径向柱塞泵毕业设计-径向柱塞泵
绪论
这次毕业设计是对所学各课程一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，对我们三年的大学生活的最后一战中占有重要地位。
本次毕业设计在明确设计要求的前提下，对径向柱塞泵进行了设计分析，主要介绍了柱塞泵的分类，对其中的某些结构进行了分析和设计，还包括它们的受力分析与计算。还有对轴的材料选用以及强度校核很关键，该设计中对柱塞泵的优缺点进行了整体的分析、总结，对今后的发展也进行了展望。
希望能通过这次毕业设计，了解并认识一般液压泵类零件较为具体的整体结构设计，巩固和加深已学过的技术基础课和专业课的知识，理论联系实际，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后的工作打下一个良好的基础。
第1章柱塞泵的介绍
1.1 柱塞泵总的分类
柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类。而径向柱塞泵可分为阀配流与轴配流两大类。阀配流径向柱塞泵存在故障率高、效率低等缺点。国际上70、80年代发展的轴配流径向柱塞泵克服了阀配流径向柱塞泵的不足。由于径向泵结构上的特点，限定了轴配流径向柱塞泵比轴向柱塞泵耐冲击、寿命长、控制精度高。变量行程短泵的变量是在变量柱塞和限位柱塞作用下，改变定子的偏心距实现的，而定于的最大偏心距为 5—9mm（根据排量大小不同），变量行程很短。且变量机构设计为高压操纵，由控制阀进行控制。故该泵的响应速度快。径向结构设计克服了如轴向柱塞泵滑靴偏磨的问题。使其抗冲击能力大幅度提高。
1.2 柱塞泵的特点
柱塞泵是靠柱塞在缸体中作往复运动造成密封容积的变化来实现吸油与圧油的液压泵，与齿轮泵和叶片泵相比，这种泵有许多优点。首先，构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和缸孔，加工方便，可以得到较高的配合精度，密封性能好，在高压状态下工作仍有较高的容积效率；第二，只需改变柱塞的工作行程就能改变流量，易于实现变量；第三，柱塞泵中的主要零件均受压应力作用，材料强度性能可得到充分利用。由于柱塞泵压力高，结构紧凑，效率高，流量调节方便，故用在需要高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合，如龙门刨床、拉床、液压机、工程机械、矿山冶金机械、船舶上得到广泛的应用。
随着国家产业结构政策的不断调整，液压工业一跃成为国家重点支持发展的对象，这主要是由液压易于与机、电控制等实现一体化这一特点所决定。近几年来我国引进的一些大型设备已越来越多地使用径向柱塞泵，因此着手研究该系列泵以满足国内市场需求已成必然。径向柱塞泵具有以下几个特点:
)a工作压力高，耐冲击性好。设计采用静压平衡结构，使额定工作压力高达31.5MPa，耐冲击性能明显高于轴向柱塞泵。
)b动态响应快。响应时间为0. l s 。
)c运转噪声低。比国产CY系列泵低8-10dB。
)d使用寿命长。当在28MPa压力连续作用下，传动部件额定寿命达10000h。
)e产品规格多，呈系列化。
)f易于实现多种变量控制方式。
采用手动控制变量或用电液比例控制可实现恒流量、恒压力、负载敏感控制，具有电子、液压技术在不同方面的共同优势，是一种高效节能的液压动力元件。
1.3 柱塞泵的研究现状
从上世纪80年代初至今，德国博世(BOSCH)公司一直处于该领域研究、开发及生产的国际领先地位。该公司生产的新型径向柱塞泵具有结构简单、压力高和抗冲击性强等特点，年产量已达2万台。德国FAG公司生产的径向柱塞泵压力高，但存在流量小、排量不可变的缺点。英国MOOG公司生产的RKP泵采用连杆滑靴结构，滑靴和定子接触副利用静压支撑，而且可以用数字精确控制，RKP径向柱塞泵在工业、国防、航空领域中广泛应用。RKP 泵的结构如下图所示。
