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3D打印星型液压泵

发布时间:2018-07-09 01:08:00 文章来源:未来智库    
    【关键词】 六缸 油压 效率 星型 液压泵
    液压泵是液压系统的动力元件,将原动机的机械能转换成液体的压力能,向整个液压系统提供动力。随着工业快速发展,液压泵广泛用于船舶、矿山、冶金、机床等各类机械中,是现代工业的“心脏”。现有液压泵存在一些缺点,如齿轮泵容积效率低、工作压力低、冲击大及流量脉动大等。
    针对普通液压泵的这些不足,设计了此款星型液压泵,该星型液压泵原理类似于星型发动机。星型发动机是一种气缸环绕曲轴呈星型排列的一种柱塞式发动机。该星型液压泵具有可靠性高、单位功率重量轻和功率提升潜力大等优点。
    1 星型液压泵介绍
    1.1 整体设计
    星型液压泵利用密封工作容腔的容积变化来实现吸压油过程。当柱塞里推时,工作室内压力小于进口压力时,出口阀关闭,进口阀打开,液体进入;柱塞外推时,工作室压力高于出口压力时,进口阀关闭,出口阀打开,液体排出。当传动轴旋转时,偏心轮将柱塞从缸体中里外推,完成吸排油过程。柱塞与缸孔组成的工作容腔中油液通过配油盘与泵的吸排油腔相通。星型布置使六个柱塞缸能够同时工作,依次吸油排油,在具有流量大的同时也能够做到压力平稳。利用3D打印技术,通过合理设计复杂内腔及缸体来减少油路和连接件等的零件数,提高装置的可靠性(如图1、图2)。
    1.2 各组成部分设计
    该星型液压泵主要由柱塞模块、组合单向阀模块、偏心轮机构、管道、缸体和溢流阀过压保护系统等组成。
    (1)柱塞模块。启动后偏心轮转动,带动外表面切合的六个柱塞做往返运动。每个柱塞缸底部配有组合单向阀,当柱塞向里运动时,液压油由进油口进入液压缸;当柱塞向外运动时,缸体内的油被压入出油口。
    (2)组合单向阀模块。单向阀用于液压系统中防止油流反向流动。通过组合设计,将柱塞缸连接的进出油口的两单向阀设计为组合单向阀(如图3)。
    (3)偏心轮转子轴模块。为了在减少零件数的同时降低工作噪声,本设计利用3D打印的优点,将偏心轮与主传动轴设计为一个整体。消除了偏心轮与转轴的配合间隙,使液压泵运转时噪声更小,更平稳。
    (4)泵体集成管路模块。充分利用3D打印的特性,将复杂交错的泵体管路集成于泵体本身,减少外在管路的布置,节省了材料(如图4)。
    (5)溢流阀过压保护模块。系统正常工作时,阀门关闭。在出油管和吸油管之间添加了内嵌式过压保护溢流阀,当出油管的压力超过额定压力时,部分液压油会从溢流阀流回吸油管,从而实现了液压油压力的稳定(如图5)。
    (6)缸体环布翅片模块。由于液压泵在工作时,液压油的温度较高,为此在每个缸体周围布置了散热翅片,一方面增强了散热,另一方面增加了液压缸的强度。
    2 星型液压泵的功能
    (1)输出高油压:高压泵的使用压力一般为10~100MPa。六缸同时工作,六个压油口和六个吸油口分别汇成两条管路,实现液压泵的高油压的输出。
    (2)减小冲击:星型液压泵六个缸体依次间隔1/6周期到达压力波峰,汇集后使总压力相对平稳,能够很好地减小油压的冲击。
    (3)提高容积效率:液压泵的容积效率是指实际送出的流体和理想没有泄漏情形下可送出流体的比例。星型液压泵结构紧凑,大大减小液体在泵体内泄露的体积,提高了其容积效率。
    (4)提高整体效率:星型液压泵的容积效率高,而且采用星型排布的六缸柱塞泵方式,相当于六个泵同时工作,可大大提高整体效率。
    (5)过压保护:内嵌式溢流阀位于出油管和吸油管之间。系统压力超过调定压力时,部分液压油会从溢流阀流回吸油管,从而实现了液压油压力的稳定。
    3 主要技术参数及材料选择
    (1)偏心轮机构的参数设计。偏心轮机构可以使液压泵工作时,六个柱塞泵能够保证总流量的稳定,并且在柱塞泵在吸油到排油状态转换时避免油压冲击。
    (2)输出油压参数。液压泵的油压分析,从柱塞运动规律知,单个柱塞向外压油时,其速度逐渐加快,即油压逐渐加快,在达到半个周期时压力达到最大值,然后变为负压,如此液压泵的油压波动会相对较大。单缸输出压力与柱塞运动行程成一定比例关系,可知单缸的油压冲击为脉动冲击。
    当有六个相同的液压缸同时工作时,压力依次相隔1/6周期达到最大值,在出油管汇总后其总压力相对较平稳。将函数公式进行图形绘制,整体液压泵输出的压力参数图如图6。
    星型液压泵可以输出较为稳定的油压,给液压泵及液压系统带来较为稳定的工作条件。由此,星型液压泵将会比普通液压泵的寿命长,其所带来的经济效益将随之增加。
    (3)材料的选择。根据3D打印及液压泵工作强度和刚度的要求,选择高强度低合金钢为该液压泵的3D打印制造材料。其为可焊接的低碳工程结构用钢,有较高的屈服强度,有较好的冷热加工成型性、焊接性,较好的抗腐蚀能力。高强度低合金钢能够承受高压的冲击,其综合性能相对较好。
    4 结语
    星型液压泵是以现有产品为原型,将柱塞泵进行结构上创新。采用偏心轮机构和星型排列的柱塞缸来实现六个柱塞的交替往复运动。六个缸体依次间隔1/6周期到达压力波峰,汇集后使总压力高且相对平稳,流量量大而冲击小。六个压油口和六个吸油口分别汇成两条管路,实现液压泵的大排量工作。
    星型液压泵零件可采用标准件,3D打印可满足泵体复杂结构的要求,安全系数相对较高。星型液压泵克服普通液压泵存在冲击大流量小的缺点,这对一些精密油路控制系统有着较高的应用市场。星型液压泵的优点将会使其占有未来液压泵行业一定份额,同时它也将会是未来大功率液压泵发展的一个重要领域,其市场前景将非常广阔。
    参考文献:
    [1]彭文生,等.机械设计.第2版.武汉:华中科技大学,2000.
    [2]曲彩云,等.机械设计手册.第3版.北京:机械工业出版社,2007.
    [3]许贤良,韦文术.液压缸及其设计.第5版.北京:国防工业出版社,2011.
    [4]闻德生.液压元件的创新与发展.第4版.北京:航空工业出版社,2009.
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