柱塞泵结构

柱塞泵结构（通用7篇）

柱塞泵结构 篇1

0前言

斜盘式轴向柱塞泵结构简单、制造成本低,而且径向尺寸小、结构紧凑、转动惯量小、易于实现变量、容积效率高,因此使用非常广泛。但是由于柱塞泵工作原理和结构特点等原因,柱塞泵输出油液的流量是周期性脉动的,导致柱塞泵系统内部压力周期性脉动,这种压力脉动会严重损坏柱塞泵元件。因此,长期以来,如何降低柱塞泵脉动是一个重要研究课题[1]。

文献[2]提出在柱塞泵出口端加装空气室或蓄能器可有效降低柱塞泵输出油液脉动,有一定道理。斜盘式轴向柱塞泵应设置较大排油腔,但是排油腔尺寸应如何设定一直没有可以遵循的标准。本文以某公司的BK35型斜盘式轴向柱塞泵为基础,利用AMESim软件平台进行建模仿真,从而得出斜盘式轴向柱塞泵排油腔大小的设定参考标准,并对不同工况下的柱塞泵输出油液脉动特性进行对比,分析斜盘倾角对输出油液脉动特性的影响。

1AMESim建模

由文献[3]可知,柱塞泵系统中第n个柱塞运动速度为:

$v{}_n=R\omega \tan \beta \cdot \sin \left[\theta +\left(n-1\right)\cdot \alpha \right]$ (1)

式中,R——缸体柱塞孔分度圆半径;

ω——缸体旋转角速度;

β——斜盘倾角;

θ——主轴转角;

α——相邻柱塞角距。

对BK35型柱塞泵结构和配流过程进行分析,建立柱塞模型(图1)。在柱塞模型的吸油油路和排油油路上分别设置节流阀,分别代表配流盘的吸油腰形槽和排油腰形槽,其最大开口直径代表配流盘腰形槽的宽度。

为了改善输出油液脉动特性,BK35型斜盘式轴向柱塞泵采用具有一定错配角的配流盘结构,并在吸油腰形槽和排油腰形槽前端均设置有三角槽。随着缸体转动,三角槽过流面积计算公式为[4]:

$S=r{}^2\phi {}^2\tan \phi \cdot \sin \phi \cdot \tan \frac{\text{π}}{6}$(2)

式中,r——三角槽在配流盘表面分度圆半径;

φ——开口位置对应的中心角;

ϕ——三角槽沟底棱线与配流盘工作表面的夹角。

为了模拟BK35型斜盘式轴向柱塞泵配流过程,根据三角槽过流面积公式总结出不同缸体转角对应的配流截面过流面积变化规律,将其绘制成曲线(图2),并设定为吸油节流阀和排油节流阀的输入信号曲线。两个节流阀的输入信号曲线相位相差180。

将图1所示柱塞模型制作为超级元件,通过对BK35型柱塞泵的结构和运行原理进行分析研究,建立BK35型斜盘式轴向柱塞泵模型(图3),进行仿真调试分析,其主要参数见表1。

柱塞泵系统模型采用46号液压油进行仿真运算,其主要物理参数见表2。

2仿真分析

依次将柱塞泵排油腔大小设定为25cm3,50cm3,75cm3,100cm3,125cm3,150cm3,175cm3,200cm3,225cm3,250cm3,275cm3,300cm3,通过对BK35型斜盘式轴向柱塞泵模型进行仿真调试,计算出柱塞泵在2MPa,8MPa,16MPa,21MPa额定负载压力下的输出油液流量脉动系数见表3。

对比分析表3中数据,绘出不同排油腔大小对应的不同负载流量脉动系数变化曲线(图4),总结出以下结论:

1) 随着排油腔的增大流量脉动系数越来越小,说明为降低输出油液脉动柱塞泵排油腔越大越好。

2) 排油腔从25cm3增加到300cm3,输出油液流量脉动系数减小幅度逐渐趋缓。排油腔增加到300cm3后,脉动系数变化曲线的切线几乎与横坐标轴平行,说明排油腔大于300cm3时,继续增大排油腔对输出油液的脉动特性改善效果已不明显。

3) 柱塞泵在负载压力为2MPa和21MPa时,输出油液的流量脉动系数明显大于负载压力为8MPa和16MPa时。负载压力在2MPa和21MPa之间变化时,输出油液的流量脉动系数随着负载压力的增大而增大。这是因为,随着负载压力的增大,柱塞腔预升压和预卸压时间加长,超调量减小,有利于减小输出油液脉动[5]。

通过BK35型斜盘式轴向柱塞泵系统模型对柱塞泵不同排量下的运行情况进行仿真分析,计算出BK35型柱塞泵在10L/min,20L/min,30L/min,40L/min,50L/min额定排量下的输出油液流量脉动系数,绘出其变化曲线(图5)。

