液压泵的结构设计液压泵的结构设计液压泵大体可分为：齿轮泵、柱塞泵、叶片泵三类本文主要对每种泵的 一种类型及设计形式做详细的介绍一、齿轮泵一、齿轮泵利用利用 Pro / Engineer 软件对齿轮泵进行结构设计软件对齿轮泵进行结构设计1 概述：齿轮泵也叫正排量装置 , 被广泛应用到输油系统、燃油系统 、液压传动 系统或作为工业领域中的润滑油泵 它的基本形式就是两个尺寸相同的齿轮在 一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转 ,齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合 ,来自 于挤出机的物料在吸入口进入两个齿轮中间 ,并充满这一空间 ,随着齿的旋转沿 壳体运动 ,最后在两齿啮合区排出 目前齿轮泵的设计 ,一直沿袭以二维工程 图来表示三维实体的做法 ,具有很大的缺点 ,随着计算机技术的发展 , 各种 CAD /CAM 软件得到广泛的应用 ,使得机械工程设计技术发生了根本的变化 Pro / Engineer 是美国参数技术公司 ( Param etric Technology Corporation,简称 PTC )的产品 ,是集零件设计 、 虚拟装配 、机构仿真 、 模具开发、逆向工 程 、有限元分析等功能于一体的新一代的产品造型系统 ,能够将设计至生产全 过程集成到一起 ,实现并行工程设计 。
基于 Pro / Engineer 的这些特点 ,本文应 用 Pro / Engineer 软件对齿轮泵进行结构设计 ,为企业推出新产品 ,提高产品质 量 ,缩短设计和生产周期 ,降低生产成本提供了保障 2 齿轮泵的结构设计2. 1 产品实体造型Pro / Engineer 是以基于特征 、参数化设计和单一数据库而著称于世 ,工 程设计人员采用具有智能特性的特征 生 成 模 型 , 如 凸 台 ( Pad ) 、筋( R ibs ) 、 倒角( Chamfers)和抽壳 ( Shells) 等 ,特征的参数通过符号式赋予形体 尺寸 ,任何一个参数改变 ,其也相关的特征也会自动修正 ,这一功能特性给工程 设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活 齿轮泵造型的过程就是对每个零部件进行三维模型设计的过程 按照设 计的要求 , 利用 Pro / Engi2 neer 中的凸台 、 旋转、阵列 、圆角等基本操作 建立齿轮泵各个零件三维模型 当模型参数尺寸进行更改时 , 三维模型的形 状 ,也会随之做相应的改变 进行实体造型后 ,零件的体积 、重心及质量只要 通过查看物理特性就可以列表形式表示出来 ,提高了设计的工作效率 。
所建零 件模型如图 1图 1 齿轮泵零件模型2. 2 产品虚拟装配Pro /ASSEMBLY 是一个参数化组装管理系统 ,能提供用户自定义手段去生 成一组组装系列及可自动地更换零件 齿轮泵是一个复杂的部件 ,包含泵体 、泵盖 、轴和齿轮 、标准件等 ,根据已经建立的零件 3D 模型 ,按照各零部件 装配位置关系 ,利用对齐 、匹配 、同轴等约束关系 ,在工作台上建立齿轮泵虚 拟装配体系结构 所建的齿轮泵装配模型如图 2图 2 齿轮泵装配图与分解图在齿轮泵的装配设计中 ,齿轮与轴配合及齿轮与齿轮啮合之间最容易发生 干涉 完成齿轮泵装配后 ,可以用 Pro / Engineer 中的干涉检查来检查齿轮泵 两对象间是否发生干涉 齿轮泵干涉检查如图 3,对话框中显示的是干涉情况 , 装配图上发亮的表示干涉零件 ,并于干涉的地方建立新的零件 ,用新的实体零件 切割干涉体积 ,消除干涉后 ,再删除所建立的新零件 图 3 干涉检查结果2. 3 有限元分析有限元分析结果已经成为工业界所承认的事实标准 , Pro /M ECHAN ICA Structure 是集静态 、动态结构分析于一体的有限元模块 ,它使我们对齿轮泵关 键部件 (如泵体 、齿轮 、轴等 ) 设计模型在真实的环境下的结构性能进行评 估 、 研究和优化 。
