柱塞泵主体设计
1 引言
液压泵作为液压传动系统不可或缺的核心元件，它性能的优劣直接反映到液压系统工作的稳定和可靠。伴随现代工业技术的蓬勃发展，液压泵技术得到不断改进和优化，得以应对更加苛刻的工况要求。
液压泵依靠密闭容积的变化实现压油和吸油，由于构成密封容积的零部件为圆柱形缸孔和柱塞，能够实现各主要运动副间较好的密封。同时也减小了加工难度，配合表面质量和尺寸精度容易达到较高等级。所以柱塞泵也就成为了实现高压﹑高速化﹑大流量的一种最理想的液压泵。柱塞泵具备了密封性好、泄漏量小、效率高、工作压力高（最高允许压力可达100MPa）等优点也使得它目前大量用于需要高压、大流量、大功率的工程机械、起重运输机械设备、矿山冶金机械、农林机械、船舶甲板机械、航空航天等领域。
本设计对柱塞泵的结构作仔细的分析，权衡柱塞泵的阀配流﹑端面配流的配流方式的优劣。阀配流具有密封性好、容积效率高，适用于高压泵，但结构复杂，体积大，且传动轴转速不能过高，否则存在阀芯的惯性滞后问题。而端面配流柱塞泵具有结构简单紧凑。可以有较高转速，但密封性不如阀配流，而且存在配流副的摩损问题。综合考虑这些问题后，本课题提出了要实现高压、大流量的工况要求，而且要简化结构设计的解决方案。那就是采用阀配流方案，为了解决配流阀的惯性滞后问题，在设计中引入辅助泵 ，为让结构紧凑在设计中采用点接触的简单结构。这样缸体受力条件较好，整体结构简单化的同时实现了高压和大流量。
1.1 课题设计的目的
通过结构优化及简化设计，设计出一台能够满足超高压、大流量工况需求的柱塞泵。确定本课题所设计的柱塞泵的主要技术参数如表1.1所示
表1.1课题设计主要技术参数
1.2 柱塞泵发展概况
1.2.1 国内柱塞泵发展概要
1966年，我国综合了国外斜盘式柱塞泵的特点，设计出CY14-1型轴向柱塞泵。之后进行标准化、缩小体积、优化配油盘和斜盘工艺设计。
近年来，伴随国民经济飞跃发展特别是改革开放和我们融入到经济全球化的大潮中时，我们的大量机械设备如工程机械、塑料机械、冶金、机床和农业机械等对轴向柱塞泵的扩大需求。加上国外尖端技术的封锁及其国内企业在这个庞大的市场要想占有一席之地和加强国防建设，这驱使越来越多的人投入到柱塞泵技术的研究中，他们也取得了不错的成绩。1996 年后，华中科技大学先后研究出了国内第一台轴向柱塞式海水泵，国内第一台斜盘连杆式海(淡)水轴向柱塞泵。我国著名的液压专家卢望研究员和材料专家闰秉均教授及其课题组经过多年研究与开发，取得了“过平衡压力补偿方法及双排径向柱塞泵”和“一种新型高压大排量双转子径向柱塞泵”两项技术专利。哈尔滨工业大学对滑靴和配流副进行设计与试验研究，同时在油膜理论方面进行了探索。浙江工业大学分析了滑靴在变粘度条件下的支撑及泄漏特性，也对配流副与滑靴副润滑特性进行了研究。贵州师范大学高速电磁开关阀控制轴向柱塞泵的仿真研究验证了所提出的控制策略和采用的控制方法的有效性，实现了轴向柱塞变量泵流量、压力和功率控制的快速性和稳定性。
西安惠尔机械制造有限公司有效的解决高压流体磨损创新的开发了YB系列陶瓷油压柱塞泵。新疆油田公司采油工艺研究院机械采油研究所探讨提高抽油泵泵效的泵阀设计方法。天津市泽华源泵业科技发展有限公司研制的阀配流超高压轴向柱塞泵使得油泵工作压力可以达到100Mpa 的超高压水平。
1.2.2 国外柱塞泵发展概要
国外的柱塞泵技术可谓是历史悠久，1905年，美国HARVEYWILLIAIN和REYNOLDLANR工程师设计了以端面配流的斜盘泵的静液传动装置，人们称此结构的泵为JALMY泵，它首次把矿物油引入传动介质，为现代液压技术的发展拉开了序幕。
