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畢業(yè)設計(論文)任務書
學 院：
題 目： 挖掘機用柱塞泵的設計與三維動畫仿真
起 止 時 間：2011年12月 27日至 2012年5月30日
學 生 姓 名：
班 級：
指 導 老 師：
系 室 主 任：
院 長：
2012 年 6 月 2日
論文 (設計) 內(nèi)容及要求：
一、 畢業(yè)設計（論文）原始依據(jù)
1）設計成雙作用泵，柱塞數(shù)為8；
2）工作壓力為40MPa；
3）流量為64ml/r；
4） 額定轉(zhuǎn)速為1000r/min；
5)容積效率為95%以上。
二、畢業(yè)設計（論文）主要內(nèi)容
《挖掘機用柱塞泵的設計與三維動畫仿真》。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動力裝置，越來越受到人們的關(guān)注，因為它的性能的好壞直接影響整個液壓系統(tǒng)的工作可靠性。徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長、控制精度高，是一種優(yōu)良的高壓泵，引起國內(nèi)外液壓泵生產(chǎn)廠家的重視和使用廠家的青睞。它被廣泛應用于冶金、礦山、鍛壓、注塑、船舶、重型等機械設備中。但在實際生產(chǎn)中還不能解決很好地流量脈動、剛性和柔性沖擊等問題。平衡式徑向柱塞泵的設計可以很好地解決流量脈動、剛性和柔性沖擊等問題。通過仿真使此泵在結(jié)構(gòu)功能上能夠適應現(xiàn)代化生產(chǎn)高要求的徑向柱塞泵。
三、畢業(yè)設計（論文）基本要求
1）擬定挖掘機用柱塞泵的主體結(jié)構(gòu)方案，對40MPa挖掘機用柱塞泵三維動畫設計，確定泵的主體功能結(jié)構(gòu)；
2）對結(jié)構(gòu)進行運動與受力分析，對40MPa挖掘機用柱塞泵性能仿真；
3）圖紙要求：挖掘機用柱塞泵的總裝配圖0#號1張；挖掘機用柱塞泵三維圖仿真圖等。
共計圖紙折合成0#號圖3張以上。
4）畢業(yè)設計說明書的字數(shù)不少于1.5萬字，文字要通順、語言流暢。譯文3000漢字。
四、畢業(yè)設計（論文）進度安排
2011.12.28—2011.1.12 調(diào)研、資料收集、外文翻譯、開題報告。
2012.2.12—2012.2.16 挖掘機用柱塞泵的方案的確定。
2012.2.17—2012.3.17 挖掘機用柱塞泵設計計算。
2012.3.18—2012.4.5 挖掘機用柱塞泵的結(jié)構(gòu)設計。
2012.4.6—2012.4.22 挖掘機用柱塞泵的總裝圖。
2012.4.23—2012.5.3 挖掘機用柱塞泵的零部件圖。
2012.5.4—2012.5.15 撰寫設計說明書。
2012.5.16—2012.5.25 設計總結(jié)，整理設計資料。
2012.5.26—2012.6.2 準備答辯。
五、主要參考文獻
【1】 雷天覺. 液壓工程手冊. 機械工業(yè)出版社.1990
【2】 徐繩武. 柱塞式液壓泵. 機械工業(yè)出版社.1985
【3】 聞德生. 斜盤型開路式軸向柱塞泵. 機械工業(yè)出版社.1993
【4】 濮良貴. 機械設計. 高等教育出版社.2001
【5】 那成烈. 軸向柱塞泵可壓縮流體配流原理.兵器工業(yè)出版社.2003
【6】 關(guān)醒凡. 泵的理論與設計. 機械工業(yè)出版社.1987
【7】高翔,等.一種新型內(nèi)曲線式徑向柱塞泵的設計. 武漢:海軍工程大學,2004
【8】 孔慶華、劉傳紹.極限配合與測量技術(shù)基礎.同濟大學出版社.2002
【9】 徐灝. 機械設計手冊. 機械工業(yè)出版社.1995
【10】朱龍根. 簡明機械零件設計手冊. 機械工業(yè)出版社.1997
【11】何存興,等.液壓傳動與氣壓傳動.武漢:華中科技大學出版社,2000
【12】席瓊,楊勝強;基于Pro/E的機械動態(tài)仿真研究[J];機械管理開發(fā);2005年02期
【13】謝紅,施煒;用SolidWorks計算機軟件進行裝配體三維設計[J];機械設計與制造;2002年01期
【14】劉宏軍,趙紅,翟斌;機械產(chǎn)品的CAD/CAM應用及三維造型技術(shù)[J];機械設計與制造;2004年01期
【15】鄧志滔;面向工業(yè)設計的銑刨機三維建模及運動仿真[D];四川大學;2005年
指導老師： （簽 名）
年 月 日
南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文）
設計（論文）題目
挖掘機用柱塞泵的設計與三維動畫仿真
設計（論文）題目來源
校級課題
設計（論文）題目類型
工程設計類
起止時間
2011年12月28日至
2012年6月2日
一、 設計（論文）依據(jù)及研究意義：
液壓系統(tǒng)是液壓挖掘機的核心部分，而液壓泵作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵動力裝置，越來越受到人們的關(guān)注，因為它的性能的好壞直接影響整個液壓系統(tǒng)的工作可靠性。徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長、控制精度高，是一種優(yōu)良的高壓泵，引起國內(nèi)外液壓泵生產(chǎn)廠家的重視和使用廠家的青睞。它被廣泛應用于冶金、礦山、鍛壓、注塑、船舶、重型等機械設備中。但在實際生產(chǎn)中還不能解決很好地流量脈動、剛性和柔性沖擊等問題。平衡式徑向柱塞泵的設計可以很好地解決流量脈動、剛性和柔性沖擊等問題。通過仿真使此泵在結(jié)構(gòu)功能上能夠適應現(xiàn)代化生產(chǎn)高要求的徑向柱塞泵。
