挖掘機(jī)用柱塞泵的設(shè)計(jì)與三維動(dòng)畫仿真【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】,說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真,挖掘機(jī)用柱塞泵的設(shè)計(jì)與三維動(dòng)畫仿真【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】,挖掘機(jī),柱塞,設(shè)計(jì),三維動(dòng)畫,仿真,說(shuō)明書,仿單,cad,solidworks
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
學(xué) 院：
題 目： 挖掘機(jī)用柱塞泵的設(shè)計(jì)與三維動(dòng)畫仿真
起 止 時(shí) 間：2011年12月 27日至 2012年5月30日
學(xué) 生 姓 名：
班 級(jí)：
指 導(dǎo) 老 師：
系 室 主 任：
院 長(zhǎng)：
2012 年 6 月 2日
論文 (設(shè)計(jì)) 內(nèi)容及要求：
一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原始依據(jù)
1）設(shè)計(jì)成雙作用泵，柱塞數(shù)為8；
2）工作壓力為40MPa；
3）流量為64ml/r；
4） 額定轉(zhuǎn)速為1000r/min；
5)容積效率為95%以上。
二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容
《挖掘機(jī)用柱塞泵的設(shè)計(jì)與三維動(dòng)畫仿真》。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，因?yàn)樗男阅艿暮脡闹苯佑绊懻麄€(gè)液壓系統(tǒng)的工作可靠性。徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長(zhǎng)、控制精度高，是一種優(yōu)良的高壓泵，引起國(guó)內(nèi)外液壓泵生產(chǎn)廠家的重視和使用廠家的青睞。它被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、鍛壓、注塑、船舶、重型等機(jī)械設(shè)備中。但在實(shí)際生產(chǎn)中還不能解決很好地流量脈動(dòng)、剛性和柔性沖擊等問(wèn)題。平衡式徑向柱塞泵的設(shè)計(jì)可以很好地解決流量脈動(dòng)、剛性和柔性沖擊等問(wèn)題。通過(guò)仿真使此泵在結(jié)構(gòu)功能上能夠適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)高要求的徑向柱塞泵。
三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基本要求
1）擬定挖掘機(jī)用柱塞泵的主體結(jié)構(gòu)方案，對(duì)40MPa挖掘機(jī)用柱塞泵三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)，確定泵的主體功能結(jié)構(gòu)；
2）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與受力分析，對(duì)40MPa挖掘機(jī)用柱塞泵性能仿真；
3）圖紙要求：挖掘機(jī)用柱塞泵的總裝配圖0#號(hào)1張；挖掘機(jī)用柱塞泵三維圖仿真圖等。
共計(jì)圖紙折合成0#號(hào)圖3張以上。
4）畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書的字?jǐn)?shù)不少于1.5萬(wàn)字，文字要通順、語(yǔ)言流暢。譯文3000漢字。
四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度安排
2011.12.28—2011.1.12 調(diào)研、資料收集、外文翻譯、開題報(bào)告。
2012.2.12—2012.2.16 挖掘機(jī)用柱塞泵的方案的確定。
2012.2.17—2012.3.17 挖掘機(jī)用柱塞泵設(shè)計(jì)計(jì)算。
2012.3.18—2012.4.5 挖掘機(jī)用柱塞泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2012.4.6—2012.4.22 挖掘機(jī)用柱塞泵的總裝圖。
2012.4.23—2012.5.3 挖掘機(jī)用柱塞泵的零部件圖。
2012.5.4—2012.5.15 撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
2012.5.16—2012.5.25 設(shè)計(jì)總結(jié)，整理設(shè)計(jì)資料。
2012.5.26—2012.6.2 準(zhǔn)備答辯。
五、主要參考文獻(xiàn)
【1】 雷天覺(jué). 液壓工程手冊(cè). 機(jī)械工業(yè)出版社.1990
【2】 徐繩武. 柱塞式液壓泵. 機(jī)械工業(yè)出版社.1985
【3】 聞德生. 斜盤型開路式軸向柱塞泵. 機(jī)械工業(yè)出版社.1993
【4】 濮良貴. 機(jī)械設(shè)計(jì). 高等教育出版社.2001
【5】 那成烈. 軸向柱塞泵可壓縮流體配流原理.兵器工業(yè)出版社.2003
【6】 關(guān)醒凡. 泵的理論與設(shè)計(jì). 機(jī)械工業(yè)出版社.1987
【7】高翔,等.一種新型內(nèi)曲線式徑向柱塞泵的設(shè)計(jì). 武漢:海軍工程大學(xué),2004
【8】 孔慶華、劉傳紹.極限配合與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ).同濟(jì)大學(xué)出版社.2002
【9】 徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè). 機(jī)械工業(yè)出版社.1995
【10】朱龍根. 簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè). 機(jī)械工業(yè)出版社.1997
【11】何存興,等.液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng).武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000
【12】席瓊,楊勝?gòu)?qiáng);基于Pro/E的機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真研究[J];機(jī)械管理開發(fā);2005年02期
【13】謝紅,施煒;用SolidWorks計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行裝配體三維設(shè)計(jì)[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與制造;2002年01期
【14】劉宏軍,趙紅,翟斌;機(jī)械產(chǎn)品的CAD/CAM應(yīng)用及三維造型技術(shù)[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與制造;2004年01期
【15】鄧志滔;面向工業(yè)設(shè)計(jì)的銑刨機(jī)三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真[D];四川大學(xué);2005年
