毕业设计----轴向柱塞泵的结构设计及其造型

毕业设计（论文）

（说明书）

题目：轴向柱塞泵的设计及造型

姓名：白建超

编号：

平顶山工业职业技术学院

2015年 03月10日

毕业设计（论文）任务书

姓名

专业

任务下达日期年月日

设计（论文）开始日期年月日

设计（论文）完成日期年月日

设计（论文）题目：

A·编制设计

B·设计专题（毕业论文）

指导教师

系（部）主任

年月日

毕业设计（论文）答辩委员会记录

机械工程系系机械设计与制造专业，学生于年月日

进行了毕业设计（论文）答辩。

设计题目：

专题（论文）题目：

指导老师：

答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生毕业设计（论文）成绩为。

答辩委员会人，出席人

答辩委员会主任（签字）：

答辩委员会副主任（签字）：

答辩委员会委员：，，，

，，，

平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）

评语

第页

共页学生姓名：专业年级

毕业设计（论文）题目：

评阅人：

指导教师：（签字）年月日

成绩：

系（科）主任：（签字）年月日

毕业设计（论文）及答辩评语：

摘要

斜盘式轴向柱塞泵是液压系统中的主要部件，它是靠柱塞在柱塞腔内的往复运动，改变柱塞腔内容积实现吸油和排油的，是容积式液压泵。对于斜盘式轴向柱塞泵，柱塞、滑靴、配油盘、缸体是其重要部分。柱塞是其主要受力零件之一；滑靴是高压柱塞泵常采用的形式之一，它能适应高压力高转速的需要；配油盘与缸体直接影响泵的效率和寿命。由于配油盘与缸体、滑靴与柱塞这两对高速运动副均采用了一静压支承，省去了大容量止推轴承，因此它具有结构紧凑、零件少、工艺性好、成本低、体积小、重量轻、比径向泵结构简单等优点。由于斜盘式轴向柱塞泵容易实现无级变量、维修方便等优点，因而斜盘式轴向柱塞泵在技术经济指标上占很大优势。

关键词:斜盘,柱塞泵,轴向

An axial piston pump structure design and modelling

ABSRACT

The inclined dish type and axial pump with a pillar is a main part in liquid press system，The inclined dish type and axial pump with a pillar is a back and forth movement by pillar to fill the inside of the pillar cavity，in order to change the pillar fills the contents of cavity to realize the oil of inhaling with line up oily，Is a capacity type liquid to press the pump .Fill to pillar to pump for the inclined dish type stalk the pillar fill, slip the boots and go together with the oil dish an is its importance part. The pillar fills is it suffer the one of the dint spare parts primarily. The slippery boots is one of the form that high pressure pillar fill the pump to often adopt. It can adapt to the high demand turning soon in high pressure dint, go together with the oil dish and the efficiency of the direct influence in a pump with life span. Because of going together with the oil dish fills ,pillar and a slippery boots these two rightness of high speeds the sport the vice- all adopting a the static pressure accepts. The province went to the big capacity push the bearings, have the construction tightly packed, the spare parts is little, the craft is good, the cost is low, the physical volume is small, the weight is light, comparing the path face to pump the construction simple etc. Because

the inclined dish type stalk fills to pillar the pump to realizes to have no easily the class changes the deal, maintain convenience and so on.

Key words：The Inclined Dish Pillar Pump Axial Pump

目录

摘要 (1)

ABSRACT (2)

前言 (4)

1 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数 (6)

1.1 直轴式轴向柱塞泵工作原理 (6)

1.2 直轴式轴向柱塞泵主要性能参数 (6)

1.2.1 排量、流量、容积效率与结构参数 (7)

1.2.2 扭矩与机械效率 (8)

1.2.3 功率与效率 (8)

2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析 (12)

2.1 柱塞运动学分析 (12)

2.1.1 柱塞行程S (12)

2.1.2 柱塞运动速度分析 V (13)

2.1.3 柱塞运动加速度a (13)

2.2 滑靴运动分析 (14)

2.3 瞬时流量及脉动品质分析 (15)

