3D打印星型液壓泵

王碩　王成剛　呂翔亙　王士濤

【摘 要】本設計是一種由星型排列的柱塞缸組成的液壓泵。通過偏心輪機構使柱塞沿柱塞缸往復運動。六個柱塞缸呈星型排列，啟動后各缸依次吸油壓油。星型液壓泵額定壓力高，油壓沖擊小，機械效率高，整體零件少，使用壽命長。整體部件采用3D打印，減少零件同時提高液壓泵的可靠性。

【關鍵詞】 六缸 油壓 效率 星型 液壓泵

液壓泵是液壓系統的動力元件，將原動機的機械能轉換成液體的壓力能，向整個液壓系統提供動力。隨著工業快速發展，液壓泵廣泛用于船舶、礦山、冶金、機床等各類機械中，是現代工業的“心臟”。現有液壓泵存在一些缺點，如齒輪泵容積效率低、工作壓力低、沖擊大及流量脈動大等。

針對普通液壓泵的這些不足，設計了此款星型液壓泵，該星型液壓泵原理類似于星型發動機。星型發動機是一種氣缸環繞曲軸呈星型排列的一種柱塞式發動機。該星型液壓泵具有可靠性高、單位功率重量輕和功率提升潛力大等優點。

1 星型液壓泵介紹

1.1 整體設計

星型液壓泵利用密封工作容腔的容積變化來實現吸壓油過程。當柱塞里推時，工作室內壓力小于進口壓力時，出口閥關閉，進口閥打開，液體進入；柱塞外推時，工作室壓力高于出口壓力時，進口閥關閉，出口閥打開，液體排出。當傳動軸旋轉時，偏心輪將柱塞從缸體中里外推，完成吸排油過程。柱塞與缸孔組成的工作容腔中油液通過配油盤與泵的吸排油腔相通。星型布置使六個柱塞缸能夠同時工作，依次吸油排油，在具有流量大的同時也能夠做到壓力平穩。利用3D打印技術，通過合理設計復雜內腔及缸體來減少油路和連接件等的零件數，提高裝置的可靠性（如圖1、圖2）。

1.2 各組成部分設計

該星型液壓泵主要由柱塞模塊、組合單向閥模塊、偏心輪機構、管道、缸體和溢流閥過壓保護系統等組成。

（1）柱塞模塊。啟動后偏心輪轉動，帶動外表面切合的六個柱塞做往返運動。每個柱塞缸底部配有組合單向閥，當柱塞向里運動時，液壓油由進油口進入液壓缸；當柱塞向外運動時，缸體內的油被壓入出油口。

（2）組合單向閥模塊。單向閥用于液壓系統中防止油流反向流動。通過組合設計，將柱塞缸連接的進出油口的兩單向閥設計為組合單向閥（如圖3）。

（3）偏心輪轉子軸模塊。為了在減少零件數的同時降低工作噪聲，本設計利用3D打印的優點，將偏心輪與主傳動軸設計為一個整體。消除了偏心輪與轉軸的配合間隙，使液壓泵運轉時噪聲更小，更平穩。

（4）泵體集成管路模塊。充分利用3D打印的特性，將復雜交錯的泵體管路集成于泵體本身，減少外在管路的布置，節省了材料（如圖4）。

（5）溢流閥過壓保護模塊。系統正常工作時，閥門關閉。在出油管和吸油管之間添加了內嵌式過壓保護溢流閥，當出油管的壓力超過額定壓力時，部分液壓油會從溢流閥流回吸油管，從而實現了液壓油壓力的穩定（如圖5）。

（6）缸體環布翅片模塊。由于液壓泵在工作時，液壓油的溫度較高，為此在每個缸體周圍布置了散熱翅片，一方面增強了散熱，另一方面增加了液壓缸的強度。

2 星型液壓泵的功能

（1）輸出高油壓：高壓泵的使用壓力一般為10～100MPa。六缸同時工作，六個壓油口和六個吸油口分別匯成兩條管路，實現液壓泵的高油壓的輸出。

（2）減小沖擊：星型液壓泵六個缸體依次間隔1/6周期到達壓力波峰，匯集后使總壓力相對平穩，能夠很好地減小油壓的沖擊。

（3）提高容積效率：液壓泵的容積效率是指實際送出的流體和理想沒有泄漏情形下可送出流體的比例。星型液壓泵結構緊湊，大大減小液體在泵體內泄露的體積，提高了其容積效率。