指導(dǎo)老師： （簽 名）
年 月 日
南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
設(shè)計(jì)（論文）題目
挖掘機(jī)用柱塞泵的設(shè)計(jì)與三維動(dòng)畫仿真
設(shè)計(jì)（論文）題目來(lái)源
校級(jí)課題
設(shè)計(jì)（論文）題目類型
工程設(shè)計(jì)類
起止時(shí)間
2011年12月28日至
2012年6月2日
一、 設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)及研究意義：
液壓系統(tǒng)是液壓挖掘機(jī)的核心部分，而液壓泵作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)力裝置，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，因?yàn)樗男阅艿暮脡闹苯佑绊懻麄€(gè)液壓系統(tǒng)的工作可靠性。徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長(zhǎng)、控制精度高，是一種優(yōu)良的高壓泵，引起國(guó)內(nèi)外液壓泵生產(chǎn)廠家的重視和使用廠家的青睞。它被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、鍛壓、注塑、船舶、重型等機(jī)械設(shè)備中。但在實(shí)際生產(chǎn)中還不能解決很好地流量脈動(dòng)、剛性和柔性沖擊等問(wèn)題。平衡式徑向柱塞泵的設(shè)計(jì)可以很好地解決流量脈動(dòng)、剛性和柔性沖擊等問(wèn)題。通過(guò)仿真使此泵在結(jié)構(gòu)功能上能夠適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)高要求的徑向柱塞泵。
徑向柱塞泵可分為閥配流與軸配流兩大類。閥配流徑向柱塞泵存在故障率高、效率低等缺點(diǎn)。國(guó)際上70、80年代發(fā)展的軸配流徑向柱塞泵克服了閥配流徑向柱塞泵的不足。由于徑向泵結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，陜定了軸配流徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長(zhǎng)、控制精度高。使其成為一種優(yōu)良的高壓泵，代表當(dāng)今國(guó)際上液壓泵制造的先進(jìn)水平。但是，它技術(shù)含量高、加工制造難度大，國(guó)際上只有博世（ BOSCH）公司、沃依特（ VOITH）公司等少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)。而博世公司只能生產(chǎn)90mL八以下規(guī)格的泵，沃依特公司只生產(chǎn) 110一250mL／r規(guī)格的泵。
目前，所缺少的是一種工作壓力高、容積效率高，并且流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)低、噪音低的液壓泵，尤其是工作在高壓的情況下，流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)及噪音也很低的液壓泵，而要同時(shí)滿足上述要求的液壓泵也只有柱塞泵才有可能，這就需要對(duì)柱塞泵的工作機(jī)理做深入的研究，改進(jìn)現(xiàn)有柱塞泵，提出新的方案和結(jié)構(gòu)，來(lái)解決柱塞泵的脈動(dòng)及噪聲問(wèn)題。解決了柱塞泵的脈動(dòng)和噪聲問(wèn)題也就解決了在許多封閉空間中使用柱塞泵而產(chǎn)生噪聲偏大的問(wèn)題，從而大大地改善了人們的工作環(huán)境，尤其是在那些對(duì)噪聲控制要求嚴(yán)格的場(chǎng)所，諸如軍艦、潛艇和室內(nèi)，降噪就具有非常重要的意義。
近年來(lái)，不少專家學(xué)者都對(duì)這個(gè)問(wèn)題做了深入的研究，浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授楊儉和冀宏等、蘭州理工大學(xué)那焱青工程師等、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的劉利國(guó)教授都是在傳統(tǒng)的柱塞泵結(jié)構(gòu)上對(duì)柱塞泵的降噪這個(gè)問(wèn)題做了大量研究，其中有很多研究成果具有重要的借鑒意義。海軍工程大學(xué)的高翔教授和蘭州理工大學(xué)楊國(guó)來(lái)教授所做的研究比較突出，他們倆都是基于新的柱塞泵結(jié)構(gòu)來(lái)研究柱塞泵的流量脈動(dòng)及降噪的問(wèn)題的，其中要數(shù)蘭州理工大學(xué)楊國(guó)來(lái)教授所做的研究最為深入，他的研究也最具可行性，其研究成果發(fā)表在《機(jī)床與液壓》的2006年第三期上，論文題目為《新型雙作用徑向柱塞泵的定子曲線設(shè)計(jì)及流量脈動(dòng)分析》，并且還發(fā)表了幾篇與之相關(guān)的論文，他還與蘭州卓信液壓氣動(dòng)公司合作開發(fā)了此泵，研制成功后申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。
二、 設(shè)計(jì)（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)：（技術(shù)方案、路線）
主要研究?jī)?nèi)容：
1、雙作用徑向柱塞泵主要結(jié)構(gòu)及工作原理；
2、雙作用徑向柱塞泵的三維造型、受力分析及運(yùn)動(dòng)模擬仿真；
3、雙作用泵無(wú)流量脈動(dòng)即恒流實(shí)現(xiàn)；
預(yù)期目標(biāo)：
通過(guò)查閱相關(guān)資料了解并掌握雙作用徑向柱塞泵主要結(jié)構(gòu)及其工作原理；找到合理的實(shí)現(xiàn)理論上的無(wú)流量脈動(dòng)及實(shí)現(xiàn)恒流的徑向柱塞泵設(shè)計(jì)方案；對(duì)雙作用徑向柱塞泵進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)、各主要部件受力分析及其工作情況的模擬仿真。
三、設(shè)計(jì)（論文）的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)：
1.根據(jù)現(xiàn)有徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)，應(yīng)用三維軟件設(shè)計(jì)滿足預(yù)期工作壓力、流量、額定轉(zhuǎn)速及容積效率的柱塞泵；
2.通過(guò)合理化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，盡可能提高效率；
3.找到實(shí)現(xiàn)恒流理論的關(guān)鍵部件，并合理設(shè)計(jì)相關(guān)尺寸；
4.應(yīng)用三維軟件對(duì)徑向柱塞泵工作進(jìn)行模擬仿真，并測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的。
四、 設(shè)計(jì)（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排）：
2011.12.28—2011.1.12 調(diào)研、資料收集、外文翻譯、開題報(bào)告。
