机械毕业设计11363CY141B轴向柱塞泵改进设计.docx
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机械毕业设计11363CY141B轴向柱塞泵改进设计
第1章前言
第1.1节课题提出的背景和意义
1.1.1、课题的研究背景
当今国内的工业社会,尚处于发展阶段,所以中、重型工业占主导地位。
而液压传动因其自身独特的特点被大量应用于各中、重型业中。
液压泵作为液压传动的一个主要动力结构,自然对其的需求量很大。
CY14-1B型轴向柱塞泵是目前国内使用较多的一类液压泵。
因其市场广阔,所以对其有开发研究有着不错的前景。
1.1.2、课题的来源,目的和意义
邵阳维克液压有限责任公司以液压泵、液压阀、及液压系统为公司生产项目。
液压泵——CY型轴向柱塞泵的生产量,在全国处于领先地位。
所以,再加上该公司有一二十年的经营生产经验,给本次设计提供了很好的实际生产经验基础。
本次改进的设计有相当一部分来源于邵阳维克液压有限责任公司,为设计缩短了时间,提高了效率,更增加其实效性。
邵阳维克液压有限责任公司液压泵近两年来销售的情况如表1.1所示:
表1.12006年1月至4月的泵销售情况统计
数型
号
量
月份
1.25
ml/r
2.5ml/r
10ml/r
13ml/r
25ml/r
32ml/r
40ml/r
63ml/r
80ml/r
160ml/r
250ml/r
1
63
719
11
11
2
98
338
260
2
3
1359
291
185
268
4
1557
195
合计
63
98
719
11
1697
291
185
1825
195
271
2
续表1.12005年全年的泵销售情况统计
数型
号
量
月份
1.25
ml/r
2.5ml/r
10ml/r
13ml/r
25ml/r
32ml/r
40ml/r
63ml/r
80ml/r
160ml/r
250ml/r
1
13
144
20
257
221
24
17
2
2
328
91
9
285
31
10
3
8
15
117
19
251
17
236
34
41
4
14
22
173
422
4
192
29
38
5
1
24
88
24
137
19
131
22
4
6
11
148
2
248
34
253
37
45
7
3
5
116
317
8
188
33
26
8
19
117
168
6
1
203
47
52
9
2
11
69
206
9
14
240
34
23
10
2
4
88
30
118
23
11
376
14
23
11
1
36
125
1
136
12
9
164
57
51
12
10
4
168
162
31
3
124
90
21
合计
62
457
1444
76
2422
172
38
2613
452
351
由表1.1可以看出,25CY14-1B和63CY14-1B销售形势最好,所以如果在这两种型号上进行技术改进,提高其性能,那么泵的销售量一定会更高一些。
本论文研究销售形势最好的63CY14-1B泵的结构和性能,并对其进行改进。
这次改进的目的,是为了配合公司的技术创新,同时也为锻炼自己的设计水平。
小平同志说过:
“实践是检验一切理论知识正确性的唯一途径。
”自己在邵阳维克液压有限责任公司工作了将近半年时间,在学校学了四年的基础及专业知识,学得怎么样,通过这次设计的检验,可以找出自己的优缺点。
发扬优点,改正缺点,才能让自己不断的学习、不断的成长,以适应当今迅速发展的社会,而不被淘汰。
质量是企业的第一生命!