2.3.1 脉动频率 (17)

2.3.2 脉动率 (17)

3 柱塞泵主要部件的设计与受力分析 (18)

3.1 柱塞设计与受力分析 (18)

3.1.1柱塞结构形式 (18)

3.1.2 柱塞结构尺寸设计 (19)

3.1. 3 柱塞受力分析 (19)

3.2 滑靴设计 (22)

3.2.1 滑靴设计常用剩余压紧力法 (22)

3.2.2 滑靴结构型式与结构尺寸设计 (23)

3.3 配油盘受力分析与设计 (26)

3.3.1 配油盘设计 (26)

3.3.2 配油盘受力分析 (27)

3.3.3 验算比压P、比功Pv (28)

3.4 缸体设计 (29)

3.4.1 缸体的稳定性 (29)

3.4.2 缸体主要结构尺寸的确定 (29)

3.5 轴的校核 (29)

3.6 中心弹簧的计算 (33)

4 变量机构 (34)

结论 (38)

参考文献 (37)

致谢 (38)

前言

随着工业技术的不断发展，液压传动也越来越广，而作为液压传动系统心脏的液压泵就显得更加重要了。在容积式液压泵中，惟有柱塞泵是实现高压﹑高速化﹑大流量的一种最理想的结构，在相同功率情况下，径向往塞泵的径向尺寸大、径向力也大，常用于大扭炬、低转速工况，做为按压马达使用。而轴向柱塞泵结构紧凑，径向尺寸小，转动惯量小，故转速较高；另外，轴向柱塞泵易于变量，能用多种方式自动调节流量，流量大。由于上述特点，轴向柱塞泵被广泛使用于工程机械、起重运输、冶金、船舶等多种领域。航空上，普遍用于飞机液压系统、操纵系统及航空发动机燃油系统中。是飞机上所用的液压泵中最主要的一种型式。

本设计对柱塞泵的结构作了详细的研究，在柱塞泵中有阀配流﹑轴配流﹑端面配流三种配流方式。这些配流方式被广泛应用于柱塞泵中，并对柱塞泵的高压﹑高速化起到了不可估量的作用。可以说没有这些这些配流方式，就没有柱塞泵。但是，由于这些配流方式在柱塞泵中的单一使用，也给柱塞泵带来了一定的不足。设计中对轴向柱塞泵结构中的滑靴作了介绍，滑靴一般分为三种形式；对缸体的尺寸﹑结构等也作了设计；对柱塞的回程结构也有介绍。

柱塞式液压泵是靠柱塞在柱塞腔内的往复运动，改变柱塞腔容积实现吸油和排油的。是容积式液压泵的一种。柱塞式液压泵由于其主要零件柱塞和缸休均为圆柱形，加工方便配合精度高，密封性能好，工作压力高而得到广泛的应用。

柱塞式液压泵种类繁多，前者柱塞平行于缸体轴线，沿轴向按柱塞运动形式可分为轴向柱塞式和径向往塞式两大类运动，后者柱塞垂直于配油轴，沿径向运动。这两类泵既可做为液压泵用，也可做为液压马达用。

泵的内在特性是指包括产品性能、零部件质量、整机装配质量、外观质量等在内的产品固有特性，或者简称之为品质。在这一点上，是目前许多泵生产厂商所关注的也是努力在提高、改进的方面。而实际上，我们可以发现，有许多的产品在工厂检测符合发至使用单位运行后，往往达不到工厂出厂检测的效果，发生诸如过载、噪声增大，使用达不到要求或寿命降低等等方面的问题；

而泵在实际当中所处的运行点或运行特征，我们称之为泵的外在特性或系统特性。

正如科学技术的发展一样，现阶段科技领域中交叉学科、边缘学科越来越丰富，跨学科的共同研究是十分普遍的事情，作为泵产品的技术发展亦是如此。以屏蔽式泵为例，取消泵的轴封问题，必须从电机结构开始，单局限于泵本身是没有办法实现的；解决泵的噪声问题，除解决泵的流态和振动外，同时需要解决电机风叶的噪声和电磁场的噪声；提高潜水泵的可靠性，必须