2012.2.12—2012.2.16 挖掘機(jī)用柱塞泵的方案的確定。
2012.2.17—2012.3.17 挖掘機(jī)用柱塞泵設(shè)計(jì)計(jì)算。
2012.3.18—2012.4.5 挖掘機(jī)用柱塞泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2012.4.6—2012.4.22 挖掘機(jī)用柱塞泵的總裝圖。
2012.4.23—2012.5.3 挖掘機(jī)用柱塞泵的零部件圖。
2012.5.4—2012.5.15 撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
2012.5.16—2012.5.25 設(shè)計(jì)總結(jié)，整理設(shè)計(jì)資料。
2012.5.26—2012.6.2 準(zhǔn)備答辯。
五、 進(jìn)行設(shè)計(jì)（論文）所需條件：
1.查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解國(guó)內(nèi)外挖掘機(jī)用徑向柱塞泵使用現(xiàn)狀；
2.了解并掌握徑向柱塞泵主要結(jié)構(gòu)及其工作原理；
3.了解并掌握徑向柱塞泵性能參數(shù)的計(jì)算方法；
4.思考實(shí)現(xiàn)徑向柱塞泵恒流的理論依據(jù)；
5.熟練掌握所用三維軟件的建模、仿真、分析等功能；
六、 指導(dǎo)教師意見：
簽 名： 年 月 日
南 華 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)綜述報(bào)告
題 目 挖掘機(jī)用柱塞泵的設(shè)計(jì)與三維動(dòng)畫仿真
學(xué)院名稱 機(jī)械工程學(xué)院
指導(dǎo)教師 李嵐
職 稱 教授
班 級(jí) 機(jī)械085班
學(xué) 號(hào) 20084410508
學(xué)生姓名 劉 浩
2011年 1月 10日
1. 本設(shè)計(jì)（課題）研究的目的和意義
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)備的自動(dòng)化水平越來(lái)越高。而液壓傳動(dòng)及控制系統(tǒng)以其傳遞功率大、控制精度高、響應(yīng)速度快、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。在容積式液壓泵中，惟有柱塞泵是實(shí)現(xiàn)高壓﹑高速化﹑大流量的一種最理想的結(jié)構(gòu)。
針對(duì)挖掘機(jī)而言，液壓系統(tǒng)是液壓挖掘機(jī)的核心部分，而液壓泵作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)力裝置，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，因?yàn)樗男阅艿暮脡闹苯佑绊懻麄€(gè)液壓系統(tǒng)的工作可靠性。在相同功率情況下，徑向往塞泵的徑向尺寸大、徑向力也大，常用于大扭炬、低轉(zhuǎn)速工況，做為按壓馬達(dá)使用。而軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，故轉(zhuǎn)速較高；而徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長(zhǎng)、控制精度高，是一種優(yōu)良的高壓泵，引起國(guó)內(nèi)外液壓泵生產(chǎn)廠家的重視和使用廠家的青睞。它被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、鍛壓、注塑、船舶、重型等機(jī)械設(shè)備中。但在實(shí)際生產(chǎn)中還不能解決很好地流量脈動(dòng)、剛性和柔性沖擊等問(wèn)題。平衡式徑向柱塞泵的設(shè)計(jì)可以很好地解決流量脈動(dòng)、剛性和柔性沖擊等問(wèn)題。
柱塞式液壓泵是靠柱塞在柱塞腔內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變柱塞腔容積實(shí)現(xiàn)吸油和排油的。是容積式液壓泵的一種。柱塞式液壓泵由于其主要零件柱塞和缸休均為圓柱形，加工方便配合精度高，密封性能好，工作壓力高而得到廣泛的應(yīng)用。
正如科學(xué)技術(shù)的發(fā)展一樣，現(xiàn)階段科技領(lǐng)域中交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科越來(lái)越豐富，跨學(xué)科的共同研究是十分普遍的事情，作為泵產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展亦是如此。以屏蔽式泵為例，取消泵的軸封問(wèn)題，必須從電機(jī)結(jié)構(gòu)開始，單局限于泵本身是沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)的；解決泵的噪聲問(wèn)題，除解決泵的流態(tài)和振動(dòng)外，同時(shí)需要解決電機(jī)風(fēng)葉的噪聲和電磁場(chǎng)的噪聲；提高潛水泵的可靠性，必須在潛水電機(jī)內(nèi)加設(shè)諸如泄漏保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等措施；提高泵的運(yùn)行效率，須借助于控制技術(shù)的運(yùn)用等等。這些無(wú)一不說(shuō)明要發(fā)展泵技術(shù)水平，必須從配套的電機(jī)、控制技術(shù)等方面同時(shí)著手，綜合考慮，最大限度地提升機(jī)電一體化綜合水平。
柱塞式液壓泵的顯著缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件制造精度高，成本也高，對(duì)油液污染敏感。這些給生產(chǎn)、使用和維護(hù)帶來(lái)一定的困難。
2. 本設(shè)計(jì)（課題）國(guó)內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀
徑向柱塞泵可分為閥配流與軸配流兩大類。閥配流徑向柱塞泵存在故障率高、效率低等缺點(diǎn)。國(guó)際上70、80年代發(fā)展的軸配流徑向柱塞泵克服了閥配流徑向柱塞泵的不足。由于徑向泵結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，陜定了軸配流徑向柱塞泵比軸向柱塞泵耐沖擊、壽命長(zhǎng)、控制精度高。使其成為一種優(yōu)良的高壓泵，代表當(dāng)今國(guó)際上液壓泵制造的先進(jìn)水平。但是，它技術(shù)含量高、加工制造難度大，國(guó)際上只有博世（ BOSCH）公司、沃依特（ VOITH）公司等少數(shù)幾家公司能夠生產(chǎn)。而博世公司只能生產(chǎn)90mL八以下規(guī)格的泵，沃依特公司只生產(chǎn) 110一250mL／r規(guī)格的泵。