20世纪60年代中期，由于对液压系统集成化的要求，特别是在行走车辆闭式回路的应用，通轴泵获得了新的发展。主轴尾端可以安装辅助泵或其他作用的泵，使通轴泵具有集成多种元件的复合功能，大大简化了液压系统，这是斜盘泵发展的另一次飞跃20世纪70年代以后,Parker公司采用虚拟样机技术，联合液压系统软件EASY5和ADAMS建立轴向斜盘柱塞泵虚拟样机，对泵的动力学性能以及柱塞腔的摩擦力、压力脉动进行了仿真分析，为泵的设计及产品优化开辟了新的途经。
20世纪90年代后，德国REXROTH公司开发了A4V泵。柱塞与传动轴成一交角，工作时离心力有助于柱塞的回程，也有利于减小配流盘直径，降低缸体配流面的线速度，采用球面配流，有利于补偿轴向偏载对缸体产生的倾复力矩。
21世纪，荷兰INNAS公司设计了一种名为FLOUTING结构的轴向柱塞泵，它可以平衡泵一部分的轴向力，减轻轴承的工作负载，减少流量脉动，降低噪声。
英国CARDIFF大学基于流体润滑雷诺方程提出了一种新的分析模型，该模型能够评估出轴向柱塞泵滑靴底面凹槽对滑靴油液泄漏量和滑靴底面压力分布的影响，并且适用于滑靴旋转和倾斜的情况。
1.3 课题总体方案
总体结构设计以采用单向阀配流、柱塞与斜盘点接触和使用齿轮泵作为辅助油泵的方案的构架，根据给定设计参数和参照《液压与气压传动》第69页典型柱塞泵结构，画出柱塞泵设计装配图。设计过程需要斟酌的问题是采用点接触和工作压力达到40MPa，对于斜盘和柱塞的选材和柱塞泵整体密封都需合理选材。柱塞泵主体设计
液压泵作为液压传动系统不可或缺的核心元件，它性能的优劣直接反映到液压系统工作的稳定和可靠。伴随现代工业技术的蓬勃发展，液压泵技术得到不断改进和优化，得以应对更加苛刻的工况要求。
液压泵依靠密闭容积的变化实现压油和吸油，由于构成密封容积的零部件为圆柱形缸孔和柱塞，能够实现各主要运动副间较好的密封。同时也减小了加工难度，配合表面质量和尺寸精度容易达到较高等级。所以柱塞泵也就成为了实现高压﹑高速化﹑大流量的一种最理想的液压泵。柱塞泵具备了密封性好、泄漏量小、效率高、工作压力高（最高允许压力可达100MPa）等优点也使得它目前大量用于需要高压、大流量、大功率的工程机械、起重运输机械设备、矿山冶金机械、农林机械、船舶甲板机械、航空航天等领域。
本设计对柱塞泵的结构作仔细的分析，权衡柱塞泵的阀配流﹑端面配流的配流方式的优劣。阀配流具有密封性好、容积效率高，适用于高压泵，但结构复杂，体积大，且传动轴转速不能过高，否则存在阀芯的惯性滞后问题。而端面配流柱塞泵具有结构简单紧凑。可以有较高转速，但密封性不如阀配流，而且存在配流副的摩损问题。综合考虑这些问题后，本课题提出了要实现高压、大流量的工况要求，而且要简化结构设计的解决方案。那就是采用阀配流方案，为了解决配流阀的惯性滞后问题，在设计中引入辅助泵 ，为让结构紧凑在设计中采用点接触的简单结构。这样缸体受力条件较好，整体结构简单化的同时实现了高压和大流量。
1.1 课题设计的目的
通过结构优化及简化设计，设计出一台能够满足超高压、大流量工况需求的柱塞泵。确定本课题所设计的柱塞泵的主要技术参数如表1.1所示
表1.1课题设计主要技术参数
| 额定工作压力 | 40MPa |
| 理论排量 | 25ml/r |
1.2.1 国内柱塞泵发展概要