图 1.3-1 RKP泵结构图
Maryland Metrics生产的JBP系列径向柱塞泵性能可靠，经久耐用，可以保证正常工作5000小时，当以矿物油为介质时，可正常工作达24个月之久。JBP浆的额定工作压力为280 bar，最裹工作压力达350bar。瑞士Bieri生产的BRK径向柱塞泵，出奇数3、5和7个活
塞组成，自稚气阀门控制，体积效率高，工作压力最高达1000bar，排量0．47-6.33 cm3／r，转数范围500—2000转／分。印度卡纳塔克邦POLYHYDRON PVT公司生产的径向柱塞泵为缸体固定。凸轮轴转动机构。每个单元泵有5—7个柱塞组成，端面安装，可正反两个方向转动，输出稳定。
配流轴十字联轴器转子定子滑靴
保持环传动轴变量柱塞柱塞限位柱塞
图1.3-2 一种新型的径向柱塞泵结构简图
国内60～70年代发展的轴配流径向柱塞泵，由于配流轴在工作中受力不平衡，转子与配流轴高压侧磨损严重，造成泄漏大、容积效率低等问题，从而影响压力的提升，压力一般不超过20MPa。另外由于泵的柱塞与定子为点接触，尺寸较大，液压力和惯性力造成柱塞与定子间压力过高磨损大，限制了转速的提高。90年代初，通过国家火炬计划和重点新产品攻关项目，我国开始着手研究开发新型滑靴式径向柱塞泵，甘肃工业大学的卢垫和太原重型机械学院的王明智教授采用连杆滑靴式结构、奥氏体一贝氏体合金球墨铸铁材料及相应的热处理工艺研制的径向柱塞泵，解决了泵的抱轴、发热问题，但存在着制造工艺复杂，尺寸较大和仍然为轴配流等缺点，影响了其在移动设备上的安装和应用。
第2章径向柱塞泵的结构和原理
2.1 径向柱塞泵的基本构成
图2.1-1为该径向泵的简明结构图。从图中可以看出泵主要由泵壳3、排油盖3、曲
柄1、前盖2、后盖7、柱塞5、滑履8、排油单向阀组9及轴承6组成，前后盖的材料为ZL104，泵壳及排油盖材料为HT300，柱塞为 20CrMnTi，主曲轴为42CrMo。由于几个磨擦副的存在（柱塞与缸壁、柱塞与滑履、滑履与曲轴），使得这些部位磨损严重，为减小磨损，组成磨擦副的材料应在硬度上有较大差异，因此，滑履用硬度较小的QAL9-4材料，柱塞缸内壁也有一层铜套（材料QAL9-4）。
该泵的曲柄连杆机构由偏心凸轮、滑履、柱塞等组成。工作时，电机带动偏心凸轮转动，使柱塞往复运动，在柱塞中的回程弹簧作用下，柱塞滑履始终贴近曲轴表面，形成密闭空间，密闭空间的扩大和缩小完成吸、排油。从图中我们还可以看出这种径向柱塞泵在结构上区别于区别于其他一般径向泵的特点:
图2.1-1四联径向泵结构图
1. 曲轴
2.前盖
3.泵壳
4.排油盖
5.柱塞
6.轴承
7.后盖
8.滑履
9.排油单向阀 10.铜套
2.2 径向柱塞泵的基本原理
图2.2-1 径向柱塞泵工作原理图
径向柱塞泵的工作原理如图2.2-1所示,柱塞1径向排列装在缸体2中,缸体由原动机带动连同柱塞1一起旋转,所以一般称缸体2为转子,柱塞1在离心力的(或在低压油)作用下抵紧定子4的内壁,当转子按图示方向回转时,由于定子和转子之间有偏心距e,柱塞绕经上半周时向外伸出,柱塞底部的容积逐渐增大,形成部分真空,因此便经过衬套3(衬套3是压紧
在转子内,并和转子一起回转)上的油孔从配油轴（孔）5和吸油口b吸油;当柱塞转到下半周时,定子内壁将柱塞向里推,柱塞底部的容积逐渐减小,向配油轴的压油口c压油,当转子回转一周时,每个柱塞底部的密封容积完成一次吸、压油,转子连续运转,即完成压油和吸油工作.配油轴固定不动,油液从配油轴上半部的两个孔a流入,从下半部两个油孔d压出,
为了进行配油,配油轴在和衬套3接触的一段加工出上下两个缺口,形成吸油口b和压油口c,留下的部分形成封油区.封油区的宽度应能封住衬套上的吸压油孔,以防吸油口和压油口
相连通,但尺寸也不能大得太多,以免产生困油现象.