徑向柱塞泵可分為閥配流與軸配流兩大類。閥配流徑向柱塞泵存在故障率高、效率低等缺點。國際上70、80年代發(fā)展的軸配流徑向柱塞泵克服了閥配流徑向柱塞泵的不足。由于徑向泵結(jié)構(gòu)上的特點，陜定了軸配流徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長、控制精度高。使其成為一種優(yōu)良的高壓泵，代表當今國際上液壓泵制造的先進水平。但是，它技術(shù)含量高、加工制造難度大，國際上只有博世（ BOSCH）公司、沃依特（ VOITH）公司等少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)。而博世公司只能生產(chǎn)90mL八以下規(guī)格的泵，沃依特公司只生產(chǎn) 110一250mL／r規(guī)格的泵。
目前，所缺少的是一種工作壓力高、容積效率高，并且流量脈動和壓力脈動低、噪音低的液壓泵，尤其是工作在高壓的情況下，流量脈動和壓力脈動及噪音也很低的液壓泵，而要同時滿足上述要求的液壓泵也只有柱塞泵才有可能，這就需要對柱塞泵的工作機理做深入的研究，改進現(xiàn)有柱塞泵，提出新的方案和結(jié)構(gòu)，來解決柱塞泵的脈動及噪聲問題。解決了柱塞泵的脈動和噪聲問題也就解決了在許多封閉空間中使用柱塞泵而產(chǎn)生噪聲偏大的問題，從而大大地改善了人們的工作環(huán)境，尤其是在那些對噪聲控制要求嚴格的場所，諸如軍艦、潛艇和室內(nèi)，降噪就具有非常重要的意義。
近年來，不少專家學者都對這個問題做了深入的研究，浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室教授楊儉和冀宏等、蘭州理工大學那焱青工程師等、中國礦業(yè)大學的劉利國教授都是在傳統(tǒng)的柱塞泵結(jié)構(gòu)上對柱塞泵的降噪這個問題做了大量研究，其中有很多研究成果具有重要的借鑒意義。海軍工程大學的高翔教授和蘭州理工大學楊國來教授所做的研究比較突出，他們倆都是基于新的柱塞泵結(jié)構(gòu)來研究柱塞泵的流量脈動及降噪的問題的，其中要數(shù)蘭州理工大學楊國來教授所做的研究最為深入，他的研究也最具可行性，其研究成果發(fā)表在《機床與液壓》的2006年第三期上，論文題目為《新型雙作用徑向柱塞泵的定子曲線設計及流量脈動分析》，并且還發(fā)表了幾篇與之相關(guān)的論文，他還與蘭州卓信液壓氣動公司合作開發(fā)了此泵，研制成功后申請了國家發(fā)明專利。
二、 設計（論文）主要研究的內(nèi)容、預期目標：（技術(shù)方案、路線）
主要研究內(nèi)容：
1、雙作用徑向柱塞泵主要結(jié)構(gòu)及工作原理；
2、雙作用徑向柱塞泵的三維造型、受力分析及運動模擬仿真；
3、雙作用泵無流量脈動即恒流實現(xiàn)；
預期目標：
通過查閱相關(guān)資料了解并掌握雙作用徑向柱塞泵主要結(jié)構(gòu)及其工作原理；找到合理的實現(xiàn)理論上的無流量脈動及實現(xiàn)恒流的徑向柱塞泵設計方案；對雙作用徑向柱塞泵進行三維造型設計、各主要部件受力分析及其工作情況的模擬仿真。
三、設計（論文）的研究重點及難點：
1.根據(jù)現(xiàn)有徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)，應用三維軟件設計滿足預期工作壓力、流量、額定轉(zhuǎn)速及容積效率的柱塞泵；
2.通過合理化結(jié)構(gòu)的設計，盡可能提高效率；
3.找到實現(xiàn)恒流理論的關(guān)鍵部件，并合理設計相關(guān)尺寸；
4.應用三維軟件對徑向柱塞泵工作進行模擬仿真，并測試相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預期目的。
四、 設計（論文）研究方法及步驟（進度安排）：
2011.12.28—2011.1.12 調(diào)研、資料收集、外文翻譯、開題報告。
2012.2.12—2012.2.16 挖掘機用柱塞泵的方案的確定。
2012.2.17—2012.3.17 挖掘機用柱塞泵設計計算。
2012.3.18—2012.4.5 挖掘機用柱塞泵的結(jié)構(gòu)設計。
2012.4.6—2012.4.22 挖掘機用柱塞泵的總裝圖。
2012.4.23—2012.5.3 挖掘機用柱塞泵的零部件圖。
2012.5.4—2012.5.15 撰寫設計說明書。
2012.5.16—2012.5.25 設計總結(jié)，整理設計資料。
2012.5.26—2012.6.2 準備答辯。
五、 進行設計（論文）所需條件：
1.查閱相關(guān)文獻資料，了解國內(nèi)外挖掘機用徑向柱塞泵使用現(xiàn)狀；
2.了解并掌握徑向柱塞泵主要結(jié)構(gòu)及其工作原理；
3.了解并掌握徑向柱塞泵性能參數(shù)的計算方法；
4.思考實現(xiàn)徑向柱塞泵恒流的理論依據(jù)；
5.熟練掌握所用三維軟件的建模、仿真、分析等功能；
六、 指導教師意見：
簽 名： 年 月 日
南 華 大 學
畢業(yè)設計(論文)綜述報告
題 目 挖掘機用柱塞泵的設計與三維動畫仿真
學院名稱 機械工程學院
指導教師 李嵐
職 稱 教授
班 級 機械085班
學 號 20084410508
學生姓名 劉 浩
2011年 1月 10日
1. 本設計（課題）研究的目的和意義
隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代設備的自動化水平越來越高。而液壓傳動及控制系統(tǒng)以其傳遞功率大、控制精度高、響應速度快、易于實現(xiàn)機電液一體化控制等優(yōu)點，被廣泛應用于各行各業(yè)中。在容積式液壓泵中，惟有柱塞泵是實現(xiàn)高壓﹑高速化﹑大流量的一種最理想的結(jié)構(gòu)。
