9--10SCY14轴向柱塞泵设计

10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计I10SCY手动变量柱塞泵结构设计第1章绪论随着中国综合国力的增强,中国经济也得到了飞速发展,在纷繁复杂的国际环景中发展并不容易,很多关键技术受到国外封锁,而液压系统也是其中一项,很多国内知名企业如三一重工,中联重科都还在进口国外液压成套系统,很大一部分利润被分走。工业技术的不断发展，对液压元件的需求也越来越广。而作为液压传动系统不可或缺的液压泵就显得尤为重要了。只有在结构和技术上不断的开拓创新，我国轴向柱塞泵技术和产品一定可以上一个新台阶,我相信,随着国力的增强,国家对自我创新力和研发力度加大,中国的液压技术水平会越来越强,在关键技术上也会得到更大的突破,摆脱国外技术封锁,让国内的液压技术走在世界前列。1.1选题的背景及意义轴向柱塞泵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。随着高科技的发展，现在机械对小型化、高效率的要求越来越高，而液压传动，随着现在加工工艺、信息化的发展，其缺点也越来越完善，而泵是液压传动的核心。1.2轴向柱塞泵概述柱塞泵是液压系统中重要的动力元件和执行元件，广泛地应用在工业和农业机械。柱塞式液压泵是依靠若干个柱塞在缸体柱塞孔内做往复远动使密闭工作容积发生变化来实现吸油和压油的。由于密闭工作容积是由缸体中若干个柱塞和缸体内柱塞孔构成，且柱塞和缸体内柱塞孔都是圆柱表面，其加工精度容易保证，它具有重量轻、结构紧凑、密封性好、工作压力高，在高压下仍能保持较高的容积率和总效率，SCY14柱塞泵的工作压力可以达到32MPa，容易实现变量等优点；其缺点是对液压工作介质的污染较敏感、滤油精10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计II度要求高、结构复杂、加工精度、日常维护要求比较高、价格比较便贵。而柱塞泵分为轴向和径向。1.3轴向柱塞泵研究现况我国现在在液压传动的发展起步晚，但是，随着我国工业化的崛起，我们国家液压传动得到一定的发展，但是小型化和高压、高速的液压泵需要进一步发展，我们国家自仿造德国设计了CY14系列柱塞泵，而柱塞泵在大型机械应用广泛，其稳定性和噪音等这些需要进一步改进，在工业化发展的过程中，我们国家应该重视基础科学研究，从而提出更科学的泵的设计方案和原理。1.4直轴式轴向柱塞泵的工作原理柱塞泵是液压系统的一个重要装置。它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点，被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合，诸如液压机、工程机械和船舶中。柱塞泵是往复泵的一种，属于体积泵，其柱塞靠泵轴的偏心转动驱动，往复运动，其吸入和排出阀都是单向阀。当柱塞外拉时，工作室内压力降低，出口阀关闭，低于进口压力时，进口阀打开，液体进入；柱塞内推时，工作室压力升高，进口阀关闭，高于出口压力时，出口阀打开，液体排出。当传动轴带动缸体旋转时，斜盘将柱塞从缸体中拉出或推回，完成吸排油过程。柱塞与缸孔组成的工作容腔中的油液通过配油盘分别与泵的吸、排油腔相通。变量机构用来改变斜盘的倾角，通过调节斜盘的倾角可改变泵的排量。10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计III1-斜盘2-回程盘3-滑靴4-柱塞5-缸体6-配油盘7-传动轴图1-1直轴式轴向柱塞泵工作原理第2章总体设计与分析2.1主要性能参数分析10SCY14-1B手动变量轴向柱塞泵参数如下：最大工作压力max31.5PMPa公称排量010/Qmlr额定流量Q=15L/min最大流量max21/minQL额定转速n=1500r/min2.1.1排量﹑流量与容积效率轴向柱塞泵排量bq是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出油液的容积，即2maxmax4bXxqFsZdsZ10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计IV=2(19.50.2)(19.50.22)94≈10ml不计容积损失时，泵的理论流量tbQ为2max4tbbbxbQqndsZn=0.01×1500=15(L)式中xF—柱塞横截面积；xd—柱塞外径；maxs—柱塞最大行程；Z—柱塞数；bn—传动轴转速。泵的理论排量q为100010001510.53.15000.95vQqn（ml/r）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pC是常数，对进口无预压力的油泵pC=5400；对进口压力为5kgf/cm的油泵pC=9100，这里取pC=9100故符合要求。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max15～20，该设计是通轴泵，受机构限制，取下限，即15gO=。泵实际输出流量gbQ为gbtbbQQQ=15-0.5=14.5（ml/min）式中bQ为柱塞泵泄漏流量。泵容积效率VB定义gbQ与tbQ之比，即10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计VgbVBtbQQ=14.596.7%15轴向柱塞泵容积效率一般为b=0.94～0.98，故符合要求。