（4）提高整體效率：星型液壓泵的容積效率高，而且采用星型排布的六缸柱塞泵方式，相當于六個泵同時工作，可大大提高整體效率。

（5）過壓保護：內嵌式溢流閥位于出油管和吸油管之間。系統壓力超過調定壓力時，部分液壓油會從溢流閥流回吸油管，從而實現了液壓油壓力的穩定。

3 主要技術參數及材料選擇

（1）偏心輪機構的參數設計。偏心輪機構可以使液壓泵工作時，六個柱塞泵能夠保證總流量的穩定，并且在柱塞泵在吸油到排油狀態轉換時避免油壓沖擊。

（2）輸出油壓參數。液壓泵的油壓分析，從柱塞運動規律知，單個柱塞向外壓油時，其速度逐漸加快，即油壓逐漸加快，在達到半個周期時壓力達到最大值，然后變為負壓，如此液壓泵的油壓波動會相對較大。單缸輸出壓力與柱塞運動行程成一定比例關系，可知單缸的油壓沖擊為脈動沖擊。

當有六個相同的液壓缸同時工作時，壓力依次相隔1/6周期達到最大值，在出油管匯總后其總壓力相對較平穩。將函數公式進行圖形繪制，整體液壓泵輸出的壓力參數圖如圖6。

星型液壓泵可以輸出較為穩定的油壓，給液壓泵及液壓系統帶來較為穩定的工作條件。由此，星型液壓泵將會比普通液壓泵的壽命長，其所帶來的經濟效益將隨之增加。

（3）材料的選擇。根據3D打印及液壓泵工作強度和剛度的要求，選擇高強度低合金鋼為該液壓泵的3D打印制造材料。其為可焊接的低碳工程結構用鋼，有較高的屈服強度，有較好的冷熱加工成型性、焊接性，較好的抗腐蝕能力。高強度低合金鋼能夠承受高壓的沖擊，其綜合性能相對較好。

4 結語

星型液壓泵是以現有產品為原型，將柱塞泵進行結構上創新。采用偏心輪機構和星型排列的柱塞缸來實現六個柱塞的交替往復運動。六個缸體依次間隔1/6周期到達壓力波峰，匯集后使總壓力高且相對平穩，流量量大而沖擊小。六個壓油口和六個吸油口分別匯成兩條管路，實現液壓泵的大排量工作。

星型液壓泵零件可采用標準件，3D打印可滿足泵體復雜結構的要求，安全系數相對較高。星型液壓泵克服普通液壓泵存在沖擊大流量小的缺點，這對一些精密油路控制系統有著較高的應用市場。星型液壓泵的優點將會使其占有未來液壓泵行業一定份額，同時它也將會是未來大功率液壓泵發展的一個重要領域，其市場前景將非常廣闊。

參考文獻：

[1]彭文生，等.機械設計.第2版.武漢：華中科技大學，2000.

[2]曲彩云，等.機械設計手冊.第3版.北京：機械工業出版社，2007.

[3]許賢良，韋文術.液壓缸及其設計.第5版.北京：國防工業出版社，2011.

[4]聞德生.液壓元件的創新與發展.第4版.北京：航空工業出版社，2009.endprint

【摘 要】本設計是一種由星型排列的柱塞缸組成的液壓泵。通過偏心輪機構使柱塞沿柱塞缸往復運動。六個柱塞缸呈星型排列，啟動后各缸依次吸油壓油。星型液壓泵額定壓力高，油壓沖擊小，機械效率高，整體零件少，使用壽命長。整體部件采用3D打印，減少零件同時提高液壓泵的可靠性。

【關鍵詞】 六缸 油壓 效率 星型 液壓泵

液壓泵是液壓系統的動力元件，將原動機的機械能轉換成液體的壓力能，向整個液壓系統提供動力。隨著工業快速發展，液壓泵廣泛用于船舶、礦山、冶金、機床等各類機械中，是現代工業的“心臟”。現有液壓泵存在一些缺點，如齒輪泵容積效率低、工作壓力低、沖擊大及流量脈動大等。

針對普通液壓泵的這些不足，設計了此款星型液壓泵，該星型液壓泵原理類似于星型發動機。星型發動機是一種氣缸環繞曲軸呈星型排列的一種柱塞式發動機。該星型液壓泵具有可靠性高、單位功率重量輕和功率提升潛力大等優點。

