【文章內(nèi)容簡介】 有滑靴的柱塞受力分析簡圖 ) 作用在柱塞上的力有： 柱塞底部的液壓力 bP 柱塞位于排油區(qū)時，作用于柱塞底部的軸向液壓力 bP 為 )(125601040)1020(44 63m a x2 NppdpP xb ?????? ? 式中 maxP 為泵最大工作壓力。 柱塞慣性力 BP 柱塞相對缸體往復(fù)直線運動時，有直線加速度 a，則柱塞軸向慣性力 BP 為 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 17 頁 共 59 頁 2 c o s 1 0 1 ( )zB z fGP m a R tg a Ng wg= = = 式中 zm ﹑ zG 為柱塞和滑靴的總質(zhì)量。 慣性力 BP 方向與加速度 a 的方向相反，隨缸體旋轉(zhuǎn)角 a 按余弦規(guī)律變化。當 0a ??和 180? 時，慣性力最大值為 pt g gwRgGp fz 2601 5 32m a x ???????? 015tg? =243(N) 離心反力 tP 柱塞隨缸體繞主軸作等速圓周運動，有向心加速度 ta ，產(chǎn)生的離心反力 tP 通過柱塞質(zhì)量重心并垂直軸線，是徑向力。其值為 2 243 9 0 7 ( )15Zt z t fGP m a R Ng tgw O= = = = 斜盤反力 N 斜盤反力通過柱塞球頭中心垂 直于斜盤平面，可以分解為軸向力 P 及徑向力 0T 即 )(325015s in12560s inNT N1213215c o s12560c o s 00NggNp ???? ???? ）（ 軸向力 P 與作用于柱塞底部的液壓力 bP 及其它軸向力相平衡。而徑向力 T 則對主軸形成負載扭矩，使柱塞受到彎矩作用，產(chǎn)生接觸應(yīng)力，并使缸體產(chǎn)生傾倒力矩。 柱塞與柱塞腔壁之間的接觸應(yīng)力 1p 和 2p 該力是接觸應(yīng)力 1p 和 2p 產(chǎn)生的合力。考慮到柱塞與柱塞腔的徑向間隙遠小于柱塞直徑及柱塞腔內(nèi)的接觸長度。因此，由垂直于柱塞腔的徑向力 T 和離心力 fp 引起的接觸應(yīng)力 1p 和 2p 可以看成是連續(xù)直線分布的應(yīng)力。 摩擦力 1fP 和 2fP 柱塞與柱塞腔壁之間的摩擦力 fp 為 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 18 頁 共 59 頁 12( ) ( 2 0 1 0 0 5 8 2 3 ) 0 . 1 2 5 9 2 . 3 ( )fP P p f N= + = + ? 式中 f 為摩擦系數(shù)，常取 f =～ ，這里取 。 分析柱塞受力，應(yīng)取柱塞在柱塞腔中具有最小接觸長度，即柱塞處于上死點時的位置。此時， N﹑ 1p 和 2p 可以通過如下方程組求得 0y?? 12s in 0tN p p p? ? ? ? ? 式中 0l —— 柱塞最小接觸長度，根據(jù)經(jīng)驗 0l =( 2)d ，這里取 0l =2d =78mm； l —— 柱塞名義長度，根據(jù)經(jīng)驗 l =( )d ，這里取 0l =3d =117mm； tl —— 柱塞重心至球心距離， tl =0l 2 7 8 5 7 .6 2 0 .4l m m = = 以上雖有三個方程，但其中 2l 也是未知數(shù)，需要增加一個方 程才能求解。 根據(jù)相似原理有 1max 0 02max 2p l lpl?? 又有 1 1 m a x 0 21 ()2p p l l?? 2 max 212 zzp p l d? 所以 2021222()llppl?? 將式 2021222()llppl??代入 12s in 0tN p p p? ? ? ? ?求解接觸長度 2l 。為簡化計算，力矩方程中離心力 tP 相對很小可以忽略，得 002020 6612 346 lfdl lfdllllzz?? ??? )( 2 mm??????? ????????? 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 19 頁 共 59 頁 將式 2021222()llppl??代入 可得 將以上兩式代入 可得 )(5715s o s , 2 5 60s inc o s 00 KNgfjg fjpppN tBb ??? ?????? ??? 