柱塞泵排量的递增对应着斜盘倾角的递增。随着斜盘倾角从小变大,柱塞泵排量逐渐变大。图5中曲线显示,当柱塞泵斜盘倾角趋近于最大值或最小值时,其流量脉动系数均略大于柱塞泵斜盘倾角适中时的流量脉动系数。随着斜盘倾角趋近于最大值或最小值,输出油液脉动系数均逐渐增大。

4结论

1) 为了保证输出油液的稳定性,在柱塞泵泵体尺寸允许范围内,柱塞泵排油腔应尽量大些。

2) 在实际应用中为液压系统所用斜盘式轴向柱塞泵进行选型时,为保证系统稳定性,应对其排量波动范围多加考虑,应避免柱塞泵长时间在最大排量或最小排量工况下运行。

3) 随着负载压力的减小,柱塞泵输出油液的流量脉动系数逐渐减小,但当负载压力减小到2MPa左右时,流量脉动系数略微增大。

参考文献

[1]朱金鑫.消除柱塞泵流量脉动的方法[J].机床与液压,2006,(8):160-167.

[2]陈夏,曹玉兵.改善柱塞泵进出口管路特性的探讨[J].煤气与热力,2000(3),20(2):150-152.

[3]许贤良,赵连春,王传金.轴向柱塞泵的流量脉动[J].中国矿业大学学报,1992(12),21(4):72-82.

[4]那成烈.三角槽节流口面积的计算[J].甘肃工业大学学报,1993(6),19(2):45-48.

[5]王国志.电液比例轴向变量柱塞泵的特性研究[D].成都:西南交通大学机械工程学院,2006,(6).

[6]Pettersson M,Weddfelt K,Palmberg J.O.Methods of reducingflow ripple from fluid power piston pumps-A theoretical approach,SAE Transactions,1991,100,(2):158-167.

[7]A.M.Harrison,K.A.Edge.Reduction of Axial Piston PumpPressure Ripple.Proc Instn Mech Engrs,2000,vol.214.

[8]刘锦剑,罗红霞.基于AMESim的轴向柱塞泵仿真[J].上海海事大学学报,2010(3),31(1):81-86.

[9]付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真:从入门到精通[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[10]段飞蛟,曹克强,李永林,等.基于AMESim的恒压力轴向柱塞泵动态特性仿真[J].机床与液压,2008(11),36(11):160-166.

[11]刘仙洲,于兰英,李磊.基于AMESim的斜盘斜柱塞泵特性仿真[J].液压气动与密封,2009,(6):23-26.

[12]杨智炜.轴向柱塞泵虚拟样机仿真技术研究[D].杭州:浙江大学机械与能源工程学院,2006,(5).

柱塞泵结构 篇2

1 3H-8/4 50型泵柱塞的汽蚀

3H-8/450型注水泵柱塞动密封总成结构如图1所示。总成主要由填料函、柱塞、填料、弹簧、弹簧座、导向圈、铅垫、填料压盖、压帽等组成, 该密封结构采用了导向圈和弹簧装置。

在现场调查中发现, 许多注水站的柱塞泵, 其柱塞中部经常产生点蚀, 且很频繁而有规律, 如图2所示。蚀点位置至柱塞端面的距离在110~120mm之间, 发生点蚀的周期 (柱塞寿命) 是15~20天。一旦柱塞产生点蚀, 会引起严重的刺漏, 因而柱塞必须更换。

2 点蚀性质的判断及成因分析

点蚀发生的原因是很复杂的。一般在柱塞使用15~20天过程中要更换3次盘根, 因而点蚀与柱塞磨损有关系。由于柱塞的往复运动, 磨损在柱塞工作面上是均等的, 因而磨损不是造成局部点蚀的直接原因。假如是腐蚀, 腐蚀点形状、大小及位置应是没有规律的, 显然这种极有规律的点蚀也不是腐蚀, 现场调查也没有发现柱塞在使用过程中发生腐蚀的现象。根据蚀点形貌及位置很有规律这一特征判断, 蚀点应是由一种特殊的现象造成的。根据柱塞密封结构研究推断, 这种特殊的现象就是汽蚀。它对柱塞、弹簧、弹簧座及导向圈都有影响。实际这些零件都有损毁的。

在柱塞中部发生的汽蚀与密封腔的组成有关。密封腔中有盘根, 也有弹簧等零件, 弹簧附近有相对较大的空间, 参见图1。在弹簧空间中液体的压力也是变化的, 而且更复杂。在吸入开始时, 弹簧空间中液体类似于泵阀一端的剩余高压液体, 能急剧向中部回流, 随着吸入行程增加, 缸内压力降低, 弹簧空间中液体的压力也骤然下降, 而注水泵输送的液体的温度一般在40℃以上, 容易汽化, 这就给气泡形成提供了压力和温度上的条件。其次, 在填料磨损到一定程度时, 柱塞与填料函中的其他零件也产生摩擦, 致使弹簧装置零件发生振动, 尤其底部的导向圈和铅垫更易松动, 也给低压气泡形成提供了条件[1]。