針對挖掘機而言，液壓系統(tǒng)是液壓挖掘機的核心部分，而液壓泵作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵動力裝置，越來越受到人們的關(guān)注，因為它的性能的好壞直接影響整個液壓系統(tǒng)的工作可靠性。在相同功率情況下，徑向往塞泵的徑向尺寸大、徑向力也大，常用于大扭炬、低轉(zhuǎn)速工況，做為按壓馬達使用。而軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，轉(zhuǎn)動慣量小，故轉(zhuǎn)速較高；而徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長、控制精度高，是一種優(yōu)良的高壓泵，引起國內(nèi)外液壓泵生產(chǎn)廠家的重視和使用廠家的青睞。它被廣泛應用于冶金、礦山、鍛壓、注塑、船舶、重型等機械設備中。但在實際生產(chǎn)中還不能解決很好地流量脈動、剛性和柔性沖擊等問題。平衡式徑向柱塞泵的設計可以很好地解決流量脈動、剛性和柔性沖擊等問題。
柱塞式液壓泵是靠柱塞在柱塞腔內(nèi)的往復運動，改變柱塞腔容積實現(xiàn)吸油和排油的。是容積式液壓泵的一種。柱塞式液壓泵由于其主要零件柱塞和缸休均為圓柱形，加工方便配合精度高，密封性能好，工作壓力高而得到廣泛的應用。
正如科學技術(shù)的發(fā)展一樣，現(xiàn)階段科技領(lǐng)域中交叉學科、邊緣學科越來越豐富，跨學科的共同研究是十分普遍的事情，作為泵產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展亦是如此。以屏蔽式泵為例，取消泵的軸封問題，必須從電機結(jié)構(gòu)開始，單局限于泵本身是沒有辦法實現(xiàn)的；解決泵的噪聲問題，除解決泵的流態(tài)和振動外，同時需要解決電機風葉的噪聲和電磁場的噪聲；提高潛水泵的可靠性，必須在潛水電機內(nèi)加設諸如泄漏保護、過載保護等措施；提高泵的運行效率，須借助于控制技術(shù)的運用等等。這些無一不說明要發(fā)展泵技術(shù)水平，必須從配套的電機、控制技術(shù)等方面同時著手，綜合考慮，最大限度地提升機電一體化綜合水平。
柱塞式液壓泵的顯著缺點是結(jié)構(gòu)比較復雜，零件制造精度高，成本也高，對油液污染敏感。這些給生產(chǎn)、使用和維護帶來一定的困難。
2. 本設計（課題）國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀
徑向柱塞泵可分為閥配流與軸配流兩大類。閥配流徑向柱塞泵存在故障率高、效率低等缺點。國際上70、80年代發(fā)展的軸配流徑向柱塞泵克服了閥配流徑向柱塞泵的不足。由于徑向泵結(jié)構(gòu)上的特點，陜定了軸配流徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長、控制精度高。使其成為一種優(yōu)良的高壓泵，代表當今國際上液壓泵制造的先進水平。但是，它技術(shù)含量高、加工制造難度大，國際上只有博世（ BOSCH）公司、沃依特（ VOITH）公司等少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)。而博世公司只能生產(chǎn)90mL八以下規(guī)格的泵，沃依特公司只生產(chǎn) 110一250mL／r規(guī)格的泵。
? ? 我國從80年代末90年代初有很多科研機構(gòu)與生產(chǎn)廠家開始研究開發(fā)這種產(chǎn)品，但都沒有取得實質(zhì)性進展。主要因為在理論上有待深化，在實際生產(chǎn)中不能解決轉(zhuǎn)子與配流軸、滑靴與定子兩對摩擦副燒研的問題。有些生產(chǎn)廠家在轉(zhuǎn)子內(nèi)孔通過澆鑄軸承合金等方法來克服燒研，但效果并不理想，這種辦法在小排量泵中使用，雖然能夠防止摩擦副燒研的問題，但泵的使用壽命不長。由我國著名的液壓專家盧望研究員和材料專家閏秉均教授及其課題組經(jīng)過多年研究與開發(fā)，取得了“過平衡壓力補償方法及雙排徑向柱塞泵”和“一種新型高壓大排量雙轉(zhuǎn)子徑向柱塞泵”兩項技術(shù)專利，“合金奧氏體一貝氏體球鐵開發(fā)應用研究”一項國家新材料技術(shù)成果。這些技術(shù)成果的取得，使我國徑向柱塞泵的研制在設計理論與材料工藝方面取得突破性進展。蘭州永新科技股份有限公司以上述兩項專利與一項新材料技術(shù)成果為支持，成功地開發(fā)生產(chǎn)的JBP系列機電控制式徑向柱塞泵，是國家科技部“八五”攻關(guān)和國家科技部火炬計劃項目。該泵在多家企業(yè)進行了2—3年的工業(yè)考核試驗，性能優(yōu)良。
3. 目前存在的主要問題
由于徑向柱塞泵是一種容積式流體機械、這類機械的特點是靠容積的改變來建立壓力和輸送流量的，而容積的改變又是靠轉(zhuǎn)子部件和定子部件的既緊密接觸又相對滑動來實現(xiàn)的。因此，在這類機械中存在著許多摩擦副，這是容積式流體機械與動力流體機械（如離心式泵、液力變矩器與耦合器）最根本的差別。因此，在徑向柱塞泵中，摩擦副的設計好壞關(guān)系到液壓泵的容積效率、工作壓力和流量等一些關(guān)鍵參數(shù)的好壞。
當前仍有一些徑向柱塞泵由于結(jié)構(gòu)的設計問題，存在流量脈動及剛性或柔性沖擊；由于摩擦副的設計問題，存在摩擦副磨損加劇、摩擦副燒研、泄漏量大、容積效率低、轉(zhuǎn)速受限制等問題。
4. 本設計（課題）擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法
