机械原理课程设计凸轮柱塞泵

总效率一般为
h b
=0.85～0.95,上式满足要求。
四、凸轮柱柱塞动力学分析
柱塞运动学分析，主要是研究柱塞的往复直线运动。即分析柱
塞与缸体做相对运动时的行程﹑速度和加速度，这种分析是研究泵
流量品质和主要零件受力状况的基础。
b 0.93
4.1 柱塞行程 S：
柱塞行程 S 为 s 5cos 50t 20
二、概述 2.1 课程设计的题目
凸轮柱塞泵机构综合分析
2.2 课程设计的任务和目的
(1) 综合运用机械原理课程的理论和实践知识，分析和解决与 本课程有关的实际问题，促进所学理论知识的巩固、深入 和归纳；
(2) 培养学生的创新设计能力、综合设计能力与团队协作精神； (3) 加强学生动手能力的培养和工程实践的训练，提高学生针
五、设计分析
泵体作为柱塞泵其他零件安装的载体，其加工精度的大小直接影响 着其他零件与其的配合精度，从而影响这个柱塞泵的工作精度，假如 柱塞泵精度太低，将直接影响机器的寿命和工作情况。在整个图形绘 制完毕之后，依照零件草图、装配图，标出尺寸及尺寸公差，再对有 配合的地方选定表面粗糙度和形位公差，对于形位公差的选定,主要是 要保证泵体圆柱部分的轴线和泵体底板的平行度，底板作为安装平面， 因此对其有平面度的要求，最后对有配合的圆柱部分规定圆柱度的要 求。
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对于管接头，选择合理的视图将其轮廓线画出来。由于管接头的 毛培是铸造出来的，一些配合表面需要进行机加工，这样我们需要整 体的轮廓尺寸，只有将所有要求的尺寸都有后工人师傅才能加工出我 们所要的零件，数值依照我们测绘的值如上标注;然后就是对于一些重 要的加工面，精度要求高的地方必须有公差或者行为共擦保证，这样 才能满足使用要求，首先是表面粗糙度，对于有配合的地方表而要求 高，其中包括管螺纹、连接接触面，管螺纹其数值与和它相配合的管 螺纹是一样的，在查阅资料和老师的指导下我们取为 Ra3.2，要与活瓣 配合的两个内圆柱面的要求更高，我们定位 0.8，其他部分就是表面去 除毛刺，一般不进行机加工。还有就是行为公差，管接头的两个内圆 柱面是要与两个活瓣进行配合的，其数值擦为 0.02，这样就要求两个 面的轴线同轴，下表面要与螺塞相接就用垂直度保证接口，数值定位 0.025
容积，即
q

Fx smax

4
* d x 2smax
=
x182 x10
4
≈2.54(L)
不计容积损失时，泵的理论流量 Qtb 为
式中
Qb

qb nb

4
d x 2smxnb
=2.54x1500
=3810(L)
Fx —柱塞横截面积； dx —柱塞外径；
smax —柱塞最大行程；
nb —传动轴转速。
最大行程 smax =2e=10
smax 2e 10
7
4.2 柱塞运动速度分析 v
将 s 5cos 50t 20 对时间微分可得速度为 v 250 sin 50t
4.3 柱塞运动加速度 a
将 v 250 sin 50t 对时间微分得 a -12500 2cos50t


M tb M gb

M tb M tb VM b
1 1 VM b

4.85 X 106 5.05 X 106
96.03 ％
M fb
3.4 功率与效率
不计各种损失时，泵的理论功率 Ntb
Ntb
pbQtb

2 nbM gb
= 2x 1500 60
x5.05x106

793
(kw)
对实际需求进行创新思维、综合和工艺制作等实际工作能 力； (4) 提高学生运算、绘图、表达、运用计算机、搜集和整理资 料能力； (5) 为将来从事技术工作打基础。
2.3 凸轮柱塞泵概述
凸轮柱塞泵简介：在工业生产中，凸轮挺杆机构为基本的传动机构。 传统的柱塞泵包括凸轮轴，该凸轮轴设置于泵体内。在凸轮轴的上方 设置于多个控制于柱塞腔内的挺柱体，所述挺柱体的一段设置有滚轮， 滚轮与所述凸轮轴上的多个凸轮的表面接触。通过凸轮轴的旋转运动， 而转换成挺柱体上下往复直线运动。
柱塞运动的行程 s﹑速度 v﹑加速度 a 与缸体转角 a 的关系如下图
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
为了选择运动规律时便于比较，现将一些常用运动规律的速度、 加速度和跃度（加速度对时间的导数）列于下表：
运动规律 等速运动 等加速等减速 余弦加速度 正弦加速度 五次多项式
最大速度 1.00 2.00 1.57 2.00 1.88
Nbr 793.33(kw) Nbc 15204(kw)
定义泵的总效率 为输出功率 Nbc 与输入功率 Nbr 之比，即
hb
=
Nbc Nbr
=
pbQtb hgb
2pM tb
1 hmb
= h h gb mb
= 0.9603 0.97 0.93
上式表明，泵总效率为容积效率与机械效率之积。对凸轮柱塞泵，
泵中，排量越大，作功能力也越大。
从泵的排量公式 q