? ? 我國(guó)從80年代末90年代初有很多科研機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)廠家開始研究開發(fā)這種產(chǎn)品，但都沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。主要因?yàn)樵诶碚撋嫌写罨?，在?shí)際生產(chǎn)中不能解決轉(zhuǎn)子與配流軸、滑靴與定子兩對(duì)摩擦副燒研的問(wèn)題。有些生產(chǎn)廠家在轉(zhuǎn)子內(nèi)孔通過(guò)澆鑄軸承合金等方法來(lái)克服燒研，但效果并不理想，這種辦法在小排量泵中使用，雖然能夠防止摩擦副燒研的問(wèn)題，但泵的使用壽命不長(zhǎng)。由我國(guó)著名的液壓專家盧望研究員和材料專家閏秉均教授及其課題組經(jīng)過(guò)多年研究與開發(fā)，取得了“過(guò)平衡壓力補(bǔ)償方法及雙排徑向柱塞泵”和“一種新型高壓大排量雙轉(zhuǎn)子徑向柱塞泵”兩項(xiàng)技術(shù)專利，“合金奧氏體一貝氏體球鐵開發(fā)應(yīng)用研究”一項(xiàng)國(guó)家新材料技術(shù)成果。這些技術(shù)成果的取得，使我國(guó)徑向柱塞泵的研制在設(shè)計(jì)理論與材料工藝方面取得突破性進(jìn)展。蘭州永新科技股份有限公司以上述兩項(xiàng)專利與一項(xiàng)新材料技術(shù)成果為支持，成功地開發(fā)生產(chǎn)的JBP系列機(jī)電控制式徑向柱塞泵，是國(guó)家科技部“八五”攻關(guān)和國(guó)家科技部火炬計(jì)劃項(xiàng)目。該泵在多家企業(yè)進(jìn)行了2—3年的工業(yè)考核試驗(yàn)，性能優(yōu)良。
3. 目前存在的主要問(wèn)題
由于徑向柱塞泵是一種容積式流體機(jī)械、這類機(jī)械的特點(diǎn)是靠容積的改變來(lái)建立壓力和輸送流量的，而容積的改變又是靠轉(zhuǎn)子部件和定子部件的既緊密接觸又相對(duì)滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，在這類機(jī)械中存在著許多摩擦副，這是容積式流體機(jī)械與動(dòng)力流體機(jī)械（如離心式泵、液力變矩器與耦合器）最根本的差別。因此，在徑向柱塞泵中，摩擦副的設(shè)計(jì)好壞關(guān)系到液壓泵的容積效率、工作壓力和流量等一些關(guān)鍵參數(shù)的好壞。
當(dāng)前仍有一些徑向柱塞泵由于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，存在流量脈動(dòng)及剛性或柔性沖擊；由于摩擦副的設(shè)計(jì)問(wèn)題，存在摩擦副磨損加劇、摩擦副燒研、泄漏量大、容積效率低、轉(zhuǎn)速受限制等問(wèn)題。
4. 本設(shè)計(jì)（課題）擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題和研究方法
本設(shè)計(jì)擬對(duì)現(xiàn)有徑向柱塞泵和平衡式葉片泵進(jìn)行改進(jìn)，將原來(lái)徑向柱塞泵的定子其圓形內(nèi)表面加工成四段對(duì)稱設(shè)置的八次曲線方程，該曲線能達(dá)到完全無(wú)沖擊低噪聲的效果；對(duì)應(yīng)的，配流軸同樣采取對(duì)稱機(jī)構(gòu)；至于轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，設(shè)有8個(gè)柱塞孔，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)計(jì)算，在離心力大于慣性力、摩擦力等的作用下，柱塞無(wú)論處在排油區(qū)，還是在吸油區(qū)，柱塞都與定子內(nèi)曲線表面緊貼，不會(huì)有脫空現(xiàn)象產(chǎn)生；與定子表面想靠近的柱塞一端上開設(shè)半圓柱凹槽，并在此半圓柱凹槽底部開設(shè)一環(huán)形容腔，又在柱塞內(nèi)部裝設(shè)一單向閥，其出口通向環(huán)形容腔，在泵工作時(shí)，柱塞內(nèi)長(zhǎng)方形容腔中通有高壓油，因此圓柱滾子和柱塞之間形成動(dòng)壓支撐，圓柱滾子在半圓柱凹槽內(nèi)可自由的轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)于定子，圓柱滾子做純滾動(dòng)或滾動(dòng)及平動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，加之圓柱滾子受液壓力的作用而又自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓π?。圓柱副減小了摩擦力，可有效地避免了摩擦副燒研的現(xiàn)象，。
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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
挖掘機(jī)用柱塞泵的設(shè)計(jì)與三維動(dòng)畫仿真
摘要: 本文在當(dāng)前的柱塞泵恒流理論基礎(chǔ)上，分析了能實(shí)現(xiàn)柱塞泵恒流其柱塞運(yùn)動(dòng)速度曲線所必須具備的特征，并創(chuàng)造性地提出了恒流特征速度曲線這一概念，完善了柱塞泵恒流理論。依據(jù)該理論，本文設(shè)計(jì)了徑向恒流柱塞泵，主要對(duì)柱塞、滾柱、轉(zhuǎn)子、定子及驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)泵蓋、泵體及配流軸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。應(yīng)用三維軟件Solidworks對(duì)徑向柱塞泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，對(duì)其工作情況進(jìn)行動(dòng)畫模擬；應(yīng)用其中的cosmosmotion模塊進(jìn)行motion分析，并模擬出相關(guān)運(yùn)動(dòng)曲線，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)論。
關(guān)鍵詞：柱塞泵; 恒流; 滾柱; 三維設(shè)計(jì)；
The Design and 3D Simulation of A Piston pump for excavator
Abstract: Based on current theory of piston pump with constant flow, this paper analyze the characteristic of piston-velocity curve which can make piston pump work with constant flow, and creatively propound constant current characteristic speed curve，which is a new conception, finally perfect the theory of piston pump with constant flow. According to this new theory, this paper designs a radical and constant current piston pump, mainly do design calculation for piston, pin roller, rotator, stator and actuating shaft and also do physical design for pump cover, pump body and flow distribution shaft. Radial piston pump structure is modeled using three dimensional software Solidworks and then Operation work condition by using animated simulation.Using the Cosmos motion module which one of the modules in Solidworks does motion analysis.We simulate the relevant sports cure to validate the design conclusion.
