液压元件与系统 第3版 教学课件 李壮云 5_第五章　轴向柱塞泵

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1、ZW 主编第五章轴向柱塞泵第一节轴向柱塞泵的工作原理及结构特点第二节斜盘式轴向柱塞泵的运动学分析及流量计算第三节斜盘式轴向柱塞泵的摩擦副之一柱塞和缸体孔第四节斜盘式轴向柱塞泵的摩擦副之二滑靴和斜盘第五节轴向柱塞泵最关键的摩擦副配流盘和缸体配流端面第六节无铰型斜轴式轴向柱塞泵第七节轴向柱塞泵的变量调节机构第八节柱塞式水液压泵第一节轴向柱塞泵的工作原理及结构特点一、阀配流轴向柱塞泵二、斜盘式(直轴式)轴向柱塞泵三、斜轴式(摆缸式)轴向柱塞泵一、阀配流轴向柱塞泵图5-1阀配流轴向柱塞泵工作原理图1斜盘2柱塞3缸体4单向阀(吸入阀)5单向阀(排出阀)一、阀配流轴向柱塞泵1)配流阀的单向性使柱塞泵失去了

2、可逆性，不能作为液压马达使用。2)液压泵由高速原动机带动。3)为了使结构紧凑、流量均匀，柱塞式液压泵均为多柱塞结构。二、斜盘式(直轴式)轴向柱塞泵1.工作原理2.滑靴及回程机构3.典型结构1.工作原理图5-2端面配流斜盘式轴向柱塞泵工作原理图1斜盘2滑靴3柱塞4缸体5配流盘6传动轴2.滑靴及回程机构图5-3滑靴和非通轴泵的弹簧回程机构1回程盘2滑靴3钢球4弹簧5缸体2.滑靴及回程机构图5-4斜盘式轴向柱塞泵柱塞回程机构a)通轴泵弹簧回程机构b)定隙回程机构1回程盘2球铰3推杆4、6垫圈5弹簧3.典型结构图5-5SCY141B型斜盘式轴向柱塞泵结构图1变量机构2斜盘3回程盘4缸体5柱塞6传动轴7

3、配流盘8弹簧9滑靴10缸外大轴承11泵后盖12轴销13变量活塞14阀杆15手轮16螺母3.典型结构图5-6通轴型斜盘式轴向柱塞泵结构图1缸体2传动轴3联轴器4、5辅助泵内、外转子6斜盘三、斜轴式(摆缸式)轴向柱塞泵图5-7斜轴式轴向柱塞泵工作原理图1传动轴法兰盘2球铰3柱塞4缸体5配流盘6连杆三、斜轴式(摆缸式)轴向柱塞泵图5-8A2F型斜轴式定量轴向柱塞泵结构图1主轴2轴承组3连杆柱塞副4缸体5壳体6球面配流盘7后盖8中心轴9碟形弹簧三、斜轴式(摆缸式)轴向柱塞泵与斜盘式泵相比，斜轴泵有如下特点：1)由于连杆轴线与柱塞轴线之间的夹角小，有效地改善了柱塞与缸孔之间的摩擦磨损状况。2)由于柱塞副

4、受力状况的改善，允许斜轴泵有较大的倾角，一般为25,最大可达45,可实现较大范围内的变速。3)缸体所受的倾覆力矩小，缸体端面与配流盘贴合均匀，泄漏及摩擦损失小，容积效率及机械效率较高。斜轴泵具有以下缺点：1)斜轴泵的传动轴要承受很大的轴向力和径向力，轴承寿命成为斜轴泵的薄弱环节。2)体积较大，结构比较复杂。3)变量机构需要驱动缸体摆动来实现变量，由于惯性大，变量响应速度较慢。4)斜轴泵不能做成通轴泵，所以难以做成双联泵或多联泵三、斜轴式(摆缸式)轴向柱塞泵第二节斜盘式轴向柱塞泵的运动学分析及流量计算一、柱塞运动学分析二、斜盘式轴向柱塞泵的排量及流量计算公式三、斜盘式轴向柱塞泵的流量分析一、柱塞

