rtgaqf rtgaqf rtgaw gw gqw gq=+=+ 0sin(1) tzfqf rtgaz泵的瞬时流量为 120ttttzqqqq攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析14 0100sin(1)1sinsin()sinzzftzff rtgaizzazzf rtgz由上式可以看出，泵的瞬时流量与缸体转角 a 有关，也与柱塞数有关。/2/2/2/2图 2.3 奇数柱塞泵瞬时流量对于奇数柱塞，排油区的柱塞数为。oz当时，取=，由泵的流量公式可得瞬时流量为0azoz191522z += cos22sin2tzfa

30、zqf rtgz当时，取，同样由泵的流量公式可得瞬时流量为2azz012zz 3cos22sin2tzfazqf rtgz攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析15当 a=0时，可得瞬时流量的最小值为z2z min12sin2tzfqf rtgz奇数柱塞泵瞬时流量规律见图 23我们常用脉动率和脉动频率 f 表示瞬时流量脉动品质。定义脉动率 maxmintttpqqqd-=这样，就可以进行流量脉动品质分析。2.3.1 脉动频率脉动频率 当 z=9，即为奇数时 1500229450()60fnzhz=2.3.2 脉动率脉动率 当 z=9，即为奇数时 .()0.026%2429

31、49tgtgzzppppd=利用以上两式计算值，可以得到以下内容：表 2.1 柱塞泵流量脉动率由以上分析可知：（1） 随着柱塞数的增加，流量脉动率下降。（2） 相邻柱塞数想比，奇数柱塞泵的脉动率远小于偶数柱塞泵的脉动率。这就是轴向柱塞泵采用奇数柱塞的根本原因。 从中还可以看出，奇数柱塞中，当时,脉动率已小于 1%.因此,从泵13z z（%）613.4087.61104.89123.41142.61161.92攀枝花学院毕业设计 2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析16的结构考虑,轴向柱塞泵的柱塞数常取 z=7911. 泵瞬时流量是一周期脉动函数.由于泵内部或系统管路中不可避免地存在有液阻,

32、流量的脉动必然要引起压力脉动.这些脉动严重影响了输出流量品质,使系统工作不稳定,当泵的脉动频率与液压油柱及管路的固有频率相当,就产生了谐振的条件,谐振时压力脉动可能很高,这时系统的构件有极大的潜在破坏性.在一些极端情况下,几分钟之内管路或附件即可达到疲劳破坏极限.液压油的流量压力脉动在管路或附件中激励起高频率的机械震动将引起导致管路附件及安装构件的应力.液压泵的供压管路,一般是最容易受到破坏的部位.以上,对飞机液压系统尤其重要.在设计液压泵和液压系统时，要考虑采取措施抑制或吸收压力脉动，避免引起谐振。对于压力脉动的幅值，在航空液压标准中有严格的规定，例如航标变量泵通用技术条件 （hb58398

33、3）中规定：在任何情况下，压力脉动均不超过额定出口压力的。实际上的指标还是偏大，但由于制造工艺上10%10%的原因，压力脉动的指标还不能定的很严格，但降低泵的压力脉动无疑是今后液压技术发展的一种趋势。攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计173 3 柱塞受力分析与设计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。3.13.1 柱塞受力分析柱塞受力分析图 3.1 是带有滑靴的柱塞受力分析简图。 图 3.1 柱塞

34、受力分析作用在柱塞上的力有：3.1.1 柱塞底部的液压力柱塞底部的液压力bp柱塞位于排油区时，作用于柱塞底部的轴向液压力为bp 236max(20 10)40 1012560()44bxpd pnpp-=式中为泵最大工作压力。maxp3.1.2 柱塞惯性力柱塞惯性力bp攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计18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bp 2cos101()zbzfgpm artgangwg= -= -= -式中为柱塞和滑靴的总质量。zmzg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bp和时，惯性力最大值为0a18022

35、3max0.6150019.5 10215243()1060zbfgprtgtgngwgp-o=3.1.3 离心反力离心反力tp柱塞随缸体绕主轴作等速圆周运动，有向心加速度，产生的离心反力ta通过柱塞质量重心并垂直轴线，是径向力。其值为tp 2243907()15ztztfgpm arngtgwo=3.1.4 斜盘反力斜盘反力 n斜盘反力通过柱塞球头中心垂直于斜盘平面，可以分解为轴向力 p 及径向力 即0t cos12560cos1512132()sin12560sin153250()pnntnnggoo= 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bpt 则对主轴形成负

