直轴式轴向柱塞泵毕业设计

辽宁工程技术大学毕业设计(论文)1前言液压传动技术是一种近代工业技术，可以借助导管向任一位传递动力；可以借助控制压力油液的流动实现对负载的预定控制；可以实现小型机械化；可以实现无冲击大范围的无极调速；可以远距离操纵确定运动部分的位置、运动方向的变换、增减速度；便于实现自动化等，因而适应现代机械的自动化发展，广泛应用于各个技术领域中，象飞行器、各种工作母机、建筑机械与车辆、塑料机械、起重机械、矿山机械和船舶等等，均使用着液压传动，而且应用日益广泛。由于液压技术自身的诸多优点，使得液压技术的发展速度非常惊人。尤其是近年来，液压设备的年增长率一直远远高于其它机械设备，许多机械设备的传动形式已逐渐被液压传动所取代。而液压泵是液压系统的动力元件，是液压系统中必不可少的一部分。若按液压泵的结构不同可将液压泵分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵。柱塞泵又分为轴向柱塞式和径向柱塞式。目前液压传动的高压化发展趋势，使柱塞泵尤其是轴向柱塞泵得到了相应的发展。王迪：轴向柱塞泵设计21轴向柱塞泵概述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。轴向柱塞泵具有结构紧凑、单位功率体积小、重量轻、工作压力高、容易实现变量等优点。这类泵多用于农林机械、起重运输设备、工程机械、船舶甲板机械、冶金设备、火炮和空间技术中。柱塞泵按其柱塞在缸体孔中排列方式不同，分为轴向泵和径向柱塞泵两类。轴向柱塞泵是指柱塞的轴线与传动轴的轴线平行或略有倾斜的柱塞泵，而径向柱塞泵的柱塞轴线与传动轴的轴线互相垂直。轴向柱塞泵分为直轴式和斜轴式两种。1.1直轴式轴向柱塞泵概况直轴式轴向柱塞泵是缸体直接安装在传动轴上，缸体轴线与传动轴的轴线重合，并依靠斜盘和弹簧使柱塞相对缸体往复运动而工作的轴向柱塞泵，亦称斜盘式轴向柱塞泵。斜盘式轴向柱塞泵的许用工作压力和转速都较高，变量性能优异，且结构紧凑，功率质量比大，容积效率高。斜盘式轴向柱塞泵由于泵轴和缸体的支承方式不同，又可分为通轴式和缸体支承式（非通轴式）。其中通轴泵的泵轴需要有足够的支承刚度，不仅要驱动缸体旋转，而且要保证在承受缸体传来的侧向力时不致出现过大的变形。而非通轴泵则在缸体的前端设置一个大直径的专用轴承装以直接承受侧向力，泵轴只用来传递转矩。相对于其他类型液压泵，该泵结构简单、体积小、无极变量、具有可逆性（可作泵，也可作马达）、压力高、噪音低（相对于斜轴式），效率高，制造成本较低，在我国使用较为广泛。1.2直轴式轴向柱塞泵的工作原理柱塞泵是液压泵的一种，故先叙述液压泵的基本工作条件。液压泵若正常工作，必须具备以下基本条件：1）存在密封容积并且发生变化。密封容积的变化是液压泵实现吸液和排液的根本原因。所以，这种泵又称为容积式液压泵。2）密封容积在变化过程中，分别与吸、排液腔相沟通。3）吸液腔与排液腔必须隔开，即不能同时相互沟通。辽宁工程技术大学毕业设计(论文)34）油箱内液体绝对压力必须不小于大气压力，这是容积式液压泵能吸液的外部条件。下面介绍直轴式轴向柱塞泵的工作原理：如图1-1所示，直轴式轴向柱塞泵的主要零件有斜盘15，柱塞5，缸体2，配油盘1和传动轴11等。斜盘15和配油盘1固定不动，缸体2固定在传动轴11上并通过轴承支撑在泵的壳体内。柱塞缸体沿圆周均匀分布有几个（一般为奇数个）平行于传动轴的柱塞孔，每个柱塞孔中都装有柱塞5，柱塞可在柱塞孔中自由滑动。配油盘1通过定位销固定在泵壳体底部，其上的腰形孔分别与泵体上的吸、排油孔相通。通过某种措施，可以保证每个柱塞的左端始终紧贴在斜盘表面上（允许柱塞与斜盘有相对滑动），并使柱塞缸体的右端面紧靠在配油盘上（允许两者之间有相对转动）。于是，柱塞处在最下端时，因伸出缸孔尺寸最短，柱塞右端面与缸孔内表面围成的密封工作容积为最小；当柱塞运行到最上端时，因伸出缸孔的尺寸最长，柱塞右端面与缸孔内表面围成的密封容积达最大。