本設計擬對現(xiàn)有徑向柱塞泵和平衡式葉片泵進行改進，將原來徑向柱塞泵的定子其圓形內(nèi)表面加工成四段對稱設置的八次曲線方程，該曲線能達到完全無沖擊低噪聲的效果；對應的，配流軸同樣采取對稱機構(gòu)；至于轉(zhuǎn)子設計，設有8個柱塞孔，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，經(jīng)計算，在離心力大于慣性力、摩擦力等的作用下，柱塞無論處在排油區(qū)，還是在吸油區(qū)，柱塞都與定子內(nèi)曲線表面緊貼，不會有脫空現(xiàn)象產(chǎn)生；與定子表面想靠近的柱塞一端上開設半圓柱凹槽，并在此半圓柱凹槽底部開設一環(huán)形容腔，又在柱塞內(nèi)部裝設一單向閥，其出口通向環(huán)形容腔，在泵工作時，柱塞內(nèi)長方形容腔中通有高壓油，因此圓柱滾子和柱塞之間形成動壓支撐，圓柱滾子在半圓柱凹槽內(nèi)可自由的轉(zhuǎn)動，相對于定子，圓柱滾子做純滾動或滾動及平動的復合運動，加之圓柱滾子受液壓力的作用而又自動補償?shù)墓π?。圓柱副減小了摩擦力，可有效地避免了摩擦副燒研的現(xiàn)象，。
5. 參考文獻
[1] 姜繼海,宋錦春,高常識.液壓與氣壓傳動[M].出版地：高等教育出版社,2009年
[2] 張應龍.液壓識圖[M].出版地:化學工業(yè)出版社,2012年
[3] 李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].出版地:機械工業(yè)出版社,2011年
[4] 王春行.液壓控制系統(tǒng)[M].出版地:機械工業(yè)出版社,2011年
[5] 周長城.液壓技術(shù)基礎[M].出版地:機械工業(yè)出版社,2011年
[7] 李玉琳.液壓元件與系統(tǒng)設計[M].出版地:北京航空航天大學出版社,1991年
[8] 雷天覺.液壓工程手冊[M].出版地:機械工業(yè)出版社,1990年
[9] 濮良貴.機械設計[M].出版地:高等教育出版社,2001年
[10] 關(guān)醒凡.泵的理論與設計[M].出版地:機械工業(yè)出版社,1987年
[11] 孔慶華,劉傳紹.極限配合與測量技術(shù)基礎[M].出版地:同濟大學出版社,2002年
[12] 何存興.液壓傳動與氣壓傳動[M].出版地:華中科技大學出版社,2000年
[13] 謝紅,施煒.用SolidWorks計算機軟件進行裝配體三維設計[J].機械設計與制造,2002年01期
[14] 劉宏軍,趙紅,翟斌.機械產(chǎn)品的CAD/CAM應用及三維造型技術(shù)[J].機械設計與制造,2004年01期
[15] 鄧志滔.面向工業(yè)設計的銑刨機三維建模及運動仿真[N].四川大學,2005年
[16]谷德橋.2011SOLIDWORKS[中文版]機械設計從入門到精通[M].出版地:機械工業(yè)出版社,2011年
南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文）
挖掘機用柱塞泵的設計與三維動畫仿真
摘要: 本文在當前的柱塞泵恒流理論基礎上，分析了能實現(xiàn)柱塞泵恒流其柱塞運動速度曲線所必須具備的特征，并創(chuàng)造性地提出了恒流特征速度曲線這一概念，完善了柱塞泵恒流理論。依據(jù)該理論，本文設計了徑向恒流柱塞泵，主要對柱塞、滾柱、轉(zhuǎn)子、定子及驅(qū)動軸進行了設計計算，對泵蓋、泵體及配流軸進行了結(jié)構(gòu)設計。應用三維軟件Solidworks對徑向柱塞泵的結(jié)構(gòu)進行建模，對其工作情況進行動畫模擬；應用其中的cosmosmotion模塊進行motion分析，并模擬出相關(guān)運動曲線，以驗證設計結(jié)論。
關(guān)鍵詞：柱塞泵; 恒流; 滾柱; 三維設計；
The Design and 3D Simulation of A Piston pump for excavator
Abstract: Based on current theory of piston pump with constant flow, this paper analyze the characteristic of piston-velocity curve which can make piston pump work with constant flow, and creatively propound constant current characteristic speed curve，which is a new conception, finally perfect the theory of piston pump with constant flow. According to this new theory, this paper designs a radical and constant current piston pump, mainly do design calculation for piston, pin roller, rotator, stator and actuating shaft and also do physical design for pump cover, pump body and flow distribution shaft. Radial piston pump structure is modeled using three dimensional software Solidworks and then Operation work condition by using animated simulation.Using the Cosmos motion module which one of the modules in Solidworks does motion analysis.We simulate the relevant sports cure to validate the design conclusion.