第3章柱塞泵参数的选择
3.1 基本性能参数与结构参数
本次设计的四联径向柱塞泵作为主泵，主要用于行走和凿岩动作。双联泵作为辅泵使用，主要用于钻具定位。两种泵工作原理相同，结构基本相似，只是参数有所不同。此次设计的四联径向柱塞泵用到的公式和推导过程，同样也适用于双联泵。
该泵驱动电机转速为2000r/min ，泵的额定排量为4335ml/r ，额定压力为40MPa 。 额定压力 ()M a P P 40
额定排量
3
(/)q cm r 435? 额定转速
min ()n rpm 2000/min r
容积效率 v
η 90％
机械效率
m η 95％
柱塞外径 ()d mm 26 柱塞偏心量 2()e mm 3.5 凸轮偏心量
1()e mm 9
凸轮直径 ()D mm 100 其液压图形符号如图3.1-1：
图3.1-1 四联泵液压符号
3.2 计算柱塞泵所需其它主要参数
1)柱塞横截面积A
2
4
A d π
=
=530.93 mm 2
2)连杆L
L=70.79 mm
3)位移Sy
当?＝0
180时
y
S 有最大值
max 1
2y S e =
4)速度V
12sin2sin 4y t ds k V e t t d ωωωω??==-+??
?? 1(sin sin )
2k
e ω??=-?
5)加速度a
1(cos 2cos2)2v t d k
a e t t d ωωωωωω=
=-?
21(cos cos2)e k ω??=-
6)排量q
max
y q AZS =335.67(/)cm r =
与公称排量相比
35.6735
35q δ-=
0.006=＝0.6％<5％
整台泵的排量为 35.673
4(/)cm r ?
7)流量Q
理论流量
3
10(/min)t Q qn l -=? 实际流量
0.9t v t Q Q Q η=?=
8)角排量
()1(2sin2sin) 4
k
q AV Ae ????
==-?+
1(sin sin2)
2
k
Ae??
=-
每个出油口的角排量为各个单柱塞角排量之和：
()sin sin2
2
i i i
k
q ?
??=-
∑∑
9)脉动值
求得Z＝3 Z＝5， Z＝7时的排量脉动系数，同时求得柱塞为偶数时的排量脉动系数，列于下表：
还可以此为依据，做出奇数、偶数角排量脉动率的比较曲线如下：
图 3.2-2 奇、偶数柱塞角排量脉动率曲线
由表格中数据可以看出，当偶数柱塞数增加为奇数柱塞数的两倍时，脉动率相同。即在柱塞数相近的情况下，偶数柱塞泵的脉动率要比奇数柱塞数时大得多，这就是目前单作用液压泵和马达的设计中，多采用奇数个柱塞的原因。
3.3 曲轴的参数选择
3.3.1. 选择轴的材料并确定许用应力
选用合金钢42CrMo 材料，该合金钢主要制造各种受冲击、弯曲、重载的重要轴类零件，如汽轮机主轴、大型电机轴、发动机气缸、工作压力高大型泵的主轴等。查得许用应力[σ]=186R 310 Mpa ；许用弯曲应力[1δ-]=90 Mpa 。。
表3.3.1-1 42CrMo 的力学性能
表3.3.1-2 轴的许用弯曲应力
3.3.2 确定输入端直径
按扭转强度估算轴输入直径由
表3.3.2-1 常用材料的[τ]值和A 值
取A=110则:
d =A
A 为由轴的材料和承载情况确定的常数 P 为轴的传递功率，根据要求P=2.5KW N 为轴的转速 N=2000r/min ， 则 d = A
考虑有键槽，将直径增大5﹪则：
d =46.9 (1+5﹪)mm=49.245mm
其输入端轴直径选用为50mm
3.3.3 曲轴在零件上的定位
1、由于是曲轴，偏心轮与轴直接做成一体，所以不需要考虑偏心轮的定位，第三段设计为曲轴偏心轴主体。（后面就不在有计算偏心轮、偏心腔体的相关数据）
图3.3.3-1 曲轴零件的定位方式
2、第一段即外伸端直径d=49.245 mm ，其长度取50 mm。
第二、四段为轴承与轴采用基孔制配合，推力滚子轴承采用2213（旧号3613），查《机械设计手册》如下：
表3.3.3-2 调心滚子轴承外形尺寸
图3.3.3-1 推力滚子轴承的外形尺寸简图
