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海水泵滑靴副结构设计与材料选择-毕业设计.doc

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上传者: 和你yi起回忆曾经 2017-11-17 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《海水泵滑靴副结构设计与材料选择-毕业设计doc》,可适用于高等教育领域,主题内容包含海水泵滑靴副结构设计与材料选择毕业设计学号:题目:海水泵滑靴副结构设计与材料选择XXX届作者届别机械与电子工机械设计制造程系及其自动化系别专业张焱讲符等。

海水泵滑靴副结构设计与材料选择毕业设计学号:题目:海水泵滑靴副结构设计与材料选择XXX届作者届别机械与电子工机械设计制造程系及其自动化系别专业张焱讲师指导教师职称(完成时间湖南理工学院南湖学院毕业设计摘要海水泵是海水液压系统不可或缺的关键动力组件海水泵的研发对海水液压技术的发展和推广应用具有特别重要的意义。由于海水中含有大量的污染物同时海水介质具有不同于油介质的特殊化特性具有粘度低、腐蚀性强、汽化压力高等特性在连续重载工况下滑靴摩擦副极易受到污染磨损使海水性能恶化而过早失效。滑靴副的污染磨损是海水失效的主要原因和研制海水泵的关键技术难题之一。本文选择轴向柱塞式海水泵中的滑靴斜盘副(简称滑靴副)为分析对象结合国内外的研究成果对滑靴副污染磨损机理做了深入探索主要从滑靴结构设计和选材方面进行了重点分析。首先分析比较了各种滑靴副支承类型的优劣对滑靴副进行了运动和受力分析精确计算了滑靴对斜盘的压紧力分析了滑靴滑靴副的失效机理。然后为了增强滑靴副的抗污染磨损能力对滑靴副结构上进行了改进和材料选择做了分析重点对工程塑料表面喷涂陶瓷和不锈钢材料之间的对偶进行了选择筛选出摩擦学性能较好的材料搭配。关键词:海水液压传动技术滑靴副污染磨损轴向柱塞式海水泵I湖南理工学院南湖学院毕业设计AbstractSeawaterhydraulicpumpisthekeydrivingelementinhydraulicssystemsTheresearchofthepumpisveryimportanttothedevelopmentandthespreadofseawaterhydraulictechnologyAttheconditionwithheavyloadonslipperpadandswashplatepairwhichisshortlycalledforslipperpair,contaminationwearwhichmakesseawaterpumpsdisabledappearseasilyinthepair,becauseofvastcontaminationandspecialcharactersinphysicsandchemistryofseawater,suchaslowviscosity,strongcorrodibility,thebigpressureofvaporizingpoint,etcthecontaminationwearofthepairisthemainfactorthatleadsthefailureofseawaterpumpsandabarrieroftheresearchofseawaterpumpsTheslipperpairofhydraulicaxialpistonpumpischosenastheresearchobstacleinthisdissertationBasedonareviewoftheconditionanddevelopmentofitscontaminationwearhomeandabroad,constructdesign,materialchoosingandfilterdesignaredeveloptosolvedthecontaminationwearofslipperpairContentsarefollowedTotheadvantagesanddisadvantagesofvariousslipperpairareanalyzed,thedynamicandkineticmodelsaremade,thenanalyzefactorsaffectingcontaminationwearofslipperpairToimprovetheanticontaminationwearabilityoftheslipperpair,theslipperstructureisimprovedandmaterialisanalyzedandcompared,andcontaminationcontrolschemeofseawaterhydraulicsystemisproposedEspeciallyinengineeringplastic,surfacesprayedceramicandstainlesssteelThedesignedslipperistestedatslipperpairweartest,itsworkingperformanceissatisfiedwithgoodanticontaminationwearcapability,andalsogetthecontaminationwearprincipleofslipperpairKeywords:SeawaterHydraulicTechnologySlipperPairContaminationWearHydraulicAxialPistonPumpII湖南理工学院南湖学院毕业设计目录第一章绪论课题的概述和意义课题概述课题意义国内外研究现状关键技术和难点分析技术和问题方面本文研究的主要工作第二章海水泵滑靴副结构分析滑靴斜盘摩擦副的种类及演变滑靴斜盘摩擦副的运动分析滑靴的受力分析本章小结第三章滑靴副结构设计滑靴和斜盘接触面的分析及其影响滑靴设计本章小结第四章滑靴副材料选择选材原则选取材料在海水中的摩擦磨损性能本章小结第五章结论与展望本文总结本文展望参考文献致谢I湖南理工学院南湖学院毕业设计第一章绪论课题的概述和意义课题概述本文是以中高压轴向柱塞式海水泵之滑靴副为研究对象通过分析研究滑靴副的结构从结构设计和选材两个方面来研究滑靴副。海水泵是海水液压系统中的关键动力组件是整个液压系统的心脏主要功能是输出一定压力、流量的高压海水用以驱动执行组件。海水泵性能的优劣决定着液压系统工作的可靠性海水泵的研究进程也基本上决定了海水液压传动技术的发展水平。滑靴副是柱塞泵的三大关键摩擦副之一其性能优劣直接决定着整个海水泵综合性能的好坏甚至是研制的成败。因此如何设计高效、可靠的滑靴副和滑靴副如何克服由于海水中的污染物引起的摩擦磨损是研制海水泵的关键技术难题之一。首先分析滑靴副结构模型如下图所示筛选出适合海水泵滑靴副的支撑类型再分析滑靴副实际运行的工况和各种磨损机理得出影响滑靴副污染磨损的因素。然后通过滑靴副的机构分析从结构设计和选材两方面来研究滑靴副。斜盘摩擦盘水壶单柱塞泵出人阀吸入阀柱塞缸套缸体压盘回程盘滑靴湖南理工学院南湖学院毕业设计图„„„„„„„„„„课题意义海水液压传动是指直接用海水作为工作介质的新型液压传动是一门新兴的学科。由于水的粘度低、润滑性差、腐蚀性强、汽化压力高导致密封非常困难。虽然以上问题可以解决但是导致海水泵的成本是油泵的到倍。这就使得水压在过去的年里局限在几个行业(钢加工、铝加工、采矿业)范围之内这些行业之所以选择水泵是出于火灾安全的考虑。随着水压传动技术和制造业的不断发展加上人们环保意识的不断增强人们更愿意使用洁净、便宜、不易燃、容易获得的水介质。在水压技术不断发展的今天海水液压技术作为水压技术发展的一个分支也得到了很快的发展应用。随着人类对海洋接触的不断深入海水液压技术也得到了越来越广泛的应用如在海防、海洋资源勘探、海洋石油工程、海上救生、船舶工程、沉船打捞等方面都有广泛的应用。同时也对海水液压技术提出要求迫切需要研制新的海水液压系统和液压组件以满足实践的不断需要。海水液压系统可以设计成类似气动系统的开式结构即海水泵直接从海洋吸水海水做功后排回海洋。其优点具体如下:()可就地获取工作介质与油压系统相比可省去油压系统中必须具备的回油管路、油箱、冷却及加热器等液压系统重量大大减轻()免了液压油因泄漏而对海洋造成的污染不燃烧安全性好。()可采用类似于气动系统的开式系统结构海水液压系统与海洋环境相吻合特别适合于水下作业机械使用。()不存在因海水侵入系统而降低液压设备工作可靠性和工作寿命的问题。由此可见开放式海水液压传动具有与环境兼容又有防火安全性同时兼顾了卫生清洁等优越性。但也面临着严重的污染物控制问题天然海水中除了含有大量的泥沙、盐粒等固体杂质外还含有大量的微生物如海藻、细菌、原生质等它们有的带有坚硬的壳体而且形体很小有的形体柔软能够通过μm以下的过滤器。