径向柱塞式液压泵滚子运动学分析.pdf

2 0 1 0年 1 月 第 3 8卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI C S J a n ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 2 2 径 向柱塞式液压泵滚子运动学分析 胡新华 ，裘信国 ，李银海 1 ．金华职业技术学院机电工程学院，浙江金华 3 2 1 0 1 7 ；2 ．浙江工业大学机电工程学院，浙江杭州 3 1 0 0 3 2 摘要对径向柱塞泵滚子进行了运动学分析，推导出了滚子的运行速度和角速度计算公式，并进行了仿真分析，指出 滚子修缘和安装时，要确保定子和转子轴线相互平行，使得滚子和定子的偏压力角为零，以避免自旋的产生。 关键词 径 向柱塞泵 ；滚子 ；运动学 中图分 类号 T H1 3 7 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 6 02 St u d y o n Ki n e ma t i c s o f Ro l l e r i n t h e Ra d i a l Pi s t o n Pump H U X i n h u a ．Q I U X i n g u o ．L I Y i n h a i ‘ 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，J i n h u a C o l l e g e ，J i n h u a Z h i a n g 3 2 1 0 1 7 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 3 2 ，C h i n a Abs t r a c t Th e k i n e ma t i c s a n a l y s i s o f mi l e r i n t h e r a d i a l p i s t o n p ump wa s c a r r i e d o u t ． Th e e q u a t i o n o f t h e v e l o c i t y a n d r e l a t i v e a n g u l a r v e l o c i t y o f r o l l e r w e r e d e d u c e d， a n d t h e s i mu l a t i o n w a s g i v e n ． I t w a s p o i n t e d o u t t h a t wh e n mo d i f y i n g a n d i n s t all i n g t h e r o l l e r s ， t h e a x e s o f s t a t o r a n d r o t o r s h o u l d b e p a r all e l e d t o ma k e t h e p a r t i al p r e s s u r e an g l e o f s t a t o r a n d r o t o r e qu a l t o z e r o ， a n d a v o i d t h e g e n e r a t i o n o f s pi n． Ke y wo r d s R a d i al p i s t o n p u mp； R o l l e r ； K i n e ma t i c s 径 向柱塞泵 具有 比轴 向柱塞泵 耐冲击 、寿命 长 、 控制精度 高等 特点 ，但 也存 在径 向尺 寸 大 、结构 复 杂 、易于磨损等缺点 ，特别在 工作压力 大 的情 况下 ， 磨损越严重，引发泄漏越大，限制了泵的转速和压力 的提高 ，也限制 了泵 的排量 。因此 ，径 向柱塞泵的滚 子 和外圈 的接触形式 、配流形式和配流面流道 的形式 都直接影响到泵的工作性能 、寿命和效率。通常径向 柱塞泵的失效是由柱塞和定子内壁产生磨损及配流面 受到不平衡力作用产生的磨损所引起的。作者主要针 对柱塞滚子的运动进行分析，旨在能为高压径向柱塞 泵的设计 奠定一定理论基础。 1 滚子 相对 于柱塞 的速度 、角 速度 柱塞 滚子一 边作径 向 运动，一边还要绕滚子 自 身轴线旋转 ；与此 同时， 滚子沿定 子轨道 滚动伴随 一 定的滑动。当滚子 的接 触角不等于 0时，滚子会 产生 绕接 触 法线 的滑动 ， 称 自旋 滑动。高速 运转 时，滚子还有 可能 因陀螺 力矩而产生旋转运 动。即 柱塞滚子将产生绕转子的 公转 、 自转 和 自旋 运 动。 