一个企业要发展,最重要的是公司产品质量能够让用户满意。
公司提高产品的生产效率,增加产品的产量,无非是想降低社会必要劳动时间,以达到降低劳动成本,从而降低商品价格的目的。
由于各公司之间相互竞争,所以都在不断降低价格,但是,由于人力、物力等多方面因素的影响,不可能无限制的降低价格来提高产品的市场竞争力。
当同行的各公司都把价格降为公司最低的时候,质量就成为最有力,也最可行的竞争手段。
而质量又可以分为产品质量以及售后服务质量两种。
技术创新,属于提高产品质量一种有效有手段。
本次设计,对63CY14-1B型泵的改进,就是从降低噪音,提高性能来着手,以提高公司泵的质量,提高市场竞争力。
第1.2节国内外研究开发水平及发展趋势
机械传动、电气传动、液压传动及气压传动是目前工业中最常用的几种传动方式。
而液压传动因其工作压力高、传输功率与执行机构的重量比较大、可以无级变速等特点,现在被广泛地应用于各种工程机械之中。
而液压传动中一个很重要的能量转化元件——液压泵,更是应用之广泛。
邵阳维克液压有限责任公司是全国最大产量的轴向柱塞泵公司,去年的泵的销售额达七八千万,并不断的提高,今年预计销售额达到近一亿。
可见现在工业市场对于泵的需求量是相当大的。
但是,每年返回三包的泵的数量也不少,公司泵的在三包服务在一年以内。
而国外的进口泵(主要以美国和德国为主),一般三包时间都在三四年以内,有的甚至更长。
这也就是,为什么进口泵能够在价格上高于国内价格的几倍,甚至十倍的原因所在。
另外在外型上来讲,进口泵更加美观、更加轻巧便利。
因此,在国内,对于泵的改进是必需的,而且还有相当长的路要走。
同行业中,北京华德液压由于引进了德国进口低噪音和高性能泵技术,在泵的生产及销售中跑到了前面,他们生产的泵虽然价格昂贵,但是以低噪音、高性能以及外表美观而著称[1]。
在国外,美国PVB轻型高性能泵与西德的CY系列低噪音及高性能泵,处在世界领先地位,我们国内的很多液压厂家,都各自的引进了相关的技术,发展生产。
但由于技术力量的薄弱,在质量与外观上,缺乏竞争力。
据了解,现在国内有很多私营企业,宁愿花高价从国外购置高价的进口泵,也不愿意尝试国内的“本土泵”。
所以,国内泵的发展趋势就是低噪、轻型及高性能。
谁能更快更早的掌握这种技术,谁就能在同行业中拥有最强的竞争力,最广的市场,最高的利润。
第1.3节课题研究目标
本次设计为了降低63CY14-1B型泵的噪音、减少原材料以及提高各方面的性能,以CY泵中的三个摩擦副特别是配油盘上的鼠尾为突破口,基础理论问题为背景开展研究。
为63CY14-1B型泵的进一步开发建立起坚实的理论基础。
1.3.1、主要研究内容
(1)泵的基本工作原理分析
(2)CY型泵的工作原理分析
(3)噪音来源的分析
(4)改进后的泵实验分析
1.3.2、主要研究成果
(1)通过基本原理分析,绘制出原理图,详细形象的讲述了泵是如何工作的。
其原理适合所有泵。
(2)通过对CY型泵的工作原理分析,结合原理图,对照普通的原理,更详尽的说明了它的具有的个性特点,为后面讲解如何降噪等举措做了准备。
(3)经过对噪音来源的分析,找出了影响泵噪音的两类因素。
然后针对各类因素,进行改进设计,使得设计有一定的条理性,不至于让人感到混乱不清。
(4)对所有的改进而进行的实验,验证以上理论以及结构的改进是科学和合理的。
而且还具有很强的可操作性(因为可以直接拿来用于实际工作生产)。
第2章液压泵的原理与计算
第2.1节液压泵的原理与分类
2.1.1、液压泵的传动和工作原理
液压传动原理:
液压传动技术的发展与流体力学的理论研究有着密切的关系,液压传动技术的工作原理就是流体力学中的一个原理,称为巴斯噶原理。