式中 ? 為結(jié)構(gòu)參數(shù)。 2 202222022() ( 78 57 .6 )1 1117 1. 78( ) ( 78 57 .6 ) 11117xxllllllj + += = = 柱塞設(shè)計 柱塞結(jié)構(gòu)型式 軸向柱塞泵均采用圓柱形柱塞。根據(jù)柱塞頭部結(jié)構(gòu)，可有以下三種形式： ①點接觸式柱塞，如圖 （ a）所示。這種柱塞頭部為一球面，與斜盤為點接觸，其零件簡單，加工方便。但由于接觸應(yīng)力大，柱塞頭部容易磨損﹑剝落和邊緣掉塊，不能承受過高的工作壓力，壽命較低。這種點接觸式柱塞在早期泵中可見，現(xiàn)在很少有應(yīng)用。 ②線接觸式柱塞，如圖 （ b）所示。柱塞頭部安裝有擺動頭，擺動頭下部可繞柱塞球窩中心擺動。擺動頭上部是球面或平面與斜盤或面接觸，以降低接觸應(yīng)力，提高泵工作壓。擺動頭與斜盤的接觸面之間靠殼體腔的油 液潤滑，相當于普通滑動軸 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 20 頁 共 59 頁 承，其 ? ?pv 值必須限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。 ③帶滑靴的柱塞，如圖 （ c）所示。柱塞頭部同樣裝有一個擺動頭，稱滑靴，可以繞柱塞球頭中心擺動?；ヅc斜盤間為面接觸，接觸應(yīng)力小，能承受較高的工作壓力。高壓油液還可以通過柱塞中心孔及滑靴中心孔，沿滑靴平面泄漏，保持與斜盤之間有一層油膜潤滑，從而減少了摩擦和磨損，使壽命大大提高。目前大多采用這種軸向柱塞泵。 （ a） ( b ) ( c ) 圖 柱塞結(jié)構(gòu)型式 圖 封閉薄壁柱塞 從圖 可見，三種型式的柱塞大多做成空心結(jié)構(gòu)，以減輕柱塞重量，減小柱塞運動時的慣性力。采用空心結(jié)構(gòu)還可以利用柱塞底部高壓油液使柱塞局部擴張變形補償柱塞與柱塞腔之間的間隙，取得良好的密封效果?？招闹麅?nèi)還可以安放回程彈簧，使柱塞在吸油區(qū)復(fù)位。 但空心結(jié)構(gòu)無疑增加了柱塞在吸排油過程中的剩余無效容積。在高壓泵中，由于液體可壓縮性能的影響，無效容積會降低泵容積效率，增加泵的壓 力脈動，影響調(diào)節(jié)本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 21 頁 共 59 頁 過程的動態(tài)品質(zhì)。 因此，采用何種型式的柱塞要從工況條件﹑性能要求﹑整體結(jié)構(gòu)等多方面權(quán)衡利弊，合理選擇。 航空液壓泵通常采用圖 所式的封閉壁結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅有足夠的剛度，而且重量減輕 10%～ 20%。剩余無效容積也沒有增加。但這種結(jié)構(gòu)工藝比較復(fù)雜，需要用電子束焊接。 柱塞結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 ①柱塞直徑 Zd 及柱塞分布塞直徑 fD 柱塞直徑 Zd ﹑ 柱塞分布塞直徑 fD 和柱塞數(shù) Z 都是互相關(guān)聯(lián)的。根據(jù)統(tǒng)計資料，在缸體上各柱塞孔直徑 Zd 所占的弧長約為分布圓周長 fD? 的 75%，即 fZdD? ? 由此可得 ???? ppZdDm xf 式中 m 為結(jié)構(gòu)參數(shù)。 m 隨柱塞數(shù) Z而定。對于軸向柱塞泵，其 m 值如表 所示。 Z 7 9 11 m 表 當泵的理論流量 fbQ 和轉(zhuǎn)速 bn 根據(jù)使用工況條件選定之后，根據(jù)流量公式可得柱塞直徑 Zd 為 ??3 4 tggmznQdbtbz 由上式計算出的 Zd 數(shù)值要圓整化，并應(yīng)按有關(guān)標準選取標準直徑 ,應(yīng)選取 20mm. 柱塞直徑 xd 確定后，應(yīng)從滿足流量的要求而確定柱塞分布圓直徑 fD ，即 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 22 頁 共 59 頁 24 5 39tbf xbQD d m md tg Z npg= = = ① 柱塞名義長度 l 由于柱塞圓球中心作用有很大的徑向力 T，為使柱塞不致被卡死以及保持有足夠的密封長度，應(yīng)保證有最小留孔長度 0l ，一般?。? 20bp Mpa? zdl )(0 ?? 