这些杂质进入系统后会引起严重的污染磨损导致组件性能的劣化或组件的损坏微生物若附着在组件表面不仅会玷污组件引起局部腐蚀它们还会集结成较大的微团对组件形成威胁再者盐分也可进入系统后再析出成硬质盐粒。同时由于海水的理化特性不同于油介质在组件关键摩擦副处形成的水膜很薄使的摩擦副对污染物十分敏感即使少量污染物也会导致严重磨损。湖南理工学院南湖学院毕业设计海水泵是离液压系统入口最近的组件最容易遭到污染物的侵害而海水泵受污染物的影响主要体现在海水泵的关键摩擦副处。滑靴副是海水泵中的重要关键摩擦副其接触比压大、运动和受力条件复杂是海水泵的薄弱环节。滑靴副容易受污染物的影响污染物进入滑靴副间隙后将造成滑靴副的污染磨损影响海水泵的工作性能有时即便是微量的污染物也能对滑靴副产生严重的磨损破坏滑靴副的密封效果进而使海水泵因容积效率急剧下降而丧失了工作能力。海水泵滑靴副污染磨损问题在海水液压组件中非常具有代表性滑靴副污染磨损问题的研究不仅可以解决滑靴副面临的污染磨损难题提高海水泵的工作性能、可靠性和使用寿命对于解决海水泵中其它摩擦副及海水液压组件、系统面临的污染磨损问题也具有很强的借鉴作用。国内外研究现状有关海水泵滑靴副污染磨损的研究目前尚无公开文献报导。但在相关领域内国内外学者对油压泵的污染磨损做了大量的研究同时水压传动和油压传动还是有一些相似的地方因此在研究方法上可以借鉴油压泵控制污染磨损的方法。在海水液压传动方面美国、英国、日本、德国、芬兰等国家早在二十世纪七十年代即开始海水液压传动技术的研究并在中高压海水液压泵及相关海水液压组件方面的研究取得了很大的进展。美国海军舰船研究中心于年研制出压力为MPa的海水泵年研制出压力为MPa流量为Lmin的多功能海水液压水下作业工具系统并正式交付美国海军水下工程队使用。近年来美国许多公司均在开展海水液压传动组件的研究。英国Hull大学于年采用整体陶瓷做缸体、配流盘和柱塞获得成功研制出MPa压力的陶瓷海水液压泵在μm粗过滤海水润滑条件下试验小时无故障发生表现出优异性能并将用于海底天然气井口启闭自给控制系统。日本的萱场工业年与法国BronzaviaAirequipment公司合作研究开发用于驱动海洋极限深度下作业的机器人海水液压动力系统已研制出压力MPa、流量Lmin、总效率的配流阀轴向柱塞式海水液压泵及相应的海水液压控制组件。德国的Hauhinco公司以研发生产水基介质液压组件而著名年在原来乳化液用五柱塞径向柱塞定量泵的基础上改变一些关键部件的配合间隙和使用材料后用于海水研发出压力可达PMa流量~Lmin共个系列的海水液压泵已成功用于海底管道铺设及维护系统等海洋开发机械设备。在油压泵污染磨损与控制方面年日本学者楼井腾就油泵污染物的硬度、大小及浓度、温度、液压泵的压力及转速对叶片泵及齿轮泵的污染敏感度的影响进行了试验研究工作并对液压泵磨损后的运动摩擦副表面形貌进行了测定和分析。美国的ECFitch教授对污湖南理工学院南湖学院毕业设计染磨损理论方面做了大量的研究工作并且提出了液压泵污染磨损理论和污染控制平衡图。我国的赵大庆曾对轴向柱塞泵改进通过改进原有配流卸荷槽不合理的结构提高了轴向柱塞泵的抗污染磨损性能延长了泵的使用寿命。在摩擦磨损、组件失效、腐蚀等方面人们也做了大量的研究工作并取得了丰硕的研究成果。华中科技大学自开始研究高水基液压传动年开始研究海水液压传动研制出国内第一台海水泵先后建立了液压组件关键摩擦副摩擦磨损试验台以及纯水液压泵综合性能试验台对纯水液压组件的选材以及摩擦学特性、组件结构优化设计等进行了系统深入的研究取得了一系列关键技术成果。年开始开展海水液压泵污染磨损课题的研究。综上所述近几十年来人们对污染磨损一直给予极大的关注这对于液压技术的发展、推广和应用起到了很好的推动作用为本文研究奠定了一定的技术基础。关键技术和难点分析对海水泵而言具有高效、可靠、抗污染磨损能力的滑靴副是其完成输出有压海水的必要条件。同时海水泵的振动、噪声、容积效率、机械效率等性能指针都与滑靴副有极大的关系要研制海水泵就须要深入研究滑靴副抗污染磨损能力。技术和问题方面由于海水的粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高、腐蚀性强等特点这些都会使滑靴副污染物加之海水中含有大量的杂质和微生物给滑靴副的设计和研究带来了困难主要存在以下关键问题:()润滑和泄漏问题由于水的粘性为(水的粘度和温度关系如下图所示)只~mms有矿物油的,。