1 星型液壓泵介紹

1.1 整體設計

星型液壓泵利用密封工作容腔的容積變化來實現吸壓油過程。當柱塞里推時，工作室內壓力小于進口壓力時，出口閥關閉，進口閥打開，液體進入；柱塞外推時，工作室壓力高于出口壓力時，進口閥關閉，出口閥打開，液體排出。當傳動軸旋轉時，偏心輪將柱塞從缸體中里外推，完成吸排油過程。柱塞與缸孔組成的工作容腔中油液通過配油盤與泵的吸排油腔相通。星型布置使六個柱塞缸能夠同時工作，依次吸油排油，在具有流量大的同時也能夠做到壓力平穩。利用3D打印技術，通過合理設計復雜內腔及缸體來減少油路和連接件等的零件數，提高裝置的可靠性（如圖1、圖2）。

1.2 各組成部分設計

該星型液壓泵主要由柱塞模塊、組合單向閥模塊、偏心輪機構、管道、缸體和溢流閥過壓保護系統等組成。

（1）柱塞模塊。啟動后偏心輪轉動，帶動外表面切合的六個柱塞做往返運動。每個柱塞缸底部配有組合單向閥，當柱塞向里運動時，液壓油由進油口進入液壓缸；當柱塞向外運動時，缸體內的油被壓入出油口。

（2）組合單向閥模塊。單向閥用于液壓系統中防止油流反向流動。通過組合設計，將柱塞缸連接的進出油口的兩單向閥設計為組合單向閥（如圖3）。

（3）偏心輪轉子軸模塊。為了在減少零件數的同時降低工作噪聲，本設計利用3D打印的優點，將偏心輪與主傳動軸設計為一個整體。消除了偏心輪與轉軸的配合間隙，使液壓泵運轉時噪聲更小，更平穩。

（4）泵體集成管路模塊。充分利用3D打印的特性，將復雜交錯的泵體管路集成于泵體本身，減少外在管路的布置，節省了材料（如圖4）。

（5）溢流閥過壓保護模塊。系統正常工作時，閥門關閉。在出油管和吸油管之間添加了內嵌式過壓保護溢流閥，當出油管的壓力超過額定壓力時，部分液壓油會從溢流閥流回吸油管，從而實現了液壓油壓力的穩定（如圖5）。

（6）缸體環布翅片模塊。由于液壓泵在工作時，液壓油的溫度較高，為此在每個缸體周圍布置了散熱翅片，一方面增強了散熱，另一方面增加了液壓缸的強度。

2 星型液壓泵的功能

（1）輸出高油壓：高壓泵的使用壓力一般為10～100MPa。六缸同時工作，六個壓油口和六個吸油口分別匯成兩條管路，實現液壓泵的高油壓的輸出。

（2）減小沖擊：星型液壓泵六個缸體依次間隔1/6周期到達壓力波峰，匯集后使總壓力相對平穩，能夠很好地減小油壓的沖擊。

（3）提高容積效率：液壓泵的容積效率是指實際送出的流體和理想沒有泄漏情形下可送出流體的比例。星型液壓泵結構緊湊，大大減小液體在泵體內泄露的體積，提高了其容積效率。

（4）提高整體效率：星型液壓泵的容積效率高，而且采用星型排布的六缸柱塞泵方式，相當于六個泵同時工作，可大大提高整體效率。

（5）過壓保護：內嵌式溢流閥位于出油管和吸油管之間。系統壓力超過調定壓力時，部分液壓油會從溢流閥流回吸油管，從而實現了液壓油壓力的穩定。

3 主要技術參數及材料選擇

（1）偏心輪機構的參數設計。偏心輪機構可以使液壓泵工作時，六個柱塞泵能夠保證總流量的穩定，并且在柱塞泵在吸油到排油狀態轉換時避免油壓沖擊。

（2）輸出油壓參數。液壓泵的油壓分析，從柱塞運動規律知，單個柱塞向外壓油時，其速度逐漸加快，即油壓逐漸加快，在達到半個周期時壓力達到最大值，然后變為負壓，如此液壓泵的油壓波動會相對較大。單缸輸出壓力與柱塞運動行程成一定比例關系，可知單缸的油壓沖擊為脈動沖擊。

當有六個相同的液壓缸同時工作時，壓力依次相隔1/6周期達到最大值，在出油管匯總后其總壓力相對較平穩。將函數公式進行圖形繪制，整體液壓泵輸出的壓力參數圖如圖6。

星型液壓泵可以輸出較為穩定的油壓，給液壓泵及液壓系統帶來較為穩定的工作條件。由此，星型液壓泵將會比普通液壓泵的壽命長，其所帶來的經濟效益將隨之增加。

（3）材料的選擇。根據3D打印及液壓泵工作強度和剛度的要求，選擇高強度低合金鋼為該液壓泵的3D打印制造材料。其為可焊接的低碳工程結構用鋼，有較高的屈服強度，有較好的冷熱加工成型性、焊接性，較好的抗腐蝕能力。高強度低合金鋼能夠承受高壓的沖擊，其綜合性能相對較好。