5、运动学分析1.柱塞行程(位移)s2.柱塞在缸体中的轴向运动速度v及加速度a3.滑靴运动分析1.柱塞行程(位移)s图5-9斜盘泵柱塞运动分析简图2.柱塞在缸体中的轴向运动速度v及加速度a(5-3)(5-4)(5-5)(5-6)2.柱塞在缸体中的轴向运动速度v及加速度a图5-10斜盘泵柱塞运动特性图3.滑靴运动分析(5-7)(5-8)二、斜盘式轴向柱塞泵的排量及流量计算公式(5-9)(5-10)(5-11)三、斜盘式轴向柱塞泵的流量分析1. z为偶数时瞬时流量的计算公式2. z为奇数时瞬时流量的计算公式3.瞬时流量的品质分析三、斜盘式轴向柱塞泵的流量分析图5-11z0i=1sini图解分析图a)z

6、为偶数b)z为奇数1. z为偶数时瞬时流量的计算公式(5-14)(5-15)2. z为奇数时瞬时流量的计算公式1)在0的前半周期角内，有z0=z+1/2个柱塞参与压液。2)在2的后半周期角内，有z0=z1/2个柱塞参与压液1)在0的前半周期角内，有z0=z+1/2个柱塞参与压液。(5-16)(5-17)2)在2的后半周期角内，有z0=z1/2个柱塞参与压液(5-18)(5-19)3.瞬时流量的品质分析1)流量脉动频率fq。2)流量不均匀系数q。1)流量脉动频率fq。对于偶数柱塞泵，fq=zn/60；对于奇数柱塞泵，fq=2zn/60。2)流量不均匀系数q。(5-20)(5-21)(5-22)第

7、三节斜盘式轴向柱塞泵的摩擦副之一柱塞和缸体孔一、柱塞和缸体孔间的密封间隙二、柱塞受力分析三、柱塞设计一、柱塞和缸体孔间的密封间隙图5-12柱塞受力分析图二、柱塞受力分析1.作用在柱塞上的力2.求解F1、F2及FN1.作用在柱塞上的力1)作用在柱塞底部的轴向液压力Fb。2)轴向运动惯性力Fg(图中未标出)。3)离心反力Fa。4)斜盘反力FN。5)柱塞与柱塞腔壁之间的接触力F1和F2。6)由F1、F2引起的摩擦力Ff。1)作用在柱塞底部的轴向液压力Fb。(5-23)2)轴向运动惯性力Fg(图中未标出)。(5-24)(5-25)3)离心反力Fa。(5-26)4)斜盘反力FN。(5-27)(5-28)

8、5)柱塞与柱塞腔壁之间的接触力F1和F2。该力是接触应力p1和p2产生的合力。考虑到柱塞与柱塞腔的径向间隙远小于柱塞直径及柱塞在柱塞腔内的接触长度，因此，由垂直于柱塞轴线的径向力FT和离心反力Fa引起的接触应力p1和p2可以近似看成是连续的呈直线分布的应力。6)由F1、F2引起的摩擦力Ff。(5-29)2.求解F1、F2及FN(5-30)(5-31)(5-33)(5-34)2.求解F1、F2及FN(5-35)(5-36)(5-37)三、柱塞设计1.柱塞的结构形式2.柱塞直径d及柱塞分布圆直径D3.柱塞名义长度l4.柱塞球头直径dh及均压槽5.柱塞缸体孔摩擦副比压p、比功pv的验算1.柱塞的结构

9、形式1)点接触式柱塞，如图5-13a所示。2)线接触式柱塞，如图5-13b所示。3)带滑靴的柱塞，如图5-13c所示。1.柱塞的结构形式图5-13柱塞的结构形式a)点接触式柱塞b)线接触式柱塞c)带滑靴的柱塞2.柱塞直径d及柱塞分布圆直径D(5-38)(5-39)3.柱塞名义长度l由于柱塞球头中心作用有很大的径向力FT，为使柱塞不致被卡死以及保持足够的密封长度，应保证柱塞有最小留孔长度l0。当工作压力pd20MPa时，一般取l0=(1.41.8)d; 当pd30MPa时,取l0=(22.5)d。d为柱塞直径。4.柱塞球头直径dh及均压槽柱塞球头直径比柱塞直径略小，一般取dh=(0.70.8)d

