【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有滑靴的柱塞受力分析簡(jiǎn)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(shí)，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(duì)缸體往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 17 頁(yè) 共 59 頁(yè) 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(dāng) 0a ??和 180? 時(shí)，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(yùn)動(dòng)，有向心加速度 ta ，產(chǎn)生的離心反力 tP 通過(guò)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(pán)反力 N 斜盤(pán)反力通過(guò)柱塞球頭中心垂 直于斜盤(pán)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(duì)主軸形成負(fù)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?？紤]到柱塞與柱塞腔的徑向間隙遠(yuǎn)小于柱塞直徑及柱塞腔內(nèi)的接觸長(zhǎng)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(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 18 頁(yè) 共 59 頁(yè) 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(zhǎng)度，即柱塞處于上死點(diǎn)時(shí)的位置。此時(shí)， N﹑ 1p 和 2p 可以通過(guò)如下方程組求得 0y?? 12s in 0tN p p p? ? ? ? ? 式中 0l —— 柱塞最小接觸長(zhǎng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 0l =( 2)d ，這里取 0l =2d =78mm； l —— 柱塞名義長(zhǎng)度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 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(gè)方程，但其中 2l 也是未知數(shù)，需要增加一個(gè)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(zhǎng)度 2l 。為簡(jiǎn)化計(jì)算，力矩方程中離心力 tP 相對(duì)很小可以忽略，得 002020 6612 346 lfdl lfdllllzz?? ??? )( 2 mm??????? ????????? 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 19 頁(yè) 共 59 頁(yè) 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(jì) 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(diǎn)接觸式柱塞，如圖 （ a）所示。這種柱塞頭部為一球面，與斜盤(pán)為點(diǎn)接觸，其零件簡(jiǎn)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(guò)高的工作壓力，壽命較低。這種點(diǎn)接觸式柱塞在早期泵中可見(jiàn)，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(dòng)頭，擺動(dòng)頭下部可繞柱塞球窩中心擺動(dòng)。擺動(dòng)頭上部是球面或平面與斜盤(pán)或面接觸，以降低接觸應(yīng)力，提高泵工作壓。擺動(dòng)頭與斜盤(pán)的接觸面之間靠殼體腔的油 液潤(rùn)滑，相當(dāng)于普通滑動(dòng)軸 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 20 頁(yè) 共 59 頁(yè) 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(gè)擺動(dòng)頭，稱滑靴，可以繞柱塞球頭中心擺動(dòng)?；ヅc斜盤(pán)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(guò)柱塞中心孔及滑靴中心孔，沿滑靴平面泄漏，保持與斜盤(pán)之間有一層油膜潤(rùn)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(jiàn)，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(yùn)動(dòng)時(shí)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(kuò)張變形補(bǔ)償柱塞與柱塞腔之間的間隙，取得良好的密封效果。空心柱塞內(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(wú)疑增加了柱塞在吸排油過(guò)程中的剩余無(wú)效容積。在高壓泵中，由于液體可壓縮性能的影響，無(wú)效容積會(huì)降低泵容積效率，增加泵的壓 力脈動(dòng)，影響調(diào)節(jié)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 21 頁(yè) 共 59 頁(yè) 過(guò)程的動(dòng)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(wú)效容積也沒(méi)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(jì) 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(jì)資料，在缸體上各柱塞孔直徑 Zd 所占的弧長(zhǎng)約為分布圓周長(zhǎng) 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(duì)于軸向柱塞泵，其 m 值如表 所示。 Z 7 9 11 m 表 當(dāng)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(jì)算出的 Zd 數(shù)值要圓整化，并應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取標(biāo)準(zhǔn)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(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 22 頁(yè) 共 59 頁(yè) 24 5 39tbf xbQD d m md tg Z npg= = = ① 柱塞名義長(zhǎng)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(zhǎng)度，應(yīng)保證有最小留孔長(zhǎng)度 0l ，一般?。? 20bp Mpa? zdl )(0 ?? 30bp Mpa? zdl )(0 ?? 因此，柱塞名義長(zhǎng)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(zhǎng)度，一般取 m in 0 .2 7 .8zl d mm==。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，柱塞名義長(zhǎng)度常取： 這里取 3 117l d mm== ① 柱塞球頭直徑 1d 按經(jīng)驗(yàn)常取 (1?d ~) zd ，如圖 所示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 23 頁(yè) 共 59 頁(yè) 圖 柱塞尺寸圖 為使柱塞在排油結(jié)束時(shí)圓柱面能完全進(jìn)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(kāi)有環(huán)行均壓槽，起均衡側(cè)向力﹑改善潤(rùn)滑條件和存儲(chǔ)贓物的作用。均壓槽的尺寸常?。荷?h=～ ；間距 t=2～ 10mm 實(shí)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(kāi)設(shè)均壓槽。 柱塞摩擦副比壓 P﹑比功 vP 驗(yàn)算 對(duì)于柱塞與缸體這一對(duì)摩擦副，過(guò)大的接觸應(yīng)力不僅會(huì)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(zhǎng)時(shí)的最大接觸應(yīng)力作為計(jì)算比壓值，則 ? ? M p apM p ald pp 33121m a x ????? ???? ? 柱塞相對(duì)缸體的最大運(yùn)動(dòng)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(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 24 頁(yè) 共 59 頁(yè) 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(duì)摩擦副，不宜選用熱變形相差很大的材料，這對(duì)于油溫高的泵更重要。同時(shí)在鋼表面噴鍍適當(dāng)厚度的軟金屬來(lái)減少摩擦阻力，不選用銅材料還可以避免高溫時(shí)油液對(duì)銅材料的腐蝕作用。 材料牌號(hào) 許用比壓??p （ Mpa） 許用滑動(dòng)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(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 25 頁(yè) 共 59 頁(yè) 5 滑靴受力分析與設(shè)計(jì) 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(pán)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(dòng)，使滑靴與斜盤(pán)之間形成一層薄油膜，大大減少了相對(duì)運(yùn)動(dòng)件間的摩擦損失，提高了機(jī)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(shí)，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(pán)，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(shí)油膜反力 2fp ，二者力圖使滑靴與斜盤(pán)分離開(kāi)，稱為分離 fp 。當(dāng)壓緊力與分離力相平衡時(shí)，封油帶上將 保持一層穩(wěn)定的油膜，形成靜壓油墊。下面對(duì)這組力進(jìn)行分析。 分離力 fp 圖 1—