试压泵关键部件的工程设计

1、试压泵关键部件的工程设计柱塞泵是利用柱塞在缸体孔内的往复运动，使密封容积呈现周期性变化，来实现吸入介质和排出介质。柱塞泵具有结构紧凑，单位功率体积小，重量轻，工作压力高，容易实现变量等优点。这类泵多用于农林机械、起重运输设备、工程机械、船舶甲板机械、冶金设备、火炮和空间技术中。本装置试压单元中的试压装置选择采用柱塞泵产生高压，但由于传统的蜗轮蜗杆传动柱塞泵体积大、流量小，如SY350试压泵，流量在300L/h，泵体重量近两百公斤，不符合装置的设计要求。为便于野外使用，应尽可能减轻装置的重量，必须研发一款体积小、重量轻、效率高的新型柱塞泵。本文基于曲轴连杆机构的传动原理，研制的卧式三柱塞试压泵，具备结构简单、体积小、无极变量、压力高、噪音低，效率高，制造成本低，重量仅有17.5Kg。1.1 试压泵主要技术参数1.1.1 压力试压泵的主要作用是给固定输油管线机动式试压平台提供试验压力，而系统的试验压力定为10.0MPa，为确保试压泵能为系统提供稳定高压，试压泵的额定压力选定为20.0MPa。1.1.2 流量针对在固定输油管线机动式试压平台中，试压泵的主要作用是通过向系统内注入少量试压介质，

2、提高系统压力至试验压力，当系统压力达到试压压力时，试压泵即停止工作的特点，经综合考虑，试压泵的额定流量定为20L/min。1.1.3 转速泵在流量一定的条件下，转速与泵的尺寸成反比，本文所研究的固定输油管线机动式试压平台应尽量减小体积和重量，从而满足装置设计要求，因此，试压泵的额定转速选择960 r/min。1.1.4 排量液压泵的排量是指液压泵在没有泄漏情况下，传动轴每转一转所排出的液体体积，通常用表示，其单位为L/r（或mL/r）。液压泵的排量仅取决于它的结构几何尺寸，而与泵的工作载荷和转速无关。(ml/r) (5.1)式中 Q泵的额定流量（L /min） n泵的额定转速（r/min） 容积效率，一般取，这里取1.1.5 流量液压泵的理论流量是指在没有泄漏情况下，单位时间内排出液体的体积，通常用表示。液压泵的理论流量只与排量和转速有关，而与工作载荷是无关的。若液压泵的转速为,则液压泵的理论流量为： （5.2） =21.696(L)21.7(L)1.1.6 效率泵的效率指泵在能量转换过程中表达功率损失的系数，可用表示。液压泵的效率分为2部分：容积效率（记为）、机械效率（记为）。液压泵

3、的容积效率为泵的实际流量与理论流量的比值，即 （5.3）可见，液压泵的容积效率反映出泵容积损失大小，当液压泵的工作压力越高时，泵泄漏系数就越大，其排量就越小，转速越低，零件间隙越大，油液黏度越低，此时泵的容积效率就越低，损失就越大。液压泵的容积效率通常是指在额定压力和额定转速下的值。从泵的排量公式中得出，柱塞的直径分布圆直径柱塞数Z都是柱塞泵的固定参数，且原动机确定后传动轴转速也是固定。此时，要改变泵输出流量的大小和方向，只能改变斜盘倾斜角。对于柱塞泵，斜盘的最大倾斜角，该设计受机构限制，取下限，即。泵实际输出流量为:=21.7-0.6=21.1（L/min） （5.4）式中为柱塞泵泄漏流量。泵容积效率定义为实际输出流量与理论流量之比，即： = 0.97 （5.5）柱塞泵容积效率一般为=0.940.98，故符合要求。泵的机械效率是指理论输入功率（不包含机械磨损消耗的功率）与实际输入功率（包含机械磨损消耗的功率）之比值，即: (5.6)式中:机械磨损所消耗的机械功率泵理论输入功率泵实际输入功率泵理论输入力矩泵实际输入力矩泵机械效率由此可见，泵机械效率可以反映出泵机械损失的情况。液压泵的机

4、械磨损主要是由轴与轴承和轴与密封件以及相对运动的零件产生的，如果增大它们之间的磨损，那么产生的机械功率损耗也将增大，机械效率也就越低。容积效率与机械效率的乘积即为液压泵的总效率，即 （5.7）1.1.7 功率泵的功率主要分为泵的理论输入功率、泵的理论输出功率和泵的实际输入功率及泵的实际输出功率。其中泵的理论输入功率和泵的理论输出功率是一致的，因为在理论上认为泵在工作中不存在任何消耗损失。泵的理论输出功率指在不考虑泵的容积损失的前提下，输出介质时所具有的液压功率，即： （5.8）式中 泵输出液体的压力，Pa 泵的理论流量， 泵的理论输出功率，W理论输入功率是指在不考虑泵机械损失前提下，泵所输入的机械功率，即： （5.9）式中 泵输入的理论转矩，Nm 泵的角速度，rad/s 泵的理论输入功率，W泵的实际输出功率是指在考虑泵的容积损失前提下，输出液体所具有的实际液压功率，即： （5.10）式中：泵输出液体的压力，Pa 泵的实际流量， 泵的容积效率 泵的机械效率泵的总效率泵的理论输出功率，W泵的理论输入功率，W泵的实际输入功率，W泵的实际输入功率指包含泵的机械损失在内，泵输入的实际机械功率，即