10、。柱塞颈部直径一般比柱塞球头直径还小一些，选取后要进行强度校核。5.柱塞缸体孔摩擦副比压p、比功pv的验算(5-40)(5-41)(5-42)第四节斜盘式轴向柱塞泵的摩擦副之二滑靴和斜盘一、滑靴的静压平衡原理二、滑靴设计一、滑靴的静压平衡原理图5-14滑靴的静压平衡一、滑靴的静压平衡原理(5-43)(5-44)(5-45)(5-47)一、滑靴的静压平衡原理(1)不完全平衡型静压支承(2)完全平衡型静压支承(或简称静压支承)(1)不完全平衡型静压支承在F0FN的情况下，压紧力FN的大部分被F0平衡掉，但还有一小部分所谓的剩余压紧力(FNF0)将滑靴压在斜盘上，使滑靴紧贴斜盘表面滑动。(2)完全平

11、衡型静压支承(或简称静压支承)1)静压支承的工作原理。2)静压支承的工作特性。1)静压支承的工作原理。图5-15静压支承的工作原理图2)静压支承的工作特性。图5-16静压支承的工作特性曲线2)静压支承的工作特性。(5-48)(5-49)(5-50)二、滑靴设计(1)剩余压紧力法(2)滑靴的结构形式(1)剩余压紧力法1)滑靴上的作用力计算不准，其摩擦力、离心力、惯性力等都是随滑靴的运动轨迹而变化的。2)滑靴既有沿斜盘的滑动，也有绕柱塞球头的自转运动，这使滑靴由于受到本身离心力的作用而可能产生倾斜。3)柱塞泵在实际运转中，经常受到冲击负荷的作用，并且还包括起动和停止的工作状态，因此，要保持稳定油膜

12、，实际上是不可能的。4)阻尼管制造困难，而且容易堵塞，这样会使静压平衡失去作用，造成运动副烧伤。 5)即使能使负载力与支承力基本达到平衡，但无法平衡作用于滑靴的倾覆力矩，无法解决滑靴在倾覆力矩作用下发生的偏磨。 (1)剩余压紧力法用剩余压紧力法设计滑靴比较简单，其步骤如下： 1)根据经验，初选R1+R2=d。2)推荐取R2R1(0.10.15)d，直径较大的滑靴取较小值，直径较小的滑靴取较大值。3)压紧系数的确定。(2)滑靴的结构形式图5-17滑靴结构形式1外辅助支承2泄油槽3密封带4内辅助支承5通油孔6通油槽7油室(2)滑靴的结构形式1)增设内辅助支承面，可减小滑靴底面的接触比压。2)增设外

13、辅助支承面，可保护密封带。3)减小密封带宽度。4)加大进油孔直径。5)采用耐磨性好的摩擦副材料。第五节轴向柱塞泵最关键的摩擦副配流盘和缸体配流端面一、缸体上的轴向压紧力Fp及其力矩二、配流盘对缸体的液压支承力F0及其力矩三、缸体的受力平衡分析四、配流盘的设计五、改进型配流盘一、缸体上的轴向压紧力Fp及其力矩1.压紧力Fp2.压紧力的作用点及力矩1.压紧力Fp(5-51)(5-52)(5-53)2.压紧力的作用点及力矩图5-18压紧力作用点位置变化分析图2.压紧力的作用点及力矩1)在0的前半周期角内，z0=z+1/2，将式(5-16)代入式(5-54)，可得2)在2的后半周期角内，z0=z1/2

14、，将式(5-18)代入式(5-54),可得(5-55)(5-56)(5-57)二、配流盘对缸体的液压支承力F0及其力矩1.液压支承力F02.液压支承力的力矩及作用点3.配流盘压油侧压力区包角?的计算1.液压支承力F0图5-19配流盘基本结构图1吸油窗口2压油窗口3过渡区4减振槽5内密封带6外密封带7辅助支承面1.液压支承力F0图5-20配流盘液压支承压力的分布1.液压支承力F0(1)外密封带中的压力分布(2)内密封带中的压力分布(3)配流盘对缸体作用的液压支承力F0(1)外密封带中的压力分布(5-59)(2)内密封带中的压力分布(5-60)(3)配流盘对缸体作用的液压支承力F0(5-61)2.