3、求得总长： L=l 1+l 2+l 3+l 4=110+77+140+62=389 mm
3.3.4 曲轴的受力分析、强度校核
（1） 求支反力
曲轴上共有三段同样的凸轮轴。为安全起见，取受力最大的情况进行分析，由于三段凸轮偏心方向互成0
120 ，则每段上的
i
T ∑（以下简称T ）和i
N ∑（以下简称N ）的合
力i
P
∑的作用方向也互成0
120，即 如图3.3.4-1的情况。
图3.3.4-1 曲轴受力简图
下面，是分别对水平面内和竖直平面内进行受力分析，求出的支反力，并填入表格中
（说明：l 为量作用点之间的距离，R 为支反力，M 为弯矩，MN 为扭矩）
A ： 水平面受力分析
图3.3.4-3 水平面受力图
各力对2点取矩： (2)0
x
M
=∑ ；
3456(2.3)(2.4)(2.5)(2.6)x x x x R l R l R l R l ?+?+?+?0= ；
3456(2.3)(2.4)(2.5)
(2.6)x x x x R l R l R l R l ?+?+?=-
8306.3()N =
各力对6点取矩 (6)0
x
M
=∑ ；
5432(5.6)(4.6)(3.6)(2.6)x x x x R l R l R l R l ?+?+?+?＝0 ；
5432(5.6)(4.6)(3.6)(2.6)x x x x R l R l R l R l ?+?+?=-
=—8306.3（N ）
B ： 竖直平面受力分析
图3.3.4-4 竖直面受力图
各力为2点取矩：
(2)0
Y
M
=∑ ；
3456(2.3)(2.4)(2.5)(2.6)
(2.6)y y y y R l R l R l R l l ?+?+?+? 0= ；
3456(2.3)(2.4)(2.5)(2.6)y y y y R l R l R l R l ?+?+?=-
14386.8()N =
各力对6点取矩：
(6)0
Y
M
=∑ ；
5432(5.6)(4.6)(3.6)(2.6)y
y y y R l R l R l R l ?+?+?+?0
= ；
代入数据得：
239856.8138(19928.3)48(19928.3)93
187Y R ?+-?+-?=-
14386.8()N =-
（2） 求弯矩、扭矩. A ： 水平面弯矩：
10x M = ；20x M = ； 32(2.3)x x M R l =?407.0()N m =-? ； 423(2.4)(3.4)x
x x M R l R l =?+?780.8()N M =-? ；
5234(2.5)(3.5)(4.5)x x x x M R l R l R l =?+?+?398.7()N m =? ；
62345(2.6)(3.6)(4.6)(5.6)x x x x x M R l R l R l R l =?+?+?+?=0 ；
由此，可作出水平面弯矩图：
图3.3.4-5 水平面弯矩图
通过计算可得，弯矩为零的'
4点与1点的距离为231mm 。
B ： 竖直平面弯矩：
10Y M =； 20Y M = ； 32(2.3)Y Y M R l =?704.9()N m =-? ； 423(2.4)(3.4)Y
Y Y M R l R l =?+?441.2()N m =? ；
5234(2.5)(3.5)(4.5)Y Y Y Y M R l R l R l =?+?+?690.6()N m =? ；
62345(2.6)(3.6)(4.6)(5.6)Y Y Y Y Y M R l R l R l R l =?+?+?+?0= ；
由此可作竖直平面弯矩图：
图3.3.4-6 竖直平面弯矩图
由计算可知道：弯矩图中弯矩为零的'
3点距1点的距离为184mm
C ： 合成弯矩：
10M = ； 20M = ； 3M 814.0()N m =? ；
4M =896.0()N m =? ；5M =797.4()N m =?；
由此，可作出合成弯矩图：
图3.3.4-7 合成弯矩图D ：扭矩
图3.3.4-8 曲轴受扭图MN1为电机输入扭矩：
MN1= 9550 N
n()
N m
?