巴斯噶原理。
内容如下:
(1)作用在密封容器中的静止液体的一部分上的压力,以相等的压力传递到液体的所有部分
(2)压力总是垂直作用于液体内的任意表面的
(3)液体中各点的压力在所有的方向上都相反
液压泵是液压系统的主要元件,同时也是液压传动一个不可缺少的能量转换装置。
液压泵是将原动机的机械能转换成工作液体的压力能,在液压系统中,液压泵作为动力源提供液压传动所需的流量和压力。
它的工作原理是:
靠密封的工作容积发生变化而进行工作,属于容积式泵。
液压泵的工作原理如图2.1所示:
1-缸体2-偏心轮3-柱塞
4-弹簧5-吸油阀6-排油阀
A-偏心轮下死点B偏心轮上死点
图2.1液压泵的工作原理图
该泵体由缸体1、偏心轮2、柱塞3、弹簧4、吸油阀5和排油阀6等组成。
缸体1固定不动;柱塞3和柱塞孔之间有良好的密封,而且可以在柱塞孔中作茧自缚轴向运动;弹簧4总是使柱塞顶在偏心轮2上。
吸油阀5的右端(即液压泵的进口)与油箱相通,左端与缸体内的柱塞孔相通,左端(即液压泵的出口)与液压系统相连。
当柱塞处偏心轮的下死点A时,柱塞底部的密封容积最小;当偏心轮按图示方向(顺时针)旋转时,柱塞不断外伸,密封容积不断扩大,形成真空,油箱中的油在大气压的作用下,推开吸油阀内的钢球而进入密封容积,这就是泵的吸油过程,此时排油阀内的钢球在弹簧的作用下,将出口关闭;当偏心轮转至上死点B点时,柱塞但出缸体最长,柱塞底部的容积最大,吸油过程结束。
偏心轮继续旋转,柱塞不断压缩,密封容积不断缩小,其内的油液受压,吸油阀关闭,并打开排油阀,将油液排到液压泵出口,输入液压系统;当偏心轮转至下死点A与柱塞接触时,柱塞底部密封容积最小,排油过程结束。
偏心轮不断的旋转,就能让液压泵不断进行吸油与排油的动作,从而为液压系统提供所需的流量与压力[2]。
通过上述的工作过程的分析,可以得出所有液压泵工作的必要条件:
(1)吸油腔与压油腔要互相分隔开,并且有良好的密封性。
当柱塞上移时,排油阀6以右为吸油腔,以左为压油腔,两腔由排油阀隔开;当柱塞下移时,吸油阀5以左为压油腔,以右为吸油腔,两腔由吸油阀5隔开。
(2)由吸油阀容积扩大吸入液体;靠压油腔容积缩小排出(相同体积的)液体。
即靠“容积变化”进行工作。
(3)吸油腔容积扩大到极限位置后,先要与吸油腔切断,然后再转移到压油腔中来;压油腔容积缩小到极限位置后,先要与压油腔切断,然后再转移到吸油腔中来。
2.1.2、液压泵的分类
按液压泵中主要运动构件的形状和运动方式来分,有齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、轴向柱塞泵、径向柱塞泵等类型。
本论文主要研究讨论63CY14-1B型轴向柱塞泵。
第2.2节液压泵的性能参数
2.2.1、压力p(单位Pa)
(1)吸入压力:
泵进口的压力。
(2)额定压力:
在正常工作条件下,按试验标准连续运转的最高压力。
(3)最高允许压力:
按试验标准规定,超过额定压力允许短暂运行的最高压力。
(4)工作压力:
泵实际工作的压力。
在实际工作中,泵的压力是随负载而定的。
2.2.2、排量和流量
(1)排量V:
泵每转一弧度,由几何尺寸计算而得到的排出液体的体积,称为泵的排量(m3/rad或ml/rad)
(2)泵的理论流量qt:
在不考虑泄漏的情况下,泵在单位时间内排出的液体体积,称为泵的理论流量。
设泵的角速度为ω(rad/s)[转速为n(r/min)],则
qt=ωV(m3/s)(2.1a)
或qt=2πnV/60(m3/s)(2.1b)
(3)泵的瞬时流量qsh:
每一瞬时的流量,称为泵的瞬时流量(m3/s)。
一般指泵的瞬时理论流量。
