新型轴配流轴向恒流柱塞泵的设计

前言在经过大学四年的系统学习之后，我们终于要用这个毕业设计来结束我们在大学期间的学习任务，这也是我们大学学习的最终检验。

毕业设计的目的就是要我们把四年来所学的专业知识融会贯通，紧密联系在一起。

只有做到这些，才能够真正的掌握这些知识。

只有这样，才能够合格的走上工作岗位。

本次设计的课题是新型轴向恒流柱塞泵的设计。

目前，应用广泛的泵有：轴向柱塞泵、径向柱塞泵、螺杆泵、叶片泵和齿轮泵。

这几种泵各有优缺点，现有的轴向柱塞泵和径向柱塞泵有容积效率高、工作压力高的优点，但存在明显的流量脉动和压力脉动，并且噪音都在70DB以上，尤其是在工作在高压的情况下噪音更大；螺杆泵、叶片泵具有流量脉动小、噪音低的优点，但其工作压力和容积效率都低；而齿轮泵轮具有结构简单，成本低的优点外其它各项性能指标均不如前面的泵。

当前，所缺少的是一种工作压力高、容积效率高，并且流量脉动和压力脉动低、噪音低的液压泵，尤其是工作在高压的情况下，流量脉动和压力脉动及噪音也很低的液压泵，而要同时满足上述要求的液压泵也只有柱塞泵才有可能，这就需要对柱塞泵的工作机理做深入的研究，改进现有的柱塞泵，提出新的方案和结构，来解决柱塞泵的脉动及噪声问题。

解决了柱塞泵的脉动和噪声问题也就解决了在许多封闭空间中使用柱塞泵而产生噪声偏大的问题，从而大大地改善了人们的工作环境，尤其是在那些对噪声控制要求严格的场所，诸如军舰、潜艇和室内，降噪就具有非常重要的意义。

本设计就是根据前面提到的当前泵的一些缺点而提出的一种新型泵，本设计将完成该泵的具体结构设计以及由另一位同学采用法国的系统建模和仿真软件Amesim4.20对该泵进行仿真，将仿真结果与最初设计意图进行比较，看能不能达到设计目的。

经过四个多月的努力，我们终于完成了这次设计。

由于设计经验不足，错误在所难免。

还望各位老师同学批评指正，指出其中的问题，以便我们能够及时改正过来，这样才能更好的完成这次毕业设计的任务，为以后的工作打好基础。

新型轴配流轴向恒流柱塞泵的设计一、柱塞泵恒流理论的提出1．1 柱塞泵的运动情况柱塞泵的常见形式有轴向柱塞泵和径向柱塞泵。

柱塞的中心轴线与转轴轴线平行的称为轴向柱塞泵，其柱塞有轴向运动而无径向运动，吸油与排油是通过柱塞的轴向运动实现的；柱塞的中心线与转轴轴线垂直的称为径向柱塞泵，其柱塞有径向运动而无轴向运动，吸油与排油是通过柱塞的径向运动实现的。

通常柱塞泵中有多只柱塞，它们是绕转轴轴线沿周向均匀分布的，工作时一部分柱塞做吸油运动，同时另一部份柱塞做排油运动。

单个柱塞绕转轴轴线旋转运动时，先是吸油后是排油，再吸油再排油，如此周而复始，其运动速度V（对于轴向柱塞泵来说是轴向运动速度，对于径向柱塞泵来说是径向运动速度）与转轴转过的角度θ在一个周期T内的关系如图1.1所示(θ=ωt, ω为转轴的角速度,t为时间)。

在本篇论文中约定柱塞吸油时的运动速度为正,排油时的运动速度为负，称该曲线为单个柱塞的运动速度曲线。

图1.1：一个周期T内单个柱塞的运动速度曲线1．2 恒流特征速度曲线的提出要实现柱塞泵工作时无流量脉动，必须使任一时刻处于吸油状态的各个柱塞的运动速度之和为一恒定值，同理，处于排油状态的各个柱塞的运动速度之和也应该为一恒定值。