齿轮有限元分析结果如图 4 所示 ,通过对齿轮零件模型 进行材料约束等定义 ,分别建立齿轮的静态和模态分析 ,从载荷、分析的结果中 寻找齿轮破坏的敏感参数 ,针对这些敏感参数进行优化设计 ,从而得到改进后的 齿轮结构 图 4 齿轮有限元分析2. 4 工程绘图D rafting 是 Pro / Engineer 中的一个模块 ,它既可以独立使用 ,又可以和其 他模块结合使用 齿轮泵实体模型建立之后 ,通过该模块只需要做少量工作 , 就可以自动生成 二维 工程 图 同 时还 可 以 轻 松 转 换 成 DW G 格式 ,并 可在 AutoCAD 中进行更改 ,为设计及加工制造提供了方便 ,转成 DW G 格式的 工程图如图 5 所示 图 5 工程图前面以机械行业中应用广泛的齿轮泵为例 ,介绍了 Pro / Engineer 的应用 , 对于缩短齿轮泵设计周期 ,降低成本 ,提高质量 ,改善性能 ,提高企业的产品开 发效率 ,提供了有效的方法和途径 二、柱塞泵二、柱塞泵纯水柱塞泵结构设计的探讨1、概述；在液压传动中 , 当压力在 21MPa 以上时 , 其液压泵均采用柱塞泵 , 常 用的柱塞泵有三种 。
1 ) 斜盘式轴向柱塞泵 这种泵的结构比较紧凑 、重量轻 、缸体转动 惯量小 , 容易实现变量 , 流量和压力都比较大 , 应用广泛 但它有 3 个滑 动摩擦副 , 即滑靴与斜盘 , 柱塞与缸体 , 缸体端面与配流盘 因存在柱塞与 缸体 、缸体端面与配流盘之间两个泄漏的途径 , 再加上滑靴与斜盘之间的静 压支承所消耗的高压液体 , 所以泵的容积效率 、输出压力不可能很高 2 ) 斜轴式轴向柱塞泵 结构比较复杂 , 因柱塞对缸体侧向力比较小 , 柱塞受力较好 , 能承受较大的压力与冲击 , 因只有柱塞与缸体 、缸体与配流 盘两个摩擦副 , 所以容积效率 、输出压力高 , 流量可以很大 , 在大型设备中 应用较广 3 ) 径向柱塞泵 采用阀配流 , 结构比较复杂 ,因为只有柱塞与缸体一 个滑动摩擦副 , 所以内泄漏小 , 输出压力可达 20～70MPa, 用于压力要求很 高的场合 纯水的粘度是液压油的 1 /30 ～1 /50, 在同等工况条件下 , 水的泄漏量是液压油的 30 ～50 倍 另外水的润滑性也差得多 , 因此要使水压泵输出较 高的压力与流量 , 就必须减少摩擦副的数量和泄漏的途径 ,尤其是滑靴与斜盘 之间要达到静液压支承 , 此处泄漏的流量要占总泄漏量的 80%左右 。
所以在 常用的三种柱塞泵中 , 阀配流的径向柱塞泵比较适合作水压驱动泵 2 径向柱塞泵的密封结构普通径向柱塞泵的工作原理如图 1 所示 , 在弹簧力的作用下 , 缸体中柱 塞下端面紧贴在偏心轮外圆周上 , 偏 心 轮 旋 转时 , 柱塞在缸体中作伸缩往 复运动 , 从完成 吸 压 油 的 过 程 图 1 径向柱塞泵的结构原理在压油 时 , 高压油沿柱塞和缸体的径向间隙泄漏而进入主轴箱中 , 因主轴箱中的润滑 油就是液压油 , 所以不存在不相容的问题 但作为水压泵时 , 高压水沿着柱 塞与缸体孔的间隙泄漏到主轴箱 , 这样破坏了主轴箱内各运动零件之间的润滑 状况 , 为避免这种情况发生 , 在高压水泵的密封结构设计上要采取相应措施 为配套水压凿岩机的试验研究 , 项目组自主设计和开发了一种阀配流的径向 柱塞泵 , 如图 7 所示 , 从设计原理 上 看 , 泄 漏 的 压 力 水 经 柱 塞 旁 边 的 孔 道(机体图上钻的孔 ) 和机体外表面相通 , 主轴箱中的润滑油用一定 的密封装置密封 , 这样达到了油和水彼此分离开来 , 泄漏的水不会影响到主轴 箱中其它零件的润滑 图 6 