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摘要
伴隨生產(chǎn)技術(shù)水平的提升，工業(yè)生產(chǎn)的各領(lǐng)域和科學(xué)實(shí)驗(yàn)部門正逐步采用高壓和超高壓液壓技術(shù)，對液壓泵的壓力也有了更高的要求。
首先對針對齒輪泵、葉片泵、柱塞泵。螺桿泵等的工作性能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、壓力范圍等內(nèi)容進(jìn)行了分析研究，確定高壓液壓泵方案采用柱塞泵的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計。對這種軸向柱塞，以給定的設(shè)計參數(shù)，以工作壓力40兆帕，額定流量100L/min、最大流量200L/min，進(jìn)行了對柱塞、滑靴、配油盤、缸體等零部件進(jìn)行了受力分析與設(shè)計，然后是對斜盤力矩的分析，最后是對變量機(jī)構(gòu)的選擇。
關(guān)鍵詞：液壓泵；柱塞泵；高壓
Abstract
With the improvement of production technology, and scientific experiments in the areas of industrial production sector is gradually using high-pressure and high pressure hydraulic technology, the pressure on the hydraulic pump also have higher requirements.
Aiming high pressure pump design, first for gear pumps, vane pumps, piston pumps. Performance screw pump, structural characteristics, pressure range, etc. were analyzed and finalized in the form of structural design of high-pressure piston pump. The most widely used of a piston pump is currently applied axial piston pump, it is compared with a gear pump and vane pump, the working pressure, rated flow, volumetric efficiency, ease of variables have some other aspects of life advantage.
After this paper that the axial piston, given the design parameters, in the working pressure of 40 MPa, rated flow 100L / min, maximum flow 200L / min, carried on the plunger, slipper, with oil pan, cylinders and other components were stress analysis and design, and is a moment of the swash plate analysis, and finally the elaboration of variable bodies.
Keywords: hydraulic pump; high pressure; piston pump
I
目錄
1 緒論 1
1.1課題研究背景及意義 1
1.1.1課題研究背景 1
1.1.2課題研究意義 2
1.2高壓液壓泵設(shè)計參數(shù) 2
2 液壓泵方案設(shè)計 3
2.1齒輪泵的主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 3
2.2葉片泵的主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 4
2.3柱塞泵的主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 5
2.4螺桿泵的主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 6
2.5 液壓泵方案確定 7
2.6 本章小結(jié) 7
3直軸式軸向柱塞泵工作原理與主要性能參數(shù)計算 8
3.1直軸式軸向柱塞泵工作原理 8
3.2直軸式軸向柱塞泵性能參數(shù) 9
3.3 本章小結(jié) 10
4 柱塞設(shè)計 11
4.1柱塞受力分析 11
4.1.1柱塞底部的液壓力Pb 11
4.1.2柱塞慣性力Pg 12
4.1.3離心反力Pt 12
4.1.4斜盤反力N 12
4.1.5柱塞與柱塞腔壁之間的接觸應(yīng)力P1和P2 12
4.1.6摩擦力P1f和P2f 13
4.2柱塞設(shè)計 14
4.2.1柱塞結(jié)構(gòu)型式 14