(4)实际流量q:
泵工作时实际排出流量,称为泵的实际流量。
它等于泵的理论流量qt减去泄漏、压缩等损失的流量△q(m3/s),即
q=qt-△q(m3/s)(2.2)
通常称为容积损失,它与工作油的粘度、泵的密封性及工作压力等因素有关,如图2.2所示[3~4]。
(5)额定流量qn:
泵在额定压力和额定转速下输出的实际流量,称为泵的额定流量(m3/s)。
2.2.3、功率和效率
(1)理论输入功率Prt:
用理论流量qt(m3/s)与泵的进出口压差△p(N/m3)乘积来表示,即
Prt=qt·△p(N·m/s)(2.3)
图2.2泵的流量q与工作压力p的关系
(2)实际输入功率Pr:
实际驱动泵轴所需的机械功率,称为泵的实际输入功率。
设实际输入转矩为T(N·m),输入角速度为ω(1/s)[转速为n(r/min)],则
Pr=ωT(N·m/s)(2.4a)
或Pr=2πnT/60(N·m/s)(2.4b)
(3)理论输出功率Pt:
用理论流量qt与泵的进出口压力差△p的乘积来表示,即
Pt=qt·△p(N·m/s)(2.5)
(4)实际输出功率P:
用实际流量q与泵的进出口压力差的乘积来表示,即
P=q·△p(N·m/s)(2.6)
(5)容积效率ηv:
泵经过容积损失(△q)后的实际输出功率与理论功率之比,称为容积效率,即
ηv=P/Pt=q·△p/qt·△p=q/qt=1-△q/qt(2.7a)
或q=qtηv(2.7b)
(6)机械效率ηm:
泵的理论输出功率与实输出功率之比,称为泵的机械效率,即
ηm=Pt/Pr=qt·△p/Pr(2.8)
ηm与相对运动零件间和零体与流体间的摩擦损失有关。
(7)总机械效率η:
泵的实际输出功率与实际输入功率之比,称为总机械效率,即
η=P/Pr=q·△p/Pr=qtηv·△p/Pr=qt(ηv·△p/Pr)
=ηv·ηm(2.9)
由上式可知,泵的总效率等于其容积效率和机械效率的乘积。
泵的容积效率ηv、机械效率ηm、总效率η、理论流量qt、实际流量q和实际输入功率Pr与工作压力p的关系曲线如图2.3所示。
这种性能曲线是对应一定品种的工作液体、某一转速和某一温度下作出的。
由图可知,容积效率ηv(实际流量q)随压力增高而减小;机械效率ηm开始时迅速上升,而后变缓;总效率η始于零,且有一个最大值[5]。
第2.3节轴向柱塞泵名称的由来与特点
2.3.1、名称的由来
轴向柱塞泵名称的由来:
因柱塞与缸体轴线平行或接近平行而得名[6]。
2.3.2、特点
对于CY14-1B型轴向柱塞泵来说,它的工作原理与本章开头所讲类似,但由于其结构的特殊性,其工作原理也有其特性。
CY14-1B型轴向柱塞泵是采用配油盘配
油,缸体旋转(与以上缸体不动相反)的轴向柱塞泵。
由于滑靴与变量头之间,配油盘与缸体之间采用了液压静力平衡结构,因而与其它类型的泵相比较,它具有结构简单、体积小、效率高、寿命长、重量轻,自吸能力强等优点。
此类型的泵,更换马达配油盘后,还可以作液压马达使用。
图2.3泵的性能曲线
下面就CY14-1B型轴向柱塞泵工作原理与以上所讲的液压泵对照说明一下。
如图2.4所示,CY14-1B型轴向柱塞泵同样也有缸体、柱塞、吸油口、排油口,另外还有传动轴、配油盘、变量头、滑靴等结构。
此泵,缸体不是固定不动的,而是在电机带动传动轴转动,传动轴再通过花键与缸体配合,带动缸体旋转因为滑靴紧贴着变量头,所以柱塞不被拉伸和压缩,柱塞底部的密封容积就能不断变化,由于大气压力的作用使得吸油口(通过一条吸油管与油箱相连)从油箱吸油和把吸入的液压油排出泵体送入液压系统[7]。
对比一下以上泵的工作原理,CY14-1B型轴向柱塞泵的优点比较实出,在国内有很广阔的市场。
