10SCY手动变量柱塞泵结构设计第1 章绪论随着中国综合国力的增强,中国经济也得到了飞速发展,在纷繁复杂的国际环景中发展并不容易,很多关键技术受到国外封锁,而液压系统也是其中一项,很多国内知名企业如三一重工,中联重科都还在进口国外液压成套系统,很大一部分利润被分走。

工业技术的不断发展，对液压元件的需求也越来越广。

而作为液压传动系统不可或缺的液压泵就显得尤为重要了。

只有在结构和技术上不断的开拓创新，我国轴向柱塞泵技术和产品一定可以上一个新台阶,我相信,随着国力的增强,国家对自我创新力和研发力度加大,中国的液压技术水平会越来越强,在关键技术上也会得到更大的突破,摆脱国外技术封锁,让国内的液压技术走在世界前列。

1.1选题的背景及意义轴向柱塞泵是液压系统中重要的动力元件和执行元件，广泛地应用在工业液压和行走液压领域，是现代液压元件中使用最广的液压元件之一。

轴向柱塞泵是利用与传动轴平行的柱塞在柱塞孔内往复运动所产生的容积变化来进行工作的。

轴向柱塞泵的优点是结构紧凑，运转平稳，流量均匀性好，噪声低，径向尺寸小，转动惯量小，工作压力高，效率高，并易于实现变量。

此外，由于轴向柱塞泵结构复杂，对制造工艺、材料的要求非常高，因此它又是技术含量很高的液压元件之一。

随着高科技的发展，现在机械对小型化、高效率的要求越来越高，而液压传动，随着现在加工工艺、信息化的发展，其缺点也越来越完善，而泵是液压传动的核心。

1.2轴向柱塞泵概述柱塞泵是液压系统中重要的动力元件和执行元件，广泛地应用在工业和农业机械。

柱塞式液压泵是依靠若干个柱塞在缸体柱塞孔内做往复远动使密闭工作容积发生变化来实现吸油和压油的。

由于密闭工作容积是由缸体中若干个柱塞和缸体内柱塞孔构成，且柱塞和缸体内柱塞孔都是圆柱表面，其加工精度容易保证，它具有重量轻、结构紧凑、密封性好、工作压力高，在高压下仍能保持较高的容积率和总效率，SCY14柱塞泵的工作压力可以达到32MPa，容易实现变量等优点；其缺点是对液压工作介质的污染较敏感、滤油精度要求高、结构复杂、加工精度、日常维护要求比较高、价格比较便贵。

而柱塞泵分为轴向和径向。

1.3轴向柱塞泵研究现况我国现在在液压传动的发展起步晚，但是，随着我国工业化的崛起，我们国家液压传动得到一定的发展，但是小型化和高压、高速的液压泵需要进一步发展，我们国家自仿造德国设计了CY14系列柱塞泵，而柱塞泵在大型机械应用广泛，其稳定性和噪音等这些需要进一步改进，在工业化发展的过程中，我们国家应该重视基础科学研究，从而提出更科学的泵的设计方案和原理。

1.4直轴式轴向柱塞泵的工作原理柱塞泵是液压系统的一个重要装置。

它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。

柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点，被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合，诸如液压机、工程机械和船舶中。

柱塞泵是往复泵的一种，属于体积泵，其柱塞靠泵轴的偏心转动驱动，往复运动，其吸入和排出阀都是单向阀。

当柱塞外拉时，工作室内压力降低，出口阀关闭，低于进口压力时，进口阀打开，液体进入；柱塞内推时，工作室压力升高，进口阀关闭，高于出口压力时，出口阀打开，液体排出。

当传动轴带动缸体旋转时，斜盘将柱塞从缸体中拉出或推回，完成吸排油过程。

柱塞与缸孔组成的工作容腔中的油液通过配油盘分别与泵的吸、排油腔相通。

变量机构用来改变斜盘的倾角，通过调节斜盘的倾角可改变泵的排量。

1-斜盘 2-回程盘 3-滑靴 4-柱塞 5-缸体 6-配油盘 7-传动轴图1-1 直轴式轴向柱塞泵工作原理第2章 总体设计与分析2.1主要性能参数分析10SCY14-1B 手动变量轴向柱塞泵参数如下： 最大工作压力 max 31.5P MPa = 公称排量 010/Q ml r = 额定流量 Q =15L/min 最大流量 max 21/min Q L = 额定转速 n=1500r/min 2.1.1排量﹑流量与容积效率轴向柱塞泵排量b q 是指缸体旋转一周，全部柱塞腔所排出油液的容积，即 2max max 4b X x q F s Z d s Z π===2(19.50.2)(19.50.22)94π⨯⨯⨯⨯⨯⨯≈10ml不计容积损失时，泵的理论流量tb Q 为2max 4tb b b x b Q q n d s Zn π===0.01×1500=15(L)式中 x F —柱塞横截面积； x d —柱塞外径； max s —柱塞最大行程； Z —柱塞数； b n —传动轴转速。

泵的理论排量q 为100010001510.53.15000.95v Q q n η⨯===⨯（ml/r ） 为了避免气蚀现象，在计算理论排量时应按下式作校核计算： 13max.p nq C ≤13300070.220660p C ⨯=<式中p C 是常数，对进口无预压力的油泵p C =5400；对进口压力为5kgf/cm 的油泵p C =9100，这里取p C =9100故符合要求。