4 結語

星型液壓泵是以現有產品為原型，將柱塞泵進行結構上創新。采用偏心輪機構和星型排列的柱塞缸來實現六個柱塞的交替往復運動。六個缸體依次間隔1/6周期到達壓力波峰，匯集后使總壓力高且相對平穩，流量量大而沖擊小。六個壓油口和六個吸油口分別匯成兩條管路，實現液壓泵的大排量工作。

星型液壓泵零件可采用標準件，3D打印可滿足泵體復雜結構的要求，安全系數相對較高。星型液壓泵克服普通液壓泵存在沖擊大流量小的缺點，這對一些精密油路控制系統有著較高的應用市場。星型液壓泵的優點將會使其占有未來液壓泵行業一定份額，同時它也將會是未來大功率液壓泵發展的一個重要領域，其市場前景將非常廣闊。

參考文獻：

[1]彭文生，等.機械設計.第2版.武漢：華中科技大學，2000.

[2]曲彩云，等.機械設計手冊.第3版.北京：機械工業出版社，2007.

[3]許賢良，韋文術.液壓缸及其設計.第5版.北京：國防工業出版社，2011.

[4]聞德生.液壓元件的創新與發展.第4版.北京：航空工業出版社，2009.endprint

【摘 要】本設計是一種由星型排列的柱塞缸組成的液壓泵。通過偏心輪機構使柱塞沿柱塞缸往復運動。六個柱塞缸呈星型排列，啟動后各缸依次吸油壓油。星型液壓泵額定壓力高，油壓沖擊小，機械效率高，整體零件少，使用壽命長。整體部件采用3D打印，減少零件同時提高液壓泵的可靠性。

【關鍵詞】 六缸 油壓 效率 星型 液壓泵

液壓泵是液壓系統的動力元件，將原動機的機械能轉換成液體的壓力能，向整個液壓系統提供動力。隨著工業快速發展，液壓泵廣泛用于船舶、礦山、冶金、機床等各類機械中，是現代工業的“心臟”。現有液壓泵存在一些缺點，如齒輪泵容積效率低、工作壓力低、沖擊大及流量脈動大等。

針對普通液壓泵的這些不足，設計了此款星型液壓泵，該星型液壓泵原理類似于星型發動機。星型發動機是一種氣缸環繞曲軸呈星型排列的一種柱塞式發動機。該星型液壓泵具有可靠性高、單位功率重量輕和功率提升潛力大等優點。

1 星型液壓泵介紹

1.1 整體設計

星型液壓泵利用密封工作容腔的容積變化來實現吸壓油過程。當柱塞里推時，工作室內壓力小于進口壓力時，出口閥關閉，進口閥打開，液體進入；柱塞外推時，工作室壓力高于出口壓力時，進口閥關閉，出口閥打開，液體排出。當傳動軸旋轉時，偏心輪將柱塞從缸體中里外推，完成吸排油過程。柱塞與缸孔組成的工作容腔中油液通過配油盤與泵的吸排油腔相通。星型布置使六個柱塞缸能夠同時工作，依次吸油排油，在具有流量大的同時也能夠做到壓力平穩。利用3D打印技術，通過合理設計復雜內腔及缸體來減少油路和連接件等的零件數，提高裝置的可靠性（如圖1、圖2）。

1.2 各組成部分設計

該星型液壓泵主要由柱塞模塊、組合單向閥模塊、偏心輪機構、管道、缸體和溢流閥過壓保護系統等組成。

（1）柱塞模塊。啟動后偏心輪轉動，帶動外表面切合的六個柱塞做往返運動。每個柱塞缸底部配有組合單向閥，當柱塞向里運動時，液壓油由進油口進入液壓缸；當柱塞向外運動時，缸體內的油被壓入出油口。

（2）組合單向閥模塊。單向閥用于液壓系統中防止油流反向流動。通過組合設計，將柱塞缸連接的進出油口的兩單向閥設計為組合單向閥（如圖3）。

（3）偏心輪轉子軸模塊。為了在減少零件數的同時降低工作噪聲，本設計利用3D打印的優點，將偏心輪與主傳動軸設計為一個整體。消除了偏心輪與轉軸的配合間隙，使液壓泵運轉時噪聲更小，更平穩。