一旦低压气泡形成, 则在排出行程中被压缩, 温度和压力升高。当柱塞运行至排出行程的2/3~3/4 (约82~95mm) 时, 加速度达到最大值[2], 缸内压力达到最大, 气泡迅速凝结而破裂, 造成水击, 产生很大的爆破力和高温, 致使金属局部熔蚀, 即汽蚀。此时弹簧中部至柱塞端面距离约110~120 mm, 这与实际情况是相符合的。可见发生汽蚀与两方面的因素有关:一是柱塞泵原理所决定的压力变化, 是必然存在的;二是弹簧处的复杂溶液空间易于造成旋流和压力变化, 是可以调整的。

3 3 H-8/4 50型泵柱塞密封结构的改进

由上节分析可知, 减小弹簧处溶液空有利于防止汽蚀发生。通过增大弹簧簧丝直径可以实现这一目的, 但这易导致预紧力太大, 摩擦加剧, 缩短填料使用寿命。因而应对密封结构作改进。

首先, 不论柱塞直径大小均采用刚度较大的弹簧, 簧丝直径均不小于4mm, 弹簧的内径比填料函上的柱塞孔直径大2mm, 以使弹簧支撑可靠, 也避免它与柱塞摩擦。

第二, 改弹簧座定位为套筒定位。即制作一个带内凸缘的铜质套筒, 如图6所示, 其内径等于弹簧的外径, 弹簧装于套筒内, 带内凸缘的一端顶住填料, 使填料受力均匀, 弹簧另一端超出套筒一定长度 (相当于总压缩量) , 直接顶在密封腔底部台阶上。密封腔底部台阶面要求不高, 稍有磨损不会影响泵的工作, 因而也不需要加垫片保护。这样可保证柱塞与弹簧及填料函上的柱塞孔之间具有近似相等的间隙, 减少弹簧部位的溶液空间, 从而减少汽蚀发生的机会。

第三, 合理设计铅垫位置, 去掉易动的薄片导向圈, 通过合理设计使填料压盖兼起导向作用, 改各零件孔与柱塞间的间隙装配为小间隙配合, 增强导向和密封效果。改进后结构如图3所示。

4 结论与建议

实践证明弹簧装置的使用是必要的, 它不仅能使盘根的磨损得到及时补偿, 而且能自动控制填料轴向压紧力。但密封结构应合理, 改进的密封结构避免了汽蚀, 增加各零件的稳定性, 现场试验效果良好。要严格控制各零件的加工质量, 尤其是柱塞与弹簧的热处理质量;装配后各零件要稳固, 不歪斜, 填料预紧力要适当。唯此才能降低故障率, 延长密封结构的使用寿命。

摘要：针对油田用3H-8/450型注水泵柱塞中部点蚀的现象进行调查, 获悉这一现象在各种型号的柱塞泵中具有普遍性;这种故障会导致柱塞密封严重失效, 进而造成停泵乃至机器损坏的重大故障。研究确定这一故障的成因是柱塞密封结构不合理, 中部弹簧处在压力波动时产生汽蚀。改进了密封结构并进行现场试验, 效果良好。

关键词：注水泵,柱塞,密封,失效,汽蚀

参考文献

[1]钱锡俊, 陈弘.泵与压缩机[M].东营:中国石油大学出版社.2007:43-45

[2]黄锡恺, 郑文纬.机械原理[M].北京:人民教育出版社.1981:62-65

论柱塞泵故障维修与管理 篇3

随着油田开发不断深入, 油田要保持高产稳产, 必须要通过注水增加地层压力, 而注水设备运行状况在注水工作中起着举足轻重的作用。由于我厂地层压力高, 而柱塞泵具有吸入性能好、排出压力高、效率高等优点, 所以选用中成公司生产的柱塞泵。

我厂使用的注水泵主要型号有5ZB-37/170型、5ZB12/42型两种, 在多年管理、维修柱塞泵过程中, 我总结出许多管理、维修柱塞泵的经验, 特别是对泵体震动过大、泵效下降、电机轴承跑高温故障的现象、原因分析、预防措施等方面均有独到的见解。在这里和大家共享, 希望对于延长柱塞泵的使用寿命, 降低设备维修费用, 确保注水设备完好, 确保油田稳产贡献一份力量。

一、泵震动过大故障

1. 故障现象

柱塞泵运行时整机振动, 噪音增大, 连接部件螺丝松动, 管线颤动。

2. 处理措施

一旦发现震动过大应及时进行检查, 确定原因发生在动力端还是液力端, 停泵紧固松动部件, 避免发生其它事故。

3. 造成机泵振动超限的原因主要有:

(1) 十字头挺杆与柱塞杆连接卡箍退扣松动。

(2) 电机或泵滚动轴承损坏。

(3) 泵底座连接固定螺丝松动。

(4) 填料总成压盖松动退出, 与连接卡子发生撞击。

(5) 泵供液不足造成打空泵。

(6) 阀片固定螺丝松动脱落, 阀片及弹簧座撞击泵头。

4. 采取措施

(1) 在巡回检查过程中注意观察柱塞连接卡子、填料总成压盖是否松动, 电机底座固定螺丝、泵基础固定螺丝是否松动并及时停泵紧固。

(2) 检查供水压力是否达标, 设备流程是否正确, 喂水泵运行是否正常, 确保泵进口压力>0.03MPa。

(3) 电机轴承发出异常响声, 应及时停泵检查电机轴承。

(4) 检查液力端阀座、阀片、压紧法兰温度, 并检查阀座、阀片是否损坏。

二、泵效下降故障

1. 故障现象

泵运行过程中泵压表指针摆动, 运行电流下降5~10%, 排量下降, 泵效低于80%的现象。

2. 采取措施

通过听、看、摸、查四字法检查泵排出压力、运行电流、进出口排量是否下降, 检查阀盖温度是否升高, 听泵头内是否有刺水声及撞击声。停泵检查阀座、阀片是否损坏。

3. 原因分析

泵效下降是由于供水不足及泵头内高压区阀座、阀片密封不严所造成的, 主要有以下几个原因:

(1) 供水罐液位低于下限水位, 泵进口压力小于0.03MPa。

(2) 由于阀座、阀片表面刺出沟槽等原因使阀座阀片密封不严。

(3) 由于阀片复位弹簧断裂, 阀片不能及时封住阀座孔, 造成高压水返回低压区。

(4) 由于泵头工作筒刺裂, 高压水返回低压端。

(5) 阀座压紧法兰夹布密封圈损坏, 高压水通过工作筒内壁返回吸入端。

4.预防措施

(1) 通知供水单位提高供水罐液位, 确保泵进口压力>0.03MPa。

(2) 定期检查阀座阀片, 更换复位弹簧和密封圈。

(3) 发现泵头刺裂时, 及时更换泵头。

(4) 选择优质的阀座配件, 并按正确的方法组装。

三、电机轴承跑高温故障

1. 故障现象

电机运转时发现轴承端盖温度升高 (超过80℃) 电机噪音增大, 电流升高, 并且有焦糊味。

2. 处理措施

一旦发现这种情况, 应及时停泵检查, 否则会导致轴承损坏, 严重时可造成电机抱轴事故。

3. 原因分析

产生这类故障的原因主要有以下几个方面:

(1) 电机轴承盒内缺油, 造成滚动体与滚道之间干磨, 摩擦阻力增大, 产生热量, 使轴承部位温度升高。

(2) 润滑脂牌号不对或油脂变质, 导致轴承温度升高。

(3) 由于轴承和端盖镗孔间隙大, 造成电机轴承跑外圆, 轴承外套与镗孔干磨, 使轴承温度升高。

(4) 传动皮带调整过紧使轴承受力侧间隙太小, 造成滚动体与滚道不能形成油膜, 滚动体与滚道干磨, 使轴承温度升高。

(5) 变频方式启停泵的影响

使用变频调速的泵站, 在启泵时采用将出口闸门打开, 回流闸门关闭, 带压启泵的方式, 而停泵时采用不开回流闸门卸压, 直接按停止按钮突然停泵的方式。在启泵、停泵过程中轴承和电机轴都承受巨大的冲击载荷, 这都加快了滚珠和滚道的磨损, 时间长了磨损加剧, 引起轴承跑高温。

(6) 变频泵转速慢, 风扇降温作用降低, 电机散热能力下降。

4. 预防措施

要避免此类事故的发生必须做到以下几点:

(1) 使用变频调速控制运行的泵站, 启、停泵时均须按照工频启停泵方式进行操作, 正常后转入变频控制运行, 并且设定变频泵最低频率不得低于25HZ。

(2) 定期对电机轴承保养, 按规定加二硫化钼润滑脂, 容量在轴承盒容积的80%。

(3) 对检查确定跑外圆的轴承端盖, 进行更换。

(4) 调节端盖螺丝, 使对角紧固力矩一致, 达到轴承和镗孔中心线重合。

(5) 更换皮带及调整皮带时, 要求松紧程度合适, 在联组皮带上表面中部施加720 N力量时, 该处皮带大约下降17 mm。

结束语

1、柱塞泵运行中出现的故障与设备维修保养、使用操作都有密切的关系, 加强润滑油质、油量管理工作是确保设备运行正常的关键。

2、开展柱塞泵故障分析工作, 使操作者掌握故障发生的现象, 并采取相应的处理措施, 对避免机械事故的发生, 延长机泵的使用寿命, 都具有十分重要的意义。

摘要：本文围绕大港油田第三采油厂柱塞泵在维修、管理过程中核实的原因, 结合现场维修经验, 对柱塞泵震动、泵效下降及电机轴承发热等常见故障进行分析, 提出整改措施, 对减少这类故障具有一定的指导意义。

