石景林柱塞泵的设计原理

1、PRINCIPLE OF PISTON PUMP柱塞泵结构原理设计主讲：石景压柱塞泵的设计一些问题一、柱塞运动学分析二、流量脉动三、困油问题四、柱塞滑靴的受力分析五、缸体的受力分析六、滑靴副的结构七、配流盘的结构八、配流盘和缸体的自位结构九、关键零部件的设计十、主要零件的材料与技术要求液压故障技术专家斜盘式柱塞泵的结构柱塞泵的结构一、柱塞运动学 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，即是分析柱塞运动的行程、速度和加速度。滑靴在绕主轴旋转（公转）过程中，由于离心力的作用，滑靴对于斜盘产生的压紧力（正压力）将会微微偏离滑靴的轴线。在此力所引起的摩擦力的作用下

2、，滑靴、柱塞在运动中会产生绕自身轴线的旋转运动（自转），转动的快慢取决于旋转摩擦力的大小。但柱塞的这种自转可以改善滑靴底部的润滑，对减小摩擦、改善磨损和提高效率均有利。液压故障技术专家二、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采用7或9个，有时小排量可采用5个 液压故障技术专家三、困油问题 为了保证密封，配油盘吸、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。柱塞在偏离斜盘的上、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、

3、排油槽的间隔角小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。 开设减振槽（阻尼槽、眉毛槽）或减振孔（阻尼孔） 液压故障技术专家配油盘的困油问题 配油盘的高低压转换的位置，如果没有开眉毛孔的话，在压力转换的瞬间，会有压力冲击，见右图。液压故障技术专家配油盘的困油问题 配油盘上增加了减振降噪的眉毛槽后，输出压力的脉动消失了，但是，高压油排出后，压力落差很大，也容易产生噪声。液压故障技术专家配油盘的困油问题 配油盘上增加了双向的减振降噪的眉毛槽后，输出压力的脉动消失了，而且，高压油排出后，压力落差趋于平缓，也会降低噪声。液压故障技术专家四、柱塞滑靴的受力分析1、柱塞的回程方式 1）辅助

4、泵供油强制回程 2）分散弹簧回程 3）中心弹簧回程 4）定间隙强迫回程 液压故障技术专家图中：6-柱塞滑靴的球头中心20-球铰的球心7-斜盘铰接的支点柱塞泵的分类 柱塞泵有通轴式和非通轴式泵。液压故障技术专家四、柱塞滑靴的受力分析液压泵的柱塞受力四、柱塞滑靴的受力分析液压马达的柱塞受力四、柱塞滑靴的受力分析 配油盘与柱塞和斜盘的对应位置： 当柱塞由斜盘的低位滑向斜盘的高位的时候，为柱塞腔的增压过程，当输出压力达到最大值的瞬间，柱塞应该在最高位置上，对应配油盘的位置，应该是配油盘的盲点。在盲点容易产生困油，为了避免困油，配油盘上面需要做一定的结构设计，例如渐变开口的油槽，俗称眉毛孔。液压故障技术

5、专家四、柱塞滑靴的受力分析 1，滑靴在工作时，必须紧贴止推表面（斜盘的上表面），滑靴上需要有一定的正压力，保持油膜润滑和密封，在液压泵中位的时候，中心回程弹簧必须克服以下诸力： a、柱塞滑靴组件快速往复运动的惯性力。 b、吸油真空造成对柱塞滑靴的拉拔力。在正常工作时，工作容腔内的吸油真空可取0.05MPa。 c、柱塞离心运动所产生的摩擦力。 e、弹簧克服外力后剩余的压紧力，产生轴向的预紧力，使滑靴紧贴斜盘，缸体紧贴配流盘，以免在吸排油过程中这两对摩擦副会有高低压力互通的现象。 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。液压故障技术专家四、柱塞滑靴的受力分析2、滑靴的

6、受力（确定集中弹簧力） 滑靴除承受来自柱塞球头中心的压力FN、弹簧力Fti和斜盘的垂直反力N外，还要承受离心力Fhl和摩擦力Fhu。 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液压故障技术专家四、柱塞滑靴的受力分析柱塞受力的立体分析受力四、柱塞滑靴的受力分析破坏力的分析四、柱塞滑靴的受力分析四、柱塞滑靴的受力分析液压故障技术专家四、柱塞滑靴的受力分析液压故障技术专家四、柱塞滑靴的受力分析滑靴回转轨迹柱塞滑靴受力3、柱塞滑靴组的受力分析1）离心力 Fhl2）液压力 FN3）轴向惯性力 Fr(较小，可以忽略）4）摩擦力 Fhu5）斜盘的垂直反作用力N6）回程盘压紧力（即是弹

7、簧压紧力） Fti液压故障技术专家四、柱塞滑靴的受力分析柱塞滑靴受力 液压故障技术专家四、柱塞滑靴的受力分析五、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 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。液压故障技术专