径向柱塞泵的结构原理 图 7 径向柱塞泵的结构及泄漏方式3 水压泵密封的结构设计油水分离效果往往不是十分理想 , 其原因是 , 液压泵正常工作时 , 电动 机转速为每分钟 1 400 多转 , 推套 1 与柱塞 2 要以每分钟 1 400 多次作往复 直线运动 , 运动速度快 , 加速度也大 , 密封圈和缸体内孔长时间往返高速运 动摩擦 , 这种摩擦效果与普通液压元件 (如液压缸 ) 的摩擦效果是不一样的 , 按常理高速运动时一般是间隙密封 , 若装上密封元件也不能太紧 , 否则发热严 重 , 磨损也很快 。
因此时间一长密封圈就磨损了 , 这样径向布置在上方或斜 上方的柱塞 , 在工作时泄漏的水 , 在重力作用下沿着缸体内孔微观凹凸不平表 面往主轴箱慢慢渗入 ,如图 7 局部放大图所示 , 使主轴箱内的油液慢慢乳化 , 最后成为乳化液 , 使各种零件的润滑性能变差 在另一方面 , 径向布置在下 方或斜下方的柱塞 , 其泄漏的水在重力作用下流出泵外 , 但是油箱中的油液在 重力作用下沿着缸体内孔与磨损的密封圈之间的间隙漏出 , 使用越久 , 磨损越严重 , 泄漏量也就越大 通过对泄漏的观察和分析 , 如果进一步改进加工工 艺 ,提高缸体内孔 、推套之间的制造精度和降低表面粗糙度 , 选用弹性更好 、耐磨性能更好的密封材料 , 在一定的程度上能够改善密封性能 , 但在这种高 速和长时间运转的工况下 , 显然不能从根本上解决密封问题 ,从长远观点上看 , 必须改用别的结构形式 , 彻底解决密封问题 , 方可使水压泵投入工程应用 根据径向柱塞泵的泄漏方式和途径可知 , 水是在重力作用下渗入主轴箱的 , 油是在重力作用下从主轴箱泄漏出去的 , 若能把所有柱塞水平配置 , 压水柱塞 及推套之间还是开有泄漏孔 , 如图 8 所示 , 这样泄漏的水在重力作用下就不 会进入主轴箱 ,主轴箱中的柱塞布置在 油 面 以 上 , 不使其 浸 在 油 中 , 避免 油 液 对 密 封 件 的压力 , 减少泄漏 。
每一个柱塞可采用飞溅润滑或 用低压泵供应油润滑 阀配流柱塞泵柱塞在缸体中的配置按驱动方式的不同可 分为直列布置法和圆周布置法两种 1) 直列布置法 柱塞用偏心凸轮驱动 , 偏心轮圆周方向只有 2 个柱塞 , 以流 量 的 均 匀 性 很差 , 而且偏心轮和主轴的 径 向 负 载 很 大 为 了 解 决 这 个 矛 盾 ,就希望在主轴上多设置几个偏心轮 , 而且希望偏心轮 数为奇数 但从轴的强度和刚度观点出发 , 希望偏心轮的数目不宜过多 因 轴除受液压径向力作用外 , 还承受扭矩的作用 , 所以轴应有足够的刚度和强度 , 否则会影响两端轴承的正常工作 因此一般采用 3 个偏心轮 , 而且 3 个偏心 轮的偏心方向互成 120° 使轴的径向力受力均衡 , 如图 9 所示 这种水平布 置的柱塞泵又称直列偏心泵 , 该泵的结构尺寸和重量都比较大 图 8 柱塞水平配置及泄漏方式 图 9 三偏心轮柱塞泵( 2 ) 圆周布置法 柱塞用端面凸轮驱动 (即斜盘驱动 ) , 泵体径向尺寸比 较小 , 轴向尺寸也不太大 , 柱塞可根据流量大小和压力平稳性要求布置 5、7 或 9 个 , 与直列布置法相比 , 泵结构比较紧凑 , 流量脉动比较小 , 是一种比 较适合于水压驱动的泵型 ,如图 10 所示 。
图 10 柱塞圆周配置及油水泄漏方式4 结束语因水的粘度低 , 泄漏量大 , 润滑性差 , 摩擦磨损大 , 运动中又要实现油 水分离 , 造成水压泵的设计与普通柱塞泵的设计相差比较大 , 所以进行结构设 计设时考虑的问题要更加全面三、叶片泵三、叶片泵新型滚动转子叶片泵的结构设计 1、概述：由于叶片泵具有结构紧凑、 制造工艺简单和高速运转平稳等特点而在各种流体 泵中得到广泛的应用 但是, 目前使用的叶片泵在结构上还存在缺陷, 如叶片的 顶端部紧贴着缸孔的内壁面高速滑行,。