关键词：柱塞泵,振动,泵效,电机轴承

参考文献

柱塞泵盘根失效原因研究及对策 篇4

1 对失效盘根的形态进行分析

1.1 靠近液力端的盘根

通过分析现场盘根的受损情况, 可以发现靠近高压水端的2-3个盘根往往在取出后, 其表面并未有明显损坏, 但是目测可以看出有内径变大现象。以常用的φ38 柱塞泵为例:经测量新盘根的规格为φ38*φ58*10, 当盘根失效后规格变为φ40*φ58*10, 即盘根内径变大了2毫米。

1.2 靠近压盖端的盘根

靠近盘根压盖一端的3-4个盘根则会出现盘根扭曲、穿孔、碎裂等严重破损现象。

2 盘根失效机理分析

2.1 扩径机理分析

扩径说明高压水对盘根的影响是通过柱塞表面产生了径向压力, 进而造成盘根扩径。当柱塞向前 (液力端) 运动时, 阀腔内形成高压, 柱塞越靠近液力端, 压力越高, 此时受高压水挤压的盘根主要是靠近液力端的2-3个盘根, 因此这些盘根会出现受压扩径现象, 而且盘根越靠近液力端, 扩径现象越严重, 因此这里的几个盘根主要受力方向为径向, 其失效特点为外观无破损但内径扩大。

2.2 表面受损机理分析

盘根损坏说明高压水直接冲击盘根表面, 当过量的高压水通过了靠近液力端的几个盘根后, 就会形成水柱的形态, 此时高压水沿柱塞方向对盘根本体产生轴向破坏作用, 造成破碎和扭曲等现象。当柱塞向后 (动力端) 运动时, 由于前2-3个盘根有扩径现象, 因此过量的高压水直接冲击后面盘根的表面, 产生冲击效应, 并进而沿着盘根接头处继续破坏, 在持续的冲击力作用下, 盘根很快损坏变形。盘根如果有偏斜现象, 则在冲击作用下会发生扭曲, 如果盘根质量不好, 甚至会出现穿孔、破碎现象。

2.3 盘根密封机理分析

目前柱塞泵盘根能够实现密封性, 主要是靠挤压实现, 通过盘根压帽的不断挤压, 使盘根产生径向膨胀, 来实现密封。但是这种密封原理在高压水的冲击下, 很容易形成机械操作。尤其是冀东油田目前采用的聚四氟乙烯或碳纤维材料的盘根, 其主要优点是耐高温、耐磨, 但是强度低, 回弹性差, 容易变形, 而且不具有吸水膨胀效果, 只能依靠机械挤压实现密封性能, 因此当盘根发生滴漏现象后, 即使通过紧固盘根也很快出现失效。

3 提高柱塞泵盘根密封的对策

3.1 减少盘根扩径

要想减小盘根的扩径效应, 就需要采取高硬度的盘根, 以抵抗高压水的压迫作用。通过市场调查, 确认目前可以采用的高硬度盘根主要有采用内绕不锈钢丝的石墨盘根, 其特点是用高强力的石墨纤维做骨架, 内部缠绕不锈钢丝, 具有硬度高、不易变形等特点。在高压水挤压下, 由于石墨盘根硬度高, 因此不容易因变形而产生扩径。

3.2 减弱冲击效应

高硬度的石墨盘根在减小了扩径效应的同时, 必然会减弱高压水对后面几个盘根的直接冲击作用。但是考虑到为了进一步降低冲击效应, 设计在石墨盘根的后面再加上一个铜垫片, 通过盘根的压实力, 使垫片与前后盘根紧密结合, 在进一步挤压石墨盘根的扩径空间的同时, 使过水量进一步减少。铜垫片采用的规格为φ38.04*φ58*6, 其内径与柱塞间隙仅为0.04 毫米, 这样既可以使高压水只能沿着柱塞形成一层膜状漏失, 大大降低了高压水对后面盘根的直接冲击力。

3.3 增加膨胀效应

高压水经过石墨根后, 因扩径量变小, 因此在后端应考虑采用密封性好的盘根。由于注水泵的介质为水, 当高压水沿柱塞向外泄漏时, 一旦盘根受高压水冲击变形后, 就很难恢复原状, 因此密封寿命极短。通过试验发现, 采用高水基盘根可以很好解决这个问题。高水基盘根是由高质量的苎麻纤维编织而成, 其外部有一层聚四氟乙烯。这种盘根既具有耐磨性, 又具有一定吸水性。当高压水与之接触后, 会渗入盘根内部, 盘根因吸水发生体积膨胀, 从而密封水流通道, 大大延长了密封时间。