由于水的粘度低润滑性较差滑靴副表面很难形成有效的弹流润滑膜也不能形成良好的边界膜容易造成干摩擦而且海水的腐蚀容易加剧磨损进程的发展。水的粘性基本不随压力的变化而变化故润滑理论中的挤压效应对于海水的作用很小。因此需要深入研究滑靴副水润滑和磨损机理寻求改善润滑效果与提高磨损寿命的方法。湖南理工学院南湖学院毕业设计图水及矿物油的运动粘度由于水的粘度低如果在相同的结构参数下设计水膜厚度值也相同那么水静压支撑的泄漏量是油静压支撑的至倍加上水的流速快速度高能量大这将导致水静压支撑无法工作。但滑靴副适当的水泄漏也有有利于滑靴副工作性能的一面适当的泄漏不仅可以起到润滑、抗污染磨损的作用而且可以起到冷却摩擦副的作用因此必须设计合理的滑靴副水膜既要保证泵的容积效率又要保证泵的机械效率从而获得一定的总效率。()磨损问题由于水的润滑性差通常金属摩擦副表面常处于直接接触状态很快便会磨损。同时海水对摩擦副的腐蚀作用也会大大加速磨损的进程和加剧磨损的速度。加之海水中微生物、各种杂质和内部残留着的磨屑的侵入会导致三体磨粒磨损。材料磨损的四种形式粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损在水介质滑靴副中都存在而且磨损量比油泵中的大。因此需要筛选出低成本的自润滑性良好的摩擦副材料改善润滑效果和提高磨损寿命。()腐蚀问题海水液压系统的设计离不开金属的材料选择但材料长期处于海水中会发生生锈、蚀孔、断裂等现象形成巨大危害。据年到年统计约有的海洋平台出现过事故其中大多数是因腐蚀造成的。由于海水是一种含有多种盐类近中性的电解质溶液并溶有一定量的氧这就决定了大多数金属在海水中遭受腐蚀的电化学特征。即使用陶瓷材料的表面涂层也有可能引起材料及涂层或粘结层中特定相的选择性析出及涂层与金属接口的缝隙腐蚀。因此材料湖南理工学院南湖学院毕业设计选择和搭配显的格外重要必须充分考虑选择性能良好的新型耐腐蚀材料。()气蚀问题海水的抗汽化压力高(如C时为MPa)是矿物油的近千万倍加之海水中存在,(体积比)的空气特别容易诱发海水汽化导致气蚀剥蚀零件表面材料破坏固体表面带来振动和噪声破坏滑靴副的静动态质量。因此需要研究气蚀特性分析气蚀产生的条件提出防止其实的对策。()过滤问题在海水液压系统采用开式系统结构的同时也暴露出海水液压系统的弱点就是海水中含有大量的杂质。海水中除了有泥沙、盐粒之外还有大量的微生物如海藻、细菌、原生质等。他们有的带有坚硬的壳体而且形体很小能够通过μm以下的过滤器。这些杂质进入海水泵滑靴副后会引起严重的磨粒磨损导致滑靴和斜盘的损坏或性能的劣化。因此必须采取相应的过滤措施来控制污染物。海水是一种很适宜微生物生长的环境。微生物进入系统容易附着在组件表面不仅玷污组件引起局部腐蚀他们还能继续生长集成较大的微团引起零件的卡死、节流孔堵塞等故障造成液压组件及系统的失效。因此必须采取有效的杀菌手段来控制海水中的微生物。本文研究的主要工作本论文的主要内容如下:()海水泵滑靴副结构分析由于海水泵是以海水为特殊润滑介质其结构上有其特定的性质所以应该对其做一个全面的分析。()滑靴副的结构设计对滑靴副的结构进行改进提高滑靴副的抗污染磨损性能。论证了滑靴副支承类型选择选取适当的压紧系数建立适当的水膜对原有滑靴副结构进行改进并计算中心弹簧的最优压紧力。()滑靴副的材料选择根据海水的特殊理化特性制定海水滑靴副的选材原则并对金属、陶瓷和工程塑料三种常用的海水泵用材进行摩擦学性能分析。湖南理工学院南湖学院毕业设计第二章海水泵滑靴副结构分析海水泵滑靴副设计的关键在于滑靴副支承类型的选择和力平衡的设计滑靴的工作性能关系到整个泵、甚至整个液压系统的工作性能。合理的滑靴结构设计是滑靴正常工作的前提保障也是提高滑靴副抗污染磨损的关键。对滑靴副结构做系统的运动学和动力学分析是滑靴副设计的前提。滑靴斜盘摩擦副的种类及演变由于水介质不同于油介质同时海水中也会存在大量的污染物因此在滑靴和斜盘支撑类型的选择上必须重新考虑选择适应海水工况的滑靴副支撑类型。滑靴斜盘摩擦副结构的发展经历了几次大的改进先后出现了以下几种结构形式:()点接触型点接触型轴向柱塞泵的柱塞头与斜盘间为点接触所以接触比压相当高。为了减小接触应力必须限制柱塞直径和泵的工作压力。因此点接触型轴向柱塞泵不适用于高压、高速和大流量的场合。()带滚动轴承型由于点接触型轴向柱塞泵的接触比压相当高如果提高泵的工作压力或转速便会使柱塞球头磨损加剧甚至烧损。