Key words: piston pump；constant current；pin roller;3D simulation
目 錄
前言………………………………………………………………………………1
1 柱塞泵恒流理論的提出 ……………………………………………………3
1.1 柱塞泵的現(xiàn)狀及所存在的問(wèn)題的提出………………………………3
1.2 恒流特征速度曲線的提出……………………………………………3
1.3 恒流的實(shí)現(xiàn) …………………………………………………………4
1.4 幾種具有恒流特征的速度曲線 ……………………………………5
2新型徑向恒流柱塞泵的設(shè)計(jì)…………………………………………………7
2.1 新型徑向恒流柱塞泵的簡(jiǎn)介及其基本結(jié)構(gòu)…………………………7
2.2 受力分析 ……………………………………………………………8
2.3 柱塞和滾柱的設(shè)計(jì)…………………………………………………8
2.4 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì) …………………………………………………………16
2.5 柱塞、滾柱及轉(zhuǎn)子的公差配合及材料選取…………………………20
2.6 驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)………………………………………………………23
2.7 軸承和油封的選取…………………………………………………26
2.8 軸承端蓋的設(shè)計(jì)……………………………………………………26
2.9 配流軸的設(shè)計(jì)………………………………………………………27
2.10 泵蓋的設(shè)計(jì)…………………………………………………………28
2.11 泵體的設(shè)計(jì)…………………………………………………………29
2.12 定子的設(shè)計(jì)…………………………………………………………30
2.13 泵體端蓋的設(shè)計(jì)……………………………………………………32
2.14 螺釘、密封、止動(dòng)墊圈及密封紙墊的選取…………………………32
3 徑向恒流柱塞泵的三維建模………………………………………………33
3.1 各零件三維建模圖…………………………………………………33
3.2 泵總裝圖及外形……………………………………………………37
3.3 泵總裝爆炸視圖……………………………………………………38
3.4 柱塞泵柱塞運(yùn)動(dòng)三維仿真分析 …………………………………39
參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………40
謝辭…………………………………………………………………………………41
iii
當(dāng)前，軸向柱塞泵、徑向柱塞泵、螺桿泵、葉片泵和齒輪泵應(yīng)用廣泛。這幾種泵各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)有的軸向柱塞泵和徑向柱塞泵有容積效率高、工作壓力高的優(yōu)點(diǎn)，但存在明顯的流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)，并且噪音都在70DB以上，尤其是在工作在高壓的情況下噪音更大；螺桿泵、葉片泵具有流量脈動(dòng)小、噪音低的優(yōu)點(diǎn)，但其工作壓力和容積效率都較低；而齒輪泵輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但其它各項(xiàng)性能指標(biāo)均不如前幾個(gè)泵。
目前，所缺少的是一種工作壓力高、容積效率高，并且流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)低、噪音低的液壓泵，尤其是工作在高壓的情況下，流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)及噪音也很低的液壓泵，而要同時(shí)滿足上述要求的液壓泵也只有柱塞泵才有可能，這就需要對(duì)柱塞泵的工作機(jī)理做深入的研究，改進(jìn)現(xiàn)有柱塞泵，提出新的方案和結(jié)構(gòu)，來(lái)解決柱塞泵的脈動(dòng)及噪聲問(wèn)題。解決了柱塞泵的脈動(dòng)和噪聲問(wèn)題也就解決了在許多封閉空間中使用柱塞泵而產(chǎn)生噪聲偏大的問(wèn)題，從而大大地改善了人們的工作環(huán)境，尤其是在那些對(duì)噪聲控制要求嚴(yán)格的場(chǎng)所，諸如軍艦、潛艇和室內(nèi)，降噪就具有非常重要的意義。
近年來(lái)，不少專家學(xué)者都對(duì)這個(gè)問(wèn)題做了深入的研究，浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授楊儉和冀宏等、蘭州理工大學(xué)那焱青工程師等、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的劉利國(guó)教授都是在傳統(tǒng)的柱塞泵結(jié)構(gòu)上對(duì)柱塞泵的降噪這個(gè)問(wèn)題做了大量研究，其中有很多研究成果具有重要的借鑒意義。海軍工程大學(xué)的高翔教授和蘭州理工大學(xué)楊國(guó)來(lái)教授所做的研究比較突出，他們倆都是基于新的柱塞泵結(jié)構(gòu)來(lái)研究柱塞泵的流量脈動(dòng)及降噪的問(wèn)題的，其中要數(shù)蘭州理工大學(xué)楊國(guó)來(lái)教授所做的研究最為深入，他的研究也最具可行性，其研究成果發(fā)表在《機(jī)床與液壓》的2006年第三期上，論文題目為《新型雙作用徑向柱塞泵的定子曲線設(shè)計(jì)及流量脈動(dòng)分析》，并且還發(fā)表了幾篇與之相關(guān)的論文，他還與蘭州卓信液壓氣動(dòng)公司合作開發(fā)了此泵，研制成功后申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。
本設(shè)計(jì)的題目是新型徑向恒流柱塞泵的設(shè)計(jì)，作者參考楊國(guó)來(lái)教授所做的研究，在柱塞泵恒流理論基礎(chǔ)上，利用恒流特征速度曲線，設(shè)計(jì)了新型的平衡式徑向柱塞泵，詳細(xì)地對(duì)泵的各個(gè)零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用三維軟件solidworks進(jìn)行建模及運(yùn)動(dòng)仿真。建模仿真不但能直觀地展示整個(gè)泵的工作情況，還能給出一系列常規(guī)設(shè)計(jì)所不能得到的參數(shù)，如滾子在定子內(nèi)表面運(yùn)行速度，柱塞與轉(zhuǎn)子之間的配合狀況等等，為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性提供了非常重要的依據(jù)。
1 柱塞泵恒流理論的提出
1.1 柱塞泵的運(yùn)動(dòng)情況