3.4 按性能需求对盘根进行组合

通过上述析, 我们最终采用了三级盘根来解决目前油田柱塞泵盘根寿命短的问题, 即首先利用一层铜质垫片来阻挡高压来水, 然后加入两个石墨盘根, 再加入一层铜质垫片来减阻高压水的冲击水量, 最后再加入3、4个高水基盘根。

4 使用效果验证

陆上作业区采油二区5个注水站每天有7-8台注水泵运行在使用新式盘根及加注方法前, 平均每2-3天需要更换一次盘根, 在采用新式的盘根组合后, 使原来2-3天的盘根寿命延长至20-30天, 大大降低了工作强度、保障了安全并节约了材料费。

5 结语

5.1 柱塞泵盘根密封时, 液力端的盘根是由于扩径造成密封失效、压盖端的盘根是由于被冲刷损坏造成密封失效;

5.2 在柱塞泵盘根改进过程液力端应该用坚固的盘根、压盖端应该用易膨胀恢复的盘根;

柱塞泵的虚拟设计及其模态分析 篇5

虚拟技术作为一种先进的制造技术,一直受到工业界和学术界的广泛关注[1],虚拟技术通过对现实环境对象及活动进行建模和仿真,及时模拟出产品未来制造过程及至产品生命周期各种活动对产品设计的影响,改进产品的不足,以缩短产品的开发周期,使产品设计迅速占领市场。

目前我国液压泵产品开发的基本过程还是传统的串行方法,设计试制出产品样机,然后进行测试、验证及分析,产品往往要通过反复的测试才能成功进入市场,开发周期长,无法在产品进入市场前取得实质性突破,引入三维造型后,进行产品的并行设计,可以很直观的看出产品未来的三维图样,也为CAE,CAM技术打下基础。本文以柱塞泵设计为例,对其CAE技术进行研究。

1拄塞泵的虚拟设计过程

柱塞泵是润滑系统中的重要组成部分,这种泵具有结构封闭性好,加工方便,可得到较高的配合精度,工作压力高,结构紧凑,效率高,流量调节方便等优点。

1.1设计原理

柱塞泵是依靠柱塞在气缸体内往复运动时密封工作腔的容积变化来实现吸油和压油的,其工作原理如图1所示。缸体3和柱塞2构成一个封闭的工作容积a,偏心轮1在原动机的带动下旋转时,刚体内的密封工作容积a增大,其内压力降低,单向阀6关闭。当其压力降低到低于大气压时,形成局部真空,油箱内的液压油在大气压力的作用下顶开单向阀5进入缸体内,实现了吸油。当柱塞向左移动时,密封工作容腔a的容积逐渐减小,液压油受到柱塞的挤压后压力升高,单向阀5关闭,当压力升到一定数值时,单向阀6被打开,液压油进入液压系统,实现了压油。据此原理选定适当的设计条件进行分析计算,确定主要零件的重要相关参数。

1.2主要零件及装配体的三维设计

柱塞泵结构中完成主要运动功能的零件有输入轴、凸轮、柱塞、箱体等,输入轴在运转的时候主要承受扭矩,确定它的最小轴径后,再据其零件的功能及相邻零件间的装配关系可确定其结构形状。凸轮是将轴的旋转运动转变成柱塞的往复移动,其偏心距是主要设计参数,考虑到此偏心凸轮要承受磨擦力,必须选用耐磨材料,这里选用20Mn,此材料具有很好的耐磨性。在完成柱塞泵所有零件的结构形状设计及建模之后,进行虚拟装配,装配体如图2(a)所示,装配体爆破图如图2(b)所示。

2柱塞泵输入轴的结构模态分析

为了验证设计的合理性,控制输入结构的振动,保证其工作可靠性及使用寿命,计算输入轴的临界转数,因此对输入轴组件进行结构模态分析。

2.1建立有限元模型

由于直接输入CAD系统时输入轴组件数据量大,所以这里使用在ANSYS中直接建立实体模型的方法,另外由于是输入轴的动态特性分析,这里建模时可以略去倒角、退推刀槽等细小结构[2],将凸轮与主轴结合。进入ANSYS软件,建立输入轴的有限元实体模型如图3所示,

选择输入轴为Solid45六面体单元,弹性模量为2.05×1011N/m2,泊松比为0.3,密度为7800kg/m3,采用自由网格划分,网格划分后的单元数为28576个;采用COMBIN14单元模拟轴承,轴承刚度采用文献[3,4]中介绍的经验计算公式进行计算,得到前后轴承6202(GB276)的径向刚度为4.1×103N/mm,阻尼可忽略不计,弹簧-阻尼单元每段划分为10等分。

2.2施加约束及求解

将COMBIN14单元上与箱体连接的一端约束所有自由度,另外一端约束x,y自由度,然后用子结构法求解,在由于输入轴的自由振动中低阶固有振型比高阶固有振型影响大,故进行输入轴的结构模态分析时,取前10阶即可,计算求解结果如图4所示。

2.3结果分析

由图(4)中可以看出,输入轴的前10阶固有频率在0～972.41 Hz之间,随着阶数增大,固有频率从小到大分布，前两阶频率相应的阵型为钢体的位移，从第三阶段频率开始，气阵型见图5-图12.

