【正文】 遼寧工程技術(shù) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 前言 液壓傳動技術(shù)是一種近代工業(yè)技術(shù)，可以借助導(dǎo)管向任一位傳遞動力；可以借助控制壓力油液的流動實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的預(yù)定控制；可以實(shí)現(xiàn)小型機(jī)械化；可以實(shí)現(xiàn)無沖擊大范圍的無極調(diào)速；可以遠(yuǎn)距離操縱確定運(yùn)動部分的位置、運(yùn)動方向的變換、增減速度；便于實(shí)現(xiàn)自動化等，因而適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械的自動化發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中，象飛行器、各種工作母機(jī)、建筑機(jī)械與車輛、塑料機(jī)械、起重機(jī)械、礦山機(jī)械和船舶等等，均使用著液壓傳動，而且應(yīng)用日益廣泛。 由于液壓技術(shù)自身的諸多優(yōu)點(diǎn) ， 使得液壓技術(shù)的 發(fā)展速度非常驚人。尤其是近年來，液壓設(shè)備的年增長率 一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它機(jī)械設(shè)備，許多機(jī)械設(shè)備的傳動形式已逐漸被液壓傳動所取代。 而 液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力元件，是液壓系統(tǒng)中必不可少的一部分。 若按液壓泵的結(jié)構(gòu)不同可將液壓泵分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵和螺桿泵。 柱塞泵又分為軸向柱塞式和徑向柱塞式。 目前液壓傳動的高壓化發(fā)展趨勢 ，使柱塞泵尤其是軸向柱塞泵得到了相應(yīng)的發(fā)展。 王迪：軸向柱塞泵設(shè)計(jì) 2 1 軸向柱塞泵 概述 柱塞泵是依靠柱塞在缸體孔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動，造成密封容積的變化，來實(shí)現(xiàn)吸油和排油。 軸向柱塞泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位功率體積小、重量輕、工作壓力高、容易實(shí)現(xiàn)變量等優(yōu) 點(diǎn)。這類泵多用于農(nóng)林機(jī)械、起重運(yùn)輸設(shè)備、工程機(jī)械、船舶甲板機(jī)械、冶金設(shè)備、火炮和空間技術(shù)中。 柱塞泵按其柱塞在缸體孔中排列方式不同，分為軸向泵和徑向柱塞泵兩類。軸向柱塞泵是指柱塞的軸線與傳動軸的軸線平行或略有傾斜的柱塞泵，而徑向柱塞泵的柱塞軸線與傳動軸的軸線互相垂直。 軸向柱塞泵分為直軸式和斜軸式兩種。 直軸式軸向柱塞泵概況 直軸式軸向柱塞泵是缸體直接安裝在傳動軸上，缸體軸線與傳動軸的軸線重合，并依靠斜盤和彈簧使柱塞相對缸體往復(fù)運(yùn)動而工作的軸向柱塞泵，亦稱斜盤式軸向柱塞泵。 斜盤式軸向柱塞泵的許用工 作壓力和轉(zhuǎn)速都較高，變量性能優(yōu)異，且結(jié)構(gòu)緊湊，功率質(zhì)量比大，容積效率高。斜盤式軸向柱塞泵由于泵軸和缸體的支承方式不同，又可分為通軸式和缸體支承式（非通軸式）。其中通軸泵的泵軸需要有足夠的支承剛度，不僅要驅(qū)動缸體旋轉(zhuǎn)，而且要保證在承受缸體傳來的側(cè)向力時(shí)不致出現(xiàn)過大的變形。而非通軸泵則在缸體的前端設(shè)置一個(gè)大直徑的專用軸承裝以直接承受側(cè)向力，泵軸只用來傳遞轉(zhuǎn)矩。 相對于其他類型液壓泵，該泵結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無極變量、具有可逆性（可作泵，也可作馬達(dá)）、壓力高、噪音低（相對于斜軸式）， 效率高， 制造成本較低，在我國使用 較為廣泛。 