在潜水电机内加设诸如泄漏保护、过载保护等措施；提高泵的运行效率，须

借助于控制技术的运用等等。这些无一不说明要发展泵技术水平，必须从配

套的电机、控制技术等方面同时着手，综合考虑，最大限度地提升机电一体

化综合水平。

柱塞式液压泵的显著缺点是结构比较复杂，零件制造精度高，成本也高，对油液污染敏感。这些给生产、使用和维护带来一定的困难。

1 直轴式轴向柱塞泵工作原理与性能参数

1.1 直轴式轴向柱塞泵工作原理[1]

轴向柱塞泵是将多个柱塞配置在一个共同缸体的圆周上,并使柱塞中心线和缸体中心线平行的一种泵。轴向柱塞泵有两种形式,直轴式(斜盘式)和斜轴式(摆缸式),如图2-1所示为直轴式轴向柱塞泵的工作原理,这种泵主体由缸体1、配油盘2、柱塞3和斜盘4组成。柱塞沿圆周均匀分布在缸体内。斜盘轴线与缸体轴线倾斜一角度,柱塞靠机械装置或在低压油作用下压紧在斜盘上(图中为弹簧),配油盘2和斜盘4固定不转,当原动机通过传动轴使缸体转动时,由于斜盘的作用,迫使柱塞在缸体内作往复运动,并通过配油盘的配油窗口进行吸油和压油。如图2-1中所示回转方向,当缸体转角在π～2π范围内,柱塞向外伸出,柱塞底部缸孔的密封工作容积增大,通过配油盘的吸油窗口吸油;在0～π范围内,柱塞被斜盘推入缸体,使缸孔容积减小,通过配油盘的压油窗口压油。缸体每转一周,每个柱塞各完成吸、压油一次,如改变斜盘倾角,就能改变柱塞行程的长度,即改变液压泵的排量,改变斜盘倾角方向,就能改变吸油和压油的方向,即成为双向变量泵。

图1—1轴向柱塞泵的工作原理

1—缸体2—配油盘3—柱塞4—斜盘5—传动轴

1.2 直轴式轴向柱塞泵主要性能参数[1]

给定设计参数

最大工作压力 P max =35 MPa

额定流量 Q=45ml/min

最大排量 q max =r /ml 30

额定转速 1500n = r/min

最大转速 max 3000n = r/min

1.2.1 排量、流量、容积效率与结构参数

轴向柱塞泵几何排量b q 是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出油油液的容

积，即

22max tan 44q d ZS d ZD π

π

γ== （1—1）

式中 d ——柱塞直径；

Z ——柱塞数；

D ——柱塞分布圆直径；

γ——斜盘倾角。

泵的理论排量q 为

1000v

Q q n η=? 式中：υη——油泵的容积效率，计算时一般取0.92～0.97。本文中取υη=0.97 。

q= 97

.01500451000?? r /ml 9.29q =

为了避免气蚀现象，在计算q 值之后，需按下式做校核计算：

13

max p n q C ?≤

式中：p C ——常数，对进口无预压力的油泵p C =5400；对有进口压力的油泵

p C =9100。 Cp <=?2.1559.2960

300031

所以主参数排量符合设计要求。 从泵的排量公式22max tan 44q d ZS d ZD π

π

γ==可以看出，柱塞直径d ，分布

圆直径D,柱塞数Z 都是泵的固定结构参数，并且当原动机确定之后传动轴转速 n

也是不变的量。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γ

来实现。

对于直轴式轴向柱塞泵，斜盘最大倾斜角max γ在15~20之间，该设计是非

通轴泵，受结构限制，取上限，即γ=20。

柱塞数Z ，由泵的结构与流量脉动率δ来决定，因为是非通轴式所以一般取

Z=7。

柱塞直径d 和柱塞分布圆半径R

3

ztan z 1803qsin

d γ

π?