8、家缸体受力分析液压故障技术专家缸体受力分析 液压故障技术专家直轴式轴向柱塞泵的结构 柱塞与缸体 斜盘对柱塞的作用力： 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液压故障技术专家六、滑靴副的结构 两种设计思想：1、静压支承原理2、剩余压紧力原理液压故障技术专家六、滑靴副的结构1、静压支承原理 阻尼孔的直径要选得很小。这一方面增加了阻尼孔堵塞的可能性，同时也必须增大滑靴直径以获得必要的液压反推力。显然，这将加大柱塞分布圆直径，增加了泵的径向尺寸。液压故障技术专家2、剩余压紧力原理 采用剩余压紧力法来

9、设计滑靴，使滑靴底部的液压反推力等于柱塞对滑靴压紧力的95 液压故障技术专家滑靴的形式 液压故障技术专家七、配流盘的结构 通常按剩余压紧力法进行配流盘设计。反推力如过大，则缸体被推开，泵的容积效率大大降低；反推力过小，则配流盘磨损加剧。 辅助支承的形式: 热楔支承 动压支承 静压支承液压故障技术专家配油盘带有热楔支承液压故障技术专家配油盘动压楔形液压故障技术专家配油盘间歇注油配油盘液压故障技术专家八、配流盘和缸体的自位结构 泵的加工、装配误差可能造成缸体端面与配流盘不平行。对通轴式斜盘泵来讲，主轴的挠曲变形也有可能造成缸体倾斜。为了使缸体和配流盘能很好贴紧，在结构上可采用自位措施，使配流表面能

10、自动适应缸体端而的微量倾斜。 1、球面配流 2、浮动缸体 3、浮动式配流盘 液压故障技术专家八、配流盘和缸体的自位结构 1，球面配流 图示球面配油的结构，由于配油盘与缸体的结合面为球面，故称为球面配油。这种结构有自动回转定心的功能，称为自位特性，即使缸体相对回转轴线有略微的倾斜，仍能保持球面的密合接触。球面配油盘的加工比平面配油盘要复杂一些，因此就会价格贵一些。配油盘配油盘柱塞柱塞缸体缸体液压故障技术专家2，缸体浮动 浮动缸体 需要在每个缸体孔的底部安装一只过流套，过流套可以在缸体内压力的作用下，单独压紧在一个随着缸体旋转的，并开有配油孔的衬板5上，而衬板与配油盘贴合，在旋转的时候，缸体与过流

11、套实现相对浮动，实现自动补偿，防止泄漏。1配油盘，2缸体，3柱塞， 4传动轴，5衬板， 6过流套液压故障技术专家3，浮动式配油盘 配油盘2由一组连通套组合而成，并且可以与缸体的油孔相通。配油盘与后端盖之间保持一定的浮动间隙。当缸体发生轻微的倾斜时，配油盘紧贴缸体的同时也会产生微小倾斜。图中的三种配油盘，允许连通套与配油盘与后端盖有较大的配合间隙，可以是配油盘适度浮动又不会破坏密封。通常，在配油盘的吸油和排油侧各均匀装有2-3只连通套，以产生足够的压紧力使得配油盘紧贴缸体端面。连通套室中的油压对配油盘的轴向推力略大于缸体对配油盘的推力。这个不大的剩余推力通过缸体、主轴轴肩，由主轴上的轴承承受。液

12、压故障技术专家浮动配油盘1，缸体；2，配油盘；3，连通套；4，O形密封圈。a)球面连通套；b)薄刃连通套；c)O形圈结构的连通套液压故障技术专家八、配流盘和缸体的自位结构 液压故障技术专家九、关键零部件的设计1、缸体 a、 缸体的参数设计 确定斜盘倾角、柱塞直径、柱塞数量和柱塞分布园直径 b、根据驱动转矩设计泵轴直径（先估算 ） c、缸体的强度计算找最小壁厚：柱塞孔与缸体外圆之间的壁厚、 柱塞孔与缸体内圆之间壁厚，柱塞孔与柱塞孔之间的壁厚。液压故障技术专家九、关键零部件的设计 2、柱塞的设计 a、柱塞长度L 柱塞长度应等于柱塞的最小留缸长度L0、最小外伸长度和最大行程之和。最小留缸长度L0 与

13、泵的工作压力PH 有关，通常有： 当 PH 20 MPa 时， L0 = (1.51.8)D 当 PH 30 MPa 时， L0 = (2.02.5)D (式中D为柱塞直径） b、柱塞比压 和比功 的验算液压故障技术专家柱塞留缸尺寸 液压故障技术专家九、关键零部件的设计 3、压盘及斜盘尺寸的确定液压故障技术专家十、主要零件的材料与技术要求柱塞与缸体 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38

14、CrMoAlA等。液压故障技术专家十、主要零件的材料与技术要求 （一）柱塞 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HRC60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。液压故障技术专家十、主要零件的材料与技术要求 （二）缸体 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、12CrN

15、i3A或GCr15作基体而在柱塞孔处镶嵌铜套， 液压故障技术专家十、主要零件的材料与技术要求 （三）柱塞与缸体 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0.30.7（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。液压故障技术专家十、主要零件的材料与技术要求 （四）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