泵的结构设计

液压泵的结构设计

液压泵大体可分为：齿轮泵、柱塞泵、叶片泵三类。本文主要对每种泵的一种类型及设计形式做详细的介绍。

一、齿轮泵

利用Pro / Engineer软件对齿轮泵进行结构设计

1概述：

齿轮泵也叫正排量装置, 被广泛应用到输油系统、燃油系统、液压传动系统或作为工业领域中的润滑油泵。它的基本形式就是两个尺寸相同的齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转,齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合,来自于挤出机的物料在吸入口进入两个齿轮中间,并充满这一空间,随着齿的旋转沿壳体运动,最后在两齿啮合区排出。目前齿轮泵的设计,一直沿袭以二维工程图来表示三维实体的做法,具有很大的缺点,随着计算机技术的发展, 各种CAD /CAM 软件得到广泛的应用,使得机械工程设计技术发生了根本的变化。Pro / Engineer是美国参数技术公司( Param etric Technology Corporation,简称PTC )的产品,是集零件设计、虚拟装配、机构仿真、模具开发、逆向工程、有限元分析等功能于一体的新一代的产品造型系统,能够将设计至生产全过程集成到一起,实现并行工程设计。基于Pro / Engineer的这些特点,本文应用Pro / Engineer软件对齿轮泵进行结构设计,为企业推出新产品,提高产品质量,缩短设计和生产周期,降低生产成本提供了保障。

2齿轮泵的结构设计

2. 1产品实体造型

Pro / Engineer是以基于特征、参数化设计和单一数据库而著称于世,工程设计人员采用具有智能特性的特征生成模型, 如凸台( Pad ) 、筋( R ibs ) 、倒角( Chamfers)和抽壳( Shells) 等,特征的参数通过符号式赋予形体尺寸,任何一个参数改变,其也相关的特征也会自动修正,这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

齿轮泵造型的过程就是对每个零部件进行三维模型设计的过程。按照设计的要求, 利用Pro / Engi2 neer中的凸台、旋转、阵列、圆角等基本操作建立齿轮泵各个零件三维模型。当模型参数尺寸进行更改时, 三维模型的形状,也会随之做相应的改变。进行实体造型后,零件的体积、重心及质量只要通过查看物理特性就可以列表形式表示出来,提高了设计的工作效率。所建零件模型如图1。

图1 齿轮泵零件模型

2. 2产品虚拟装配

Pro /ASSEMBLY是一个参数化组装管理系统,能提供用户自定义手段去生成一组组装系列及可自动地更换零件。齿轮泵是一个复杂的部件,包含泵体、泵盖、轴和齿轮、标准件等,根据已经建立的零件3D模型,按照各零部件装配位置关系,利用对齐、匹配、同轴等约束关系,在工作台上建立齿轮泵虚拟装配体系结构。所建的齿轮泵装配模型如图2。

图2齿轮泵装配图与分解图

在齿轮泵的装配设计中,齿轮与轴配合及齿轮与齿轮啮合之间最容易发生干涉。完成齿轮泵装配后,可以用Pro / Engineer中的干涉检查来检查齿轮泵两对象间是否发生干涉。齿轮泵干涉检查如图3,对话框中显示的是干涉情况,装配图上发亮的表示干涉零件,并于干涉的地方建立新的零件,用新的实体零件切割干涉体积,消除干涉后,再删除所建立的新零件。

图3干涉检查结果

2. 3有限元分析

有限元分析结果已经成为工业界所承认的事实标准, Pro /M ECHAN ICA Structure是集静态、动态结构分析于一体的有限元模块,它使我们对齿轮泵关键部件(如泵体、齿轮、轴等) 设计模型在真实的环境下的结构性能进行评估、研究和优化。齿轮有限元分析结果如图4所示,通过对齿轮零件模型进行材料约束等定义,分别建立齿轮的静态和模态分析,从载荷、分析的结果中寻找齿轮破坏的敏感参数,针对这些敏感参数进行优化设计,从而得到改进后的齿轮结构。

图4齿轮有限元分析

2. 4工程绘图

D rafting是Pro / Engineer中的一个模块,它既可以独立使用,又可以和其他模块结合使用。齿轮泵实体模型建立之后,通过该模块只需要做少量工作,就可以自动生成二维工程图。同时还可以轻松转换成DW G格式,并可在AutoCAD 中进行更改,为设计及加工制造提供了方便,转成DW G格式的工程图如图5所示。