当传动轴从轴端看，沿逆时针方向旋转时，柱塞5自下向上回转的半周内，既要随转动缸体作圆周运动，又要逐渐往外伸出，使柱塞底部的密封容积不断增加，产生局部真空，低压油经泵吸油口、配油盘吸油窗孔吸入泵内。柱塞在自上而下半周内回转时，柱塞在作圆周运动的同时，还要逐渐向缸孔内缩回，使柱塞底部密封容积不断减小，高压油从配油盘的排油窗孔，泵排油孔进入系统。传动轴每转一转，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油和排油动作。泵轴11与缸体2为花键连接，驱动缸体旋转，使均布于缸体中的七个柱塞5绕泵轴轴线转动，每个柱塞头部有一滑靴6。中心弹簧8通过内套9、钢球16、压盘7将滑靴压紧于轴线成某一倾角并支撑于变量壳体13的斜盘15上。当缸体旋转时，柱塞随缸体转动的同时，相对缸体作往复运动，完成吸油和排油工作。中心弹簧8通过外套10将缸体压紧于配油盘1上，起预密封作用，同时又是使柱塞回程的加力装置。1.3直轴式轴向柱塞泵的主要性能参数本设计给定设计参数如下：额定工作压力32Mpa，理论流量34.5(l/min)和额定转速1500r/min。王迪：轴向柱塞泵设计4图1-1直轴式轴向柱塞泵Fig.1-1Straight-axisaxialplungerpump1.3.1压力液压泵的压力通常指泵的排液口排出液体所具有的相对压力值，常用单位为帕（Pa）。在液压泵中，常提到的压力油额定压力、最高压力和实际压力三种形式。额定压力是指根据试验标准规定，液压泵在正常工作条件下所允许的连续运转情况下的最大压力值，即液压泵铭牌标注的压力值（亦称公称压力），通常用Hp表示。最高压力是指根据试验标准规定，液压泵超过额定压力后所允许的短暂运转情况下的最大压力值，常用kp表示。显然，同一台泵的额定压力小于最高压力。液压泵的最高压力通常要受强度和密封条件的限制。实际工作压力是指液压泵在实际工作条件下，排液口所具有的具体压力值，简称为工作压力。通常所提液压泵的压力就是指实际工作压力。辽宁工程技术大学毕业设计(论文)51.3.2排量和流量液压泵的排量是指液压泵在没有泄漏情况下，传动轴每转一转所排出的液体体积，通常用Bq表示，其单位为L/r或mL/r。液压泵的排量仅取决于它的结构几何尺寸，而与泵的工作载荷和转速无关。液压泵的流量是指在单位时间内，液压泵所排出的液体体积,通常用BQ来表示，其单位为L/min或mL/min。液压泵的流量包括理论流量、泄漏流量和实际流量三种形式。液压泵的理论流量是指在没有泄漏情况下，单位时间内排出液体的体积，通常用BtQ表示。若液压泵的转速为Bn,则液压泵的理论流量为BBBtnqQ（1-1）图1-2泵的各种流量与工作压力之间关系曲线图Fig.1-2avarietyofpumpflowandtherelationshipbetweenworkstresscurve可见，液压泵的理论流量只与排量和转速有关，而与工作载荷是无关的。理论流量BtQ与工作压力p之间关系曲线如图1-2所示。液压泵的泄漏流量是指在压力差p的作用下，经泵零、部件之间隙泄漏掉的液体质量，通常用BQ表示。泄漏流量包括内漏和外漏两部分，内漏是由高压腔漏到低压腔部分，外漏是指高压腔的油液直接漏到回油管路中的部分。通常用泄漏系数L来表征液压泵的泄漏程度，其表达式为HBpQL（1-2）式中Hp——泵额定压力；王迪：轴向柱塞泵设计6L——泵泄漏系数。通常当液压泵的零件之间隙越大，工作压力越大，油液黏度越小，则液压泵泄漏流量就越大。液压泵是实际流量是指液压泵在实际具体工作情况（存在泄漏）下，单位时间内所排出的液体体积，通常BQ表示。在不加特殊说明情况下，液压泵的流量均指实际流量而言。实际流量、理论流量和泄漏流量三者关系为BBtBQQQ（1-3）此关系也可由图1-2看出。从图还可以看出，随着工作压力p的增加，实际流量BQ而下降，其主要原因是工作压力增加而泄漏流量也随着增加所致。