图2.4CY14-1B型轴向柱塞泵工作原理简图
2.3.3、型号
CY14-1B型轴向柱塞泵有以下几种型号:
YCY14-1B(压力补偿型)、MCY14-1B(定量型)、PCY14-1B(恒压型)、MYCY14-1B(定级压力补偿型)、CCY14-1B(伺服变量型)、DCY14-1B(电动型)、SCY14-1B(手动变量型)等类型。
邵阳维克液压厂主要是以YCY、SCY、MCY、PCY为主。
而每种型号的泵,还有排量之分。
从2.5ml/r~250ml/r不等。
而邵阳维克液压所有的类型有,2.5ml/r、10ml/r、13ml/r、25ml/r、32ml/r、40ml/r、63ml/r、80ml/r、160ml/r、250ml/r。
现将泵的型号及一些数据如表2.1所示:
表2.1泵的型号及其数据参数[8]
型号
公称压力MPa
公称排量ml/r
公称流量L/min
最大传动功率KW
最大理论扭矩N*m
重量kg
1000
r/min
1500
r/min
1000
r/min
1500
r/min
1.25
MCY14-1B
31.5
1.25
1.25
1.88
0.7
1.1
3.92
6.9
2.5
MCY14-1B
31.5
2.5
2.5
3.75
1.43
2.15
12.25
7.2
10
MCY14-1B
31.5
10
10
15
6.3
9.4
61
16.4
CCY14-1B
24.6
YCY14-1B
24.9
MYCY14-1B
26.0
SCY14-1B
23.7
DCY14-1B
25.4
PCY14-1B
24.9
25
MCY14-1B
31.5
25
25
37.5
14.6
23
139
28.4
CCY14-1B
38.5
YCY14-1B
39.0
MYCY14-1B
41.0
SCY14-1B
36.0
DCY14-1B
41.0
PCY14-1B
39.0
63
MCY14-1B
31.5
63
63
100
39.6
55.6
352
56.0
CCY14-1B
70.0
YCY14-1B
71.0
MYCY14-1B
74.0
SCY14-1B
64.5
DCY14-1B
74.0
PCY14-1B
71
160
MCY14-1B
31.5
160
160
--
91.4
--
869
138
CCY14-1B
154
YCY14-1B
154
MYCY14-1B
168
SCY14-1B
150
PCY14-1B
154
250
MCY14-1B
31.5
250
250
--
145
--
1382
200
CCY14-1B
230
YCY14-1B
232
MYCY14-1B
231
SCY14-1B
230
PCY14-1B
232
13※GY14-1B
24.5
13
13
20
6.35
9.5
45
16.4-26
32※GY14-1B
24.5
32
32
48
11.2
16.7
106
36-41
80※GY14-1B
24.5
80
80
120
38.4
57.6
305
56-74
第3章泵的噪音来源与改进
第3.1节噪音来源分类
机器噪声来源有四个方面:
传动噪声(如齿轮、链轮等);液压噪声(如液压泵、液压缸等);电磁噪声(如电磁溢流阀、电磁换向阀等);空气噪声。
CY14-1B型泵的噪音属于液压噪声,其来源又分为两类:
(1)人工装配与使用不当造成的噪音
(2)条件所造成的噪音(这是此次改进方案要研讨的问题)
3.1.1、人为噪音
首先,我们先来介绍一下第一类型的噪音主要有哪些原因,只有熟悉这些,并把有些建议写进产品使用说明书里,才能降低泵的返修率,为公司节约不少的维修费用,同时也能在泵本身条件之外,提高泵的使用寿命和降低泵工作时的噪音。