直軸式軸向柱塞泵的工作原理 柱塞泵是液壓泵的一種，故先敘述液壓泵的基本工作條件。液壓泵若正常工作，必須具備以下基本條件： 1） 存在密封容積并且發(fā)生變化。密封容積的變化是液壓泵實(shí)現(xiàn)吸液和排液的根本原因。所以，這種泵又稱為容積式液壓泵。 2） 密封容積在變化過程中，分別與吸、排液腔相溝通。 3） 吸液腔與排液腔必須隔開，即不能同時(shí)相互溝通。 遼寧工程技術(shù) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 4） 油箱內(nèi)液體絕對壓力必須不小于大氣壓力，這是容積式液壓泵能吸液的外部條件。 下面介紹直軸式軸向柱塞泵的工作原理： 如圖 11 所示， 直軸式軸向柱塞泵 的主要零件有斜盤 15，柱塞 5，缸體 2，配油盤 1 和傳動軸 11 等。斜盤 15 和配油盤 1 固定不動，缸體 2 固定在傳動軸11 上并通過 軸承支撐在泵的殼體內(nèi)。柱塞缸體沿圓周均勻分布有幾個(gè)（一般為奇數(shù)個(gè)）平行于傳動軸的柱塞孔，每個(gè)柱塞孔中都裝有柱塞 5，柱塞可在柱塞孔中自由滑動。配油盤 1 通過定位銷固定在泵殼體底部，其上的腰形孔分別與泵體上的吸、排油孔相通。 通過某種措施，可以保證每個(gè)柱塞的左端始終緊貼在斜盤表面上（允許柱塞與斜盤有相對滑動），并使柱塞缸體的右端面緊靠在配油盤上（允許兩者之間有相對轉(zhuǎn)動）。于是，柱塞處在最下端時(shí)， 因伸出缸孔尺寸最短，柱塞右端面與缸孔內(nèi)表面圍成的密封工作容積為最?。划?dāng)柱塞運(yùn)行到最上端時(shí)，因伸出缸孔的尺寸最長，柱塞右端面與缸孔內(nèi)表面圍成的密封容積達(dá)最大。 當(dāng)傳動軸從軸端看，沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞 5 自下向上回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)，既要隨轉(zhuǎn)動缸體作圓周運(yùn)動，又要逐漸往外伸出，使柱塞底部的密封容積不斷增加，產(chǎn)生局部真空，低壓油經(jīng)泵吸油口、配油盤吸油窗孔吸入泵內(nèi)。柱塞在自上而下半周內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞在作圓周運(yùn)動的同時(shí)，還要逐漸向缸孔內(nèi)縮回，使柱塞底部密封容積不斷減小，高壓油從配油盤的排油窗孔，泵排油孔進(jìn)入系統(tǒng)。傳動軸每轉(zhuǎn)一 轉(zhuǎn)，每個(gè)柱塞往復(fù)運(yùn)動一次，完成一次吸油和排油動作。 泵軸 11 與缸體 2 為花鍵連接，驅(qū)動缸體旋轉(zhuǎn)，使均布于缸體中的七個(gè)柱塞5繞泵軸軸線轉(zhuǎn)動，每個(gè)柱塞頭部有一滑靴 6。中心彈簧 8通過內(nèi)套 鋼球 1壓盤 7將滑靴壓緊于軸線成某一傾角 ? 并支撐于變量殼體 13 的斜盤 15上。 當(dāng)缸體旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞隨缸體轉(zhuǎn)動的同時(shí)，相對缸體作往復(fù)運(yùn)動，完成吸油和排油工作。中心彈簧 8 通過外套 10將缸體壓緊于配油盤 1上，起預(yù)密封作用，同時(shí)又是使柱塞回程的加力裝置。 直軸式軸向柱塞泵的主要性能參數(shù) 本設(shè)計(jì)給定設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 額定工作壓力 32Mpa， 理論 流量 (l/min)和額定轉(zhuǎn)速 1500r/min。 王迪：軸向柱塞泵設(shè)計(jì) 4 圖 11 直軸式軸向柱塞泵 Straightaxis axial plunger pump 壓力 液壓泵的壓力通常指泵的排液口排出液體所具有的相對壓力值，常用單位為帕（ Pa）。 