Fx smax

4
* d x 2smax
中可以看出，柱塞直径 dz
﹑
分布圆直径 Df ﹑都是泵的固定结构参数，并且当原动机确定之后传动
轴转速 nb 也是不变的量。
泵实际输出流量 Qgb 为
Qgb Qtb Qb =100-3=97（ml/min）
5
q 70.2 qb 2.54 L
Qgb 97
式中 Qb 为柱塞泵泄漏流量。
轴向柱塞泵的泄漏流量主要由缸体底面与配油盘之间﹑滑靴与斜 盘平面之间及柱塞与柱塞腔之间的油液泄漏产生的。此外，泵吸油不 足﹑柱塞腔底部无效容积也造成容积损失。
泵容积效率VB 定义为实际输出流量 Qgb 与理论流量 Qtb 之比，即
泵实际的输入功率 Nbr 为
M tb 4.85106 M gb 5.05106 96.03 ％ Ntb 793(kw)
6
Nbr

2 nbM gb

2 nbM tb
1 mb
= 2 1500 4.85X106 1 793.33 (kw)
60
0.9603
泵实际的输出功率 Nbc 为 Nbc = pbQgb = pbQtb hgb =3 33 4.85106 95 15204 (kw)
柱塞泵的技术发展一如其他产业的发展一样，是由市场需求的推动 取得的。当今社会，可进发展日新月异，人们在以环保、电子等领域 高科技发展及世界可持续发展为主所产生的巨大需求的大背景下，对 于包括泵行业在内的许多行业或领域都带来了技术的飞速变革和发 展。随着电子、计算机、材料、制造等相关技术的发展，多学科交叉 应用于轴向柱塞泵的研究，使仿真和试验更为接近现实，轴向柱塞泵 设计和优化的效率大大提高。
产品的生命力在于市场的需求。如今的市场需求正是要求创新，做 到与众不同；正是这一点，造就了泵产品的多元化趋势。它的多元性 主要体现在：
1. 输送介质的多样性；
2
2. 产品结构的差异性； 3. 运行要求的不同性。 从输送介质来看，最早泵的输送对象为单一的水及其它可流动的液 体、气体或浆体到现在可输送固液混合物、气液混合物、固液气混合 物，直至输送活的物体如土豆、鱼等等。不同的输送对象对于泵的内 部结构要求均不同。 除了输送对象对泵的结构有不同要求外，在泵的安装形式、管道 布置形式、维护维修等方面对泵的内在或外在的结构提出新要求。同 时，各个生产厂商，在结构的设计上又加入了各自企业的理念，更加 提高了泵结构的多元化程度。 凸轮柱塞泵的发展：近年来，凸轮柱塞泵的发展趋势呈现出了以下 一些新的特点。 1. 高速化、高压化是轴向柱塞泵的发展方向。这体现了其功率密 度的提高，而且使其可以直接与发动机匹配，应用更为方便。 2. 无论是定量还是变量的斜轴泵，由于启动性能好和传递扭矩大 的特点，都有着较好的前景。 3. 轻型轴向柱塞泵由于成本仅比叶片泵高 20%左右，但是性能却 比其高不少，可以和叶片泵进行竞争，这也是轴向柱塞泵的一个发展 方向。 4. 和电子技术相结合，实现多种控制方式。Rexroth 公司推出的 电子泵，实现对压力流量进行精确的闭环控制。此外变频控制也在液 压电梯、注塑机等领域逐步开始应用。 基于可持续发展和环保的总体背景，泵的运行环境对泵的设计又提 出了众多的要求，如泄漏减少、噪声振动降低、可调性增加、寿命延 长等等均对泵的设计提出了不同的侧重点或几个着重点并行均需考 虑，也必然形成泵的多元化形式。 我国的凸轮柱塞泵技术还比较落后，但旺盛的需求对凸轮柱塞泵技 术的发展有很大的推动作用。因此只要能紧跟国际技术潮流，发挥后 发优势，一定能赶上国际先进水平，甚至后来居上。 凸轮柱塞泵一般用于机床、冶金、锻压、矿山及起重机械的液压传 动系统中，特别广泛地应用于大功率的液压传动系统中。为了提高效 率，在应用时还通常用齿轮泵或滑片泵作为辅助油泵，用来给油，弥 补漏损及保持油路中有一定的压力。
VB