（4）泵體集成管路模塊。充分利用3D打印的特性，將復雜交錯的泵體管路集成于泵體本身，減少外在管路的布置，節省了材料（如圖4）。

（5）溢流閥過壓保護模塊。系統正常工作時，閥門關閉。在出油管和吸油管之間添加了內嵌式過壓保護溢流閥，當出油管的壓力超過額定壓力時，部分液壓油會從溢流閥流回吸油管，從而實現了液壓油壓力的穩定（如圖5）。

（6）缸體環布翅片模塊。由于液壓泵在工作時，液壓油的溫度較高，為此在每個缸體周圍布置了散熱翅片，一方面增強了散熱，另一方面增加了液壓缸的強度。

2 星型液壓泵的功能

（1）輸出高油壓：高壓泵的使用壓力一般為10～100MPa。六缸同時工作，六個壓油口和六個吸油口分別匯成兩條管路，實現液壓泵的高油壓的輸出。

（2）減小沖擊：星型液壓泵六個缸體依次間隔1/6周期到達壓力波峰，匯集后使總壓力相對平穩，能夠很好地減小油壓的沖擊。

（3）提高容積效率：液壓泵的容積效率是指實際送出的流體和理想沒有泄漏情形下可送出流體的比例。星型液壓泵結構緊湊，大大減小液體在泵體內泄露的體積，提高了其容積效率。

（4）提高整體效率：星型液壓泵的容積效率高，而且采用星型排布的六缸柱塞泵方式，相當于六個泵同時工作，可大大提高整體效率。

（5）過壓保護：內嵌式溢流閥位于出油管和吸油管之間。系統壓力超過調定壓力時，部分液壓油會從溢流閥流回吸油管，從而實現了液壓油壓力的穩定。

3 主要技術參數及材料選擇

（1）偏心輪機構的參數設計。偏心輪機構可以使液壓泵工作時，六個柱塞泵能夠保證總流量的穩定，并且在柱塞泵在吸油到排油狀態轉換時避免油壓沖擊。

（2）輸出油壓參數。液壓泵的油壓分析，從柱塞運動規律知，單個柱塞向外壓油時，其速度逐漸加快，即油壓逐漸加快，在達到半個周期時壓力達到最大值，然后變為負壓，如此液壓泵的油壓波動會相對較大。單缸輸出壓力與柱塞運動行程成一定比例關系，可知單缸的油壓沖擊為脈動沖擊。

當有六個相同的液壓缸同時工作時，壓力依次相隔1/6周期達到最大值，在出油管匯總后其總壓力相對較平穩。將函數公式進行圖形繪制，整體液壓泵輸出的壓力參數圖如圖6。

星型液壓泵可以輸出較為穩定的油壓，給液壓泵及液壓系統帶來較為穩定的工作條件。由此，星型液壓泵將會比普通液壓泵的壽命長，其所帶來的經濟效益將隨之增加。

（3）材料的選擇。根據3D打印及液壓泵工作強度和剛度的要求，選擇高強度低合金鋼為該液壓泵的3D打印制造材料。其為可焊接的低碳工程結構用鋼，有較高的屈服強度，有較好的冷熱加工成型性、焊接性，較好的抗腐蝕能力。高強度低合金鋼能夠承受高壓的沖擊，其綜合性能相對較好。

4 結語

星型液壓泵是以現有產品為原型，將柱塞泵進行結構上創新。采用偏心輪機構和星型排列的柱塞缸來實現六個柱塞的交替往復運動。六個缸體依次間隔1/6周期到達壓力波峰，匯集后使總壓力高且相對平穩，流量量大而沖擊小。六個壓油口和六個吸油口分別匯成兩條管路，實現液壓泵的大排量工作。

星型液壓泵零件可采用標準件，3D打印可滿足泵體復雜結構的要求，安全系數相對較高。星型液壓泵克服普通液壓泵存在沖擊大流量小的缺點，這對一些精密油路控制系統有著較高的應用市場。星型液壓泵的優點將會使其占有未來液壓泵行業一定份額，同時它也將會是未來大功率液壓泵發展的一個重要領域，其市場前景將非常廣闊。

參考文獻：

[1]彭文生，等.機械設計.第2版.武漢：華中科技大學，2000.

[2]曲彩云，等.機械設計手冊.第3版.北京：機械工業出版社，2007.

[3]許賢良，韋文術.液壓缸及其設計.第5版.北京：國防工業出版社，2011.

[4]聞德生.液壓元件的創新與發展.第4版.北京：航空工業出版社，2009.endprint