图 1 柱塞沿定子滚 动速度示意图 滚子自旋轴线偏离 自转轴线，当泵高速运行时，滚子 受到液压力和离心力 的作用 ，加剧 了球铰 间的滑动 。 转子的角速 度为 i ，外 圈 的转动 为 。 ，如 图 1 所示 ，可求得 内外圈接触点的线速度为 Vm ∞ 。 t o o p 。 ∞。 R 当滚子作纯滚动时 ，滚子绕 自身轴线 的 自转速度 为 。 一 w,p 0 9 。 PR 一∞ R 在 同一个方向投影得 co 一 t o p／ e o s fl∞。 PR z ■一 故可得滚子与柱塞底部 的相对速度为 m i 一 t o o ／ e o s fl 。 P R c o s a 署 09o P R e o s o t i R 在 外圈 为定 子 的情 况 下 ，可 得 到 i 的 曲线 图， 如图 2 、3所示。 角速度是极径 、压力角和外 圈速度的 函数 ，外 圈 为定子时，随着转动极径的变化角速度呈周期性函 数 。在 轨道 的起始点 ，滚子 的相对角速度最大 ，在极 径最小时，角速度出现极小值。负号代表滚子的转动 收稿 日期 2 0 0 8 0 1 1 5 作者联系方式胡新华，电话1 3 7 5 7 9 7 3 5 7 0 ，Em a i l h u _ x h t o m ． e o m。 第 2期 胡新华 等径向柱塞式液压泵滚子运动学分析 6 1 方向，取其绝对值作为计算数据。 转子 角度， 。 图 2 滚子角速度 与转角关系 转 子角 度， 图3 滚子和柱塞底部 转动的相对速度 滚子的相对速度是角速度的函数 ，因转子的角速 度为常量，故速度与角速度的成正比，负号表示角速 度的旋转方 向。 2 滑动时的运动学分析 在泵高速运行时，有必要考虑滚子与轨道之间的 滑动 ，引入 坐标 系如 图 4所示 。图 中x y z 为 固定 坐 标系 ， 轴为 转子 轴 ；x y z 坐标 系 中 ，以原 点 0 为 滚子中心， 与轴线平行； 为滚子 自转轴线与滚子 平面的夹角 ； 为 自转轴线在 0 ～ Y平 面 内投影 与 的夹 角。 D 图 4 坐标关系 图5 滚子与定子轨道的接触 将滚子 自转角速度在 x y 坐标各个坐标轴上的 投影相应表示为 ∞ ， 、∞ 则有 ， b c o c o ； ∞ ， ∞ b c o s s i n fl ； ∞ ， h s i 在负荷作用下，接触面呈椭圆状，接触椭 圆的 长 、短半轴分别 为 a 、b 。由赫兹公式得 出椭 圆的表 面曲率半径 R 。 R ／ 1 可 以得到外圈定子滚道上一点沿着 滚动方 向的速 度 一 ．c o s fl一 一 √ ； 一 口 。 c 0 s 在 滚子相应一点处沿滚动方 向的速度 一 c o s s i n a p一 一 一 o ； 一 n 外 圈与滚子沿 滚 动方 向的滑 动取 决于速 度 。 和 2 。差值 一 c 。 ， c 。 s t o , , s i n a一 ， c 。 s 一 滚子 自转角速度 在 Y方 向上引起 沿接触 椭 圆 长轴方 向的滑动速度 一 一 滚子的角速 度向量 0 2 ， 和 ， ，以及外 圈滚道的角 速度 ∞，对各角速度 的投影可得 0 2 A 一0 2 。 s i n a∞ ， s i n o 一 ， c o s 一 O e c。 t O b C O S fl C O S fl C O S ao J b s i n fl s i n a- o , c o s a 一 一 c o sfl s i n fl 一 一 一 o 一 o ∞A 一 e s i n o ∞b c 0 c 0 s i n o t 一0 2 b s i c o s 考虑到滚子的变形很小 ，近似认为 r i r 。 R ， 在不计及 陀螺效应 发生时 ， 0 ，则 滚子 的旋转 角 速度 R 一R r c o s o ／ 。 一R ， r c o s i ～ 。 一 R r c o s ； c 0 c 0 s s i q s i n a R 一 R 一 r c o s c o c 0 s i s i S l‘ I l i 在滚动半径 r 处滚子 的速度等于外圈的速度， 在外圈为定子的情况下可得 。 一 R 一 r c o s a r c o c o s s i p s i n a ～ 。 R 一 R r c o s a c 0 c 0 s s i q p s i n a 一 R 一 r c o s i c 0 8 c o s a i s i I s i n o t i 计算定子接触处的 白旋角速度与滚动角速度的比 行了仿真分析，指出滚子修缘和安装时，要确保定子 值 ，此值越小滑动越小。 