36、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。3.1.5 柱塞与柱塞腔壁之间的接触应力柱塞与柱塞腔壁之间的接触应力和和1p2p 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1p2p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。fp1p2p3.1.6 摩擦力摩擦力和和1fp2 fp柱塞与柱塞腔壁之间的摩擦力为fp攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计19 12()(201005823)0.12592.3()fpppfn=+=+=式中为摩擦系数，常取=0.050.12，这里取 0.1。f

37、f 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1p2p 0y 12sin0tnppp 000zm1202210212cos033202bszzt tnfpfpppllldp llplfpdfpplg-=-+-+-=式中 柱塞最小接触长度，根据经验=，这里取0l0l(1.52)d=78mm；0l2d 柱塞名义长度，根据经验=，这里取ll(2.73.7)d=117mm；0l3d 柱塞重心至球心距离， =tltl0l27857.620.4lmm-=-=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。2l根据相似原理有 1

38、max002max2pllpl又有 11max021()2ppll 2max 212zzppl d所以 2021222()llppl将式代入求解接触长度。为简化计算，2021222()llppl12sin0tnppp2l力矩方程中离心力相对很小可以忽略，得tp 2200020643678 1174783 0.1 397857.6()126612 11760.1 39678zzl llfd llmmlfdl-=- 攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计20 将式代入可得2021222()llppl12cos0bsnfpfppp 120221(sin) 1()1txpnplllg=+-31(5

39、7 10sin15122.5)120.1()2.557kno=+= 3222022sin57 10sin15122.55823()()(7857.6)11117txnppnlllgo+=-将以上两式代入可得0221021203322zzt tlllddp llplfpfppl-+-+-= 125601010.1 1.78 122.557()cossincos150.1 1.78sin15bbtppfpnknfjgjgoo+=-式中为结构参数。 2202222022()(7857.6)111171.78()(7857.6)11117xxllllllj-+=-3.2 柱塞设计柱塞设计3.2.1 柱

40、塞结构型式柱塞结构型式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：点接触式柱塞，如图 3.2（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。 线接触式柱塞，如图 3.2（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。 pv攀枝花学院毕业设计 3

41、柱塞受力分析与设计21 带滑靴的柱塞，如图 3.2（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。（a） ( b ) ( c ) 图 3.2 柱塞结构型式 图 3.3 封闭薄壁柱塞从图 3.2 可见，三种型式的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

42、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。因此，采用何种型式的柱塞要从工况条件性能要求整体结构等多方面权衡利弊，合理选择。航空液压泵通常采用图 3.3 所式的封闭壁结构。这种结构不仅有足够的刚度，而且重量减轻 10%20%。剩余无效容积也没有增加。但这种结构工艺比较攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计22复杂，需要用电子束焊接。3.2.23.2.2 柱塞结构尺寸设计柱塞结构尺寸设计 柱塞直径柱塞直径及柱塞分布塞直

43、径及柱塞分布塞直径zdfd柱塞直径柱塞分布塞直径和柱塞数 z 都是互相关联的。根据统计zdfd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%，即zdfd 0.75zfzdd由此可得 93.820.750.75fxdzmdpp=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mmm示。 z7911m3.13.94.5 表 3.1当泵的理论流量和转速根据使用工况条件选定之后，根据流量公式可得fbqbn柱塞直径为zd 3420.3tbzbqdm zn tgpg=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,应选取 20mm.zd柱塞直径确定后，应从满足

44、流量的要求而确定柱塞分布圆直径，即xdfd 241.9539tbfxbqddmmd tg znpg= 柱塞名义长度柱塞名义长度 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，一般取：0l 20bpmpa0(1.41.8)zld 30bpmpa0(22.5)zld因此，柱塞名义长度 应满足：l 0maxminllsl+攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计23式中 柱塞最大行程；maxs 柱塞最小外伸长度，一般取。minlmin0.27.8zldmm=根据经验数据，柱塞名义长度常取： 20bpmpa(2.73.5)zld 30