其中
3
/10()
t m
N PQ KW
η
=?
又
6
10/60
t t
Q q n-
=??（3/
m s）
所以
3
10
1159t
m
pq
MN
η
-
?
=
()
N m
?
将 P=40MPa,
3
435/
t
q cm r
=?，0.95
m
η=
，2000/min
n r
=代入得
3
404351011590.95MN -???=?
668.5()N m =?
21668.5()MN MN N m ==?
3132D
MN MN T =-?
而 30T =
所以 31668.5()MN MN N m ==?
同理
456668.5()MN MN MN N m ===?
由此，可以作扭矩图
图3.3.4-9 扭矩图
且由以上数据算出:σe J 86.57Mpa <90Mpa ，
故曲轴的强度足够。
3.4 柱塞的尺寸设计、强度校核
3.4.1 柱塞的尺寸设计
超高压轴向柱塞泵的排量V 的计算公式：
2222V d S Z d e Z π
π
=
???-??
其中：d 为柱塞泵的直径；S ?为柱塞泵的行程；Z 为柱塞泵数；e 为偏心量。
当d 较大时，会使偏心轮所承受的力增加很快，但d 值过小也会带来加工工艺性差和压杆不稳定等问题。当S ?值较大时，将使偏心轮所承受的交变扭矩应力增加。综合考虑上述两个参数，确定：
d =26mm ， S ?=2e1=18mm
图3.4.1-1 柱塞外形尺寸简图
3.4.2 柱塞的强度校核
1） 比压校核
柱塞与柱塞缸之间的最大比压：22max
max 426.7 5.22(/)26c P P N mm d ππ=
==?
[]22300/29.429.4(/)
c P kgf cm MPa N mm ===
所以
[]
max c c P P <
满足强度条件。
2） 比功校核
因为
max max max cv c P P V =?10.82/(/)MPa m s =
由 []2
600/58.8/(/)cv P kgf cm s MPa m s =?=
所以 []max cv cv P P <
满足强度条件
3.5 键的设计和强度校核
键是一种用来连接轴上的传动件，本次设计起到了传递扭矩的作用，连接时必须在轴上加工键槽，键的一部分被安装在轴上的键槽内，另一凸出部分则接上联轴器，这样轴与电动机就可连接在一起转动。键的种类很多，常用的有普通平键、半圆键、钩头楔键三种而本次运用的是普通平键。
根据轴的d =50查机械手册
表3.5.1 普通平键（GB/T1096-79）键槽（GB/T1095-2003）
根据实际情况综合考虑：
泵的曲轴所用的键为：143100，GB1096-2003 由键联接强度校核公式为：
2000[]T
p p dkl =
≤
其中：
;
;
;;
[]T N m d mm l l L b L k mm p MPa -?--=---键所传递的扭矩轴的直径，键的工作长度，对于圆头平键为键的公称长度，b 为键宽，mm;键与轮毂的接触高度，许用挤压应力，。
查表可得：
k=9-5.5=3.5 b=14mm d=50mm
L=100-14=86mm T=668.5N .m
所以：
查表可得：对于刚对刚的动联接，在不受冲击的情况下： [p]=50MP a
所以 p<[p]
满足强度条件。
3.6泵体的设计
在曲轴左边有泵体的前盖宽度为51mm ，又因左边曲轴装配轴承处总长77，即露在前盖外面的曲轴长度l 1 为
l 1 =77-51=16mm
而曲轴总长389mm ，而曲轴左端端面到右边后盖端面
l 2=389+128=517mm