柱塞泵的常見形式有軸向柱塞泵和徑向柱塞泵。柱塞的中心軸線與轉(zhuǎn)軸軸線平行的稱為軸向柱塞泵，其柱塞有軸向運(yùn)動(dòng)而無(wú)徑向運(yùn)動(dòng)，吸油與排油是通過(guò)柱塞的軸向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的；柱塞的中心線與轉(zhuǎn)軸軸線垂直的稱為徑向柱塞泵，其柱塞有徑向運(yùn)動(dòng)而無(wú)軸向運(yùn)動(dòng)，吸油與排油是通過(guò)柱塞的徑向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。
通常柱塞泵中有多只柱塞，它們是繞轉(zhuǎn)軸軸線沿周向均勻分布，工作時(shí)一部分柱塞做吸油運(yùn)動(dòng)，同時(shí)另一部份柱塞做排油運(yùn)動(dòng)。單個(gè)柱塞繞轉(zhuǎn)軸軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，先吸油后排油，再吸油再排油，如此周而復(fù)始，其運(yùn)動(dòng)速度V（對(duì)于軸向柱塞泵來(lái)說(shuō)是軸向運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)于徑向柱塞泵來(lái)說(shuō)是徑向運(yùn)動(dòng)速度）與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ在一個(gè)周期T內(nèi)的關(guān)系如圖1.1所示(θ=ωt, ω為轉(zhuǎn)軸的角速度,t為時(shí)間)。在本篇論文中約定柱塞吸油時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度為正,排油時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度為負(fù)，稱該曲線為單個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)速度曲線。
圖1.1 一個(gè)周期T內(nèi)單個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)速度曲線
1.2 恒流特征速度曲線的提出
要實(shí)現(xiàn)柱塞泵工作時(shí)無(wú)流量脈動(dòng)，必須使任一時(shí)刻處于吸油狀態(tài)的各個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)速度之和為一恒定值，同理，處于排油狀態(tài)的各個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)速度之和也應(yīng)該為一恒定值。然而目前的柱塞泵，不管是軸向的還是徑向的都不能滿足上述要求。要滿足上面提出的要求，必須使單個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)速度曲線具備一定的特征，現(xiàn)繪出具備這些特征的速度曲線如圖1.2粗實(shí)線所示（該粗實(shí)線為一個(gè)周期T內(nèi)的速度曲線），其表達(dá)式為V=Vmax G(θ), Vmax為其最值，該曲線有如下特征：
圖1.2 恒流特征速度曲線及其位移曲線
a. 曲線是連續(xù)的，且具有周期性；
b. 在[0，T/4]區(qū)間的曲線必須關(guān)于點(diǎn)（T/8，Vmax G（T/８））成原點(diǎn)對(duì)稱；
c. 在[0，T/2]區(qū)間的曲線必須關(guān)于直線θ= T/4成軸對(duì)稱；
d. 在[0，T]區(qū)間的曲線必須關(guān)于點(diǎn)（T/2，0）成原點(diǎn)對(duì)稱。
稱上述特征為恒流特征，并將具備這些特征的單個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)速度曲線命名為恒流特征速度曲線。將表達(dá)式V= Vmax G(θ)對(duì)t積分就得到柱塞的位移（徑向位移或軸向位移）的表達(dá)式：
①
圖中細(xì)實(shí)線為C=0時(shí)的位移曲線，當(dāng)θ=T/2時(shí)位移S有最值H（柱塞的升程），且有下式成立：
②
那么Vmax=4ωH/T,故式①可改寫為：
③
只要柱塞的位移曲線滿足③式，就可使其運(yùn)動(dòng)速度曲線為恒流特征曲線,從而實(shí)現(xiàn)柱塞泵的恒流,并稱滿足③式的位移曲線為恒流特征位移曲線。
1.3 恒流的實(shí)現(xiàn)
下面來(lái)說(shuō)明柱塞泵的單個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)速度曲線為恒流特征速度曲線時(shí)是如何實(shí)現(xiàn)柱塞無(wú)流量脈動(dòng)的。現(xiàn)有一柱塞泵（軸向的或徑向的），設(shè)該泵單個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)速度曲線為恒流特征速度曲線，其柱塞數(shù)為4，為單作用柱塞泵,故T=2π（為雙作用泵時(shí)T取π），相鄰兩柱塞之間的相位差為2π/4=π/2。
圖1.3 粗細(xì)不同的曲線代表不同柱塞的速度曲線
現(xiàn)將該泵中4只柱塞的運(yùn)動(dòng)速度曲線繪制到同一個(gè)坐標(biāo)系中如圖1.3所示，則在同一坐標(biāo)系中不難看出：相鄰兩柱塞的速度曲線之間的相位差為π/2，并且還可以發(fā)現(xiàn)在任一時(shí)該泵有兩只柱塞處于吸油狀態(tài)，另外兩只柱塞處排油狀態(tài)。
依據(jù)前述的恒流特征可知，θ軸上半部分所有的曲線疊加后為一直線V=Vmax,也即任一時(shí)刻處于吸油狀態(tài)的兩只柱塞的速度之和為一恒定值Vmax；同理，θ軸下半部分所有的曲線疊加后為一直線V=-Vmax，也即任一時(shí)刻處于排油狀態(tài)的兩只柱塞的速度之和為一恒定值-Vmax。這說(shuō)明具有恒流特征的速度曲線理論上能實(shí)現(xiàn)柱塞泵的恒流。事實(shí)上，采用這類速度曲線時(shí),單作用泵的柱塞數(shù)必須為4的倍數(shù)，雙作用柱塞泵的柱塞數(shù)必須為8的倍數(shù)，否則不能實(shí)現(xiàn)恒流，無(wú)論單作用泵或雙作用泵,通常情況下柱塞數(shù)都應(yīng)選8，采用8只柱塞時(shí)任一時(shí)刻有4只柱塞處于吸油狀態(tài)，另4只處于排油狀態(tài)。
1.4 幾種具有恒流特征的速度曲線
（1）一次函數(shù)恒流特征速度曲線
V=A G(θ), G(θ)滿足下式：
④
上式中正負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)著兩條恒流特征速度曲線，將上式對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)后 ，就可以得到加速度的表達(dá)式，但從該加速度表達(dá)式可以發(fā)現(xiàn)加速度有突變，也就是說(shuō)如果采用一次函數(shù)恒流特征速度曲線，柱塞在運(yùn)動(dòng)雖無(wú)剛性沖擊，但存在著柔性沖擊。
（2）三角函數(shù)恒流特征速度曲線
V=A G(θ), G(θ)滿足下式：
⑤
同樣將上式對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)后 ，就可以得到加速度的方程式，并且從該方程可以發(fā)現(xiàn)加速度沒(méi)有突變，說(shuō)明采用該曲線無(wú)柔性沖擊。
（3）無(wú)高次沖擊恒流特征速度曲線
將恒流特征速度曲線對(duì)θ積分，便得一新曲線（如圖1.4中的細(xì)實(shí)線所示），該新曲線酷似恒流特征曲線的前半部分，事實(shí)上補(bǔ)上后半部分曲線后（圖1.4中的虛線所示），再將前后兩半部份組合起來(lái)就是一條新的恒流特征速度曲線，其周期為原曲線的2倍，將新得來(lái)的恒流特征速度曲線再次進(jìn)行積分，重復(fù)上述步驟，便又得一條恒流特征速度曲線，經(jīng)過(guò)N次上述步驟后所得到的恒流特征速
