经典斜盘式轴向柱塞泵的结构分析与设计详尽教程

2-6轴向柱塞泵的设计问题一、柱塞运动学分析二、流量脉动三、困油问题四、柱塞滑靴的受力分析五、缸体的受力分析六、滑靴副的结构七、配流盘的结构八、配流盘和缸体的自位结构九、关键零部件的设计十、主要零件的材料与技术要求一、柱塞运动学分析（参考《液压元件》）滑靴在旋转过程中，由于离心力的作用，滑靴对于斜盘产生的压紧力将偏离滑靴的轴线。在此力所引起的摩擦力的作用下，滑靴、柱塞在运动中会产生绕自身轴线的旋转运动，转动的快慢取决于旋转摩擦力的大小。但这一自旋可以改善滑靴底部的润滑，对减小摩擦、改善磨损和提高效率均有利。二、流量脉动1、随着柱塞数的增加，流量不均匀系数减小2、流量不均匀系数，奇数柱塞明显优于柱塞数相近的偶数柱塞，这就是轴向柱塞泵采用奇数柱塞的原因。3、大多数轴向柱塞泵柱塞数采用7或9个，有时小排量可采用5个三、困油问题为了保证密封，配油盘吸、排油槽的间隔角应该等于或略大于缸体底部腰形孔所对应的中心角。柱塞在偏离上、下死点位置时，柱塞在缸孔中的往复运动会使工作容积发生变化。如果配流盘吸、排油槽的间隔角大于缸体底部腰形孔道的包角，就会在这一区域内产生困油现象。开设减振槽（阻尼槽、眉毛槽）或减振孔（阻尼孔）四、柱塞滑靴的受力分析1、柱塞的回程辅助泵供油强制回程分散弹簧回程集中中心弹簧回程定间隙强迫回程通轴型直杆式轴向柱塞泵四、柱塞滑靴组件的受力分析为了使滑靴以一定大小的力紧贴斜盘回程，中心回程弹簧必须克服以下诸力：a、柱塞滑靴组件往复运动的惯性力。b、吸油真空造成吸油区柱塞脱离斜盘的力。在正常工作时，工作容腔内的吸油真空可取0.05MPa。c、柱塞外伸运动的摩擦力。e、还需要保持一定的剩余压紧力使滑靴紧贴斜盘，缸体紧贴配流盘，以免在吸油过程中这两对摩擦副的密封漏气。通常，中心弹簧的剩余压紧力使这两对摩擦副的接触比压保持在0.1MPa。四、柱塞滑靴组件的受力分析2、滑靴的受力（确定集中弹簧力）滑靴除承受来自柱塞球头中心的压力、弹簧力和斜盘的垂直反力外，还要承受离心力和摩擦力。a、离心力、摩擦力和所需要的压紧弹簧力b、滑靴气密所需要的弹簧力四、柱塞滑靴组件的受力分析3、柱塞滑靴组的受力分析离心力液压力轴向惯性力摩擦力斜盘的垂直反力五、缸体的受力分析1、斜盘对缸体的作用力斜盘对滑靴的摩擦力通过柱塞传递到缸体上；此外，斜盘对柱塞的垂直反力中，包括了侧向力和由离心力引起的摩擦力、返回弹簧力和油压力等在斜盘上引起的反力。为简化问题，现只考虑油压所引起的斜盘反力对缸体的作用力与力矩。2、配流盘与缸体间流场的作用力配流盘与缸体间流场的作用力可分为两部分，一部分为从腰形进出油孔渗入两者缝隙中的油压反推力；另一部分为配流盘表面的辅助支撑力。一般把两者接触面内的摩擦力忽略不计。与类似，油压推力的计算也不考虑。直杆式轴向柱塞泵的结构柱塞与缸体斜盘对柱塞的作用力：轴向力由液压力平衡侧向力造成缸体倾斜（缸体与配流盘之间出现楔形缝隙，泄漏增大，加剧缸体与配流盘之间的磨损）侧向力还造成柱塞与缸体之间的磨损六、滑靴副的结构两种设计思想：1、静压支承原理2、剩余压紧力原理六、滑靴副的结构1、静压支承原理阻尼孔的直径要选得很小。这一方面增加了阻尼孔堵塞的可能性，同时也必须增大滑靴直径以获得必要的液压反推力。显然，这将加大柱塞分布圆直径，增加了泵的径向尺寸。六、滑靴副的结构2、剩余压紧力原理采用剩余压紧力法来设计滑靴，使滑靴底部的液压反推力等于柱塞对滑靴压紧力的95％七、配流盘的结构通常按剩余压紧力法进行配流盘设计。反推力如过大，则缸体被推开，泵的容积效率大大降低；反推力过小，则配流盘磨损加剧。辅助支承的形式:热楔支承动压支承静压支承七、配流盘的结构通常按剩余压紧力法进行配流盘设计。反推力如过大，则缸体被推开，泵的容积效率大大降低；反推力过小，则配流盘磨损加剧。