和转子轴线相互平行，使得滚子和定子的偏压力角为 滚子绕接触面法线的自旋运动会导致摩擦发热 ，0 ，以避免自旋的产生，为高压径向柱塞泵的设计奠 要尽量减小。零件加工和安装时，要确保转子和定子 定了一定理论基础。 轴线的相互平行，使得滚子和定子的偏压力角为 0 ， 参考文献 以避免 自旋 的产生 。 【 1 】何存兴． 液压元件[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 2 ． 3 结诊 【 2 】雷天觉． 液压工程手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 0 ． 推导了滚子的运行速度和角速度计算公式，并进 下转第 3 9页 一 _ 昌 饕罂 1 鼍 } ／ 煅 辩皿 璇 第 2期 姜 晶齿坯精车液压工装系统的研制 3 9 拉杆 3的拉 紧与松开 ，主要通过尾部专 用回转 油 缸 2和活塞杆控制 ，而专用 回转油缸 2的液压控制 系 统如 图 2所示 ，当 Y V I得 电，Y V 2失 电 ，液压 油 通 过三位 四通电磁换向阀左位 A口进人专用回转油缸 右腔，使回转油缸活塞杆带动拉杆向左移动，涨紧齿 坯；精车完毕，Y V 1失 电，Y V 2得 电，液压油通过 三位 四通电磁换 向 阀右位 B口进 入专 用 回转油 缸左 腔 ，活塞 杆带动拉杆 向右移动 ，松开并拆 卸精车完 毕 的齿坯。涨紧力大小通过溢流阀，根据被加工零件的 夹紧力大小来进行调整 。根据实际情况 ，液压油须选 择 Y BN 4 6抗磨液压油 。 2 液压系统的技术参数及使用注意事项 1 技术参数 额定压力 2 ． 5 M P a 泵最 大流量 2 5 L 电动机额定功率1 ． 5 k W 电动机额定转速 1 4 5 0 r ／ m i n 油箱有效容积 6 5 L 外 形 尺 寸 L X X H 6 1 0 m m x 4 1 0 m m X 7 1 0 mm 2 注意事项 ① 液压 工作介质该 液压 系统 中，建议 选用 Y B ． N 4 6耐磨液压油。加油时应先用 8 0目以上 滤网过 滤或通过空气滤清器的滤网过 滤。 ② 设备运行中应该随时注意运行状态，油温一 般不应超过 6 0 ℃。 ③ 油泵启 动前应检查油位，首次使用 3个月， 以后每年更换一次液压油。使用频繁时，每半年清洗 一 次滤油器。 ④ 每 3个 月定 期检 查 管 接头 及 螺 钉是 否 松 动 ， 高压胶管有无损 坏 ，电控部分是否灵敏可靠 。 3 工装系统的主要特点 精车齿坯采用上述 系统 ，主要有如下特点 1 涨 紧零件依靠液压缸活塞提供涨紧力 ，涨紧 力平稳可靠且可调范 围大 ，为一种夹具实现多个零件 加工提供 了基础 。 2 精车齿坯工序节省了车床数量以及操作者人 数 ，达到 了事半功倍的效果。 3 该系统可快速安装 、拆卸 零件 ，根据被加工 的齿坯内孔可配备不同规格的精车胎套，生产率大大 提 高。 4结束语 精车齿坯的液压工装系统 ，已经成 功地在实 际生 产中运用 ，半年来的实践证明，该工装结构紧凑 ，维 护方便 ，夹紧范围大，涨紧力可调 ，精度高，生产 率 高 ，从 根本上 解决 了齿轮 分厂 精 车齿坯 的工艺 难 点。 上接第 6 6页 3 兰 2 1 0 米 一 单个柱 塞流 量 单个柱 塞流 量 三个柱 塞总 流量 三个 柱塞时 总流量 0 0． 01 0 ． 02 0． 0 3 t l s a 凸轮泵 t ／ s b 偏心 轮泵 图4 泵总流量的仿真 4外形展示 从上面的分析可以知道活塞瞬时运动的高度，根 据参数可 由机械运动原 理知道 凸轮的形状 。在这里对 上面所假设的参数代人公式 ，用 C A X A电子图板画出 了凸轮和偏 心轮的形状 ，见 图 5 。 b a 凸轮 b 偏心轮 图 5 凸轮和偏心轮的形状 5 总结 对 阀配流径 向柱塞泵 的发展制约点进行分析 ，提 出新的设计思路 ，将原来的偏心轮改为特定曲线的凸 轮 ，从而实现 了减小流量脉动 。对多个柱塞进行错位 组合 ，实现 了柱塞泵总流量恒定 ，在理论 上实现流量 脉动不均匀系数为 0 ，并将结 果用 图示展 现 出来 。清 晰 的表现 出了凸轮 的优越性 ，为提高阀配流径向柱塞 泵 的性能提供 了新的设计思路 ，但也还有 许多不完善 的地方，需要结合实际参数进一步研究和优化设计。 参考文献 【 1 】何存兴． 液压元件[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 2 ． 【 2 】岳艺明． 阀配流式径 向柱塞 泵动态性能 的仿真研究 [ J ] ． 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