然而目前的柱塞泵，不管是轴向的还是径向的都不能满足上述要求。

要满足上面提出的要求，必须使单个柱塞的运动速度曲线具备一定的特征，图1.2：恒流特征速度曲线及其位移曲线现绘出具备这些特征的速度曲线如图1.2粗实线所示（该粗实线为一个周期T内的速度曲线），其表达式为V=Vmax G(θ), Vmax为其最值，现将该曲线的特征罗列如下：a.曲线必须是连续的，且具有周期性；b.在[0，T/4]区间的曲线必须关于点（T/8，Vmax G（T/８））成原点对称；c.在[0，T/2]区间的曲线必须关于直线θ= T/4成轴对称；d.在[0，T]区间的曲线必须关于点（T/2，0）成原点对称。

称上述特征为恒流特征，将具备这些特征的单个柱塞的运动速度曲线命名为恒流特征速度曲线。

将表达式V= Vmax G(θ)对t积分就得到柱塞的位移（径向位移或轴向位移）的表达式：1-1 图中细实线为C=0时的位移曲线，当θ=T/2时位移S有最值H（柱塞的升程），且有下式成立：1-2 那么Vmax=4ωH/T,故式①可改写为：1-3 只要柱塞的位移曲线满足1-3式，就可使其运动速度曲线为恒流特征曲线,从而实现柱塞泵的恒流,并称满足1-3式的位移曲线为恒流特征位移曲线。

1．3 恒流的实现下面来说明柱塞泵的单个柱塞的运动速度曲线为恒流特征速度曲线时是如何实现柱塞无流量脉动的。

现有一柱塞泵（轴向的或径向的），设该泵单个柱塞的运动速度曲线为恒流特征速度曲线，其柱塞数为4，为单作用柱塞泵,故T=2π（为双作用泵时T取π）,图1.3:粗细不同的曲线代表不同柱塞的速度曲线相邻两柱塞之间的相位差为2π/4=π/2。

现将该泵中4只柱塞的运动速度曲线绘制到同一个坐标系中如图1.3所示，则在同一坐标系中不难看出相邻两柱塞的速度曲线之间的相位差为π/2，并且还可以发现在任一时该泵有两只柱塞处于吸油状态，另外两只柱塞处排油状态。

依据前述的恒流特征不难证明：θ轴上半部分所有的曲线叠加后为一直线V=Vmax,也即任一时刻处于吸油状态的两只柱塞的速度之和为一恒定值Vmax；同理，θ轴下半部分所有的曲线叠加后为一直线V=-Vmax，也即任一时刻处于排油状态的两只柱塞的速度之和为一恒定值-Vmax。

这说明具有恒流特征的速度曲线理论上能实现柱塞泵的恒流。

事实上，采用这类速度曲线时,单作用泵的柱塞数必须为4的倍数，双作用柱塞泵的柱塞数必须为8的倍数，否则不能实现恒流，无论单作用泵或双作用泵,通常情况下柱塞数都应选8，采用8只柱塞时任一时刻有4只柱塞处于吸油状态，另4只处于排油状态。

1．4 几种具有恒流特征的速度曲线（1）一次函数恒流特征速度曲线V=A G(θ), G(θ)满足下式：1-4 上式中正负号分别对应着两条恒流特征速度曲线，将上式对时间t求导后，就可以得到加速度的表达式，并且从该加速度表达式可以发现加速度有突变，也就是说如果采用一次函数恒流特征速度曲线，柱塞在运动虽无刚性冲击，但存在着柔性冲击。

（2）三角函数恒流特征速度曲线V=A G(θ), G(θ)满足下式：1-5 同样将上式对时间t求导后，就可以得到加速度的方程式，并且从该方程可以发现加速度没有突变，说明采用该曲线无柔性冲击。

（3）无高次冲击恒流特征速度曲线将恒流特征速度曲线对θ积分，便得一新曲线（图1.4中的细实线所示），该新曲线酷似恒流特征曲线的前半部分，事实上补上后半部分曲线后（图1.4中的虚线所示），再将前后两半部份组合起来就是一条新的恒流特征速度曲线，其周期为原曲线的2倍，将新得来的恒流特征速度曲线再次进行积分，重复上述步骤，便又得一条恒流特征速图1.4：图中粗实线为一恒流特征速度曲线度曲线，经过N次上述步骤后所得到的恒流特征速度曲线至少无N+1次冲击。