4.2.2柱塞結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 16
4.3 本章小結(jié) 18
5 滑靴受力分析與設(shè)計 19
5.1滑靴受力分析 19
5.1.1分離力pf 19
5.1.2壓緊力py 21
5.1.3力平衡方程式 21
5.2滑靴設(shè)計 21
5.3滑靴結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 22
5.3.1滑靴結(jié)構(gòu)型式 22
5.3.2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 23
5.4 本章小結(jié) 25
6 配油盤受力分析與設(shè)計 26
6.1配油盤受力分析 26
6.1.1壓緊力py 27
6.1.2分離力pf 27
6.2配油盤設(shè)計 30
6.2.1過渡區(qū)設(shè)計 30
6.2.2配油盤主要尺寸確定 30
6.2.3驗(yàn)算比壓p、比功pv 32
7 缸體設(shè)計 33
7.1缸體的穩(wěn)定性 33
7.2缸體主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定 34
7.2.1通油孔分布圓半徑Rf’和面積F 34
7.2.2缸體內(nèi)、外直徑D1、D2的確定 35
7.2.3缸體高度H 36
8 柱塞回程機(jī)構(gòu)設(shè)計 36
9 斜盤力矩分析 38
9.1柱塞液壓力矩M1 39
9.2過渡區(qū)閉死液壓力矩M2 40
9.3回程盤中心預(yù)壓彈簧力矩M3 40
9.4滑靴偏轉(zhuǎn)時的摩擦力矩M4 40
9.5柱塞慣性力矩M5 40
9.6柱塞與柱塞腔的摩擦力矩M6 41
9.7斜盤支承摩擦力矩M7 41
9.8斜盤與回程盤回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣性力矩M8 41
9.9 本章小結(jié) 42
10變量機(jī)構(gòu) 42
10.1手動變量機(jī)構(gòu) 43
10.2手動伺服變量機(jī)構(gòu) 44
11結(jié)論 46
致謝 47
參 考 文 獻(xiàn) 48
1 緒論
1.1課題研究背景及意義
1.1.1課題研究背景
液壓系統(tǒng)的作用為通過改變壓強(qiáng)增大作用力。一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油。液壓系統(tǒng)可分為兩類：液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)。液壓傳動系統(tǒng)以傳遞動力和運(yùn)動為主要功能。液壓控制系統(tǒng)則要使液壓系統(tǒng)輸出滿足特定的性能要求（特別是動態(tài)性能），通常所說的液壓系統(tǒng)主要指液壓傳動系統(tǒng)。液壓傳動是用液壓油作為傳遞能量的工作介質(zhì)，依靠液壓油的壓力能來傳遞運(yùn)動與動力的方式，是生活中非常常見的一種傳動方式。液壓傳動與機(jī)械傳動相比，是一種相對較新的技術(shù)，伴隨著液壓元件性能的日趨完善，液壓傳動技術(shù)在近四五十年的時間內(nèi)迅速的發(fā)展起來，得到了各國的普遍重視和廣泛應(yīng)用。
一個完整的液壓系統(tǒng)除了工作介質(zhì)，均由動力裝置、執(zhí)行裝置、控制與調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置四部分組成。其中動力裝置的代表元件是液壓泵，它是一種能量轉(zhuǎn)換元件，它把驅(qū)動電機(jī)輸出的機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩Mb和角速度ωb的乘積）轉(zhuǎn)換成輸?shù)揭簤合到y(tǒng)中油液的壓力能（壓力P b和流量Q b的乘積）。
液壓泵是靠一個或數(shù)個密封油腔容積的周期變化來進(jìn)行工作的，所以稱為容積式泵。液壓泵的類型很多，若按結(jié)構(gòu)分類，通常分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵三大類。柱塞泵是這三類泵中壓力最高的一類。 柱塞泵的工作原理是通過柱塞在缸體柱塞孔中往復(fù)的運(yùn)動，使密封的柱塞腔的工作容積發(fā)生變化，當(dāng)柱塞腔容積由小變大時，柱塞泵吸油；當(dāng)柱塞腔容積由大變小時，柱塞泵排油。柱塞泵與其他兩種液壓泵相比，在工作壓力、流量、容積效率、易于變量、使用壽命等方面均具有一定的優(yōu)勢，所以柱塞泵廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、交通運(yùn)輸機(jī)械以及航空航天、軍事等領(lǐng)域。軸向柱塞泵是柱塞泵中目前應(yīng)用的最為廣泛的一種，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、外形尺寸小、慣性小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但同時也是液壓領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、對工藝、材料要求較高的元件之一。