Qgb Qtb
= 97 100
= 97%
凸轮柱塞泵容积效率一般为b =0.94～0.98，故符合要求。
vb 97 ％
3.3 扭矩与机械效率
不计摩擦损失时，泵的理论扭矩 Mtb 为
M tb
pb qb 2
=
12
x2.54 2
x10
6
4.85X106
N M
式中 pb 为泵吸﹑排油腔压力差。
考虑摩擦损失 Mb 时，实际输出扭矩 M gb 为
M gb M tb M b = 4.85106 0.2 106 5.05106
轴向柱塞泵的摩擦损失主要由缸体底面与配油盘之间﹑滑靴与斜
盘平面之间﹑柱塞与柱塞腔之间的摩擦副的相对运动以及轴承运动而
产生的。
泵的机械效率定义为理论扭矩 Mtb 与实际输出扭矩 M gb 之比，即
最大加速度
4.00 4.93 6.28 5.77
最大跃度
39.5 60.0
适用场合 低速轻载 中速轻载 中低速重载 中高速重载 高速中载
由表可知，等加速等减速运动规律和正弦加速度运动规律的速度 峰值较大，而除等速运动规律之外，正弦加速度运动规律的加速度最 大值最大。除了上面介绍的几种运动规律外，根据工作需要，还可以 选择其他类型的运动规律，或者将几种运动规律组合，以改善运动和 动力特性。
三、凸轮柱塞泵基本性能参数 3.1 给定设计参数
最大工作压力 Pmax 40MPa 额定流量 Q =100L/min 最大流量 Qmax 200L / min 额定转速 n=1500r/min 最大转速 nmax 3000r / min
3.2 排量﹑流量与容积效率
4
凸轮柱塞泵排量 qb 是指凸轮旋转一周，全部柱塞腔所排出油液的
3
2.4 凸轮柱塞泵工作原理
柱塞泵是一种供油装置，常用于机器的润滑系统中。它的工作原理 是:靠凸轮旋转，由凸轮作用在弹簧压紧的柱塞上，使柱塞做往复运动， 因而不断改变泵腔的容积和压力，将润滑油吸入泵腔，并排到润滑系 统中。柱塞往复运动距离，依靠凸轮的偏心距尺寸 20mm。当凸轮按逆 时针方向旋转时，凸轮旋转半径逐步减少，柱塞在压缩弹簧的作用力 下，逐步向右移动，泵腔的容积逐步增大，而压力逐步减少，润滑油 受外界大气压的作用下，推开上方单向阀门(吸油阀)的球体而进入泵 腔中。当凸轮轴继续旋转时，凸轮旋转半径逐步增大，柱塞在凸轮作 用下，克服弹簧压力往左移动，.上方 单向阀中的球体在弹簧作用下， 关紧阀门，此时，泵腔容积逐步减少，压力逐步增大， 由于润滑油 从下方单向阀(排油阀)克服弹簧压力，推开钢球，流到供油润滑系统 中，凸轮轴不断旋转达到供油不间断。
螺塞部分主要是根据零件草图和装配图，画出图形，标出尺寸及尺 寸公差，然后对一-些配合的地方标出表面粗糙度及形位公差,其主要 的作用就是.上活瓣导向和密封。
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六、结 论
液压泵是向液压系统提供一定流量和压力的油液的动力元件，它 是每个液压系统中不可缺少的核心元件，合理的选择液压泵对于液压 系统的能耗﹑提高系统的效率﹑降低噪声﹑改善工作性能和保证系统 的可靠工作都十分重要。
Qb 3810
泵的理论排量 q 为
q
=
1000Q n.hv
=
1000´100 1500´0.95
=
70.2
（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：
1
nmax .q 3 £ C p
3000
´
70.2
1 3
60
=
206
<
Cp
式中 Cp 是常数，对进口无预压力的油泵 Cp =5400；对进口压力为 5kgf/cm 的油泵 Cp =9100，这里取 Cp =9100 故符合要求。排量是液压泵 的主要性能参数之一，是泵几何参数的特征量。相同结构型式的系列