圖1.4 圖中粗實(shí)線為一恒流特征速度曲線
度曲線至少無(wú)N+1次沖擊。通常情況下我們求得無(wú)3次沖擊的恒流特征曲線就足夠了，更高次的難以求得，并且給加工也會(huì)帶來(lái)困難。
其實(shí)恒流特征速度曲線有很多的，只要依據(jù)恒流特征就可以求出許多這樣的曲線，而上面僅僅是給出了幾種常見的。
以上便是柱塞泵恒流理論，依據(jù)該理論可以設(shè)計(jì)軸向恒流柱塞泵和徑向恒流柱塞泵，這兩種泵的流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)在不考慮工作油液的可壓縮性質(zhì)的情況下是為零的，當(dāng)此類泵工作在高壓的情況下或要考慮油液的可壓縮性質(zhì)的情況下，該理論還有待進(jìn)一步完善。
2 新型徑向恒流柱塞泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 新型徑向恒流柱塞泵的簡(jiǎn)介及其基本結(jié)構(gòu)
柱塞泵恒流理論既可以用來(lái)設(shè)計(jì)軸向恒流柱塞泵也可以用來(lái)設(shè)計(jì)徑向恒流柱塞泵，本設(shè)計(jì)只設(shè)計(jì)徑向恒流柱塞泵，下面簡(jiǎn)單介紹一下該泵的其本工作原理。
該泵為雙作用泵，八只柱塞在轉(zhuǎn)子中沿徑向等分排列，每只柱塞的頭部嵌有一滾柱，滾柱與固定在泵體上的定子的內(nèi)曲面接觸，該曲面可依據(jù)第一章中所講的恒流特征位移曲線來(lái)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)軸之間是通過(guò)花鍵連接，在驅(qū)動(dòng)軸的高速帶動(dòng)下，轉(zhuǎn)子中的柱塞會(huì)在離心力的作用下使柱塞頭部的滾柱貼在定子的內(nèi)曲面上，從而使柱塞完成有規(guī)律吸油與排油運(yùn)動(dòng)。該泵的配流采用軸配流方式，與普通徑向柱塞泵的配流軸大致相同，只是其配油窗口有四個(gè)，兩個(gè)吸油窗口和兩個(gè)排油窗口。
圖2.1 徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖
2.2受力分析
此泵的受力情況較其它種類的泵來(lái)說(shuō)， 其受力情況相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以配流軸不受徑向力的作用，這對(duì)防止配流副被燒傷有重要作用，另外由于柱塞是徑向排列的，所以驅(qū)動(dòng)軸上不受軸向力的作用。
柱塞與定子內(nèi)曲面的接觸為線接觸，并且接觸的應(yīng)力大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將定子及柱塞的抗疲勞設(shè)計(jì)做為重點(diǎn)，從而保證泵的工作壽命與可靠性。
個(gè)別零部件的受力分析圖見后。
2.3柱塞和滾柱的設(shè)計(jì)
圖2.2為柱塞副的結(jié)構(gòu)圖，圖2.3為柱塞的剖視圖。
圖2.2柱塞副的結(jié)構(gòu)圖
圖2.3柱塞的剖視圖
根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求該泵的排量為64ml/r,因此泵有8個(gè)柱塞，且為雙作用泵，故每個(gè)柱塞在泵軸旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中兩次吸油和兩次排油，故單個(gè)柱塞的每次的排油量應(yīng)為Qs(單)=64/8/2=4ml,根據(jù)如下公式：
①
式中D為柱塞直徑，H為柱塞行程，其中，柱塞的直徑D按照優(yōu)先數(shù)系選取，表是常用的柱塞直徑。柱塞直徑D，不僅是柱塞的主要參數(shù)，而且還是液壓機(jī)械的主要參數(shù)，該參數(shù)要由既定的輸油率等諸因素確定，一般在35毫米以下，否則，會(huì)使其移動(dòng)慣性力和離心慣性力過(guò)大，從而降低其機(jī)械效率與吸入能力。這里我們選擇D=16mm，那么依據(jù)式可知:
表2.1 液壓元件用柱塞、滑閥和活塞外徑系列參數(shù)（JB826-66）毫米
8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、（30）、32、
35、40、45、50、55……
注：括號(hào)內(nèi)的避免使用；如果超出本系列范圍，應(yīng)按GB321-64“優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先數(shù)系”R10、R20數(shù)系選取。
為了便于設(shè)計(jì)，圓整后H取20mm。通常情況下柱塞的行程H的取值范圍為（1～1.5）D，H=20mm滿足這一條件（），若柱塞直徑D選擇14mm或18mm均不符合柱塞行程的取值范圍，故H的選取合理。
故此泵的實(shí)際設(shè)計(jì)的單個(gè)柱塞的排油量為:
此時(shí)泵的排量為：
下面來(lái)確定最小含接長(zhǎng)度M，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般M=（1.5～2）D,這里取M=2D=32mm。
那么柱塞的長(zhǎng)度L:
L=M+H=32+20=52mm
柱塞的頭部尺寸：C、N、E及滾柱的直徑D1確定如下：
C=D+8=16+8=24mm；
D1=14mm；
E=H+8=20+8=28mm；
N=E-3=28-3=25mm。
滾柱的長(zhǎng)度K需視泵的工作峰值壓力、滾柱和定子的材料及工作油液的粘度，還有驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速n而定。滾柱和定子的材料必須選用抗疲勞強(qiáng)度性能好的材料。
查閱《機(jī)械工程材料手冊(cè)》可得這些材料的參數(shù)具體如下：
滾柱和定子的材料：淬火軸承鋼，接觸疲勞極限強(qiáng)度為1726MPa。
該泵所用的油液的性質(zhì)為：工作油液密度0.9g/mm,50度時(shí)的粘度值為40mm/s。
滾柱和定子之間的接觸為線接觸，在轉(zhuǎn)子的高速的帶動(dòng)下，滾柱就會(huì)在定子內(nèi)曲面上高速滾動(dòng)，此時(shí)在滾柱和定子曲面間就會(huì)形成一薄層油膜，適當(dāng)設(shè)計(jì)該油膜就能大大提高滾柱及定子的抗疲勞壽命。
查閱《疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得求彈流最小油膜厚度計(jì)算公式（道森公式）如下：
無(wú)量綱形式：
②
有量綱形式：
③
式中 H=，G=，U=，
W=，，
R=；
—滾柱承受的載荷,單位N；
L—滾柱的有效承載長(zhǎng)度，單位m；
—潤(rùn)滑油粘度, 單位；
—綜合滾動(dòng)速度, 單位m/s；
、—分別為物體1和物體2的接觸表面線速度, 單位m/s；
、—分別為物體1和物體2的接觸表面的曲率半徑, 單位m；
R—綜合曲率半徑，單位m；
—潤(rùn)滑油粘度壓力指數(shù), 單位m/N（見表2.3）；
、—分別為物體1和物體2的材料彈性模量，單位Pa；
—綜合彈性模量，單位Pa；
、—分別為物體1和物體2表面的材料的泊松比。
表2.2 精制礦物油的粘度壓力指數(shù)（m/N）
溫度（C）
環(huán)烷基
石蠟基
錠子油
輕機(jī)油
重機(jī)油
輕機(jī)油
重機(jī)油
氣缸油
30
60
90
2.1
1.6
1.3
2.6
2.0
1.6
2.8
2.3
1.8
