直軸式軸向柱塞泵設計

胡萬強

( 許昌學院電氣信息工程學院，河南許昌461000)

軸向柱塞泵是利用與傳動軸平行的柱塞在柱塞孔內往復運動所產生的容積變化來實現吸油、壓油等工作過程。由于柱塞和柱塞孔都是圓形零件，加工時可以達到很高的配合精度，因此具有容積效率高、運轉平穩、流量均勻性好、噪聲低、工作壓力高等優點，被廣泛應用于高壓、大流量和流量需要調節的場合，諸如液壓機、工程機械和船舶中。

如圖1 所示，直軸式軸向柱塞泵主要由配油盤1、斜盤15、柱塞5、缸體2 和傳動軸11 等零件組成。

圖1 直軸式軸向柱塞泵結構圖

從軸端看，傳動軸沿逆時針方向旋轉時，柱塞5自下向上回轉的半周內，既要隨轉動缸體作圓周運動，又要逐漸往外伸出，這樣柱塞底部的密封容積不斷增加，從而產生局部真空，低壓油經泵吸油口、配油盤吸油窗孔吸入泵內。柱塞自上而下半周內回轉時，柱塞則向缸孔內縮回，柱塞底部密封容積不斷減小，高壓油從配油盤的排油孔排出。傳動軸每轉一圈，柱塞往復運動一次，完成一次吸油和排油動作。作者對該柱塞泵進行設計，主要參數為:額定工作壓力32 MPa，理論流量34.5 L/min 和額定轉速1 500 r/min。

1主 要零部件的設計計算

1.1 缸體

缸體的排量

式中:Q 為泵的額定流量(L/min);n 為泵的額定轉速(r/min);ηv為容積效率，一般取ηv= 0.85 ～0.98，這里取ηv=0.92。將上述參數代入公式得q =

柱塞直徑

式中:Z 為柱塞個數，根據實際情況取Z =7;R 為柱塞分布圓半徑，其計算公式為?為斜盤傾角，通常?max=15° ～18°，這里取?max=16°。經計算得d=17.13 mm，圓整為18 mm。

缸孔底部因加工成錐形，其最薄處的厚度ld=(0.4 ～0.6)d，取ld=0.45 ×18 =8.1 mm。根據實際情況，底部通油孔中點半徑R0=R =27 mm。缸孔底部柱塞孔分布見圖2。

圖2 缸孔底部柱塞孔分布

1.2 柱塞基本尺寸

柱塞結構見圖3。柱塞長度L 應等于柱塞的最小留缸長度l0、最小外伸長度Δl ≈0.2d 和最大行程smax=2Rtan?max之和，通常p≥30 MPa 時l0= (2 ～2.5)d，取l0= 2.23d = 40 mm，則L = 2.5d +2Rtan?max=2.5 ×18 +2 ×2.45 ×tan16° =60 mm，球頭直徑d1依經驗取d1= (0.7 ～0.8)d，這里取d1=0.77d=0.77 ×18 =14 mm。為使柱塞球頭不擋住滑靴的注油孔，取d2≥1.4 ×sin16° +0.2 =6 mm。

圖3 柱塞結構圖

1.3 滑靴的設計計算

滑靴結構見圖4。包球直徑d3一般略小于柱塞直徑d，這里取d3=16 mm。滑靴的設計采用“剩余壓緊力設計法”，其基本特點是作用在柱塞底部的油壓p 經中心孔直接作用于柱塞滑靴底部，中心孔不起阻尼作用，油腔壓力ph近似等于柱塞底部油壓力p。其次是壓緊力等于分離力，壓緊力為，分離力為設計過程中為保證摩擦副功率損失較少以及減少泄漏量，通常取壓緊力與分離力之 比——壓 緊 系 數 εh在1.05 ～1.10 之 間，即 為:可先取r5= (0.35 ～0.44)d =0.38 ×18 =7 mm，可得r6=110 mm。已知d5=14 mm，根據有關公式，取內徑

圖4 滑靴結構圖

1.4 配油盤的設計計算

配油盤是軸向柱塞泵的關鍵零件之一，其作用是分配油液，幫助軸向柱塞泵完成吸、排油任務。為了防止油液突然膨脹和壓縮所產生的噪聲和功率損耗，可采用帶減震孔型的配油盤(如圖5 所示)。設柱塞腔油液的溶劑V，壓力由p0升至p 所需的壓縮量為ΔV，對應的柱塞位移量為Δx，缸體的封閉加壓范圍角為Δφ1，封閉減壓范圍角為Δφ2，則經過計算得

式中:V0為柱塞本身的排油腔體積(cm3);p、p0分別為高、低壓腔的壓力(MPa);E 為液體的彈性模數，E= (1.4 ～2) ×103MPa。根據計算可得

圖5 配油盤結構圖

式中:QK為從阻尼孔流入的流量(cm2/s);ω 為缸體的角速度(rad/s);V 為上死點(φ=0)處柱塞腔的容積 (cm3);μ 為工作液體的動力黏度(N·s/m2);dk為阻尼孔直徑(cm);lk為阻尼孔長度(cm)。從而得×10－5。將Δφ1=0.3 rad，Δφ2=0.22 rad 代入上式，得相對于Δφ1的阻尼孔尺寸dk=0.25 cm，lk=1.2 cm，相對于Δφ2的阻尼孔尺寸dk=0.26 cm，lk=1.2 cm。

1.5 壓盤尺寸的確定

壓盤結構見圖6。由受力分析可知，滑靴中心在斜盤上的運行軌跡是一橢圓，其長軸為R/cos?max，短軸為R，所以壓盤上滑靴安放孔中心的半徑Rm(即壓盤滑靴孔的分布半徑) 為 Rm=≈28 mm。滑靴的包球外徑d3已知，盤孔與d2的最小間隙為Δ1，則盤孔直徑dp為(d3+2Δ1)，再加上兩倍的因偏心而向外(或向內)移動量，即

圖6 壓盤結構圖

式中:Δ1為最小間隙，取值0.5 mm。

式中:Δ4為接觸余量，取值Δ4=1 mm。

1.6 斜盤尺寸的確定

2 結束語

對直軸式軸向柱塞泵的作用和結構進行了簡要介紹，根據柱塞泵工作要求和特點，對其主要零件(如缸體、柱塞、滑靴、配油盤、壓盤、斜盤)的主要尺寸進行了設計計算。實驗證明:該柱塞泵設計科學合理，能夠滿足實際生產需要。

【1】成大先.機械設計手冊:單行本:液壓傳動［M］.北京:化學工業出版社，2004.

【2】袁子榮.液氣壓傳動與控制［M］. 重慶:重慶大學出版社，2002.3.

【3】袁生杰，董恩國. 斜盤式軸向柱塞泵滑靴的設計計算［J］.天津工程師范學院學報，2007，17(1):40 －42.

【4】雷天覺. 液壓工程手冊［M］. 北京:高等教育出版社，2004.