为了解决这一问题出现在斜盘上加一滚动轴承的结构柱塞球头部与斜盘间不存在相对运动或相对运动很小至多只有很小的滑动。相对运动发生在轴承间而轴承是由多个滚子承受柱塞的轴向推力的接触比压有所降低。泵的压力和流量可以提高到一定程度。()滑靴型由于带滚动轴承的斜盘是个非标准件其结构比较复杂在高压、高速下工作寿命受到限制因此出现了滑靴斜盘式轴向柱塞泵。即在柱塞球头部与斜盘间加一滑靴滑靴与斜盘是面接触接触由于二者有较大的接触面积因此大大地降低了接触比压使泵的工作压力可以进一步提高。早期的滑靴型式均为剩余压紧力滑靴即柱塞腔的高压油通过柱塞中心孔进入滑靴底部产生一定的液压反推力。这样滑靴和斜盘接触表面承受的不是柱塞腔的总作用力P而是这个总作用力与滑靴底部的液压反推力之差(PW)即所谓剩余压紧力并将此方法设湖南理工学院南湖学院毕业设计计的滑靴称为剩余压紧力滑靴。剩余压紧力使得滑靴底面和斜盘可靠接触并保证密封并在滑靴与斜盘之间形成边界膜从而达到减小摩擦和减轻磨损的目的。()全静压支撑型滑靴剩余压紧力滑靴可使泵的压力和转速进一步提高但滑靴和斜盘运动过程中不可避免会产生接触当摩擦副材质的耐磨性和液压介质的润滑性不够好时滑靴和斜盘间的磨损还是相当严重的有时还会出现“烧靴”现象。为了克服剩余压紧力滑靴的不足人们将全静压支承技术引入滑靴设计中。阻尼管型全静压支承滑靴在滑塞腔和滑靴底部之间加设一阻尼管来起压力调节作用使滑靴和斜盘在一定的油膜或水膜厚度下达到压力平衡以保证滑靴和斜盘间的摩擦为纯液体摩擦。在油泵中阻尼孔的直径一般在mm以下长度在mm以上在水泵中直径一般在mm以下长度在mm以上细长的阻尼孔不仅加工困难而且即使加工出来实际应用中阻尼孔也容易被堵塞可靠性差。HLachner针对油压泵提出阻尼槽型静压支承滑靴。阻尼槽型全静压支承滑靴阻尼槽型滑靴是在滑靴底面的内密封带上开设一条螺旋三角阻尼槽作为自动压力调节的液阻。由于此液阻有一滑动边因而不易堵塞工作可靠性好而且加工方便克服了阻尼管结构的不足。对于粘度很低的水介质来说要在结构空间有限的靴底内密封带上开设一条比油压泵滑靴上的既窄且长的螺旋阻尼槽出来将相当困难加工和测量也将相当困难而且由于阻尼槽非常细长在海水环境中也容易堵塞。近来人们又提出一些新型的滑靴副支承类型但都离不开细长的阻尼孔或阻尼槽来调节滑靴和斜盘之间润滑膜的厚度基本原理仍属于静压支撑类型。目前在轴向柱塞式液压泵及马达中滑靴结构主要有全静压平衡式滑靴和剩余压紧力滑靴两种并以剩余压紧力滑靴结构在实际使用中为多。在中高压海水泵中点接触式型和带滚动轴承型结构显然是不适合的应综合考虑滑靴副在海水中的实际工况在剩余压紧力和全静压支承两种支承方式中选择有一定抗污染度的支承类型。滑靴斜盘摩擦副的运动分析运动分析是瞬时流量分析和受力分析的基础也是解决污染磨损问题必须考虑的条件。如图所示设斜盘平面相对缸体横截面的倾角为,取坐标系并以通过平面的点A(柱塞球头中心的起始点)为斜盘转角的计oxyzoxy,算起点。当缸体相对斜盘转过角度时柱塞球头中心转至点B柱塞球头的中,湖南理工学院南湖学院毕业设计心坐标为:x,,(Rcos,)tg,,,Rtg,cos,()y,Rcos,()z,Rsin,()柱塞相对缸孔轴向移动速度为vdxv,,,Rtg,sin,()dt式中斜盘转动角速度,柱塞相对缸体的轴向速度v柱塞轴线在缸体中的分布圆半径Rt时间斜盘转角(,,,t),斜盘倾角。,柱塞相对缸孔移动的加速度为dva,,,Rtg,cos,()dt式中轴向加速度。aa柱塞相对斜盘做旋转运动而产生的径向加速度为ra,,R()r图斜盘式轴向柱塞泵的运动分析滑靴的受力分析在缸体旋转的轴向柱塞泵中以开始压油点作为缸体转角的计算起点(见,湖南理工学院南湖学院毕业设计图ooyz)实线椭圆即为柱塞球头中心在平面上的运动轨迹。通过滑靴重心c的离心力其最大值为F,mR,hlhh(F)mR,,()hlmaxhcosx式中滑靴的旋转角速度,h滑靴的质量mh滑靴绕柱塞球头中心o的翻转力矩为M,Fl()hlhlhoc式中柱塞球头中心与滑靴重心之距。l,och如图所示滑靴除承受来自柱塞球头中心的压力弹簧力和斜盘FFnti的垂直反力N外还要承受离心力。滑靴在力和的作用下会产生滑动FFFhlntio摩擦力又会产生绕球心的翻转力矩。在油介质泵中FM,FlF,NfhuhhuhuhlH由于摩擦力比较小一般不会引起滑靴翻转但在水介质泵中由于摩擦力Fhu较大容易会引起滑靴的翻转。