15、液压支承力的力矩及作用点(5-62)(5-66)(5-67)3.配流盘压油侧压力区包角?的计算图5-22前半周期角内压力区包角?的变化a)=0b)=(5-68a)(5-68b)(5-68c)(5-68d)(5-69)3.配流盘压油侧压力区包角?的计算三、缸体的受力平衡分析1.当0时2.当2时1.当0时图5-23F0和Fp作用点轨迹的比较a)=0b)=22.当2时由图5-22b可知，当缸体继续旋转进入后半周期角以后，压油区包角?的一端仍被缸体端面配流窗口所控制，而另一端则被配流盘的腰形配流窗口所限定，这时，不但?角和F0不断变化，四、配流盘的设计1.配流盘的剩余压紧力设计方法2.配流盘过渡区设计

16、1.配流盘的剩余压紧力设计方法1)根据柱塞泵的设计要求，在确定了柱塞数z、柱塞直径d和柱塞在缸体中的分布圆半径R后，可按下列经验数据初步确定配流盘的有关尺寸。 缸体和配流盘腰形槽中心的半径应小于(或等于)柱塞分布圆半径R，两者之比可以在0.71.0之间选择(斜轴泵选较小值)。 腰形槽宽度可选为柱塞直径的1/31/2。 配流盘内外密封带的宽度可选为柱塞直径的1/101/5。 配流盘吸油和压油腰形槽之间的过渡区间隔角应等于或略大于缸体端面小腰形配流窗口夹角0。2)验算通过腰形窗口的流速。1.配流盘的剩余压紧力设计方法3)按上述经验数据初步确定配流盘尺寸后，用剩余压紧力方法进行配流盘与缸体之间的平衡

17、设计。 按式(5-53)、式(5-61)及式(5-69)计算出作用于缸体上的平均压紧力Fpm及平均支承力F0m。 计算压紧系数为 在初定配流盘尺寸及压紧系数后，验算在缸体旋转的后半周期角内的压紧力系数及压紧力矩系数，使这些系数值1。1.配流盘的剩余压紧力设计方法4)缸体和配流盘材料的选择。 缸体材料。由于缸体受高速、交变的高压作用，因此对缸体材料有以下特殊要求：高强度，特别是高的疲劳强度；高耐磨性；较好的抗气蚀性能；良好的切削加工性能。 配流盘材料及热处理。由于和配流盘对偶的摩擦副零件是青铜缸体(个别情况为球墨铸铁)，所以配流盘应当有很高的表面硬度，经常采用淬火钢和氮化钢。配流盘是个很薄的盘形

18、零件，在热处理过程中容易变形。尺寸较大的配流盘最好采用处理温度低、变形小的渗氮处理方法，这样可以得到较薄(通常厚度约为0.3mm)但硬度较高(65HRC以上)的耐磨表面，并可防止变形过大。5)验算比压p、比功pv。图5-24配流盘的外辅助支承2.配流盘过渡区设计图5-25柱塞腔内压力的变化2.配流盘过渡区设计(1)非对称型配流盘(图5-24) (2)带卸荷槽或阻尼孔的非对称配流盘(图5-26)(1)非对称型配流盘(图5-24)(5-71)(5-72)(5-73)(5-74)(2)带卸荷槽或阻尼孔的非对称配流盘(图5-26)图5-26带阻尼的非对称配流盘a)V形断面三角槽b)阻尼孔(2)带卸荷槽