由振型图可知,输入轴组件的最低固有频率为217.79Hz时,对应的是yoz面内的弯曲振动,轴末端振幅最大,频率为219.34Hz时也是弯曲振动,但是在xoz平面内的弯曲振动,也是在轴末端振幅最大,这两阶振型具有正交性,第五阶是弯曲扭转组合振型,最大振幅发生在凸轮段,第六阶和第七阶是发生在xoz平面内的弯曲振动,在轴末端或首端振幅较大,第八阶发生在yoz平面内的弯曲振动,振幅较大在轴两端,,第九阶表示轴在两个正交平面内做膨胀和压缩振动,最大膨胀量发生在轴末端,第十阶表示轴yoz面内做弯曲振动,振幅最大发生在轴两端。

据以上分析,可以在设计过程中控制输入轴工作时的运动速度,使其低于各界临界速度,输入轴组件在工作过程中就不会发生共振,保证油泵中所有零、部件的安全稳定运行。该轴设计时额定转数为1500r/min,由参考文献[5]可知,该输入轴在运转过程中不会发生共振。

3柱塞泵装配及运动仿真

对柱塞泵输入轴进行动态特性分析之后,下面进行三维动态模拟仿真。选择添加伺服电动机及速度,定义分析按钮,运行后可以看到轴在电动机的带动下旋转。再定义弹簧、定义阻尼器等,再次定义分析按钮,运行后如图13所示。图13中,(a)为柱塞泵的压油过程,(b) 为柱塞泵的吸油过程。

通过运动仿真,对可能产生干涉的局部结构再进行修改,直到满意为止,然后再生成其二维装配图,至此就完成了柱塞泵的设计过程。

4总结

在柱塞泵的产品开发中,利用Pro/E与ANSYS软件的组合进行产品设计,体现了并行工程的设计思想,对柱塞泵结构的各个零件进行三维造型,并进行动态特性分析,进一步构建了该机构的数字样机,优化了产品设计品质,有利于缩短产品的设计周期,提高设计效率。

参考文献

[1]吴福忠.数控车床主轴力学特性的有限元分析方法[J].机床与液压,20093,7(6):193-195.

[2]李丙才,刘立美,等.XK5025主轴动态设计[J].机床与液压,2006,(5):66-68.

[3]白钊,马平,等.应用有限元方法对高速电主轴的优化设计[J].机床与液压,2004,23(10):126-128.

[4]王刚,郭茂林.航天航空滚动轴承刚度[J].哈尔滨工业大学学报,20013,3(5):644-645.

柱塞泵结构 篇6

一、概述

从概念上分析, 柱塞泵作为最常见的液压系统装置, 自身在运行的过程中, 主要是依靠柱塞在缸体的内部, 开展往复性质的运动。之后, 能够促使密封工作容腔的容积发生相应的变化, 最终来达到吸油、压油的目的。对于当前的柱塞泵来讲, 不同的液压系统, 需要差异化的柱塞泵来完成工作。特别是在流量特性的指标上, 不同的柱塞泵, 所产生的效果存在比较大的不同, 因此在开展深入分析后, 有助于日后液压系统的全面改善。

(一) 传统斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵分析

斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的应用和研究当中, 流量特性方面的分析, 一直都没有停止过。从某种程度上来讲, 流量特性直接关系到斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的应用效果, 甚至是对整体的液压系统, 都会产生很大的影响。为此, 对传统的斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵进行分析, 能够在流量特性的掌控、改进上, 得到更多的帮助。以目前的观点来看, 传统意义上的斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵, 其柱塞中心线会与缸体的轴线产生平行的效果。该泵体的理论是比较完善的, 基本上不存在严重的漏洞和不足, 并且在相关的产品上比较突出, 现阶段仍然有很多的厂家在应用。可是, 某些场合的工作要求特殊, 要求确保柱塞泵的结构更加紧凑, 在排量上更大, 就必须将柱塞中心线与缸体的轴线, 形成良好的夹角, 这样才能得到更好的运转成效。例如, 图1为德国生产的斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵, 其在性能上是比较突出的。