在和的作用下反力N的作用线会偏离MMhuhlo中心故摩擦力也会离开底面中心D一个距离。这一不通过中心的摩擦力Fhu会驱使滑靴绕自身轴线oD转动从而使其外缘发生比中心较为严重但却均匀的磨损。滑靴的翻转还会引起滑靴副泄漏的增加但适当的泄漏对滑靴副的抗磨损性能起着积极的作用。在缸体静止的柱塞泵中则只有摩擦力引起的翻转。图滑靴受力运动分析滑靴在运动中会产生绕自身轴线的旋转运动转动快慢取决于旋转摩擦力的大小。这一自转可改善滑靴和斜盘间的润滑对减小摩擦力、改善磨损和提高效益都是有益的。但对滑靴和回程盘来说这一转动则起着加大它们之间的摩擦力加速滑靴基体和回程盘的磨损导致磨损污染物的生成。图滑靴受力运动分析湖南理工学院南湖学院毕业设计本章小结本文介绍了滑靴副的支撑类型分析了各种支承类型的利弊对滑靴组件进行了运动学分析和力学分析精确计算了斜盘对滑靴的支承反力为后面章节滑靴结构结构设计做了精确而必要的准备。湖南理工学院南湖学院毕业设计第三章滑靴副结构设计由海水泵滑靴副磨损机理分析知滑靴副的污染磨损不仅与液压系统中的污染物有关而且与滑靴的结构、尺寸、材料等因素有关。合理的结构设计不仅会降低接触比压增强滑靴副之间水膜的形成而且可以减少滑靴和斜盘之间的摩擦磨损。合理的结构设计是滑靴副抗污染磨损的前提条件。滑靴的结构支承形式主要分为剩余压紧力式和全静压平衡式。全静压平衡式滑靴结构中需要细长结构的阻尼管(阻尼槽)不仅加工困难而且阻尼管(阻尼槽)在以海水为介质的恶劣工况下很容易被污染物堵塞靴底的水膜则容易被破坏一旦阻尼管(阻尼槽)被污染速阻塞滑靴副马上变为干摩擦很快就会被烧毁。此种结构形式在以海水作为介质的条件下实用价值不高。剩余压紧力滑靴结构简单抗污染磨损性能则显得较好只要设计合理实现好的受力平衡可以实现期望的使用寿命。综合考虑多重因素在实际中还是采用剩余压紧力的设计方法。剩余压紧力滑靴的实质是滑靴底面通入了高压海水产生液压反推力柱塞对斜盘的压紧力绝大部分被平衡掉并在摩擦副间形成边界水膜从而可以减轻磨损。无论在油压泵还是水压泵设计中剩余压紧力设计方法仍然是目前国内外普遍采用的设计方法。合理设计的前提是剩余压紧力要设计的恰当同时配以优良的摩擦副材料。由于水压和油压的不同在采用剩余压紧力设计滑靴副水膜时压紧系数应比油压的相对小一些。为减小滑靴副启动期间的接触比压需在密封带内外加辅助支承减小辅助支撑宽度以及密封带宽度以防治密封带不能建立起设计中假定的流场同时进水孔直径应适当防止产生压力降而加大剩余压紧力。滑靴和斜盘接触面的分析及其影响对于理想受力状态(无倾覆力矩)和理想表面以及静态下的滑靴副当采用剩余压紧系数法设计时滑靴和斜盘接触面间理论上不存在间隙不会存在泄漏。但实际上摩擦表面总会存在微观尺度上的粗糙不平和宏观上的波纹度这一方面使实际接触面积远远低于表观接触面积另一方面在接触面间必然存在大量微观凹谷相连而构成泄漏的管道。当表面发生粘着磨损、点蚀磨损、机械犁沟或划痕时泄漏通道的形成概率和通道截面积将增大。对于表面等离子喷涂的摩擦副表面尚存在气孔缺陷的影响。很显然减小这种泄漏的途径在于提高表面的加湖南理工学院南湖学院毕业设计工质量提出较高的表面粗糙度加工要求。滑靴在实际运行中是不可能无倾覆力矩的而倾覆是滑靴副的另一泄漏原因。在斜盘旋转缸体静止的泵中不存在因离心力引起的滑靴倾覆滑靴的倾覆主要是因为靴底摩擦力引起的。翻转倾覆不仅会导致滑靴副接触比压不均匀加速滑靴边缘的磨损而且容易导致泄漏。在缸体旋转的海水泵中还得加上由于离心力引起的翻转倾覆作用。泄漏会降低海水泵的容积效率但由于水的粘度低不容易形成润滑膜散热效果不是很好而且滑靴和斜盘的摩擦较大机械效率有所下降所以适当的泄漏不仅可以减小摩擦、降低磨损、带走摩擦热负荷、延长摩擦副的使用寿命而且可以提高机械效率获得一定的总效率。但适当的泄漏不能靠降低滑靴和斜盘的加工质量那样只会加剧滑靴副之间的磨损而应在滑靴压紧系数设计上给以考虑。滑靴设计()压紧系数的选取对于采用剩余压紧力法设计的滑靴副结构参数的选取要保证合适的压紧系数。在水环境中水的润滑性很差不能形成有效的吸附膜表面处于边界润滑状态据此认为宜取较油压泵压紧系数m较小的值泄漏系数则随压紧系数减小而增大。因此压紧系数m的合理选取不仅有助于减小摩擦磨损而且有助于提高机械效率。对于油压泵以往文献中推荐摩擦副压紧系数是,在水压泵中宜进一步减小。因为压紧系数对机械效率影响较大有必要精确计算m值。