1966年，我国综合了国外斜盘式柱塞泵的特点，设计出CY14-1型轴向柱塞泵。之后进行标准化、缩小体积、优化配油盘和斜盘工艺设计。
近年来，伴随国民经济飞跃发展特别是改革开放和我们融入到经济全球化的大潮中时，我们的大量机械设备如工程机械、塑料机械、冶金、机床和农业机械等对轴向柱塞泵的扩大需求。加上国外尖端技术的封锁及其国内企业在这个庞大的市场要想占有一席之地和加强国防建设，这驱使越来越多的人投入到柱塞泵技术的研究中，他们也取得了不错的成绩。1996 年后，华中科技大学先后研究出了国内第一台轴向柱塞式海水泵，国内第一台斜盘连杆式海(淡)水轴向柱塞泵。我国著名的液压专家卢望研究员和材料专家闰秉均教授及其课题组经过多年研究与开发，取得了“过平衡压力补偿方法及双排径向柱塞泵”和“一种新型高压大排量双转子径向柱塞泵”两项技术专利。哈尔滨工业大学对滑靴和配流副进行设计与试验研究，同时在油膜理论方面进行了探索。浙江工业大学分析了滑靴在变粘度条件下的支撑及泄漏特性，也对配流副与滑靴副润滑特性进行了研究。贵州师范大学高速电磁开关阀控制轴向柱塞泵的仿真研究验证了所提出的控制策略和采用的控制方法的有效性，实现了轴向柱塞变量泵流量、压力和功率控制的快速性和稳定性。
西安惠尔机械制造有限公司有效的解决高压流体磨损创新的开发了YB系列陶瓷油压柱塞泵。新疆油田公司采油工艺研究院机械采油研究所探讨提高抽油泵泵效的泵阀设计方法。天津市泽华源泵业科技发展有限公司研制的阀配流超高压轴向柱塞泵使得油泵工作压力可以达到100Mpa 的超高压水平。
1.2.2 国外柱塞泵发展概要
国外的柱塞泵技术可谓是历史悠久，1905年，美国HARVEYWILLIAIN和REYNOLDLANR工程师设计了以端面配流的斜盘泵的静液传动装置，人们称此结构的泵为JALMY泵，它首次把矿物油引入传动介质，为现代液压技术的发展拉开了序幕。
20世纪60年代中期，由于对液压系统集成化的要求，特别是在行走车辆闭式回路的应用，通轴泵获得了新的发展。主轴尾端可以安装辅助泵或其他作用的泵，使通轴泵具有集成多种元件的复合功能，大大简化了液压系统，这是斜盘泵发展的另一次飞跃20世纪70年代以后,Parker公司采用虚拟样机技术，联合液压系统软件EASY5和ADAMS建立轴向斜盘柱塞泵虚拟样机，对泵的动力学性能以及柱塞腔的摩擦力、压力脉动进行了仿真分析，为泵的设计及产品优化开辟了新的途经。
20世纪90年代后，德国REXROTH公司开发了A4V泵。柱塞与传动轴成一交角，工作时离心力有助于柱塞的回程，也有利于减小配流盘直径，降低缸体配流面的线速度，采用球面配流，有利于补偿轴向偏载对缸体产生的倾复力矩。
21世纪，荷兰INNAS公司设计了一种名为FLOUTING结构的轴向柱塞泵，它可以平衡泵一部分的轴向力，减轻轴承的工作负载，减少流量脉动，降低噪声。
英国CARDIFF大学基于流体润滑雷诺方程提出了一种新的分析模型，该模型能够评估出轴向柱塞泵滑靴底面凹槽对滑靴油液泄漏量和滑靴底面压力分布的影响，并且适用于滑靴旋转和倾斜的情况。
1.3 课题总体方案
总体结构设计以采用单向阀配流、柱塞与斜盘点接触和使用齿轮泵作为辅助油泵的方案的构架，根据给定设计参数和参照《液压与气压传动》第69页典型柱塞泵结构，画出柱塞泵设计装配图。设计过程需要斟酌的问题是采用点接触和工作压力达到40MPa，对于斜盘和柱塞的选材和柱塞泵整体密封都需合理选材。柱塞泵主体设计
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