(1)装泵的时候,泵内不干净,有油渣和铁屑等杂质。
(2)传动轴与缸体配合的间隙过大,跳动比较大
(3)放配油盘的时候,没有放平,使缸体与配油盘贴合不好
(4)使用的液压油粘度太高,油温低于所允许的工作温度范围
(5)没有降温设备,使得油温高出正常工作温度许多
(6)连接吸油口与油箱的吸油管过长或是漏气
(7)油箱内的液面太低,吸油管有空气进入
(8)在盖上变量体壳之前没有往泵体内注入引油
(9)装配泵完毕后,没有把螺钉拧紧
(10)在安装进出油管的时候,漏装密封圈或是没有拧紧有空气进入
(11)在泵还没有正常动作之前,一开始就把压力打到额定压力
3.1.2、非人为噪音
接下来,我们再来说说泵自身的哪些结构对噪音有影响。
CY14-1B型泵结构中包含三个摩擦副:
①缸体与配油盘的摩擦(主要摩擦)②变量头与滑靴的摩擦(次主要摩擦)③柱塞与柱塞孔的摩擦(次要摩擦)。
三个摩擦副都会产生噪声,为非人为噪声的主要来源。
第3.2节摩擦副的影响因素
3.2.1、缸体与配油盘的摩擦
缸体与配油盘的摩擦是三个摩擦副中最主要的摩擦副,也是导致泵出现故障的主要原因。
缸体的结构如图3.1所示,轴向有七个均布的柱塞孔,孔底的进出油口为腰形孔,其宽度与配油盘上的吸排油腰形窗口对应。
腰形孔的通流面积比柱塞孔小,因此当柱塞压油时,油液压力对缸体产生一个轴向推力,加上定心弹簧的预压紧力,构成缸体对配油盘的压紧力F1。
图3.1缸体
配油盘结构如图3.2所示,其排油窗口及其内外密封带上的液压力是企图推开缸体的反推力F2,F2的大小与R1、R2、R3、R4和R5的大小有关。
合理设计配油盘的尺寸,可以使压力稍大于反推力,从而使缸体压紧在配油盘上,保证其密封性,又不过分磨损,通常取压紧系数m=F1/F2=1.02~1.08[9]。
其中鼠尾的长度与定位销孔的位置与噪音有着很大的关系,此次设计的改进,主要是从改变鼠尾的长度和配油盘上进出油口的宽度来实现的。
具体实验方法见第3.3节。
3.2.2、变量头与滑靴的摩擦
变量头与滑靴的摩擦是三个摩擦副中次主要摩擦。
如图3.3所示,当柱塞底部受高压油作用时,液压力P通过柱塞将滑靴紧压在斜
图3.2配油盘
盘上,若此压力P太大,就会使滑靴与斜盘的摩擦增大,造成滑靴的磨损严重,甚至烧坏而不能正常工作。
为了减小滑靴与斜盘之间的接触应力,根据静压力平衡的理论,采用剩余压紧力的方法。
即将柱塞底部的压力油引至滑靴底面的油室a,使油室a及其周围的环形密封带上压力升高,产生一个垂直于滑靴端面的液压反推力Ff。
Ff的大小与滑靴的端面尺寸R和r有关,方向与柱塞对滑靴的压紧力Fn1相反,通常取压紧系数m=Fn1/Ff=1.05~1.10。
这样,既可以保证滑靴不脱离斜盘,又不至于压得太紧而加速磨损。
3.2.3、柱塞与柱塞孔的摩擦
柱塞与柱塞孔的摩擦是三个摩擦副中的次要摩擦。
如图3.3所示,斜盘对柱塞的反作用力Fn可以分解为轴向力Fr=Fncosa和侧向力Ft=Fnsina。
轴向力Fr与柱塞底部的液压力平衡,侧向力Ft通过柱塞传给缸体,它可以使缸体倾斜,造成缸体和配油盘之间了现楔形间隙,使泄漏增大,而且使密封表面产生局部接触,导致缸体与配油之间的表面烧伤。
同时也导致柱塞与缸体之间的摩擦。
为了减小侧向力,斜盘的倾角一般不大于20度[10~11]。
3.2.4、零件材料的选择
为使三对摩擦副能正常工作,还要选择合理零件材料。
一般摩擦副的材料要软硬配对,如柱塞选18CrMnTiA、20Cr、40C
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