在液壓泵中，常提到的壓力油額定壓力、最高壓力和實(shí)際壓力三種形式。 額定壓力是指根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，液壓泵在正常工作條件下所允許的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的最大壓力值，即液壓泵銘牌標(biāo)注的壓力值（亦稱公稱 壓力） ，通常用 Hp表示 。 最高壓力是指根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，液壓泵超過額定壓力后所允許的短暫運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的最大壓力值 ，常用 kp 表示。 顯然，同一臺泵的額定壓力小于最高壓力。液壓泵的最高壓力通常要受強(qiáng)度和密封條件的限制。 實(shí)際工作壓力是指液壓泵在實(shí)際工作條件下，排液口所具有的具體壓力值，簡稱為工作壓力。通常所提液壓泵的壓力就是指實(shí)際工作壓力。 遼寧工程技術(shù) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 排量和流量 液壓泵的排量是指液壓泵在沒有泄漏情況下，傳動軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所排出的液體體積 ，通常用 Bq 表示，其單位為 L/r 或 mL/r。液壓泵的排量僅取決于它的結(jié)構(gòu)幾何尺寸，而與泵的工作載荷和轉(zhuǎn)速無關(guān)。 液壓泵的流量是指在單位時(shí)間內(nèi)，液壓泵所排出的液體體積 ,通常用 BQ 來表示，其單位為 L/min 或 mL/min。 液壓泵的流量包括理論流量、泄漏流量和實(shí)際流量三種形式。 液壓泵的理論流量是指在沒有泄漏情況下，單位時(shí)間內(nèi)排出液體的體積，通常用 BtQ 表示。若液壓泵的轉(zhuǎn)速為 Bn ,則液壓泵的理論流量為 BBBt nqQ ?? （ 11） 圖 12 泵的各種流量與工作壓力之間關(guān)系曲線圖 a variety of pump flow and the relationship between work stress curve 可見，液壓泵的理論流量只與排量和轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與工作載荷是無關(guān)的。理論 流量 BtQ 與工作壓力 p之間關(guān)系曲線如圖 12所示。 液壓泵的泄漏流量是指 在壓力差 p? 的作用下，經(jīng)泵零、部件之間隙泄漏掉的液體質(zhì)量，通常用 BQ? 表示。泄漏流量包括 內(nèi)漏和外漏兩部分，內(nèi)漏是由高壓腔漏到低壓腔部分，外漏是指高壓腔的油液直接漏到回油管路中的部分。通常用泄漏系數(shù) L來表征液壓泵的泄漏程度，其表達(dá)式為 HBpQL ?? （ 12） 式中 Hp —— 泵額定壓力； 王迪：軸向柱塞泵設(shè)計(jì) 6 L—— 泵泄漏系數(shù)。 通常當(dāng)液壓泵的零件之間隙越大，工作壓力越大，油液黏度越小，則液壓泵泄漏流量就越大。 液壓泵是實(shí)際流量是指液壓泵在實(shí)際具體工作情況（存在泄漏）下，單位時(shí)間內(nèi)所排出的液體體積，通常 BQ 表示。在不加特殊說明情況下，液壓泵的流量均指實(shí)際流量而言。實(shí)際流量、理論流量和泄漏流量三者關(guān)系為 BBtB Q ??? （ 13） 此關(guān)系也可由圖 12看出。從圖還可以看出，隨著工作壓力 p的增加，實(shí)際流量 BQ 而下降，其主要原因是工作壓力增加而泄漏流量也隨著增加所致。 效率 液壓泵的效率是表征液壓泵在能量轉(zhuǎn)換過程中功率損耗的一個(gè)系數(shù)，可用B? 表示。液壓泵的效率包括容積效率（記為 BV? ）和機(jī)械效率（記為 Bm? ）。 液壓 泵的容積效率 BV? 是指實(shí)際 流量 BQ 與理論流量 BtQ 的比值，即 BBHBtBBtBBtBtBBv nqLpQ ????????? 