PCY14-1B斜盘式柱塞泵的柱塞优化设计

吕 霞

（辽宁省农业机械化研究所，沈阳 110161）

现代液压传动中，柱塞泵是常用液压动力元件之一，具有高压、高效率、容易实现变量且变量形势多样、单位功率的重量轻等优点。但其本身结构的特殊性，存在缸体与柱塞加工修配等相对困难、维护成本高等问题。斜盘式变量轴向柱塞泵可改善以上问题，因而得到广泛运用。根据液压设计手册和市场常用参数对PCY14-1B 斜盘式柱塞泵的柱塞进行优化设计，使其更好地发挥优势。

1 斜盘式柱塞泵工作原理

斜盘式柱塞泵属于液压泵中的动力机构，将原动机输出的机械能转换成油液的液压能，以压力和流量的形式输送到液压系统中，去驱动执行元件（液压缸、液压马达）对外做功[1]，包括柱塞、缸体、泵轴等部件。改变斜盘的倾斜方向，可改变吸、压油方向。这种柱塞泵工作径向作用力几乎为零，柱塞与缸孔配合精度小，泄露非常小[2]，连续工作压力大多在21~36 MPa范围，峰值压力为28~40 MPa，转速在3 000 r/min 以下，容量多在300~500 mL/r以下。

2 PCY14-1B 斜盘式柱塞泵设计的主要技术指标和参数

液压泵主要参数包括泵轴单转的理论排量（或称为理论容积常数）、工作转速、额定压力、峰值压力等，这些参数是柱塞尺寸设计的依据。根据有关资料、计算公式、市场需求和应用现状，确定PCY14-1B 斜盘式柱塞泵各项主要技术指标参数见表1。

表1 PCY14-1B斜盘式柱塞泵各项主要技术指标参数Table 1 Main technical index parameters of PCY14-1B swash plate type piston pump

3 柱塞设计计算

3.1 柱塞数Z的确定

根据柱塞泵瞬时输油率，可得斜盘式轴向柱塞泵的输油脉动率为：

式中：σq为不均匀系数，Z为柱塞数。由上式计算可得表2。

表2 ρq与Z的关系Table 2 Relationship between ρq and Z

从表2 可看出，输油脉动率只与柱塞个数Z有关，且随柱塞数增多而减小。当柱塞数为奇数时，输油脉动率较小。考虑到柱塞分布圆直径大小，故斜盘式轴向柱塞泵的柱塞数一般取7 或9。如果Z太小，则输油脉动率较大，而Z太大则缸体强度不够。故取柱塞数Z=7。

3.2 柱塞直径d及柱塞分布圆直径D

柱塞直径d、柱塞分布圆直径D与柱塞数互相关联。缸体上各柱塞孔直径d所占的弧长为分布圆周长πD的75%，即

已知柱塞泵理论排量q和转速n，则根据理论流量公式可得：

式中：R为柱塞直径，mm；Z为柱塞数；R为分布圆半径，mm；γ斜盘最大倾角，°；n为缸体转速，r/min。

根据液压缸径系列表（JB826-66）选取柱塞直径为d=32mm。对分布圆半径进行圆整，取R=48 mm，即分布圆直径D=96 mm。

3.3 柱塞名义长度l

由于柱塞球头中心受很大的径向力作用，为使柱塞不致被卡死及保持足够的密封长度，应保证柱塞有最小留孔长度l0。当工作压力Pd≤20 MPa时，l0=（1.4~1.8）d；当Pd≥30 MPa 时，l0=（2~2.5）d。式中：d为柱塞直径，32 mm。

设计工作压力为32 MPa，故l0=（2~2.5）d=64~80 mm，取最小留孔值l0=68 mm。

柱塞名义长度l应满足

l≥lo+Smax+lmin

式中，Smax为柱塞最大行程；lmin为柱塞最小外伸长度，一般取lmin=0.2 d=0.2×32=6.4 mm。

根据经验数据：当pd≤20 MPa 时，取l=（2.7~3.5）d；pd≥30 MPa 时，取l=(3.2~4.2)d。泵的额定工作压力为32 MPa，则l=(3.2~4.2)d=102.4~134.4mm，这里取值l=110mm。

3.4 柱塞球头部相关尺寸计算

1）柱塞球头直径dh比柱塞直径略小，一般取值dh=(0.7~0.8)d=22.4~25.6mm。本设计取dh=25mm。

2）柱塞颈部直径dk一般比柱塞球头直径小，dk=(0.5~0.6)d=16~19.2mm，这里取dk=19mm。

3）为保证柱塞排油结束时圆柱面完全进入柱塞腔，应使柱塞球头中心至圆柱面保持一定的距离la，一般取la=(0.4~0.55)d=12.8~17.6mm，这里取la=16 mm。

4）柱塞腔尺寸d1和l1是为了减小柱塞质量、减少移动惯性力而设置的，设计时要考虑柱塞强度。根据经验取值5 mm，两边壁厚4.5 mm，则d1=23mm，l1=87.18mm。

3.5 滑靴设计

1）结构与参数设计。滑靴采用带辅助支撑，其结构和端面尺寸如图1所示。

图1 滑靴Figure 1 Piston shoes

根据资料选取压紧系数ε=1（斜盘倾角为0时）。当γ=180时

因斜盘倾角为0 时压紧力与液压反推力相等[3]，故

式中：R5为滑靴底部密封带的内半径；R6为滑靴底部密封带的内外径。

由于密封带很窄，故可近似地假设密封带上压力呈线性分布，则

计算得出R6+R5=32mm。

一般滑靴密封带外径与内径比为1.6~2.0，根据经验选择范围，这里取值1.2，得到计算值：d6=35mm，d5=29mm

d2=25mm时，缝隙δ=0.02~0.025mm

d1=（0.95~1.0）d=31mm

式中：d为柱塞外径，取d4=10mm。对应的深度为3mm，取h0=5.5mm，以保证在旋转角度后不产生干涉。

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

2）材料选择。在材料选择上，选用ZQAL9-4，许用比压Pc=30 MPa，许用滑动速度v=8m/s，许用比功率Pcv=60 MPam/s，由此可知许用值Pv=1.24 MPa<30 MPa。

极限许用值Psv_=6.394 MPa m/s<60 MPa m/s ，这表明滑靴设计合理。

4 结语

鉴于斜盘式柱塞泵在液压传动中的应用较为广泛，对其进行优化设计可使其更大限度地发挥优势，进而提升工作效率。但在元件生产过程中，还要结合企业装配车间情况，考虑斜盘式柱塞泵的生产、装配、出厂试验等布局，优化装配线总体设计方案，以使生产的元件符合装配要求。