Key words: piston pump；constant current；pin roller;3D simulation
目 錄
前言………………………………………………………………………………1
1 柱塞泵恒流理論的提出 ……………………………………………………3
1.1 柱塞泵的現(xiàn)狀及所存在的問題的提出………………………………3
1.2 恒流特征速度曲線的提出……………………………………………3
1.3 恒流的實現(xiàn) …………………………………………………………4
1.4 幾種具有恒流特征的速度曲線 ……………………………………5
2新型徑向恒流柱塞泵的設計…………………………………………………7
2.1 新型徑向恒流柱塞泵的簡介及其基本結(jié)構(gòu)…………………………7
2.2 受力分析 ……………………………………………………………8
2.3 柱塞和滾柱的設計…………………………………………………8
2.4 轉(zhuǎn)子的設計 …………………………………………………………16
2.5 柱塞、滾柱及轉(zhuǎn)子的公差配合及材料選取…………………………20
2.6 驅(qū)動軸的設計………………………………………………………23
2.7 軸承和油封的選取…………………………………………………26
2.8 軸承端蓋的設計……………………………………………………26
2.9 配流軸的設計………………………………………………………27
2.10 泵蓋的設計…………………………………………………………28
2.11 泵體的設計…………………………………………………………29
2.12 定子的設計…………………………………………………………30
2.13 泵體端蓋的設計……………………………………………………32
2.14 螺釘、密封、止動墊圈及密封紙墊的選取…………………………32
3 徑向恒流柱塞泵的三維建?！?3
3.1 各零件三維建模圖…………………………………………………33
3.2 泵總裝圖及外形……………………………………………………37
3.3 泵總裝爆炸視圖……………………………………………………38
3.4 柱塞泵柱塞運動三維仿真分析 …………………………………39
參考文獻 …………………………………………………………………………40
謝辭…………………………………………………………………………………41
iii
當前，軸向柱塞泵、徑向柱塞泵、螺桿泵、葉片泵和齒輪泵應用廣泛。這幾種泵各有優(yōu)缺點，現(xiàn)有的軸向柱塞泵和徑向柱塞泵有容積效率高、工作壓力高的優(yōu)點，但存在明顯的流量脈動和壓力脈動，并且噪音都在70DB以上，尤其是在工作在高壓的情況下噪音更大；螺桿泵、葉片泵具有流量脈動小、噪音低的優(yōu)點，但其工作壓力和容積效率都較低；而齒輪泵輪具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點，但其它各項性能指標均不如前幾個泵。
目前，所缺少的是一種工作壓力高、容積效率高，并且流量脈動和壓力脈動低、噪音低的液壓泵，尤其是工作在高壓的情況下，流量脈動和壓力脈動及噪音也很低的液壓泵，而要同時滿足上述要求的液壓泵也只有柱塞泵才有可能，這就需要對柱塞泵的工作機理做深入的研究，改進現(xiàn)有柱塞泵，提出新的方案和結(jié)構(gòu)，來解決柱塞泵的脈動及噪聲問題。解決了柱塞泵的脈動和噪聲問題也就解決了在許多封閉空間中使用柱塞泵而產(chǎn)生噪聲偏大的問題，從而大大地改善了人們的工作環(huán)境，尤其是在那些對噪聲控制要求嚴格的場所，諸如軍艦、潛艇和室內(nèi)，降噪就具有非常重要的意義。
近年來，不少專家學者都對這個問題做了深入的研究，浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室教授楊儉和冀宏等、蘭州理工大學那焱青工程師等、中國礦業(yè)大學的劉利國教授都是在傳統(tǒng)的柱塞泵結(jié)構(gòu)上對柱塞泵的降噪這個問題做了大量研究，其中有很多研究成果具有重要的借鑒意義。海軍工程大學的高翔教授和蘭州理工大學楊國來教授所做的研究比較突出，他們倆都是基于新的柱塞泵結(jié)構(gòu)來研究柱塞泵的流量脈動及降噪的問題的，其中要數(shù)蘭州理工大學楊國來教授所做的研究最為深入，他的研究也最具可行性，其研究成果發(fā)表在《機床與液壓》的2006年第三期上，論文題目為《新型雙作用徑向柱塞泵的定子曲線設計及流量脈動分析》，并且還發(fā)表了幾篇與之相關(guān)的論文，他還與蘭州卓信液壓氣動公司合作開發(fā)了此泵，研制成功后申請了國家發(fā)明專利。
本設計的題目是新型徑向恒流柱塞泵的設計，作者參考楊國來教授所做的研究，在柱塞泵恒流理論基礎上，利用恒流特征速度曲線，設計了新型的平衡式徑向柱塞泵，詳細地對泵的各個零部件進行了設計計算，在結(jié)構(gòu)設計的基礎上，采用三維軟件solidworks進行建模及運動仿真。建模仿真不但能直觀地展示整個泵的工作情況，還能給出一系列常規(guī)設計所不能得到的參數(shù)，如滾子在定子內(nèi)表面運行速度，柱塞與轉(zhuǎn)子之間的配合狀況等等，為檢驗設計的合理性提供了非常重要的依據(jù)。
1 柱塞泵恒流理論的提出
1.1 柱塞泵的運動情況
柱塞泵的常見形式有軸向柱塞泵和徑向柱塞泵。柱塞的中心軸線與轉(zhuǎn)軸軸線平行的稱為軸向柱塞泵，其柱塞有軸向運動而無徑向運動，吸油與排油是通過柱塞的軸向運動實現(xiàn)的；柱塞的中心線與轉(zhuǎn)軸軸線垂直的稱為徑向柱塞泵，其柱塞有徑向運動而無軸向運動，吸油與排油是通過柱塞的徑向運動實現(xiàn)的。