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 15γ=︒～20O ，该设计是通轴泵，受机构限制，取下限，即15。

泵实际输出流量gb Q 为gb tb b Q Q Q =-=15-0.5=14.5（ml/min ） 式中b Q 为柱塞泵泄漏流量。

泵容积效率VB η定义gb Q 与tb Q 之比，即gb VB tbQ Q η==14.596.7%15= 轴向柱塞泵容积效率一般为b γη=0.94～0.98，故符合要求。

2.1.2扭矩与机械效率不计摩擦损失时，泵的理论扭矩tb M 为 2b b tb p q M π==121019.1(.)2N m π⨯= 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gb tb b M M M =+=19.1221.1(.)N m +=泵的机械效率定义为理论扭矩tb M 与实际输出扭矩gb M 之比，即119.190.52%21.11tb tb mb b gb tb b fbM M M M M M M η=====++ 2.1.3功率与效率不计各种损失时，泵的理论功率tb N2tb b tb b gb N p Q n M π===1500221.1 3.31()60kw π⨯⨯= 泵实际的输入功率br N 为122br b gb b tb mbN n M n M ππη===15001219.1 3.31()600.905kw π⨯⨯⨯= 泵实际的输出功率bc N 为bc b gb b tb b N p Q p Q γη===319.114.5 2.5()kw ⨯⨯= 定义泵的总效率η为输出功率bc N 与输入功率br N 之比，即12b tb b bcb b mbbr tbmbp Q N N M γγηηηηπη=== =0.9050.9670.875⨯=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b=0.85～0.9,上式满足要求。

2.2柱塞运动分析柱塞运动学分析，主要是研究柱塞相对缸体的往复直线运动。

即分析柱塞和缸体间的运动学关系。

2.2.1柱塞行程S图 2.1是一般带滑靴的轴向柱塞运动分析图。

以柱塞腔容积最大时的上死点位置为0︒，分析任一旋转角a 时的运动关系。

（斜盘倾斜角为γ，柱塞分布圆半径为f R ，缸体或柱塞旋转角为a)图2.1 柱塞运动分析cos f f hR R a所以柱塞行程S 为 1(1cos)s htgR tg当180a时，可得最大行程max s 为max 2f f s R tgD tg3918039()tg mm O ⨯=2.2.2柱塞运动速度分析v将式1(1cos)s htg R tg γγ==-对时间微分可得柱塞运动速度v 为.sin s s af ta td d d R tg a d d d当90a O =及270O 时，sin 1a =±，可得最大运动速度max υ为 max 150019.52.15819(/)60f R tg tg mm s υωγπO ==⨯⨯= 式中为缸体旋转角速度，at。

2.2.3柱塞运动加速度a 将.sin s s af t a td d d R tg a d d d υωγ===对时间微分可得柱塞运动加速度a 为 2.cos af t a td d d a R tg a d d d υυωγ=== 当0a O =及180O 时，cos 1,=±可得最大运动加速度max a 为2max 150********(/)60f a R tg m s ωγπ⎛⎫==⨯⨯=⎪⎝⎭柱塞运动的行程s ﹑速度v ﹑加速度a 与缸体转角a 的关系如图2.2所示。

图2.2 柱塞运动特征图2.3滑靴运动分析研究滑靴的运动，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x o y 内的运动规律（如图2.3），其运动轨迹是一个椭圆。

椭圆的长﹑短轴分别为长轴 239240.4()coscos15f R b mm短轴 2239()f aR mm设柱塞在缸体平面上A 点坐标为sin cos f fx R a y Ra==如果用极坐标表示则为矢径 h f R R == 极角 (cos cos )arctg a θγ=滑靴在斜盘平面x o y '''内的运动角速度h ω为222coscos cos sin htd d aa由上式可见，滑靴在斜盘平面内是不等角速度运动，当2a π=﹑32π时，h ω最大（在短轴位置）为maxcosh 1500260162(/)cos15rad s πO⨯= 当0a =﹑π时，h ω最小（在长轴位置）为 min 1500cos 2cos15152(/)60h rad s ωωγπO ==⨯⨯= 由结构可知，滑靴平均旋转角速度等于缸体角速度，即 15002157(/)60ap rad s ωωπ==⨯=第3章主要零部件设计3.1柱塞设计3.1.1柱塞结构型式的选择轴向柱塞泵均采用圆柱形柱塞。

根据柱塞头部结构，可有以下三种形式：点接触式柱塞、线接触式柱塞、带滑靴的柱塞。

这三种形式的柱塞分别如图2-1(a)、（b）、（c）所示，由于点接触的接触应力大，柱塞头部容易破坏，不能承受过高的载荷，寿命较低，现在已经很少用到，而线接触有一点的润滑能力，同时可以承受一定的载荷，但是SCY14是高压泵，承载载荷大，所以不适用，故选择带带滑靴的柱塞。

图2-1 柱塞结构型式目前柱塞大多采用空心结构减小惯性力的同时还可以利用柱塞底部高压油液使柱塞局部扩张变形补偿柱塞与柱塞腔之间的间隙，取得良好的密封效果。