1.1.2課題研究意義
近年來，隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，工業(yè)生產(chǎn)的各領(lǐng)域和科學(xué)實(shí)驗(yàn)部門正逐步采用高壓和超高壓液壓技術(shù)，對于高壓和超高壓液壓技術(shù)的需求量也在日益擴(kuò)大，各工業(yè)生產(chǎn)部門對液壓技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性的要求越來越苛刻。由于提高液壓系統(tǒng)的工作壓力，可以減輕系統(tǒng)的重量和尺寸，所以航空部門的液壓系統(tǒng)一般都采用高壓和超高壓技術(shù)，據(jù)資料記載，液壓系統(tǒng)每減輕 1kg，則飛機(jī)結(jié)構(gòu)可減輕 3-15kg。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動力裝置，其壓力性能的高低直接影響整個液壓系統(tǒng)。因此，對于超高壓液壓泵的研制具有非常重要現(xiàn)實(shí)意義和廣闊前景。液壓泵泵正高壓化方向發(fā)展。
一般認(rèn)為當(dāng)液壓泵的工作壓力超過 31.5MPa 時，通常稱為超高壓液壓泵，目前，齒輪泵和葉片泵由于自身?xiàng)l件的限制只能用于中低壓的系統(tǒng)，不能作為超高壓泵使用。在容積式液壓泵中，只有柱塞式液壓泵能夠較理想的實(shí)現(xiàn)高壓化。但由于柱塞泵結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對于零件的制造精度要求高，尤其是柱塞副、滑靴副、配流副三對摩擦副，導(dǎo)致了柱塞泵的制造成本很高，這在一定程度上制約了柱塞泵的生產(chǎn)、使用和維護(hù)。據(jù)資料顯示，輕型軸向柱塞泵的成本比葉片泵高 20％左右。為此簡化超高壓柱塞泵的結(jié)構(gòu)，降低柱塞泵的成本，對柱塞泵的使用和發(fā)展具有重要的價值。 當(dāng)柱塞泵的工作壓力提高時，它的各主要零部件會承受著很大的靜載荷和動載荷的作用，由于要保持柱塞泵良好的動態(tài)性能，這就對柱塞泵的密封件和各零件的強(qiáng)度、剛度的可靠性提出了很高的要求。.
液壓泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計占據(jù)著液壓泵設(shè)計的大部分，要充分考慮液壓泵的使用功能、使用條件、工藝條件等要求。為此，不斷研究超高壓液壓泵的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法、構(gòu)件運(yùn)動特性、結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)等，對提高液壓泵的工作壓力有著非常重要的意義。
1.2高壓液壓泵設(shè)計參數(shù)
給定設(shè)計參數(shù)：
最大工作壓力
額定流量
最大流量
2 液壓泵方案設(shè)計
伴隨著社會的進(jìn)步，生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，工業(yè)生產(chǎn)的各領(lǐng)域正逐步采用高壓和超高壓液壓技術(shù)，液壓系統(tǒng)走向高壓化，對于高壓和超高壓液壓技術(shù)的需求量也在日益擴(kuò)大，各工業(yè)生產(chǎn)部門對液壓技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性的要求越來越苛刻。因?yàn)樘岣咭簤合到y(tǒng)的工作壓力，可以減輕系統(tǒng)的重量和尺寸，所以航空部門的液壓系統(tǒng)一般都采用高壓和超高壓技術(shù)。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動力裝置，其壓力性能的高低直接影響整個液壓系統(tǒng)。因此，對于超高壓液壓泵的研制具有非常重要現(xiàn)實(shí)意義和廣闊前景。液壓泵泵正高壓化方向發(fā)展。
2.1齒輪泵的主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
（一）外嚙合齒輪泵
1）結(jié)構(gòu)示意圖（圖1）
圖 1 外嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)示意圖
窗體頂端
窗體底端
Figure 1. Schematic diagram of external gear pump
2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
外嚙合齒輪泵具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、體積小、重量輕、圍護(hù)方便、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是工作壓力低、流量脈動和壓力脈動較大，在高壓下不采用斷面補(bǔ)償時，容積效率明顯下降。而且只能作定量泵，所以在使用范圍上收到了限制。壓力范圍在2.5到30兆帕之間。