图 5 工程图

前面以机械行业中应用广泛的齿轮泵为例,介绍了Pro / Engineer的应用,对于缩短齿轮泵设计周期,降低成本,提高质量,改善性能,提高企业的产品开发效率,提供了有效的方法和途径。

二、柱塞泵

纯水柱塞泵结构设计的探讨

1、概述；

在液压传动中, 当压力在21MPa 以上时, 其液压泵均采用柱塞泵, 常用的柱塞泵有三种。

( 1 ) 斜盘式轴向柱塞泵。这种泵的结构比较紧凑、重量轻、缸体转动惯量小, 容易实现变量, 流量和压力都比较大, 应用广泛。但它有 3 个滑动摩擦副, 即滑靴与斜盘, 柱塞与缸体, 缸体端面与配流盘。因存在柱塞与缸体、缸体端面与配流盘之间两个泄漏的途径, 再加上滑靴与斜盘之间的静压支承所消耗的高压液体, 所以泵的容积效率、输出压力不可能很高。

( 2 ) 斜轴式轴向柱塞泵。结构比较复杂, 因柱塞对缸体侧向力比较小, 柱塞受力较好, 能承受较大的压力与冲击, 因只有柱塞与缸体、缸体与配流盘两个摩擦副, 所以容积效率、输出压力高, 流量可以很大, 在大型设备中应用较广。

( 3 ) 径向柱塞泵。采用阀配流, 结构比较复杂,因为只有柱塞与缸体一个滑动摩擦副, 所以内泄漏小, 输出压力可达20～70MPa, 用于压力要求很高的场合。

纯水的粘度是液压油的 1 /30 ～1 /50, 在同等工况条件下, 水的泄漏量

是液压油的30 ～50 倍。另外水的润滑性也差得多, 因此要使水压泵输出较高的压力与流量, 就必须减少摩擦副的数量和泄漏的途径,尤其是滑靴与斜盘之间要达到静液压支承, 此处泄漏的流量要占总泄漏量的80%左右。所以在常用的三种柱塞泵中, 阀配流的径向柱塞泵比较适合作水压驱动泵。

2径向柱塞泵的密封结构

普通径向柱塞泵的工作原理如图1 所示, 在弹簧力的作用下, 缸体中柱塞下端面紧贴在偏心轮外圆周上, 偏心轮旋转时, 柱塞在缸体中作伸缩往复运动, 从完成吸压油的过程。图1径向柱塞泵的结构原理在压油时, 高压油沿柱塞和缸体的径向间隙泄漏而进入主轴箱中, 因主轴箱中的润滑油就是液压油, 所以不存在不相容的问题。但作为水压泵时, 高压水沿着柱塞与缸体孔的间隙泄漏到主轴箱, 这样破坏了主轴箱内各运动零件之间的润滑状况, 为避免这种情况发生, 在高压水泵的密封结构设计上要采取相应措施。为配套水压凿岩机的试验研究, 项目组自主设计和开发了一种阀配流的径向柱塞泵, 如图7所示, 从设计原理上看, 泄漏的压力水经柱塞旁边的孔道(机体图上钻的孔) 和机体外表面相通, 主轴箱中的润滑油用一定的密封装置密封, 这样达到了油和水彼此分离开来, 泄漏的水不会影响到主轴箱中其它零件的润滑。

图6径向柱塞泵的结构原理图7径向柱塞泵的结构及泄漏方式

3水压泵密封的结构设计

油水分离效果往往不是十分理想, 其原因是, 液压泵正常工作时, 电动机转速为每分钟1 400多转, 推套1与柱塞2要以每分钟1 400多次作往复直线运动, 运动速度快, 加速度也大, 密封圈和缸体内孔长时间往返高速运动摩擦, 这种摩擦效果与普通液压元件(如液压缸) 的摩擦效果是不一样的, 按常理高速运动时一般是间隙密封, 若装上密封元件也不能太紧, 否则发热严重, 磨损也很快。因此时间一长密封圈就磨损了, 这样径向布置在上方或斜上方的柱塞, 在工作时泄漏的水, 在重力作用下沿着缸体内孔微观凹凸不平表面往主轴箱慢慢渗入,如图7局部放大图所示, 使主轴箱内的油液慢慢乳化, 最后成为乳化液, 使各种零件的润滑性能变差。在另一方面, 径向布置在下方或斜下方的柱塞, 其泄漏的水在重力作用下流出泵外, 但是油箱中的油液在重力作用下沿着缸体内孔与磨损的密封圈之间的间隙漏出, 使用越久, 磨损越严