1.3.3效率液压泵的效率是表征液压泵在能量转换过程中功率损耗的一个系数，可用B表示。液压泵的效率包括容积效率（记为BV）和机械效率（记为Bm）。液压泵的容积效率BV是指实际流量BQ与理论流量BtQ的比值，即BBHBtBBtBBtBtBBvnqLpQQQQQQQ11（1-4）可见，液压泵的容积效率Bv反映出泵容积损失大小，当泵的工作压力愈高，泄漏系数愈大，泵的排量愈小，转速愈低，零件之间隙愈大，油液黏度愈低，泵的容积效率就愈低，容积损失就愈大。液压泵的容积效率通常是指在额定压力和额定转速下的值。液压泵的机械效率Bm是指理论输入功率BitN（不包含机械磨损所消耗的功率）与实际输入功率BiN（包含因机械磨损消耗的功率）之比值，即BBtBimBitBiBitBmMMNNNNN(1-5)式中mN——机械磨损所消耗的机械功率；BitN——泵的理论输入功率；BiN——泵的实际输入功率；BitM——泵的理论输入力矩；BiM——泵的实际输入力矩；辽宁工程技术大学毕业设计(论文)7Bm——泵的机械效率。可见，泵的机械效率Bm能反映出泵的机械损失大小。液压泵的机械磨损主要体现在轴与轴承、轴与密封件和相对运动的零件之间，若它们之间的磨损愈大，导致机械功率损耗愈大，机械效率就愈低。液压泵的总效率B等于容积效率Bv与机械效率Bm的乘积，即BmBvB（1-6）1.3.4功率液压泵是将原动机输入的机械能转换成输出液体压力能的转换装置。体现机械能的重要参数是转矩和角速度，反映液体压力能的主要参数则是液体的压力和流量。在下面介绍的液压泵功率计算就要涉及到以上参数。液压泵的功率包括理论输入功率、理论输出功率、实际输入功率和实际输出功率。其中理论输入功率和理论输出功率是等价的，因为在理论上认为不存在任何泄漏。理论输出功率是指在不考虑泵容积损失前提下，输出液体所具有的液压功率，即BtBBQpNot（1-7）式中Bp——泵输出液体的压力，Pa；BtQ——泵的理论流量，sm/3；BtN——泵的理论输出功率，W。理论输入功率是指在不考虑泵机械损失前提下，泵所输入的机械功率，即BBtBitwMN（1-8）式中BtM——泵输入的理论转矩，Nm；Bw——泵的角速度，rad/s；BtN——泵的理论输入功率，W。实际输出功率是指在考虑泵的容积损失前提下，输出液体所具有的实际液压功率，即BBitBvBmBiBvBitBvBotBvBtBBBBNNNNQpQpNo（1-9）王迪：轴向柱塞泵设计8式中Bp——泵输出液体的压力，Pa；BQ——泵的实际流量，sm/3；Bv——泵的容积效率；Bm——泵的机械效率；B——泵的总效率；BotN——泵的理论输出功率，W；BitN——泵的理论输入功率，W；BiN——泵的实际输入功率，W。实际输入功率是指在考虑泵机械损失前题下，泵所输入的实际机械功率，即BBoBmBvBoBmBitBBmBtBBBiNNNwMwMN（1-10）式中BM——泵输入的实际转矩，Nm；Bw——泵的角速度，rad/s；Bm——泵的机械效率；Bv——泵的容积效率；B——泵的总效率；BitN——泵的理论输入功率，W；BoN——泵的实际输出功率，W；BiN——泵的实际输入功率，W。辽宁工程技术大学毕业设计(论文)92主要零部件的设计计算2.1缸体的设计2.1.1确定排量q2592.015005.3410001000vnQq(ml/r)(2-1)式中Q——泵的额定流量（l/min）；n——泵的额定转速（r/min）；v——容积效率，一般取98.0~85.0v，这里取92.0v。上述符号含义和单位适用本节始末。2.1.2确定RdZ和、、（1）由排量公式tan22ZRdq可知，如果增大，可以减小其它尺寸，但受力分析中已指出过，增大对柱塞的受力不利，通常18~15max，这里取16max。（2）ZdR、、的确定这三个参数是互相制约的，与结构类型有关。根据实践经验取定：一般半周型多取Z=7，通轴型多取Z=9，能使结构较为紧凑