（二）內(nèi)嚙合齒輪泵
1）結(jié)構(gòu)示意圖（圖2）
圖2 內(nèi)嚙合齒輪泵結(jié)構(gòu)示意圖
Figure 2 Schematic gear pump
2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
內(nèi)嚙合齒輪泵與外嚙合齒輪泵相比，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、吸油性能好，更適用于高空中飛機(jī)的液壓系統(tǒng)：另外，內(nèi)嚙合齒輪泵的流量均勻性也較好。缺點(diǎn)是泵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、徑向載荷大、加工性較差。壓力范圍在2.5到30兆帕之間。
2.2葉片泵的主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
1）結(jié)構(gòu)示意圖（圖3）
圖3 葉片泵結(jié)構(gòu)示意圖
Figure 3 vane pump structure diagram
2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
葉片泵的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、外形尺寸小、運(yùn)動平穩(wěn)、流量均勻、噪聲小，但對油液的污染比齒輪泵敏感、機(jī)構(gòu)也比齒輪泵復(fù)雜。壓力范圍在6.3到32兆帕之間。
2.3柱塞泵的主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
（1） 軸向柱塞泵
1）結(jié)構(gòu)示意圖（圖4）
斜軸式軸向柱塞泵 直軸式軸向柱塞泵
圖4 柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖
Figure 4 Piston structure diagram
2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
軸向柱塞泵具有結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，轉(zhuǎn)動慣量小，所以轉(zhuǎn)速較高，可以達(dá)到20000（r/min）以上。另外軸向柱塞泵易于變量，能用多種方式自動調(diào)節(jié)流量，流量可以達(dá)到400（L/min）以上。而軸向柱塞泵的顯著缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，零件制造精度高，成本也高，對油污敏感。這些給生產(chǎn)、使用帶來了一定困難。壓力范圍在35到70兆帕之間。
軸向柱塞泵又分為直軸式軸向柱塞泵和斜軸式軸向柱塞泵。?斜軸式軸向柱塞泵柱塞不受側(cè)向力作用，對缸體產(chǎn)生傾覆力矩小，軸傾角可達(dá)到25到30度，但抗扭振性能不好，集成化困難。變量機(jī)構(gòu)驅(qū)動缸體擺動，變量相應(yīng)速度慢；?直軸式軸向柱塞泵柱塞受側(cè)向力作用，對缸體產(chǎn)生傾覆力矩，故斜盤角一般小于20度抗扭振性能好，集成化容易。變量機(jī)構(gòu)驅(qū)動斜盤擺動，慣性力小，變量響應(yīng)速度快。
（二）徑向柱塞泵
1）結(jié)構(gòu)示意圖（圖5）
圖5 徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖
Figure 5 Radial piston pump structure diagram
2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
徑向柱塞泵的徑向尺寸大、徑向力也大，常用于大扭矩、低轉(zhuǎn)速工況，作為液壓馬達(dá)使用。
2.4螺桿泵的主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
1）結(jié)構(gòu)意圖（圖6）
圖6 螺桿泵結(jié)構(gòu)示意圖
Figure 5 Screw structure diagram
2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
尺寸大，質(zhì)量大，無流量脈動，不能變量,壓力范圍低，在2.5到10.0兆帕之間。
2.5 液壓泵方案確定
本次設(shè)計的高壓液壓泵要求壓力在40兆帕。而螺桿泵的壓力范圍在2.5到10.0兆帕之間，不符合要求。齒輪泵的壓力范圍在2.5到30兆帕之間同樣不符合要求，而且外嚙合齒輪泵流量脈動和壓力脈動較大，在高壓下不采用斷面補(bǔ)償時，容積效率明顯下降。而內(nèi)嚙合齒輪泵徑向載荷大、加工性較差。不符合要求，也應(yīng)當(dāng)舍棄。葉片泵壓力范圍在6.3到32兆帕之間。只有柱塞泵壓力范圍在35到70兆帕之間，所以柱塞泵符合要求。
而軸向柱塞泵又分為直軸式軸向柱塞泵和斜軸式軸向柱塞泵。