在以往着中针对油压泵压紧系数的计算对于水压泵来说过于粗糙并没有考虑与缸体转动相位角有关的各种作用力滑靴往返时的惯性力、缸体对柱塞的支承力及相应的摩擦力和弹簧压紧力。根据公式滑靴对斜盘的压紧力N:(PFF)(l,l)asN,S,()(l,l)cos,,f(ll,ld)sin,湖南理工学院南湖学院毕业设计图α=时压紧力随斜盘转角的变化滑靴在排水区对斜盘压紧力曲线如图所示从图中可以看出在忽略配流阀影响的情况下在α等于时压紧力从N到N间变化压紧系数取值范围应根据此值来取估计取值范围应当在之之间。,()滑靴承载能力计算方法的选择在采用剩余压紧力法设计滑靴水膜时滑靴和斜盘之环境好损状态海水流态处于紊流状态。但由于紊流的压力支承公式是半经验公式很难得到其确切的计算公式。实际计算时采用假定滑靴和斜盘之间是层流状态使用的是层流状态的压力,流量计算公式。在层流状态下滑靴副承载能力的计算方法主要有三种如图所示。图三种支承反力的计算方法及差别湖南理工学院南湖学院毕业设计直线压力分布,(rr)hq,,p(),(r,r),F,(rrrr),p()q式中第一种方法的流量控制计算值F第一种方法的液压推力计算值rr、密封带内外半径值靴底水膜的厚度h海水的动力粘度,中心腔压力值,p对数曲线压力分布公式,hq,,p(),n(rr),(r,r)F,,p()n(rr)q式中第二种方法的流量控制计算值F第二种方法的液压推力计算值幂曲线压力分布公式,hrq,,p(),(r,r)F,,rr,p()式中第三种方法的流量控制计算值q第三种方法的液压推力计算值F()密封带设计湖南理工学院南湖学院毕业设计密封带起着密封和支承的作用其设计的好坏对滑靴的性能、甚至整个海水泵的性能有着重要的影响。滑靴副的泄漏流量公式,hq,,p()cn(br),e式中考虑层流段起始效应的流量修正系数ce动力粘度,r滑靴底面的水腔半径密封带宽度b滑靴副间间隙高度h密封带内外侧压差。,p图是b对q的影响关系在r固定的情况下密封带宽度和泄漏量成指数递减关系。从图中可以看出单纯的增加密封带宽度来提高容积效率效果并不明显。同时密封带过宽将影响压力场的建立。特别是剩余压紧力很大海水粘度低摩擦表面光洁度很高的情况下过宽的密封带下面往往不能建立起设计中的假定流体压力场。同时适当的泄漏也会提到海水泵的机械效率。因此在实际应用中应综合两者因素考虑选取合适的密封带宽度一般选取在,mm之间。()滑靴底面结构的改进图密封带宽度对流量的影响由于整体滑靴喷涂塑料技术目前尚不够成熟滑靴设计时一般采用整块工程塑料嵌入滑靴基体中。当滑靴底部采用工程塑料时由于工程塑料具有膨胀性滑靴在海水中容易吸水膨胀离开海水则容易收缩使得工程塑料和滑靴接触表面生力滑靴在运动过程中会受到翻转力矩的影响使滑靴底部受力不均而且工程塑料在受热受压时也会软化变形所有这些因素均会导致工程塑料和滑靴分湖南理工学院南湖学院毕业设计离而脱落。可在设计和制造工艺上加以改进加强工程塑料和滑靴的结合力使之能够承受高速高压。图、是在原有基础上加以的改进。图是在原有滑靴中间加一凸台使滑靴在其中卡的更牢固。图是在滑靴底部的凹槽边缘形成一定的角度。首先冷却工程塑料然后将其放入滑靴基体中在常温下滑靴膨胀并塞满滑靴基体的凹槽。图滑靴改进一图滑靴改进二湖南理工学院南湖学院毕业设计()中心弹簧的最优预压力计算在斜盘式轴向柱塞泵中中心回程弹簧设在缸体与回程盘之间它一面压着缸体另一面通过回程盘把滑靴压向斜盘。工作中的轴向柱塞泵中心回程弹簧预压力过小滑靴与斜盘摩擦副有时可能在吸油时发生脱离在排油区又相互撞击使滑靴摩擦面边缘变形造成泵的失效。中心弹簧预压力过大则会导致滑靴副的接触比压增大加剧滑靴副的磨损。回程盘在吸油区受到若干个柱塞的拉力弹簧施力于它的中部与上述诸力平衡。如图所示这种平衡是以排油腔一侧的某一滑靴边缘O′为支点的矩平衡即:s(F,F)LM,,SSi()i,式中中心弹簧最小预压紧力FS保持滑靴与斜盘间一定接触比压所需的力F的力臂LFSs吸油侧柱塞数计算时取=(z)ZZ柱塞总数s第个滑靴对回程盘的作用力矩MiiL,RrS式中R柱塞分布圆半径滑靴摩擦面半径。rM为了求出首先求吸油区第个滑靴对回程盘作用力的轴向分量。iI()柱塞和滑靴的轴向惯性力F,mR,tan,cos,()si式中柱塞与滑靴品质mi湖南理工学院南湖学院毕业设计斜盘转动的角速度,斜盘倾角,从下止点开始顺时针开始计柱塞的位置角。,i图滑靴的力矩平衡()吸油力,dF,p()s式中柱塞直径d吸油腔真空度可取,MPa。