2.1.2扭矩与机械效率不计摩擦损失时，泵的理论扭矩tbM为2bbtbpqM=121019.1(.)2Nm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gbtbbMMM=19.1221.1(.)Nm泵的机械效率定义为理论扭矩tbM与实际输出扭矩gbM之比，即119.190.52%21.11tbtbmbbgbtbbfbMMMMMMM2.1.3功率与效率不计各种损失时，泵的理论功率tbN2tbbtbbgbNpQnM=1500221.13.31()60kw泵实际的输入功率brN为122brbgbbtbmbNnMnM=15001219.13.31()600.905kw泵实际的输出功率bcN为bcbgbbtbbNpQpQ=319.114.52.5()kw定义泵的总效率为输出功率bcN与输入功率brN之比，即12btbbbcbbmbbrtbmbpQNNM=0.9050.9670.87510SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计VI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bh=0.85～0.9,上式满足要求。2.2柱塞运动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。即分析柱塞和缸体间的运动学关系。2.2.1柱塞行程S图2.1是一般带滑靴的轴向柱塞运动分析图。以柱塞腔容积最大时的上死点位置为0，分析任一旋转角a时的运动关系。（斜盘倾斜角为，柱塞分布圆半径为fR，缸体或柱塞旋转角为a)图2.1柱塞运动分析cosffhRRa=-所以柱塞行程S为1(1cos)shtgRtggg==-当180aO=时，可得最大行程maxs为max2ffsRtgDtggg==3918039()tgmm2.2.2柱塞运动速度分析v10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计VII将式1(1cos)shtgRtg对时间微分可得柱塞运动速度v为.sinssaftatdddRtgaddduwg===当90a及270时，sin1a，可得最大运动速度max为max150019.52.15819(/)60fRtgtgmms式中w为缸体旋转角速度，atw=。2.2.3柱塞运动加速度a将.sinssaftatdddRtgaddd对时间微分可得柱塞运动加速度a为2.cosaftatdddaRtgaddd当0a及180时，cos1,可得最大运动加速度maxa为2max15008192129(/)60faRtgms柱塞运动的行程s﹑速度v﹑加速度a与缸体转角a的关系如图2.2所示。图2.2柱塞运动特征图10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计VIII2.3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xoyⅱ?内的运动规律（如图2.3），其运动轨迹是一个椭圆。椭圆的长﹑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(coscos)arctga滑靴在斜盘平面xoy内的运动角速度h为222coscoscossinhtddaaqwgwg==+由上式可见，滑靴在斜盘平面内是不等角速度运动，当2a﹑32时，h最大（在短轴位置）为maxcoshwwg==1500260162(/)cos15rads当0a﹑时，h最小（在长轴位置）为min1500cos2cos15152(/)60hrads由结构可知，滑靴平均旋转角速度等于缸体角速度，即15002157(/)60aprads10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计IX第3章主要零部件设计3.1柱塞设计3.1.1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：点接触式柱塞、线接触式柱塞、带滑靴的柱塞。这三种形式的柱塞分别如图2-1(a)、（b）、（c）所示，由于点接触的接触应力大，柱塞头部容易破坏，不能承受过高的载荷，寿命较低，现在已经很少用到，而线接触有一点的润滑能力，同时可以承受一定的载荷，但是SCY14是高压泵，承载载荷大，所以不适用，故选择带带滑靴的柱塞。图2-1柱塞结构型式目前柱塞大多采用空心结构减小惯性力的同时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，要考虑液体可压缩性能的影响，泵容积效率会因为无效容积而降低，从而泵的压力脉动增加，影响调节过程的动态品质。综上，本设计选用图2-1（c）所示的型式。3.1.2柱塞结构尺寸设计10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计101）柱塞直径Zd及柱塞分布塞直径fD柱塞直径Zd﹑柱塞分布直径fD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Zd所占的弧长约为分布圆周长fD的75%，即0.75ZfZdD由此可得73.820.750.75fDZmd式中m为结构参数。m随柱塞数Z而定。对于轴向柱塞泵，其m值如表2-1所示。表2-1柱塞结构参数Z7911m3.13.94.5当泵的理论流量tbQ和转速bn根据使用工况条件选定之后，根据流量公式得柱塞直径Zd为.7mm214d3tgZnmQbtbZ（2-1）式中γ—斜盘最大倾角，取γ=20°对计算出的Zd结果进行圆整，并查按相应标准取Zd=22mm。柱塞直径d确定后，应从满足流量的要求而确定柱塞分布圆直径fD，即mmdZntgdQDZbZtbf4395.14（2-2）2）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0l，一般取：20bpMpa0(1.41.8)zld30bpMpa0(22.5)zld这里取mmdlz4420。10SCY14手动变量轴向柱塞泵结构设计11因此，柱塞名义长度l应满足：0maxminllsl式中