辅助支承的形式:热楔支承动压支承静压支承八、配流盘和缸体的自位结构泵的加工、装配误差可能造成缸体端面与配流盘不平行。对通轴式斜盘泵来讲，主轴的挠曲变形也有可能造成缸体倾斜。为了使缸体和配流盘能很好贴紧，在结构上可采用自位措施，使配流表面能自动适应缸体端而的微量倾斜。1、球面配流2、浮动缸体3、浮动式配流盘八、配流盘和缸体的自位结构泵的加工、装配误差可能造成缸体端面与配流盘不平行。对通轴式斜盘泵来讲，主轴的挠曲变形也有可能造成缸体倾斜。为了使缸体和配流盘能很好贴紧，在结构上可采用自位措施，使配流表面能自动适应缸体端而的微量倾斜。1、球面配流2、浮动缸体3、浮动式配流盘八、配流盘和缸体的自位结构九、关键零部件的设计1、缸体a、缸体的参数设计确定斜盘倾角、柱塞直径、柱塞数量和柱塞分布园直径b、根据驱动转矩设计泵轴直径（先估算）c、缸体的强度计算找最小壁厚：柱塞孔与缸体外圆之间的壁厚、柱塞孔与缸体内圆之间壁厚，柱塞孔与柱塞孔之间的壁厚。九、关键零部件的设计2、柱塞的设计a、柱塞长度柱塞长度应等于柱塞的最小留缸长度、最小外伸长度和最大行程之和。最小留缸长度与泵的工作压力有关，通常有：当时，当时，b、柱塞比压和比功的验算pL0lHpMPapH20dl8.1~5.10MPapH30dl5.2~0.20pu九、关键零部件的设计3、压盘及斜盘尺寸的确定十、主要零件的材料与技术要求（一）柱塞与缸体柱塞与缸体有两种方案，一种是柱塞为硬的，缸体为软的；另一种则采用软柱塞硬缸体，在高压大流量泵中多采用第一种方案。十、主要零件的材料与技术要求（一）柱塞与缸体硬的柱塞材料通常为18CrMnTiA、20Cr、12CrNi、40Cr、GCr15、9SiCr、CrWMn、T7A、T8A及氮化钢38CrMoAlA等。前三种表面渗碳深度要达0.8~1.2毫米，淬火硬度须达到HRC56~63，其它钢种热处理硬度也要达到HRC60左右。CrWMn和9SiCr工具钢具有热处理变形小、金相组织稳定的优点。GCr15热处理后对应力集中敏感，曾发生过柱塞折断的现象，尽量少用。或者在上述材料的表面喷涂或熔敷各种陶瓷层，如ZrO2、Al2O3、Cr2O3及其它陶瓷粉末。缸体的材料通常为ZQSn10-1或ZQAlFe9-4，此外也可用耐磨铸铁或球墨铸铁等。为了节省铜，常用20Cr、12CrNi3A或GCr15作基体而在柱塞孔处镶嵌铜套，十、主要零件的材料与技术要求（一）柱塞与缸体缸体的材料通常为ZQSn10-1或ZQAlFe9-4，此外也可用耐磨铸铁或球墨铸铁等。为了节省铜，常用20Cr、12CrNi3A或GCr15作基体而在柱塞孔处镶嵌铜套，十、主要零件的材料与技术要求（一）柱塞与缸体柱塞与孔的配合间隙，以漏损和摩擦损失的总和最小为宜，在，时，一般取为0.01~0.015（mm），转速提高或压力降低至10MPa以下，可酌情稍许加大。柱塞插入部分要开设深0.3~0.5（mm），宽0.3~0.7（mm），间距3~10（mm）的均压环槽，保持锐边，以免楔带污物，并有利于消除污物、颗粒。柱塞粗糙度0.4~0.1，不圆度、锥度允差＜径向间隙(0.002~0.005mm)的1/4。孔的粗糙度一般0.8~0.4，不圆度、锥度允差与柱塞相同。十、主要零件的材料与技术要求（二）配流盘配流盘的材料要与缸体对应选取，要配对选取材料，其中以ZQSn10-1与Cr12MoV有最好的抗咬合能力。配流盘淬火(或氮化钢氮化)以后，为了稳定金相组织还通常进行冷处理和时效处理。青铜的缸体端面有时为了改善其跑合性和耐腐蚀性，要镀一层铅或铟。配流盘表面粗糙度为0.4~0.1左右，配流盘表面不平度允差约0.005毫米，且只许内凹，不许外凸。十、主要零件的材料与技术要求（三）斜盘与压盘斜盘多用GCr15，淬火后硬度HRC58~62，其支承轴瓦通常用ZQAl9-4。压盘一般多用18CrMnTi，渗碳淬火HRC60~65。为了避免压盘孔割削滑靴，应将孔边倒圆。