PCY14-1B斜盤(pán)式柱塞泵的柱塞優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂 霞

（遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，沈陽(yáng) 110161）

現(xiàn)代液壓傳動(dòng)中，柱塞泵是常用液壓動(dòng)力元件之一，具有高壓、高效率、容易實(shí)現(xiàn)變量且變量形勢(shì)多樣、單位功率的重量輕等優(yōu)點(diǎn)。但其本身結(jié)構(gòu)的特殊性，存在缸體與柱塞加工修配等相對(duì)困難、維護(hù)成本高等問(wèn)題。斜盤(pán)式變量軸向柱塞泵可改善以上問(wèn)題，因而得到廣泛運(yùn)用。根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)和市場(chǎng)常用參數(shù)對(duì)PCY14-1B 斜盤(pán)式柱塞泵的柱塞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更好地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

1 斜盤(pán)式柱塞泵工作原理

斜盤(pán)式柱塞泵屬于液壓泵中的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，將原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的液壓能，以壓力和流量的形式輸送到液壓系統(tǒng)中，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)）對(duì)外做功[1]，包括柱塞、缸體、泵軸等部件。改變斜盤(pán)的傾斜方向，可改變吸、壓油方向。這種柱塞泵工作徑向作用力幾乎為零，柱塞與缸孔配合精度小，泄露非常小[2]，連續(xù)工作壓力大多在21~36 MPa范圍，峰值壓力為28~40 MPa，轉(zhuǎn)速在3 000 r/min 以下，容量多在300~500 mL/r以下。

2 PCY14-1B 斜盤(pán)式柱塞泵設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)

液壓泵主要參數(shù)包括泵軸單轉(zhuǎn)的理論排量（或稱(chēng)為理論容積常數(shù)）、工作轉(zhuǎn)速、額定壓力、峰值壓力等，這些參數(shù)是柱塞尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)。根據(jù)有關(guān)資料、計(jì)算公式、市場(chǎng)需求和應(yīng)用現(xiàn)狀，確定PCY14-1B 斜盤(pán)式柱塞泵各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 PCY14-1B斜盤(pán)式柱塞泵各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)Table 1 Main technical index parameters of PCY14-1B swash plate type piston pump

3 柱塞設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 柱塞數(shù)Z的確定

根據(jù)柱塞泵瞬時(shí)輸油率，可得斜盤(pán)式軸向柱塞泵的輸油脈動(dòng)率為：

式中：σq為不均勻系數(shù)，Z為柱塞數(shù)。由上式計(jì)算可得表2。

表2 ρq與Z的關(guān)系Table 2 Relationship between ρq and Z

從表2 可看出，輸油脈動(dòng)率只與柱塞個(gè)數(shù)Z有關(guān)，且隨柱塞數(shù)增多而減小。當(dāng)柱塞數(shù)為奇數(shù)時(shí)，輸油脈動(dòng)率較小?？紤]到柱塞分布圓直徑大小，故斜盤(pán)式軸向柱塞泵的柱塞數(shù)一般取7 或9。如果Z太小，則輸油脈動(dòng)率較大，而Z太大則缸體強(qiáng)度不夠。故取柱塞數(shù)Z=7。

3.2 柱塞直徑d及柱塞分布圓直徑D

柱塞直徑d、柱塞分布圓直徑D與柱塞數(shù)互相關(guān)聯(lián)。缸體上各柱塞孔直徑d所占的弧長(zhǎng)為分布圓周長(zhǎng)πD的75%，即

已知柱塞泵理論排量q和轉(zhuǎn)速n，則根據(jù)理論流量公式可得：

式中：R為柱塞直徑，mm；Z為柱塞數(shù)；R為分布圓半徑，mm；γ斜盤(pán)最大傾角，°；n為缸體轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)液壓缸徑系列表（JB826-66）選取柱塞直徑為d=32mm。對(duì)分布圓半徑進(jìn)行圓整，取R=48 mm，即分布圓直徑D=96 mm。

3.3 柱塞名義長(zhǎng)度l

由于柱塞球頭中心受很大的徑向力作用，為使柱塞不致被卡死及保持足夠的密封長(zhǎng)度，應(yīng)保證柱塞有最小留孔長(zhǎng)度l0。當(dāng)工作壓力Pd≤20 MPa時(shí)，l0=（1.4~1.8）d；當(dāng)Pd≥30 MPa 時(shí)，l0=（2~2.5）d。式中：d為柱塞直徑，32 mm。