19、或阻尼孔的非对称配流盘(图5-26)(5-75)五、改进型配流盘1.采用具有静压支承的配流盘2.浮动配流盘3.球面配流盘1.采用具有静压支承的配流盘图5-27全周槽多油腔间歇供油配流盘1开关不通孔2通油孔3压油腔4阻尼槽5压力平衡油腔1.采用具有静压支承的配流盘图5-28半周槽双油腔间歇供油配流盘1通油孔2压力平衡油腔3吸油腔4阻尼槽5压油腔6开关不通孔2.浮动配流盘图5-29几种浮动配流盘的结构原理图a)连通套为球面结构b)连通套为薄刃结构c)连通套为配有O形密封圈的结构1缸体2配流盘3连通套4O形密封圈3.球面配流盘图5-30球面配流盘及缸体力矩平衡图第六节无铰型斜轴式轴向柱塞泵一、无铰型

20、斜轴泵的运动学特点二、无铰型斜轴泵柱塞的运动学分析三、无铰型斜轴泵理论排量和理论流量的计算四、无铰型斜轴泵的结构和结构参数一、无铰型斜轴泵的运动学特点图5-31无铰型斜轴泵运动学分析图一、无铰型斜轴泵的运动学特点(5-77)(5-78)一、无铰型斜轴泵的运动学特点图5-32单连杆驱动缸体时转角差随的变化一、无铰型斜轴泵的运动学特点图5-33连杆进入啮合的次序二、无铰型斜轴泵柱塞的运动学分析图5-35l、与之间的三角关系图二、无铰型斜轴泵柱塞的运动学分析(5-83)(5-85)(5-86)(5-87)（5-88）三、无铰型斜轴泵理论排量和理论流量的计算（5-89）（5-90）（5-91）四、无铰

21、型斜轴泵的结构和结构参数1.角的选择2. K=r/R的选择3.斜轴泵缸体支承方式4.斜轴泵泵轴及驱动盘的支承1.角的选择图5-36柱塞-连杆副a)铰接式连杆b)一体化连杆2. K=r/R的选择在相同的尺寸下，为了使转角差最小，柱塞的附加位移小，r/R的取值应满足式(5-86)的要求，即 3.斜轴泵缸体支承方式1)早期产品中，采用轴承支承缸体。2)目前广泛采用的是利用球面配流盘、支承心杆的支承方式，如图5-8所示。4.斜轴泵泵轴及驱动盘的支承图5-37斜轴泵的泵轴支承系统a)圆锥滚子轴承组b)球轴承组c)静压轴承组第七节轴向柱塞泵的变量调节机构一、由外力或外部指令信号调节的变量机构二、以泵的输出

22、参数为指令实现自动调节的变量机构一、由外力或外部指令信号调节的变量机构1.手动变量机构2.手动伺服变量机构1.手动变量机构图5-5所示为具有手动变量机构的国产CY型斜盘式轴向柱塞泵。当转动手轮15时，使阀杆14转动，带动变量活塞13作轴向移动(因导向键的作用，变量活塞13不能转动，只能作轴向移动)，再通过轴销12带动斜盘2绕其耳轴转动(斜盘是通过两侧的耳轴支承在泵后盖11上)，从而使斜盘倾斜角改变，达到变量的目的。2.手动伺服变量机构图5-38伺服变量机构a)伺服变量机构b)伺服机构工作原理图1控制滑阀2球铰3斜盘4变量活塞5壳体6阀杆二、以泵的输出参数为指令实现自动调节的变量机构1.恒功率变

23、量泵2.恒压变量泵3.恒流量变量泵4.适应性控制变量泵图5-39恒功率变量泵的变量机构a)结构图b)伺服滑阀放大图1变量活塞2伺服滑阀3阀杆4内弹簧5外弹簧6、7弹簧套8调节螺钉9壳体a活塞下腔室b、f通道c、d、g环槽e活塞上腔室h滑阀中心孔1.恒功率变量泵1.恒功率变量泵图5-40恒功率变量泵的压力-流量特性曲线2.恒压变量泵图5-41恒压变量泵的压力-流量特性及其变量机构a)压力-流量特性b)变量机构原理图1控制滑阀2差动变量活塞3压力控制弹簧2.恒压变量泵图5-42恒压变量泵的实际特性曲线3.恒流量变量泵图5-43恒流量变量机构工作原理图1控制滑阀2差动变量活塞3压差控制弹簧4检测节流