通常柱塞泵中有多只柱塞，它們是繞轉(zhuǎn)軸軸線沿周向均勻分布，工作時一部分柱塞做吸油運動，同時另一部份柱塞做排油運動。單個柱塞繞轉(zhuǎn)軸軸線旋轉(zhuǎn)運動時，先吸油后排油，再吸油再排油，如此周而復始，其運動速度V（對于軸向柱塞泵來說是軸向運動速度，對于徑向柱塞泵來說是徑向運動速度）與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度θ在一個周期T內(nèi)的關(guān)系如圖1.1所示(θ=ωt, ω為轉(zhuǎn)軸的角速度,t為時間)。在本篇論文中約定柱塞吸油時的運動速度為正,排油時的運動速度為負，稱該曲線為單個柱塞的運動速度曲線。
圖1.1 一個周期T內(nèi)單個柱塞的運動速度曲線
1.2 恒流特征速度曲線的提出
要實現(xiàn)柱塞泵工作時無流量脈動，必須使任一時刻處于吸油狀態(tài)的各個柱塞的運動速度之和為一恒定值，同理，處于排油狀態(tài)的各個柱塞的運動速度之和也應該為一恒定值。然而目前的柱塞泵，不管是軸向的還是徑向的都不能滿足上述要求。要滿足上面提出的要求，必須使單個柱塞的運動速度曲線具備一定的特征，現(xiàn)繪出具備這些特征的速度曲線如圖1.2粗實線所示（該粗實線為一個周期T內(nèi)的速度曲線），其表達式為V=Vmax G(θ), Vmax為其最值，該曲線有如下特征：
圖1.2 恒流特征速度曲線及其位移曲線
a. 曲線是連續(xù)的，且具有周期性；
b. 在[0，T/4]區(qū)間的曲線必須關(guān)于點（T/8，Vmax G（T/８））成原點對稱；
c. 在[0，T/2]區(qū)間的曲線必須關(guān)于直線θ= T/4成軸對稱；
d. 在[0，T]區(qū)間的曲線必須關(guān)于點（T/2，0）成原點對稱。
稱上述特征為恒流特征，并將具備這些特征的單個柱塞的運動速度曲線命名為恒流特征速度曲線。將表達式V= Vmax G(θ)對t積分就得到柱塞的位移（徑向位移或軸向位移）的表達式：
①
圖中細實線為C=0時的位移曲線，當θ=T/2時位移S有最值H（柱塞的升程），且有下式成立：
②
那么Vmax=4ωH/T,故式①可改寫為：
③
只要柱塞的位移曲線滿足③式，就可使其運動速度曲線為恒流特征曲線,從而實現(xiàn)柱塞泵的恒流,并稱滿足③式的位移曲線為恒流特征位移曲線。
1.3 恒流的實現(xiàn)
下面來說明柱塞泵的單個柱塞的運動速度曲線為恒流特征速度曲線時是如何實現(xiàn)柱塞無流量脈動的?，F(xiàn)有一柱塞泵（軸向的或徑向的），設該泵單個柱塞的運動速度曲線為恒流特征速度曲線，其柱塞數(shù)為4，為單作用柱塞泵,故T=2π（為雙作用泵時T取π），相鄰兩柱塞之間的相位差為2π/4=π/2。
圖1.3 粗細不同的曲線代表不同柱塞的速度曲線
現(xiàn)將該泵中4只柱塞的運動速度曲線繪制到同一個坐標系中如圖1.3所示，則在同一坐標系中不難看出：相鄰兩柱塞的速度曲線之間的相位差為π/2，并且還可以發(fā)現(xiàn)在任一時該泵有兩只柱塞處于吸油狀態(tài)，另外兩只柱塞處排油狀態(tài)。
依據(jù)前述的恒流特征可知，θ軸上半部分所有的曲線疊加后為一直線V=Vmax,也即任一時刻處于吸油狀態(tài)的兩只柱塞的速度之和為一恒定值Vmax；同理，θ軸下半部分所有的曲線疊加后為一直線V=-Vmax，也即任一時刻處于排油狀態(tài)的兩只柱塞的速度之和為一恒定值-Vmax。這說明具有恒流特征的速度曲線理論上能實現(xiàn)柱塞泵的恒流。事實上，采用這類速度曲線時,單作用泵的柱塞數(shù)必須為4的倍數(shù)，雙作用柱塞泵的柱塞數(shù)必須為8的倍數(shù)，否則不能實現(xiàn)恒流，無論單作用泵或雙作用泵,通常情況下柱塞數(shù)都應選8，采用8只柱塞時任一時刻有4只柱塞處于吸油狀態(tài)，另4只處于排油狀態(tài)。
1.4 幾種具有恒流特征的速度曲線
（1）一次函數(shù)恒流特征速度曲線
V=A G(θ), G(θ)滿足下式：
④
上式中正負號分別對應著兩條恒流特征速度曲線，將上式對時間t求導后 ，就可以得到加速度的表達式，但從該加速度表達式可以發(fā)現(xiàn)加速度有突變，也就是說如果采用一次函數(shù)恒流特征速度曲線，柱塞在運動雖無剛性沖擊，但存在著柔性沖擊。
（2）三角函數(shù)恒流特征速度曲線
V=A G(θ), G(θ)滿足下式：
⑤
同樣將上式對時間t求導后 ，就可以得到加速度的方程式，并且從該方程可以發(fā)現(xiàn)加速度沒有突變，說明采用該曲線無柔性沖擊。
（3）無高次沖擊恒流特征速度曲線
將恒流特征速度曲線對θ積分，便得一新曲線（如圖1.4中的細實線所示），該新曲線酷似恒流特征曲線的前半部分，事實上補上后半部分曲線后（圖1.4中的虛線所示），再將前后兩半部份組合起來就是一條新的恒流特征速度曲線，其周期為原曲線的2倍，將新得來的恒流特征速度曲線再次進行積分，重復上述步驟，便又得一條恒流特征速度曲線，經(jīng)過N次上述步驟后所得到的恒流特征速
圖1.4 圖中粗實線為一恒流特征速度曲線
度曲線至少無N+1次沖擊。通常情況下我們求得無3次沖擊的恒流特征曲線就足夠了，更高次的難以求得，并且給加工也會帶來困難。
其實恒流特征速度曲線有很多的，只要依據(jù)恒流特征就可以求出許多這樣的曲線，而上面僅僅是給出了幾種常見的。
以上便是柱塞泵恒流理論，依據(jù)該理論可以設計軸向恒流柱塞泵和徑向恒流柱塞泵，這兩種泵的流量脈動和壓力脈動在不考慮工作油液的可壓縮性質(zhì)的情況下是為零的，當此類泵工作在高壓的情況下或要考慮油液的可壓縮性質(zhì)的情況下，該理論還有待進一步完善。
2 新型徑向恒流柱塞泵的結(jié)構(gòu)設計
2.1 新型徑向恒流柱塞泵的簡介及其基本結(jié)構(gòu)