= （2—1） 当Z=7时， cm 72.155.2q 30.1ztan z 180qsin 3d 33==?=πγπ 由于上式计算出的cm 72.1d =需要圆整化，并按有关标准选取标准直径，应选

mm 18d =

柱塞直径确定后，应从满足流量的要求而确定柱塞分布圆半径。即

mm 52.381814.2R f =?=

将柱塞分布圆半径进行圆整取mm 39R f =。

排量是液压泵的主要性能参数之一，是泵几何参数的特征量。相同结构型式

的系列泵中，排量越大，做功能力也越大。因此对液压元件型号命名的标准中明

确规定用排量作为主要参数来区别同一系列不同规格型号的产品。

1.2.2 扭矩与机械效率

不计摩擦损失时泵的理论扭矩tb M 为 )/N 10057.014

.32100299.0122q p M 66

b tb m （π?=???== （2—2) 式中b p 为泵吸、排油腔压力差。

考虑摩擦损失b M 时，实际输出扭矩gb M 为

）

（N/m 10052.010005.010057.0M M M 666b tb gb ?=?-?=-= 轴向柱塞泵的摩擦损失主要由缸体底面与配油盘之间、滑靴斜盘平面之间、

柱塞与柱塞腔之间的摩擦副的相对运动以及轴承运动而产生的。泵的机械效率定

义为实际输出扭矩gb M 与理论扭矩tb M 之比，即

91.010

057.010052.0M M 66

tb gb bm =??==η 轴向柱塞泵的机械效率bm η=0.9～0.96。所以此泵符合设计要求。

1.2.3 功率与效率

不计各种损失时，泵的理论功率tb N

tb t nM 2N π==tb b b Q p

kw 894910057.060

150014.32N 6tb =????= 泵的实际输入功率br N 为 12br gb bm

N nM πη= kw 897191

.0110052.060150014.32N 6br =?????= 定义泵的总效率总η为输出功率tb N 与输入功率br N 之比，即 88.091.097.0N N bm br

tb =?===ηηην总 （2—3) 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95.0~85.0b =η，上式满足要求。

2 直轴式轴向柱塞泵运动学及流量品质分析[3]

泵在一定斜盘倾角下工作时，柱塞一方面与缸体一起旋转，沿缸体平面做圆

周运动，另一方面又相对缸体做往复直线运动。这两个运动的合成，使柱塞轴线

上任何一点的运动轨迹是一个椭圆。此外，柱塞还可能有由于摩擦而产生的相对

缸体绕其自身轴线的自传运动，此运动使柱塞的磨损和润滑趋于均匀，是有利的。 2.1 柱塞运动学分析[4]

柱塞的运动学分析主要是研究柱塞相对于缸体的往复直线运动。即分析柱塞

与缸体做相对运动时的行程、速度和加速度，这种分析是研究泵流量品质和主要

零件受力状况的基础。

2.1.1 柱塞行程 S

图2－1为一般带滑靴的轴向柱塞运动分析图。若斜盘倾斜角为γ，柱塞分

布圆半径f R ，缸体或柱塞旋转角为α，并以柱塞腔容积最大时的上死点位置为

0°，则对应于任意旋转角α时，

图2－1柱塞运动分析

c o s f f h R R α=-

所以柱塞行程 S 为

γ）（γt a n c o s 1R h t a n S f α

-== （2—4) 当180α=时，可得最大行程max S 为

mm 4.283640.0392tan R 2S f max =??==γ

2.1.2 柱塞运动速度分析 V

将式γ）（γtan cos

1R htan S f α-==对时间微分可得柱塞运动速度 v 为 αs i n t a n R d d d d d d f t v v s t s γωμ=?==

当90α=及270°时，sin 1α=±，可得最大运动速度max V 为

）（γωμm m /s 222920tan 14.3260

150039tan R f max =????== 式中ω为缸体旋转角速度，t α

ω=

2.1.3 柱塞运动加速度a 将αsin tan R d d d d d d f t v v s t s γωμ=?==对时间微分可得到柱塞运动加速度a 为 αc o s t a n R d d d d d d a 2f t

a a v t v γω=?== 当α=0°或180°时，cos 1α=±,可得最大运动加速度max a 为

)/m (24.35020tan 260

150039tan R a 222f max s =??==π）（γω 柱塞运动的行程s 、速度v 、加速度a 与缸体转角的关系如图2—2所示。

图2—2 柱塞运动特征图

2.2 滑靴运动分析[4]