設(shè)計(jì)工作壓力為32 MPa，故l0=（2~2.5）d=64~80 mm，取最小留孔值l0=68 mm。

柱塞名義長(zhǎng)度l應(yīng)滿足

l≥lo+Smax+lmin

式中，Smax為柱塞最大行程；lmin為柱塞最小外伸長(zhǎng)度，一般取lmin=0.2 d=0.2×32=6.4 mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：當(dāng)pd≤20 MPa 時(shí)，取l=（2.7~3.5）d；pd≥30 MPa 時(shí)，取l=(3.2~4.2)d。泵的額定工作壓力為32 MPa，則l=(3.2~4.2)d=102.4~134.4mm，這里取值l=110mm。

3.4 柱塞球頭部相關(guān)尺寸計(jì)算

1）柱塞球頭直徑dh比柱塞直徑略小，一般取值dh=(0.7~0.8)d=22.4~25.6mm。本設(shè)計(jì)取dh=25mm。

2）柱塞頸部直徑dk一般比柱塞球頭直徑小，dk=(0.5~0.6)d=16~19.2mm，這里取dk=19mm。

3）為保證柱塞排油結(jié)束時(shí)圓柱面完全進(jìn)入柱塞腔，應(yīng)使柱塞球頭中心至圓柱面保持一定的距離la，一般取la=(0.4~0.55)d=12.8~17.6mm，這里取la=16 mm。

4）柱塞腔尺寸d1和l1是為了減小柱塞質(zhì)量、減少移動(dòng)慣性力而設(shè)置的，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮柱塞強(qiáng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值5 mm，兩邊壁厚4.5 mm，則d1=23mm，l1=87.18mm。

3.5 滑靴設(shè)計(jì)

1）結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)?；ゲ捎脦лo助支撐，其結(jié)構(gòu)和端面尺寸如圖1所示。

圖1 滑靴Figure 1 Piston shoes

根據(jù)資料選取壓緊系數(shù)ε=1（斜盤(pán)傾角為0時(shí)）。當(dāng)γ=180時(shí)

因斜盤(pán)傾角為0 時(shí)壓緊力與液壓反推力相等[3]，故

式中：R5為滑靴底部密封帶的內(nèi)半徑；R6為滑靴底部密封帶的內(nèi)外徑。

由于密封帶很窄，故可近似地假設(shè)密封帶上壓力呈線性分布，則

計(jì)算得出R6+R5=32mm。

一般滑靴密封帶外徑與內(nèi)徑比為1.6~2.0，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇范圍，這里取值1.2，得到計(jì)算值：d6=35mm，d5=29mm

d2=25mm時(shí)，縫隙δ=0.02~0.025mm

d1=（0.95~1.0）d=31mm

式中：d為柱塞外徑，取d4=10mm。對(duì)應(yīng)的深度為3mm，取h0=5.5mm，以保證在旋轉(zhuǎn)角度后不產(chǎn)生干涉。

由式d6=(08~0.9)d8，可得d8=41mm。取滑靴通油孔直徑d3=1.5mm，長(zhǎng)度l3=4.59 mm。

2）材料選擇。在材料選擇上，選用ZQAL9-4，許用比壓Pc=30 MPa，許用滑動(dòng)速度v=8m/s，許用比功率Pcv=60 MPam/s，由此可知許用值Pv=1.24 MPa<30 MPa。

極限許用值Psv_=6.394 MPa m/s<60 MPa m/s ，這表明滑靴設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)語(yǔ)

鑒于斜盤(pán)式柱塞泵在液壓傳動(dòng)中的應(yīng)用較為廣泛，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可使其更大限度地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而提升工作效率。但在元件生產(chǎn)過(guò)程中，還要結(jié)合企業(yè)裝配車(chē)間情況，考慮斜盤(pán)式柱塞泵的生產(chǎn)、裝配、出廠試驗(yàn)等布局，優(yōu)化裝配線總體設(shè)計(jì)方案，以使生產(chǎn)的元件符合裝配要求。