柱塞泵恒流理論既可以用來設計軸向恒流柱塞泵也可以用來設計徑向恒流柱塞泵，本設計只設計徑向恒流柱塞泵，下面簡單介紹一下該泵的其本工作原理。
該泵為雙作用泵，八只柱塞在轉(zhuǎn)子中沿徑向等分排列，每只柱塞的頭部嵌有一滾柱，滾柱與固定在泵體上的定子的內(nèi)曲面接觸，該曲面可依據(jù)第一章中所講的恒流特征位移曲線來設計，轉(zhuǎn)子與驅(qū)動軸之間是通過花鍵連接，在驅(qū)動軸的高速帶動下，轉(zhuǎn)子中的柱塞會在離心力的作用下使柱塞頭部的滾柱貼在定子的內(nèi)曲面上，從而使柱塞完成有規(guī)律吸油與排油運動。該泵的配流采用軸配流方式，與普通徑向柱塞泵的配流軸大致相同，只是其配油窗口有四個，兩個吸油窗口和兩個排油窗口。
圖2.1 徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖
2.2受力分析
此泵的受力情況較其它種類的泵來說， 其受力情況相對簡單，因為其結(jié)構(gòu)對稱，所以配流軸不受徑向力的作用，這對防止配流副被燒傷有重要作用，另外由于柱塞是徑向排列的，所以驅(qū)動軸上不受軸向力的作用。
柱塞與定子內(nèi)曲面的接觸為線接觸，并且接觸的應力大，設計時應將定子及柱塞的抗疲勞設計做為重點，從而保證泵的工作壽命與可靠性。
個別零部件的受力分析圖見后。
2.3柱塞和滾柱的設計
圖2.2為柱塞副的結(jié)構(gòu)圖，圖2.3為柱塞的剖視圖。
圖2.2柱塞副的結(jié)構(gòu)圖
圖2.3柱塞的剖視圖
根據(jù)畢業(yè)設計任務書要求該泵的排量為64ml/r,因此泵有8個柱塞，且為雙作用泵，故每個柱塞在泵軸旋轉(zhuǎn)一周的過程中兩次吸油和兩次排油，故單個柱塞的每次的排油量應為Qs(單)=64/8/2=4ml,根據(jù)如下公式：
①
式中D為柱塞直徑，H為柱塞行程，其中，柱塞的直徑D按照優(yōu)先數(shù)系選取，表是常用的柱塞直徑。柱塞直徑D，不僅是柱塞的主要參數(shù)，而且還是液壓機械的主要參數(shù)，該參數(shù)要由既定的輸油率等諸因素確定，一般在35毫米以下，否則，會使其移動慣性力和離心慣性力過大，從而降低其機械效率與吸入能力。這里我們選擇D=16mm，那么依據(jù)式可知:
表2.1 液壓元件用柱塞、滑閥和活塞外徑系列參數(shù)（JB826-66）毫米
8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、（30）、32、
35、40、45、50、55……
注：括號內(nèi)的避免使用；如果超出本系列范圍，應按GB321-64“優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系”R10、R20數(shù)系選取。
為了便于設計，圓整后H取20mm。通常情況下柱塞的行程H的取值范圍為（1～1.5）D，H=20mm滿足這一條件（），若柱塞直徑D選擇14mm或18mm均不符合柱塞行程的取值范圍，故H的選取合理。
故此泵的實際設計的單個柱塞的排油量為:
此時泵的排量為：
下面來確定最小含接長度M，依據(jù)經(jīng)驗一般M=（1.5～2）D,這里取M=2D=32mm。
那么柱塞的長度L:
L=M+H=32+20=52mm
柱塞的頭部尺寸：C、N、E及滾柱的直徑D1確定如下：
C=D+8=16+8=24mm；
D1=14mm；
E=H+8=20+8=28mm；
N=E-3=28-3=25mm。
滾柱的長度K需視泵的工作峰值壓力、滾柱和定子的材料及工作油液的粘度，還有驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速n而定。滾柱和定子的材料必須選用抗疲勞強度性能好的材料。
查閱《機械工程材料手冊》可得這些材料的參數(shù)具體如下：
滾柱和定子的材料：淬火軸承鋼，接觸疲勞極限強度為1726MPa。
該泵所用的油液的性質(zhì)為：工作油液密度0.9g/mm,50度時的粘度值為40mm/s。
滾柱和定子之間的接觸為線接觸，在轉(zhuǎn)子的高速的帶動下，滾柱就會在定子內(nèi)曲面上高速滾動，此時在滾柱和定子曲面間就會形成一薄層油膜，適當設計該油膜就能大大提高滾柱及定子的抗疲勞壽命。
查閱《疲勞強度設計手冊》可得求彈流最小油膜厚度計算公式（道森公式）如下：
無量綱形式：
②
有量綱形式：
③
式中 H=，G=，U=，
W=，，
R=；
—滾柱承受的載荷,單位N；
L—滾柱的有效承載長度，單位m；
—潤滑油粘度, 單位；
—綜合滾動速度, 單位m/s；
、—分別為物體1和物體2的接觸表面線速度, 單位m/s；
、—分別為物體1和物體2的接觸表面的曲率半徑, 單位m；
R—綜合曲率半徑，單位m；
—潤滑油粘度壓力指數(shù), 單位m/N（見表2.3）；
、—分別為物體1和物體2的材料彈性模量，單位Pa；
—綜合彈性模量，單位Pa；
、—分別為物體1和物體2表面的材料的泊松比。
表2.2 精制礦物油的粘度壓力指數(shù)（m/N）
溫度（C）
環(huán)烷基
石蠟基
錠子油
輕機油
重機油
輕機油
重機油
氣缸油
30
60
90
2.1
1.6
1.3
2.6
2.0
1.6
2.8
2.3
1.8
2.2
1.9
1.4
2.4
2.1
1.6
3.1
2.8
2.8
由有綱量形式的道森公式可計算出最小油膜厚度，現(xiàn)引入膜厚比為
④
式中 為最小油膜厚度，單位；
和—接觸面1和2的綜合粗糙度，。
當時為全彈流，當時為部分彈流。對于大多數(shù)工業(yè)傳動齒輪和滾動軸承，當時，就處于部分彈流狀態(tài)；當時，疲勞壽命幾乎與油膜厚度無關(guān)；當時，即進入邊界潤滑狀態(tài)。
彈流油膜的建立使接觸面之間的壓力分布趨于和緩，峰值壓力下降，從而減少了接觸疲勞損傷，使接觸疲勞壽命提高。進入部分彈流狀態(tài)后，雖不是全膜，但基本上建立了承載油膜。