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xoy 内的运动规律，如图2—3所示。

图2—3 滑靴运动规律分析图

其运动轨迹是一个椭圆。椭圆的长，短轴分别为

长轴 ）（γ

mm 83cos R 2b 2f == 短轴 ）（mm 78R 2a 2f ==

设柱塞在缸体平面上A 点坐标为

s i n f x R α=

c o s f y R α=

如果用极坐标表示则为

矢径 αγ222f 22h c o s t a n

1R y x R +=+= 极角 ）

（mm 78R 2a 2f == 滑靴在斜盘平面x o y '''内的运动角速度h ω为

222c o s c o s c o s s i n

h t d d αωγωαγα==+ （2—5) 由上式可见，滑靴在斜盘平面内是不等角速度运动，当2πα

=或32π时，h ω最大

（在短轴位置）为

()m a x 1500260167/cos cos 20h rad s πωωγ?=== 当0α=或π时，h ω最小（在长轴位置）为

()m i n 1500cos 2cos 20147.6/60

h rad s ωωγπ==??= 由结构可知，滑靴中心绕o '点旋转一周的时间等于缸体旋转一周的时间。因

此，其平均旋转角速度等于缸体角速度，即

()15002157/60

h rad s ωωπ==?= 2.3 瞬时流量及脉动品质分析[4]

柱塞运动速度确定之后，单个柱塞的瞬时流量可写成

?s i n t a n R F Q f z ti γ

ω= （2—6) 式中z F 为柱塞横截面积, 24z F d π

=。

泵柱塞数为7，柱塞角距为220.97

z ππθ==≈，位于排油区的柱塞数为0Z ，那么参与排油的各柱塞瞬时流量为

?sin tan R F Q f z t1γω=

）

（γωq sin tan R F Q f z t2+=? ）

（γωq 2sin tan R F Q f z t3+=?