24、口3.恒流量变量泵图5-44恒流量变量泵的特性a)转速变化b)负载变化4.适应性控制变量泵图5-45功率适应性变量泵的工作原理图4.适应性控制变量泵图5-46功率适应性变量泵的调节特性曲线第八节柱塞式水液压泵一、柱塞式水泵(马达)对水介质具有更好的适应性二、几种典型的水液压柱塞泵一、柱塞式水泵(马达)对水介质具有更好的适应性传统的液压泵有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等多种结构形式，这对水液压泵的结构选形提供了重要参考和依据。但由于水与矿物型液压油相比，具有粘度低、润滑性能差、腐蚀性强等特点，因此，从选材和结构形式而言，对水液压泵的要求与油压泵相差较大，适用于液压油的泵不一定适用于水。二、几种典型的水

25、液压柱塞泵1.曲轴式三柱塞轴向水泵2.阀配流径向柱塞式海水泵3.阀配流斜盘式轴向柱塞海水泵4.端面配流斜盘式轴向柱塞水泵1.曲轴式三柱塞轴向水泵图5-47曲轴泵的工作原理图1柱塞2压出阀3吸入阀4密封圈5连杆6曲柄2.阀配流径向柱塞式海水泵图5-48Hauhinco径向柱塞水泵结构简图1主轴2、12滑动轴承3偏心凸轮4滑靴5柱塞6缸套7缸体8吸入阀9压出阀10吸水通道11柱塞回程弹簧图5-49斜盘式轴向柱塞海水泵结构图1泵后盖2压出阀3柱塞4缸孔套5滑靴6斜盘7主轴8油池9回程盘10球铰11泵前盖12中心弹簧13吸入阀14缸体3.阀配流斜盘式轴向柱塞海水泵3.阀配流斜盘式轴向柱塞海水泵1)采用

26、油水分离结构，使轴承、斜盘/滑靴等主要摩擦副浸在油池中，由润滑油润滑，只有柱塞-缸体孔及配流阀直接与水接触。2)采用阀配流，具有很好的抗污染性能。3)配流阀采用增强的高分子复合材料与奥氏体不锈钢配对的方案，减少了冲击。4)根据安装及检修的需要，配流阀可以轴向安装(图5-49)，也可以改为径向安装。5)该泵的惟一薄弱环节是由侧向力引起的柱塞与缸体孔口之间的磨损。4.端面配流斜盘式轴向柱塞水泵(1)丹麦Danfoss公司生产的PAH系列轴向柱塞水泵该系列泵的结构如图5-50所示，有5个或9个柱塞，采用端面配流结构。(2)英国Fenner公司生产的轴向柱塞海水泵图5-51所示为英国Fenner公司生

27、产的F06F60系列海水泵结构简图。4.端面配流斜盘式轴向柱塞水泵(1)斜盘泵的柱塞数。(2)斜盘泵的容积效率和斜盘泵的工作压力(吸入压力为大气压力)。(3)斜盘泵的输出功率。(4)当转速增至2250r/min时，它的容积效率和工作压力(外负载无变化)。(5)当负载减为原来负载的50%时的容积效率。(6)转速仍为1500r/min，在条件(5)下的输入功率和输入转矩。(1)恒压变量泵是否只能在恒压下工作？(2)恒压变量泵在哪些工况下会保持恒压特性？这一特性有何实用意义？(3)恒压变量泵为什么不能在超过调定压力的条件下工作？(4)请比较恒压变量泵和定量泵并联溢流阀这两种恒压油源的异同(此问题可以留在学过压力控制阀后考虑)。(1)丹麦Danfoss公司生产的PAH系列轴向柱塞水泵图5-50Danfoss轴向柱塞水泵结构图1轴封2泵前盖、泵壳及滑动轴承3泄水塞4回程盘5柱塞及滑靴6止推盘7斜盘8缸体9中心弹簧10配流盘11泵后盖(2)英国Fenner公司生产的轴向柱塞海水泵图5-51Fenner轴向柱塞海水泵结构简图1主轴2、8、9滑动轴承3轴承座4斜盘5滑靴6保持环7回程盘10止推轴承11柱塞12柱塞套13缸体14配流盘