2.2
1.9
1.4
2.4
2.1
1.6
3.1
2.8
2.8
由有綱量形式的道森公式可計(jì)算出最小油膜厚度，現(xiàn)引入膜厚比為
④
式中 為最小油膜厚度，單位；
和—接觸面1和2的綜合粗糙度，。
當(dāng)時(shí)為全彈流，當(dāng)時(shí)為部分彈流。對(duì)于大多數(shù)工業(yè)傳動(dòng)齒輪和滾動(dòng)軸承，當(dāng)時(shí)，就處于部分彈流狀態(tài)；當(dāng)時(shí)，疲勞壽命幾乎與油膜厚度無(wú)關(guān)；當(dāng)時(shí)，即進(jìn)入邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。
彈流油膜的建立使接觸面之間的壓力分布趨于和緩，峰值壓力下降，從而減少了接觸疲勞損傷，使接觸疲勞壽命提高。進(jìn)入部分彈流狀態(tài)后，雖不是全膜，但基本上建立了承載油膜。
所以我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使此滾柱與定子間的油膜厚度比 ，使它們之間的接觸為部份彈流接觸，進(jìn)而減少接觸疲勞損傷，使接觸疲勞壽命提高，所以就有下式：
⑤
在這里我們?nèi)?=0.2，則
所以取=0. 424去求滾柱的長(zhǎng)度K。
將道森公式的有量綱形式變形后得：
⑥
F為滾柱所承受的載荷，由于本泵的峰值壓力為=40MPa,且柱塞的直徑D=16mm,故滾柱所承受的載荷F由下式進(jìn)行計(jì)算：
F==40=8042.48N ⑦
為該泵所用油液的壓粘指數(shù)由表查取，因?yàn)橐话惚迷诠ぷ髁艘欢螘r(shí)間后其溫度為70度左右，故我們這里粗略地選取。
為油液的動(dòng)力粘度值，此泵的油液的=0.036。
為接觸表面的綜合線速度，其值為：
=0.5=0.5152.8972=5.5m/s
R為綜合曲率半徑，其值為：
R=
由于為定子曲面的曲率半徑，其值是隨著滾柱滾過(guò)的位置的不同而不同，并且定子與滾柱的接觸為內(nèi)接觸，所以粗略地取=-100mm, 為滾柱的曲率半徑，因其直徑D=16mm，并且定子與滾柱的接觸為內(nèi)接觸，故=8mm。將、的值代入上式可得
R=== 8.7mm=0.0087m
為綜合彈性模量，其值為：
⑧
由于定子和滾柱都是選用的淬火軸承鋼，故
==2.275
==0.3
所以
=2.5
為部份彈流接觸時(shí)油膜的最小厚度，=0.424。
至此所有的量的值都確定下來(lái)了，那么滾柱的長(zhǎng)度K為：
K
=
=0.00431m
=4.31mm
在設(shè)計(jì)此泵時(shí)，滾柱的長(zhǎng)度K應(yīng)取比4.31大的值即可，這里計(jì)算求得了部份彈流接觸下的滾柱長(zhǎng)度范圍，但還得考慮滾柱和定子的材料的疲勞極限，從而進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)出K值，使?jié)L柱和定子在循環(huán)高應(yīng)力的作用下不致產(chǎn)生疲勞破壞。滾柱與定子間的接觸為線接觸，故要計(jì)算其間的接觸應(yīng)力就得用到赫茲應(yīng)力公式：
⑨
式中：F—作用于接觸面上的總壓力，單位N；
B—初始接觸長(zhǎng)度，單位m；
和—分別為零件1和零件2初始接觸線處的曲率半徑，式中的正號(hào)用于外接觸，負(fù)號(hào)用于內(nèi)接觸；
和—分別為零件1和零件2材料的泊松比；
和—分別為零件1和零件2材料的彈性模量。
將赫茲公式變形得下式：
B= ⑩
由于滾柱和定子是內(nèi)接觸，由于定子的曲率半徑是變化的，所以粗略地取=100mm=0.1m, =8mm=0.008m為滾柱的曲率半徑，==0.3， ==2.275，F(xiàn)=8042.48N，在這里滾柱的材料我們是選取的淬火軸承鋼，其疲勞極限值為1726MPa，故
=172610Pa
將這些數(shù)值代入上式可得滾柱的長(zhǎng)度值為：
B==
=0.01235m
=12.35mm
故應(yīng)取滾柱的長(zhǎng)度大于12.35mm即可。在這里我們?nèi)L柱的長(zhǎng)度為30mm,即K=30mm。
圖2.4 柱塞圖
2.4轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)子的配流孔直徑與外徑差值B：
B=E+L=28+52=80mm
轉(zhuǎn)子的配流孔直徑2R、和外徑2R待定。
圖2.6為轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)轵?qū)動(dòng)軸的負(fù)載為重載，故轉(zhuǎn)子與驅(qū)動(dòng)軸采用漸開線花鍵聯(lián)接。
圖2.5 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)圖
查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).單行本.聯(lián)接與緊固》，這里初選漸開線花鍵的各參數(shù)如下：
外徑D4：45mm；
模數(shù)m：3mm；
齒數(shù)z：14；
壓力角：=30；
工作長(zhǎng)度L1待定。
圖2.6 漸開線花鍵示意圖
下面來(lái)校核該漸開線花鍵，圖2.7為漸開線花鍵的示意圖。
查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).單行本.聯(lián)接與緊固》，得校核公式如下：
①
式中 T—轉(zhuǎn)矩，N.mm；
—各齒載荷均勻系數(shù)，一般取=0.7～0.8；
z—齒數(shù)；
l—齒的工作（配合）長(zhǎng)度，mm；
Dm—平均直徑，mm，漸開線花鍵Dm=D；
D—漸開線花鍵分度圓直徑；
h—齒的工作高度，mm，漸開線花鍵=30時(shí)h=m, =37.5時(shí)h=0.9m, =45時(shí)m=0.8m（m為模數(shù)）；
—許用壓強(qiáng)，MPa,該值可查表2.2。
表2.3 花鍵聯(lián)接的許用壓強(qiáng)
聯(lián)接方式
使用和制造情況
/MPa
齒面未經(jīng)熱處理
齒面經(jīng)熱處理
靜連接
不良
中等
良好
35～50
60～100
80～120
40～70
100～140
120～200
不在載荷作用下移動(dòng)的動(dòng)聯(lián)接
不良
中等
良好
15～20
20～30
25～40
20～35
30～60
40～70
在載荷下移動(dòng)的動(dòng)聯(lián)接
不良
中等
良好
3～10
5～15
10～20
注：1.使用和制造情況不良是指受變載、有雙向沖擊、振動(dòng)頻率高和振幅大、潤(rùn)滑不好（對(duì)動(dòng)聯(lián)接）、材料硬度不高和精度不高等。
2.同一情況下，的較小值用于工作時(shí)間長(zhǎng)和較重要的場(chǎng)合。
3.材料：內(nèi)、外花鍵用抗拉強(qiáng)度不低于600MPa的鋼制造。
將校核公式變形后得下式：
②
式中 T的值可由該泵的功率及轉(zhuǎn)速確定，即由下式確定：
③
且
=2/60=104.72rad/s；(式中n=1000r/min為泵的額定轉(zhuǎn)速)
P=16n/60=16×40×4×1000/60=42666.7W=42.7kw；（式中、分別為泵的峰值壓力和單個(gè)柱塞的每次的排油量）
故
=42667/104.72=407.44N.m
式中由表可查得為40～70 MPa，在這里我們?nèi)?0 MPa，取0.8，取14，h取該漸開線齒的模數(shù)m=3mm，取該漸開線齒的分度圓直徑=mz=314=42mm。由a\352/152。89定，由
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