[]θ?）（γω1Z sin tan R F Q 0f z t -+=

泵的瞬时流量为

127t t t t Q Q Q Q =+++

[]∑→-+=0

Z 1t f z 1i s i n t a n R F θ?）（γω

??? ??±-=

42cos 4

sin 1tan R F 21f z θθ?πγω 由以上可以看出，泵的瞬时流量与缸体转角 a 有关，也与柱塞数有关。

图2—4奇数柱塞泵瞬时流量

对于奇数柱塞，排油区的柱塞数为0Z 。 当02θ?≤≤时，取0171422

Z Z ++===,由泵的流量公式可得瞬时流量为 z

2sin 2z 2cos tan R F Q f z t ππγω??? ??-=? 当2θ?θ≤≤时，流量脉动取012

Z Z -=,同样由泵的流量公式可得瞬时流量为 z

2sin 2z 23cos tan R F Q f z t ππγω??? ??-=? 当0?=、2

θ、θ、时，可得瞬时流量的最小值为 3f z tmin 104

cot tan R F 21Q -?=θγω 而当4

θ?=、34θ、54θ、时，可得瞬时流量的最大值为 3f z tmax 104

csc tan R F 21Q -?=θγω 油泵的平均流量tavg Q 可按下式计算：

3f 2tavg 10Ztan R 2d 4

n Q -???=γπ 级数柱塞泵瞬时流量规律见图2—4

我们常用脉动率δ和脉动频率 f 来表示瞬时流量脉动品质。定义脉动率

max min t t tavg

Q Q Q δ-= 这样，就可以进行动品质分析。

2.3.1 脉动频率

当Z=7，即为奇数时

()150022735060

f nZ Hz ==??= （2—7) 2.3.2 脉动率

当Z=7，即为奇数时

0439.074tan 72z 4tan z 2=??? ?????==

ππππδ 当Z 为偶数时

z

2t a n 2ππ=δ 利用以上两式计算值，可以得到以下内容：

表2—1脉动率的计算值 Z 5 6

7 8 9 10 11 δ（％） 8.61

13.91 2.53 7.82 1.53 4.98 1.23 由以上分析可知：

1.随着柱塞数的增加，流量脉动率下降。

2.相邻柱塞数相比，奇数柱塞泵的脉动率远小于偶数柱塞泵的脉动率，这就

是轴向柱塞泵采用奇数柱塞的根本原因。

泵瞬时流量是一周期脉动函数。由于泵内部或系统管路中不可避免的存在有

液阻，流量的脉动必然要引起压力脉动。在设计液压泵和液压系统时，要考虑采

取措施抑制或吸收压力脉动，避免引起谐振。

3 柱塞泵主要部件的设计与受力分析[5]

柱塞相对缸体往复直线运动时，有直线加速度a，则柱塞轴向惯柱塞是柱塞泵主要受力零件之一。单个柱塞随缸体旋转一周时，半周吸油，半周排油。柱塞在吸油过程与在排油过程中的受力情况是不一样的。下面主要讨论柱塞在排油过程中的受力分析，而柱塞在吸油过程中的受力情况在回程盘设计中讨论。

3.1 柱塞设计与受力分析[6]

3.1.1柱塞结构形式

轴向柱塞泵均采用圆柱形柱塞。根据柱塞头部结构，可以有以下三种形式：

①点接触式柱塞，这种柱塞头部为一球面，与斜盘为点接触，其零件简单，加工方便。但由于接触应力大，柱塞头部容易磨损、剥落和边缘掉块，不能承受过高的工作压力，寿命较低。

②线接触式柱塞，柱塞头部安装有摆动头，摆动头下部可绕柱塞窝中心摆动。摆动头上部是球面或平面或面接触，已降低接触应力，提高泵工作压力。

③带滑靴的柱塞，柱塞头部同样装有一个摆动头，称为滑靴，可以绕柱塞球头部中心摆动。滑靴与斜盘间为面接触，接触应力小，能承受较高的工作压力。

高压油液还可以通过柱塞中心孔及滑靴中心孔，沿滑靴平面泄露，保持与斜盘之

间有一层油膜润滑，从而减少了摩擦和磨损，使寿命大大提高。

本设计即采用带滑靴的柱塞形式进行设计。

3.1.2 柱塞结构尺寸设计

（1）柱塞直径d 及柱塞分布圆半径f R

在前面中我们已经求出：

柱塞直径mm 18d =

柱塞分布圆半径mm 39R f =

(2) 柱塞名义长度L

如图3—1所示，应选定下列主要参数：

h ——柱塞行程（mm ）

min l ——柱塞最小外伸长度（mm ）

0l ——柱塞最小接触长度（mm ）

l ——柱塞名义长度（mm ）

h 值在结构计算中以确定，一般在()1~1.5h d =范围内，而min l 及l 值一般可

按经验数据来取：

m i n 0.2

l d ≈ ()0 1.5~2l d = 取27mm d 5.10==l

而

()m i n 0 2.7~3.7l h l l d

=++= （3—8) 这里取 mm 54d 3==l

(3) 柱塞球头直径1d

按经验常取1d 0.7d = （3—9)

为使柱塞在排油结束时圆柱面能完全进入柱塞腔，应使柱塞球头中心至圆柱

面保持一定的距离d l ，取mm d l d 95.0==

(4) 柱塞均压槽

高压柱塞泵中往往在柱塞表面开有环形均压槽，起均衡侧压力、改善润滑条

件和存储赃物的作用。均压槽的尺寸常取：深0.3~0.7h mm =间距2~10t mm =

实际上，由于柱塞受到的径向力很大，均压槽的作用并不明显，还容易滑伤

缸体上柱塞孔壁面。因此，目前许多高压柱塞泵中的柱塞不开设均压槽。

3.1.3 柱塞受力分析

图3—1是带有滑靴的柱塞受力简图。