11? （ 14） 可見，液壓泵的容積效率 Bv? 反映出泵容積損失大小，當(dāng)泵的工作壓力愈高，泄漏系數(shù)愈大，泵的排量愈小，轉(zhuǎn)速愈低，零件之間隙愈大，油液黏度愈低，泵的容積效率就愈低，容積損失就愈大。液壓泵的容積效率通常是指在額定壓 力和額定轉(zhuǎn)速下的值。 液壓泵的機(jī)械效率 Bm? 是指理論 輸入 功率 BitN （不包含機(jī)械磨損所消耗的功率）與實(shí)際輸入功率 BiN （包含因機(jī)械磨損消耗的功率）之比值，即 BBtBimB itBiB itBm MMN NNNN ?????? (15) 式中 mN? —— 機(jī)械磨損所消耗的機(jī)械功率； BitN —— 泵的理論輸入功率； BiN —— 泵的實(shí)際輸入功率； BitM —— 泵的理論輸入力矩； BiM —— 泵的實(shí)際輸入力矩； 遼寧工程技術(shù) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 Bm? —— 泵的機(jī)械效率。 可見，泵的機(jī)械效率 Bm? 能反映出泵的機(jī)械損失大小 。液壓泵的機(jī)械磨損主要體現(xiàn)在軸與軸承、軸與密封件和相對運(yùn)動的零件之間，若它們之間的磨損愈大，導(dǎo)致機(jī)械功率損耗愈大，機(jī)械效率就愈低 。 液壓泵的總效率 B? 等于容積效率 Bv? 與機(jī)械效率 Bm? 的乘積，即 BmBvB ??? ?? （ 16） 功率 液壓泵是將原動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成輸出液體壓力能的轉(zhuǎn)換裝置。體現(xiàn)機(jī)械能的重要參數(shù)是轉(zhuǎn)矩和角速度，反映液體壓力能的主要參數(shù)則是液體的壓力和流量。在下面介紹的液壓泵功率計(jì)算就要涉及到以上參數(shù)。 液壓泵的功率包括理論輸入功率、理論輸出功率、實(shí)際輸入功率和實(shí)際輸出功率。 其中理論輸入功率和理論輸出功率是等價(jià)的，因?yàn)樵诶碚撋险J(rèn)為不存在任何泄漏。 理論輸出功率是指在不考慮泵容積損失前提下，輸出液體所具有的液壓功率，即 BtBB QpN ??ot （ 17） 式中 Bp —— 泵輸出液體的壓力， Pa； BtQ —— 泵的理論流量， sm/3 ； BtN —— 泵的理論輸出功率， W。 理論輸入功率是指在不考慮泵機(jī)械損失前提下，泵所輸入的機(jī)械功率，即 BBtBit wMN ?? （ 18） 式中 BtM —— 泵輸入的理論轉(zhuǎn)矩， N? m； Bw —— 泵的角速度， rad/s； BtN —— 泵的理論輸入功率， W。 實(shí)際輸出功率是指在考慮泵的容積損失前提下，輸出液體所具有的實(shí)際液壓功率，即 BB i tBvBmBiBvB i tBvB o tBvBtBBBB NNNNQpQpN ?????? ???????o （ 19） 王迪：軸向柱塞泵設(shè)計(jì) 8 式中 Bp —— 泵輸出液體的壓力， Pa； BQ —— 泵的實(shí)際流量， sm/3 ； Bv? —— 泵的容積效率； Bm? —— 泵的機(jī)械效率； B? —— 泵的總效率； BotN —— 泵的 理論 輸出功率， W； BitN —— 泵的理論 輸入 功率， W； BiN —— 泵的實(shí)際輸入功率， W。 實(shí)際輸入功率是指在考慮泵機(jī)械損失前題下，泵所輸入的實(shí)際機(jī)械功率，即 BBoBmBvBoBmB itBBmBtBBBi NNNwMwMN????? ????? （ 110） 式中 BM —— 泵輸入的實(shí)際轉(zhuǎn)矩， N m? ； Bw —— 泵的角速度， rad/s； Bm? —— 泵的機(jī)械效率； Bv? —— 泵的容積效率； B? —— 泵的總效率； BitN —— 泵的 理論輸入功率， W； BoN —— 泵的實(shí)際輸出功率， W； BiN —— 泵的實(shí)際輸入功率， W。