45、bpmpa(3.24.2)zld这里取3117ldmm= 柱塞球头直径柱塞球头直径1d按经验常取，如图 3.4 所示。1(0.70.8)zdd 图 3.4 柱塞尺寸图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。dl(0.40.55)dzld=0.519.5dzldmm= 柱塞均压槽柱塞均压槽 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=0.30.7mm；间距t=210mm实际上，由于柱塞受到的径向力很大，均压槽的作用并不明显，还容易滑伤缸体上柱塞孔壁面。因此，目前许多高压柱

46、塞泵中的柱塞不开设均压槽。3.2.33.2.3 柱塞摩擦副比压柱塞摩擦副比压 pp比功比功验算验算vp攀枝花学院毕业设计 3 柱塞受力分析与设计24 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 31max312220.1 10213039 1020.4zppmpapmpad l-=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maxv 3max19.5 104.6615100.55/8/fvrtgtgm svm sw go-=由此可得柱塞缸体摩擦副

47、最大比功为maxmaxpv 1maxmax1221 0.5511.55./60./fzppvrtgmpa m spvmpa m sd lw g= 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 p v pv定，可参考表 3.2。 材料牌号许用比压 p（mpa）许用滑动速度 v（m/s）许用比功 pv（mpa.m/s）zqal9430860zqsn10115320球磨铸铁10518表 3.2 材料性能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。攀枝花学院毕业

48、设计 4 滑靴受力分析与设计 254 滑靴受力分析与设计滑靴受力分析与设计 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，经柱塞中心孔和滑靴中0d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，0d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。4.1 滑靴受力分析滑靴受力分析 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yp1d力与滑靴封油带上油液泄漏时油

49、膜反力，二者力图使滑靴与斜盘分离开，1fp2fp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，fp形成静压油垫。下面对这组力进行分析。4.1.1 分离力分离力fp 图 111 为柱塞结构与分离力分布图。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 31221()6ppqrlnr若，则0zp 31216pqrlnr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r212221ln()lnrrrpppprr若，则0zp 攀枝花学院毕业设计 4 滑靴受力分析与设计 262121lnlnrrrpprr从上式可以看出，封油带上压力随半径增

50、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。fp 图 4.1 滑靴结构及分离力分布如图 4.1，取微环面，则封油带分离力为2rrd2fp 22221221111212()2lnrfrrrpppdrrp rrr油池静压分离力为1fp攀枝花学院毕业设计 4 滑靴受力分析与设计 27 2111fpr p总分离力为fp 22252112121()(1411)20.16 10 ()142ln2ln11fffrrppppknrrpp-=+=4.1.2 压紧力压紧力yp滑靴所受压紧力主要由柱塞底部液压力引起的，即bp 21256013()cos4coscos15bbyzpppdknpggo=4.1

51、.3 力平衡方程式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 yfpp 22221121()4cos2lnbzprrdprr即 22112221ln2()coszbrdprprr将上式代入式中，得泄漏量为31216pqrlnr 32333 2227226210.00120.1 10(39 10)3( /min)12 ()cos122 10(1411 ) 10cos15bzp dqlrrpdpmg-o=- 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

52、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。攀枝花学院毕业设计 4 滑靴受力分析与设计 284.2 滑靴设计滑靴设计滑靴设计常用剩余压紧力法。4.2.1 剩余压紧力法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还是滑靴中心孔，均不起节流0d0d作用。静压油池压力与柱塞底部压力相等，即1pbp =1pbp 将上式代入式中，可得滑靴分离力为22112221ln2()coszbrdprprr 2222621121()(1411 )10125603.1()142ln2ln11brrppnrr设剩余

53、压紧力，则压紧系数yyfppp ，这里取 0.1。0.050.15yypp滑靴力平衡方程式即为 (1)(1 0.1) 3.12.79()fyppn用剩余压紧力法设计的滑靴，油膜厚度较薄，一般为 0.0080.01mm 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。4.34.3 滑靴结构型式与结构尺寸设计滑靴结构型式与结构尺寸设计4.3.1 滑靴结构型式滑靴结构型式滑靴结构有如图 4.2 所示的几种型式。图中（a）所示为简单型，静压油池