所以我們設計時應使此滾柱與定子間的油膜厚度比 ，使它們之間的接觸為部份彈流接觸，進而減少接觸疲勞損傷，使接觸疲勞壽命提高，所以就有下式：
⑤
在這里我們?nèi)?=0.2，則
所以取=0. 424去求滾柱的長度K。
將道森公式的有量綱形式變形后得：
⑥
F為滾柱所承受的載荷，由于本泵的峰值壓力為=40MPa,且柱塞的直徑D=16mm,故滾柱所承受的載荷F由下式進行計算：
F==40=8042.48N ⑦
為該泵所用油液的壓粘指數(shù)由表查取，因為一般泵在工作了一段時間后其溫度為70度左右，故我們這里粗略地選取。
為油液的動力粘度值，此泵的油液的=0.036。
為接觸表面的綜合線速度，其值為：
=0.5=0.5152.8972=5.5m/s
R為綜合曲率半徑，其值為：
R=
由于為定子曲面的曲率半徑，其值是隨著滾柱滾過的位置的不同而不同，并且定子與滾柱的接觸為內(nèi)接觸，所以粗略地取=-100mm, 為滾柱的曲率半徑，因其直徑D=16mm，并且定子與滾柱的接觸為內(nèi)接觸，故=8mm。將、的值代入上式可得
R=== 8.7mm=0.0087m
為綜合彈性模量，其值為：
⑧
由于定子和滾柱都是選用的淬火軸承鋼，故
==2.275
==0.3
所以
=2.5
為部份彈流接觸時油膜的最小厚度，=0.424。
至此所有的量的值都確定下來了，那么滾柱的長度K為：
K
=
=0.00431m
=4.31mm
在設計此泵時，滾柱的長度K應取比4.31大的值即可，這里計算求得了部份彈流接觸下的滾柱長度范圍，但還得考慮滾柱和定子的材料的疲勞極限，從而進一步精確設計出K值，使?jié)L柱和定子在循環(huán)高應力的作用下不致產(chǎn)生疲勞破壞。滾柱與定子間的接觸為線接觸，故要計算其間的接觸應力就得用到赫茲應力公式：
⑨
式中：F—作用于接觸面上的總壓力，單位N；
B—初始接觸長度，單位m；
和—分別為零件1和零件2初始接觸線處的曲率半徑，式中的正號用于外接觸，負號用于內(nèi)接觸；
和—分別為零件1和零件2材料的泊松比；
和—分別為零件1和零件2材料的彈性模量。
將赫茲公式變形得下式：
B= ⑩
由于滾柱和定子是內(nèi)接觸，由于定子的曲率半徑是變化的，所以粗略地取=100mm=0.1m, =8mm=0.008m為滾柱的曲率半徑，==0.3， ==2.275，F(xiàn)=8042.48N，在這里滾柱的材料我們是選取的淬火軸承鋼，其疲勞極限值為1726MPa，故
=172610Pa
將這些數(shù)值代入上式可得滾柱的長度值為：
B==
=0.01235m
=12.35mm
故應取滾柱的長度大于12.35mm即可。在這里我們?nèi)L柱的長度為30mm,即K=30mm。
圖2.4 柱塞圖
2.4轉(zhuǎn)子的設計
轉(zhuǎn)子的配流孔直徑與外徑差值B：
B=E+L=28+52=80mm
轉(zhuǎn)子的配流孔直徑2R、和外徑2R待定。
圖2.6為轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖，因為驅(qū)動軸的負載為重載，故轉(zhuǎn)子與驅(qū)動軸采用漸開線花鍵聯(lián)接。
圖2.5 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖
查閱《機械設計手冊.單行本.聯(lián)接與緊固》，這里初選漸開線花鍵的各參數(shù)如下：
外徑D4：45mm；
模數(shù)m：3mm；
齒數(shù)z：14；
壓力角：=30；
工作長度L1待定。
圖2.6 漸開線花鍵示意圖
下面來校核該漸開線花鍵，圖2.7為漸開線花鍵的示意圖。
查閱《機械設計手冊.單行本.聯(lián)接與緊固》，得校核公式如下：
①
式中 T—轉(zhuǎn)矩，N.mm；
—各齒載荷均勻系數(shù)，一般取=0.7～0.8；
z—齒數(shù)；
l—齒的工作（配合）長度，mm；
Dm—平均直徑，mm，漸開線花鍵Dm=D；
D—漸開線花鍵分度圓直徑；
h—齒的工作高度，mm，漸開線花鍵=30時h=m, =37.5時h=0.9m, =45時m=0.8m（m為模數(shù)）；
—許用壓強，MPa,該值可查表2.2。
表2.3 花鍵聯(lián)接的許用壓強
聯(lián)接方式
使用和制造情況
/MPa
齒面未經(jīng)熱處理
齒面經(jīng)熱處理
靜連接
不良
中等
良好
35～50
60～100
80～120
40～70
100～140
120～200
不在載荷作用下移動的動聯(lián)接
不良
中等
良好
15～20
20～30
25～40
20～35
30～60
40～70
在載荷下移動的動聯(lián)接
不良
中等
良好
3～10
5～15
10～20
注：1.使用和制造情況不良是指受變載、有雙向沖擊、振動頻率高和振幅大、潤滑不好（對動聯(lián)接）、材料硬度不高和精度不高等。
2.同一情況下，的較小值用于工作時間長和較重要的場合。
3.材料：內(nèi)、外花鍵用抗拉強度不低于600MPa的鋼制造。
將校核公式變形后得下式：
②
式中 T的值可由該泵的功率及轉(zhuǎn)速確定，即由下式確定：
③
且
=2/60=104.72rad/s；(式中n=1000r/min為泵的額定轉(zhuǎn)速)
P=16n/60=16×40×4×1000/60=42666.7W=42.7kw；（式中、分別為泵的峰值壓力和單個柱塞的每次的排油量）
故
=42667/104.72=407.44N.m
式中由表可查得為40～70 MPa，在這里我們?nèi)?0 MPa，取0.8，取14，h取該漸開線齒的模數(shù)m=3mm，取該漸開線齒的分度圓直徑=mz=314=42mm。由a\352/152。89定，由