30bp Mpa? zdl )(0 ?? 因此，柱塞名義長度 l 應(yīng)滿 足： mi nmax0 lsll ??? 式中 maxs —— 柱塞最大行程； minl —— 柱塞最小外伸長度，一般取 m in 0 .2 7 .8zl d mm==。 根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，柱塞名義長度常?。? 這里取 3 117l d mm== ① 柱塞球頭直徑 1d 按經(jīng)驗常取 (1?d ~) zd ，如圖 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 23 頁 共 59 頁 圖 柱塞尺寸圖 為使柱塞在排油結(jié)束時圓柱面能完全進入柱塞腔，應(yīng) 使柱塞球頭中心至圓柱面保持一定的距離 dl ，一般取 zd dl )( ?? ，這里取 0 .5 1 9 .5dzl d mm== 。 ① 柱塞均壓槽 高壓柱塞泵中往往在柱塞表面開有環(huán)行均壓槽，起均衡側(cè)向力﹑改善潤滑條件和存儲贓物的作用。均壓槽的尺寸常?。荷?h=～ ；間距 t=2～ 10mm 實際上，由于柱塞受到的徑向力很大，均壓槽的作用并不明顯，還容易滑傷缸體上柱塞孔壁面。因此，目前許多高壓柱塞泵中的柱塞不開設(shè)均壓槽。 柱塞摩擦副比壓 P﹑比功 vP 驗算 對于柱塞與缸體這一對摩擦副，過大的接觸應(yīng)力不僅會增加摩擦副之間的磨損，而且有可能壓傷柱塞或缸體。其比壓應(yīng)控制在摩擦副材料允許的范圍內(nèi)。取柱塞伸出最長時的最大接觸應(yīng)力作為計算比壓值，則 ? ? M p apM p ald pp 33121m a x ????? ???? ? 柱塞相對缸體的最大運動速度 maxv 應(yīng)在摩擦副材料允許范圍內(nèi)，即 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 24 頁 共 59 頁 表 材料性能 ? ? smvsmtgw t g gRv f /8/ 30m a x ???????? ? 由此可得柱塞缸體摩擦副最大比功 max maxpv為 [ ]1m a x m a x 12 2 1 0 .5 5 1 1 .5 5 . / 6 0 . /fzpp v R tg M p a m s p v M p a m sdl wg= = ? = 上式中的許用比壓 ??p ﹑許用速度 ??v ﹑許用比功 ? ?pv 的值，視摩擦副材料而定，可參 考表 。 柱塞與缸體這一對摩擦副，不宜選用熱變形相差很大的材料，這對于油溫高的泵更重要。同時在鋼表面噴鍍適當厚度的軟金屬來減少摩擦阻力，不選用銅材料還可以避免高溫時油液對銅材料的腐蝕作用。 材料牌號 許用比壓??p （ Mpa） 許用滑動速度 ??v （ m/s） 許用比功? ?pv （ ） ZQAL9— 4 30 8 60 ZQSn10— 1 15 3 20 球磨鑄鐵 10 5 18 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 25 頁 共 59 頁 5 滑靴受力分析與設(shè)計 目前高壓柱塞泵已普遍采用帶滑靴的柱塞結(jié)構(gòu)?；ゲ粌H增大了與斜盤的接觸面﹑減少了接觸應(yīng)力，而且柱塞底部的高壓油液，經(jīng)柱塞中心孔 0d? 和滑靴中心孔 0d ，再經(jīng)滑靴封油帶泄露到泵殼體腔中。由于油液在封油帶環(huán)縫中的流動，使滑靴與斜盤之間形成一層薄油膜，大大減少了相對運動件間的摩擦損失，提高了機械效率。這種結(jié)構(gòu)能適應(yīng)高壓力和高轉(zhuǎn)速的需要。 滑靴受力分析 液壓泵工作時，作用于滑靴上有一組方向相反的力。一是柱塞底部液壓力圖把滑靴壓向斜盤，稱為壓緊力 yp ；另一是由滑靴面直徑為 1D 的油池產(chǎn)生的靜壓力 1fp 與滑靴封油帶上油液泄漏時油膜反力 2fp ，二者力圖使滑靴與斜盤分離開，稱為分離 fp 。當壓緊力與分離力相平衡時，封油帶上將 保持一層穩(wěn)定的油膜，形成靜壓油墊。下面對這組力進行分析。 分離力 fp 圖 1—