5、： （5.11）式中：泵输入的实际转矩，N 泵的角速度，rad/s 泵的机械效率 泵的容积效率 泵的总效率 泵的理论输入功率，W 泵的实际输出功率，W泵的实际输入功率，W1.2 试压泵的结构尺寸计算缸体主要结构尺寸的确定通油孔分布圆半径和面积F为减小油液流动损失，通常取通油孔分布圆半径与配油窗口分布圆半径相等。即：式中为配油盘配油窗口内外半径。通油孔面积近似计算如下: 式中：通油孔长度，；通油孔宽度，；缸体内外直径的确定为保证缸体在温度变化和受力状态下，各方向的变形量一致，应尽量使各处壁厚一致（如图6.2），即。壁厚初值可由结构尺寸确定。然后进行强度和刚度验算。缸体强度可按厚壁筒验算 式中筒外径，。 缸体材料许用应力，对ZQAL94：=600800缸体刚度也按厚壁筒校验，其变形量为 式中 E缸体材料弹性系数； 材料波桑系数，对刚质材料=0.230.30，青铜=0.320.35； 允许变形量，一般刚质缸体取，青铜则取。符合要求。缸体高度H从图62中可确定缸体高度H为 式中 柱塞最短留孔长度； 柱塞最大行程； 为便于研磨加工，留有的退刀槽长度，尽量取短； 缸体厚度，一般=（0.40.6），

6、这里取0.5。柱塞结构尺寸设计 柱塞直径及柱塞分布塞直径柱塞直径柱塞分布塞直径和柱塞数Z都是互相关联的。根据统计资料，在缸体上各柱塞孔直径所占的弧长约为分布圆周长的75%，即 由此可得 式中为结构参数。随柱塞数Z而定。对于轴向柱塞泵，其值如表3.1所示。 Z7911m3.13.94.5 表3.1当泵的理论流量和转速根据使用工况条件选定之后，根据流量公式可得柱塞直径为： 由上式计算出的数值要圆整化，并应按有关标准选取标准直径,应选取20mm.柱塞直径确定后，应从满足流量的要求而确定柱塞分布圆直径，即 柱塞名义长度l由于柱塞圆球中心作用有很大的径向力T，为使柱塞不致被卡死以及保持有足够的密封长度，应保证有最小留孔长度，一般取： 因此，柱塞名义长度应满足： 式中 柱塞最大行程； 柱塞最小外伸长度，一般取。根据经验数据，柱塞名义长度常取： 这里取 柱塞球头直径按经验常取，如图3.4所示。图3.4 柱塞尺寸图为使柱塞在排油结束时圆柱面能完全进入柱塞腔，应使柱塞球头中心至圆柱面保持一定的距离，一般取，这里取。 柱塞均压槽 高压柱塞泵中往往在柱塞表面开有环行均压槽，起均衡侧向力改善润滑条件和存储赃物

7、的作用。均压槽的尺寸常取：深h=0.30.7mm；间距t=210mm实际上，由于柱塞受到的径向力很大，均压槽的作用并不明显，还容易滑伤缸体上柱塞孔壁面。因此，目前许多高压柱塞泵中的柱塞不开设均压槽。1.3 泵的结构设计1.3.1 结构及工作原理根据检测装置设计要求，基于曲轴连杆机构的传动原理，对常用柱塞泵进行了结构优化，新设计的三柱塞卧式试压泵由动力端、液力端及止回泄压阀三部分组成。（1）动力端由箱体、曲轴、连杆、十字头等部件组成。输入动力带动动力端的曲轴进行旋转，而曲轴连杆会把这种旋转运动转变成直线往复运动，由此带动柱塞做往复运动。动力端结构如图5.1所示。1.箱体 2.曲轴 3.连杆 4.滑块 5.“O”型密封圈 6.油封圈 7.油封套图5.1 动力端结构图英文翻译（2）液力端由泵头、柱塞副、进出水阀组、缸套、安全阀等部件组成，如图5.2所示。当动力端的连杆带动柱塞进行往复运动时，柱塞泵的缸体内容积也会随之做周期性变化。当柱塞为吸入行程时，出水阀关闭，液体在大气压的作用下通过进水阀流入缸体；当柱塞为排出行程时，进水阀关闭，柱塞推动液体通过出水阀经泵头排出缸体。通过重复进行该过程，柱塞泵完成了将液体吸入后再排出的功能。在泵头上装有安全阀，用于系统超压保护。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131.连接体 2.柱塞 3.压紧螺母 4.缸套 5.密封压圈 6.“O”型密封圈182.4 7.密封衬圈 8.密封圈 9.“O”型密封圈222.4 10.螺堵 11.阀簧 12.“O”型密封圈242.4 13.阀芯 14.出水阀座 15.“O”型密封圈283.1 16.进水阀座 17.进水堵头 18.泵体图5.2 液力端结构图英文翻译（3）止回泄压阀由止

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