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1、10SCY14 手动变量轴向柱塞泵结构设计I10SCY10SCY 手动变量柱塞泵结构设计手动变量柱塞泵结构设计第第 1 1 章章 绪论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
2、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
3、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10SCY
4、14 手动变量轴向柱塞泵结构设计II油精度要求高、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
5、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
6、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/Qml r额定流量 =15L/minQ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是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出油液的容积，即bq2 maxmax4bXxqF sZd sZ10SCY14
7、手动变量轴向柱塞泵结构设计IV=10ml2(19.5 0.2)(19.5 0.2 2) 94不计容积损失时，泵的理论流量为tbQ=0.011500=15(L)2 max4tbbbxbQq nd sZn式中 柱塞横截面积；xF柱塞外径；xd柱塞最大行程；maxsZ柱塞数；传动轴转速。bn泵的理论排量 q 为（ml/r）10001000 1510.53.1500 0.95vQqn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：1 3 max.pnqC1 3300070.220660pC式中是常数，对进口无预压力的油泵=5400；对进口压力为 5kgf/cm 的油泵pCpC=9100，这里取=
8、9100 故符合要求。pCpC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，该设计是通轴泵，受机构限制，取下max1520限，即。15gO=泵实际输出流量为gbQ=15-0.5=14.5（ml/min）gbtbbQQQ式中为柱塞泵泄漏流量。bQ10SCY14 手动变量轴向柱塞泵结构设计V泵容积效率定义与之比，即 VBgbQtbQ=gb VB tbQQ14.596.7%15轴向柱塞泵容积效率一般为=0.940.98，故符合要求。b2.1.2 扭矩与机械效率不计摩擦损失时，泵的理论扭矩为tbM=2bb tbp qM12 1019.1(. )2N
9、 m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=gbtbbMMM19.1221.1(. )N m泵的机械效率定义为理论扭矩与实际输出扭矩之比，即tbMgbM119.190.52%21.11tbtb mb bgbtbbfbMM MMMM M2.1.3 功率与效率不计各种损失时，泵的理论功率tbN=2tbbtbbgbNp Qn M1500221.13.31()60kw泵实际的输入功率为brN=122brbgbbtb mbNn Mn M15001219.13.31()600.905kw泵实际的输出功率为bcN=bcbgbbtbbNp Qp Q3 19.1 14.52.5()
10、kw定义泵的总效率为输出功率与输入功率之比，即bcNbrN10SCY14 手动变量轴向柱塞泵结构设计VI= 12btbbbc bbmb brtb mbp QN NM 0.905 0.9670.875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。bh2.2 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，缸体或柱fR塞
11、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=-当时，可得最大行程为180aO=maxs10SCY14 手动变量轴向柱塞泵结构设计VIImax2ffsR tgD tggg=3918039()tgmm2.2.2 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.sinssa f tatdddRtgaddduw g=当及时，可得最大运动速度为90a270sin1a maxmax150019.52 . 15819(/ )60fRtgtgmm s式中为缸体旋转角速度， 。wa tw=2.2.3
12、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.sinssa f tatdddRtgaddd2.cosa f tatdddaRtgaddd当及时，可得最大运动加速度为0a180cos1, maxa2 max15008192129(/ )60faRtgm s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。a10SCY14 手动变量轴向柱塞泵结构设计VIII图 2.2 柱塞运动特征图2.3 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x o y 长轴 2
13、39240.4()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 h222cos coscossinh td daaqwgwg=+10SCY14 手动变量轴向柱塞泵结构设计IX由上式可见，滑靴在斜盘平面内是不等角速度运动，当时，最大（在2a3 2 h短轴位置）为maxcoshwwg=1500260162(/ )cos15rad s 当时，最小（在长轴位置）为0a hmin1500c
14、os2cos15152(/ )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。10SCY14 手
15、动变量轴向柱塞泵结构设计10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1）柱塞直径及柱塞分布塞直径ZdfD柱塞直径柱塞分布直径和柱塞数 Z 都是互相关联的。根据统计资料，在缸体ZdfD上各柱塞孔直径所占的弧长约为分布圆周长的 75%，即ZdfD0.75ZfZd D由此可得 73.820.750.75fDZmd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 2-1 所示。mmm表 2-1 柱塞结构参数Z7911m3.13.94.5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tbQbn10SCY14 手动变量轴向柱塞泵结构设计11量公式得柱塞直径为Zd（2-