通常情况下我们求得无3次冲击的恒流特征曲线就足够了，更高次的难以求得，并且给加工也会带来困难。

其实恒流特征速度曲线有很多的，只要依据恒流特征就可以求出许多这样的曲线，而上面仅仅是给出了几种常见的。

以上便是柱塞泵恒流理论，依据该理论可以设计轴向恒流柱塞泵和径向恒流柱塞泵，这两种泵的流量脉动和压力脉动在不考虑工作油液的可压缩性质的情况下是为零的，当此类泵工作在高压的情况下或要考虑油液的可压缩性质的情况下，该理论还有待进一步完善。

二、新型轴向恒流柱塞泵的结构设计、2.1 新型轴向恒流柱塞泵的简介及其基本结构在第一章中所讲的柱塞泵恒流理论既可以用来设计轴向恒流柱塞泵也可以用来设计径向恒流柱塞泵，本设计只设计轴向恒流柱塞泵，下面简单介绍一下该泵的基本工作原理。

该泵为双作用泵，八只柱塞在缸体中沿轴向等分排列，每只柱塞的头部嵌有一滚柱，滚柱与固定在轴承座上的圆柱凸轮曲面是呈线接触，该曲面可依据第一章中所讲的恒流特征位移曲线来设计，缸体与驱动轴之间是通过花键来连接的，在驱动轴的高速带动下，缸体中的柱塞在弹簧力的作用下会使柱塞头部的滚柱贴在圆柱凸轮的曲面上，从而使柱塞完成吸油与排油运动，该泵的配流采用轴配流方式，与普通径向柱塞泵的配流轴大致相同，只是其配油窗口有四个，两个吸油窗口和两个排油窗口。

图2.1是该泵的结构简图。

图2.1：轴向恒流柱塞泵的结构简图1．排油口；2．配流轴；3．排油窗口；4．缸体；5．柱塞；6．滚柱；7．带圆柱凸轮的轴承座；8．传动轴；9．吸油窗口；10．壳体；11．定位孔；12．吸油口；13．泵体。

2.2缸体、柱塞和滚柱及回程弹簧的设计图2.2为柱塞副的结构简图，图2.3为柱塞的剖视图。

图2.2：柱塞副的结构简图图2.3：柱塞的剖视图依据毕业设计任务书可知该泵的排量为48ml/r,由于此泵有8个柱塞，且为双作用泵，故每个柱塞在泵轴旋转一周的过程中进行两次吸油和两次排油，故而单个柱塞的每次的排油量应为Qs=48/8/2=3ml,并有如下公式成立：42HD Qs π=式中D 为柱塞的直径，H 为柱塞的行程，其中柱塞的直径D 得按照优先数系选取，表是常用的柱塞直径，柱塞直径D ，不仅是往塞的主要参数，面且还是液压机械的主要参数，该参数要由既定的输油率等诸因素确定，一般在35毫米以下，否则，会使其移动惯性力和离心惯性力过大，进而降低其机械效率与吸入能力。

这里我们选择D=14mm ，那么依据式可知:mm 5.9142==DQs H π 为了便于设计，圆整后H 取20mm 。

通常情况下柱塞的行程H 的取值范围为（1～1.5）D ，H=20满足这一条件（4.11420=），故H 的选取合理。

故此泵的实际设计的单个柱塞的排油量为:ml 079.3mm 079325.0201432==⨯⨯⨯π此时泵的排量为：079⨯⨯8.3=ml264.492表2.1液压元件用柱塞、滑阀和活塞外径系列参数（JB826-66）毫米注：括号内的避免使用；如果超出本系列范围，应按GB321-64“优先数和优先数系”R10、R20数系选取。

下面来确定最小含接长度M，依据经验一般M=（1.5～2）D,这里取M=25mm。

那么柱塞的长度L:L=M+H=25+14=45mm柱塞的头部尺寸：C、N、E及滚柱的直径D1确定如下：C=D+8=14+8=22mm；D1=10mm；E=18mm；N=E-3=18-3=15mm。

S=24mm缸体主要尺寸：A、B、F、GA=10+14+L+N+D1/2+3=92mmB=44mmF=10mmG=2mm滚柱的长度K待定。

、和外径2R3待定。

缸体的配流孔直径2R1图2.4为缸体的结构简图，因为驱动轴的负载为重载，故转子与驱动轴采用渐开线花键联接。