(二) 斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵优点分析

液压系统在运转的过程中, 柱塞泵占有比较重要的地位。斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵是目前性能上比较突出的柱塞泵, 很多方面都可以取得预期效果, 在价值上相对较高。综合分析而言, 斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的优势, 主要是表现在以下几个方面。第一, 该柱塞泵的密封性较好。任何一类柱塞泵在运转的过程中, 都会在密封性上存在严格的要求, 如果出现了遗漏或者是密封性方面的些许问题, 都会对液压系统构成严重的威胁, 最终产生的影响是非常突出的。所以, 斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵凭借自身的优异密封特性, 得到了行业的认同, 为流量的掌控, 提供了较多的帮助。第二, 斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的工作压力较高、各项指标均高于一般的柱塞泵。当下的液压系统, 面对的工作压力比较大, 同时给斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的运转提供了很多的挑战。经过深化研究、改善, 斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵本身的工作压力有所提升, 并且在容积效率、总效率等方面, 均实现了巩固, 为客观工作的进展, 加强了保护。

二、斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的流量特性分析

液压系统的运转工作, 有很大一部分内容都会依赖于柱塞泵。越是优秀的柱塞泵, 就可以承担更多的工作要求, 并且帮助液压系统更加稳定的运转, 在各个层次上争取得到最佳的成绩。斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵在近几年的应用上, 基本上可以达到相关的标准, 每一项指标均未出现严重的问题。通过在流量特性上深入分析, 可以加强斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的掌控, 最终取得理想的工作效果。

(一) 流量特性

斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的研究, 需要在流量特性上深入开展, 既要为其他的工作指标提供相应的参考和指导, 同时还要在具体的工作上, 创造出较大的价值。分析认为, 斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的流量特性, 集中表现在以下几个方面:第一, 当柱塞的倾角逐步增大的时候, 流量脉动系数, 也将表现为增大的情况, 这就要求工作人员的操作和优化, 都必须特别小心的进行, 避免流量出现过大、过小的问题。第二, 随着斜盘倾角不断的增大, 流量脉动系数, 依然会表现出增大的情况。计算后发现, 奇数柱塞时增长速率, 大约保持在0.002/5°左右, 而偶数柱塞时增长速率, 则保持在0.0002/5°左右, 二者的差异比较大, 这一点在日后的工作上需要特别的注意。

(二) 流量特性对策

目前, 斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的流量特性, 基本上得到了良好的掌握, 各项工作的开展, 均未出现严重的情况。所以, 未来对斜柱塞斜盘式轴向柱塞泵的应用, 要充分遵循流量特性来完成。本文认为, 由于柱塞倾角的存在, 同条件下斜柱塞泵的流量脉动情况比直柱塞泵略差, 且与柱塞倾角的大小成正比, 但在柱塞倾角小于20°的情况下差别并不大, 几乎可以忽略。

总结:

柱塞泵缸孔加工工艺的改进 篇7

挤压前应尽量确保加工后的各孔具有一定的加工精度和较小的粗糙度。挤压余量太小容易造成挤压后对孔的加工效果不充分,孔的表面精度难以保证;挤压余量太大容易造成挤压困难,孔的加工效率和加工质量降低,刀具磨损加快。根据该工件材料的特点和硬度值,挤压前引导孔可先采用钻、铰方法进行加工,并留有5～8μm(孔径)的挤压余量,孔口倒角为1×45°,以便于挤压刀的顺利进入。

挤压刀具结构(包括刀体、刀片、压紧螺钉和镶块)如图2所示,该刀具为机夹式无刃挤压刀结构,刀片采用锲块式压紧形式,刀片磨损后松开压紧螺钉即可方便地更换。

由于工件材料为HT300,为确保加工过程中刀具具有较高的耐磨性和一定的抗冲击性,刀片材料采用YG6硬质合金,刀体材料为45号钢,并经调质处理,硬度为HB225～250。为提高刀具的使用效果和加工精度,刀具在制做时应确保刀体锥柄与前端Φ30 mm部位同轴度精度误差小于Φ0.01 mm。为方便刀,具进入工件引导孔,刀具前端设有1.5×45°的导向角,该刀具上6个刀片均无切削刃,挤压刃带宽为0.2～0.3 mm,这样刀具挤压工作过程中将对工件孔壁产生挤压、刮研作用,因而可获得极小的表面粗糙度,并可在孔壁上产生一定厚度的硬化层,延长工件的使用寿命。用此法加工孔的尺寸加工精度误差可控制在5μm内,工效可提高10倍以上。

一般情况下,挤压工艺必须在一次进给中完成,挤压切削深度应等于孔预留加工余量,即5～8μm,机床主轴转速为150～250 r/min,走刀量为0.4～0.6 mm/r。

挤压过程中,应添加足量的切削液,以保证挤压工艺过程中润滑并降低切削热,提高刀具的使用寿命及孔的加工精度。切削液可用70%柴油加30%煤油混合而成。