54、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。 攀枝花学院毕业设计 4 滑靴受力分析与设计 29 图 4.2（a）图中（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 4.2（b）图中（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攀枝花学院毕业设计 4 滑靴受力分析与设计 30液阻。从而实现滑靴油膜的静压支承。 图 4.2（c） 滑靴结构型式 4.3.2 结构尺寸设计结构尺寸设计 下面以简单型滑靴为例，介绍主要结构尺寸的选择和计算。 滑靴外径2d 滑靴在斜盘上的布局，应使倾角时，互相之间仍

55、有一定的间隙 s，如图04.3 所示。 滑靴外径为2d 2sin39 sin0.24()9fddsmmz一般取 s=0.21，这里取 0.2。 油池直径 1d 初步计算时，可设定，这里取 0.8.120.60.8dd 120.80.8 43.2ddmm 中心孔及长度0d0d0l 如果用剩余压紧力法设计滑靴，中心孔和可以不起节流作用。为改善0d0d加工工艺性能，取攀枝花学院毕业设计 4 滑靴受力分析与设计 31 （或）=0.81.5mm 0d0d 如果采用静压支承或最小功率损失法设计滑靴，则要求中心孔 （或）0d0d对油液有较大的阻尼作用，并选择最佳油膜厚度。节流器有00.010.02mm以下两

56、种型式： / 图 4.3 滑靴外径的确定2d（a） 节流器采用节流管时，常以柱塞中心孔作为节流装置，如图 4.1 所0d示。根据流体力学细长孔流量 q 为 4010()128bdppql k式中 细长管直径长度；0d0l k修正系数； 00164xr dkl 160112.62xd r 010.065xd r 2.28010.065xd r攀枝花学院毕业设计 4 滑靴受力分析与设计 32把上式代入滑靴泄漏量公式可得31216pqrlnr 43011201()1286 lnbdppprl kr整理后可得节流管尺寸为 代入数据可以求得43020112816lnbdkaprlar=1 0dmm08l

57、mm 式中为压降系数，。当时，油膜具有最大刚度，承载能力a1bpap20.6673a 最强。为不使封油带过宽及阻尼管过长，推荐压降系数=0.80.9，这里取a0.8。（b） 节流器采用节流孔时，常以滑靴中心孔作为节流装置，如图 4.1 所示。0d根据流体力学薄壁孔流量 q 为 2012()4bdgqcppr式中 c 为流量系数，一般取 c=0.60.7。把上式代入中，有31216pqrlnr 23011212()46 lnbdpgcpprrr整理后可得节流孔尺寸 代入数据可以求得3202121.213 lnbadprgacrr 01dmm 以上提供了设计节流器的方法。从上两式中可以看出，采用节

58、流管的柱塞滑靴组合，公式中无粘度系数，说明油温对节流效果影响较小，但细长孔的攀枝花学院毕业设计 4 滑靴受力分析与设计 33加工工艺性较差，实现起来有困难。采用滑靴中心孔为薄壁孔节流，受粘度系数的影响，油温对节流效果影响较大，油膜稳定性也要差些。但薄壁孔加工工艺性较好。为防止油液中污粒堵塞节流器，节流器孔径应。0.4mm攀枝花学院毕业设计 5 配油盘受力分析与设计 345 配油盘受力分析与设计配油盘受力分析与设计 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。5.1 配油盘受力分析配油盘受力分析不同类型的轴向

59、柱塞泵使用的配油盘是有差别的，但是功用和基本构造则相同。图 5.1 是常用的配油盘简图。液压泵工作时，高速旋转的缸体与配油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yp体的分离力。fp1吸油窗 2排油窗 3过度区 4减振槽 5内封油带 6外封油带 7辅助支承面 图 5.1 配油盘基本构造 5.1.1 压紧力压紧力yp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油盘上。 对于奇数柱塞泵，当有个柱塞处于排油区时，压紧力为1(1)2z 1yp 攀枝花学院毕业设计 5 配油盘受力分析与设

60、计 352261max19 1.39101256024150()2424yzbyzpd ppn当有个柱塞处于排油区时，压紧力为1(1)2z 2yp 2262min19 1.39101256019320()2424yzbyzpd ppn平均压紧力为yp 1211()(24150 19320)21735()22yyypppn5.1.2 分离力分离力fp 分离力由三部分组成。即外封油带分离力，内封油带分离力，排油1fp2fp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。实际包角比配油盘油窗包角有所扩大，如图 5.2 所0示。当有个