ppss由于在排油腔一侧由于高压油的作用使滑靴压紧于斜盘以上诸力对回程盘不起作用或作用很小。因此在计算时忽律排油侧滑靴对回程盘的作用力所产的力矩。在缸体回转的柱塞泵中还应加上由于离心力而产生的柱塞和缸体间的摩擦力和由于离心力引起的滑靴翻转力。FF假设和共线且设F,FF()取弹簧对回程盘作用力方向为负F应为正值。如果计算得F<时说明该滑靴此合力压在斜盘上。在计算力臂时假定支点固定在O′点不动此时第个滑靴对回程盘的诸i作用力对O′取矩得M,F(RrRsin,)()ii由此可得sRF,F,F(sin),(),SiR,i湖南理工学院南湖学院毕业设计计算表明取时最大此时如果取()则可求得,s,,Fs,SsF,F,F(Ksin,)(),Si,i其中为了保证在吸油腔一侧滑靴与斜盘表面有足够的密封性应在滑靴和斜。盘间保持一定的接触比压若其最小值为pt取则滑靴组件质量取kg取r,mmR,mmk,,ms柱塞直径取mm。若设可求得单个柱radsdF,,Np,tS塞所受弹簧回程力值为N方向为弹簧对回程盘方向。FSP)算例及结果分析海水泵主要技术及性能指标:柱塞数(个)柱塞直径(mm)Φ缸孔分布圆直径(mm)Φ斜盘倾角()额定压力()Mpa额定流量(Lmin)额定转速(rmin)原动机驱动功率(KW)π取,P,pd,N柱塞端推力斜盘倾角α=柱塞分布圆半径R,mm额定转速ω,rmin=rs,rads。令滑靴密封带中径为d′先假设压紧系数为滑靴出口压力为MPa压差为p。'dpd,,,mp():cos由此式得d′,mm取密封带宽度为mm所以外径内径R,mm内外径之比约为验算其压紧系数:r,mm,,dpcosFspm,,(),,(R,r)pn(Rr)()式中单个柱塞受到的弹簧回程力FSP,,N剩余压紧力为:()湖南理工学院南湖学院毕业设计为了减小接触比压在密封带内外侧设两道环形辅助支承面它们之间留有通水槽每道支承面都留有mm宽的通水缺口。外辅助支承取mm的宽度内辅助支承取mm的宽度(如图所示)。这样密封带及辅助支承面的总面积为:,A,(,,,,),,mm,m()接触比压:p,,MPa(),滑靴的平均线速度为:v,,R,,,mms,ms()于是滑靴处的值为:pvpv,,Nm,s,MPa,ms()选择对偶材料得工作值应大于该计算结果。pv图滑靴靴底结构设计湖南理工学院南湖学院毕业设计本章小结本章从结构设计上对滑靴进行了设计分析了泄漏的因素和适当泄漏的作用适当的泄漏不仅可以保证泵的总效率而且可以延长泵的使用寿命带走热负荷。分析了密封带对泄漏的影响从而合理选取密封带的宽度。计算了弹簧的最优压紧力对滑靴的设计提出改进意见并设计了一种滑靴。湖南理工学院南湖学院毕业设计第四章滑靴副材料选择由于滑靴副的工作环境恶劣在滑靴副工作过程中会遇到各种各样的外在影响因素因此合理选择摩擦副材料和机构设计、保证充分的润滑条件等是克服和减少粘着磨损的是行之有效途径。选材原则海水泵是以海水为工作介质海水的理化性质与矿物型液压油相比有重大区别:()水与液压油相比氯离子含量高导电性强对很多金属有很强的腐蚀性,()水的动力粘度大约为大概只有液压油的:CPa,S()海水的弹性模量比液压油高倍()海水的密度比液压油高,()海水的空气溶解量只有液压油的。()海水的汽化压力高(C时为MPa)远高于液压油(C时为MPa)的汽化压力海水的特殊理化性质要求特殊的材料与之相对应尤其是海水泵滑靴副其接触比压大转速又高而且海水润滑性能差具有腐蚀作用还有大量的污染物给材料选择带来多重困难因此滑靴副的材料选择必须遵循一个总体原则:()海水具有很大的腐蚀破坏作用因此滑靴副必须保证足够的耐腐蚀性。()由于海水的粘度低、润滑性差因此对滑靴副选材提出更高的要求摩擦副材料的摩擦系数应该尽可能小许用值应该尽可能大。pv()由于海水的粘度低与油压滑靴副相同间隙的情况下泄漏量会大大增加流速很高很容易对材料表面产生冲蚀或拉丝侵蚀作用因此对材料的性能提出更高的要求。海水中有大量的污染物过滤系统不可能完全过滤掉全部污染物因此滑靴副选材必须保证一定的摩擦磨损性能这也是滑靴副选材首要考虑的。选取材料在海水中的摩擦磨损性能运用在海水泵中的材料主要有金属、陶瓷和工程塑料现对其摩擦学性能分别进行分析比较。湖南理工学院南湖学院毕业设计()金属在海水中的摩擦磨损性能依靠钝化膜在海水中自我保护的金属一般难以承受较大的接触与摩擦载荷。虽然国外有Nitronic(CrNiMnSi)、MPN(CrNiCoMo)等既耐腐蚀又抗粘着磨损的金属但是无论是他们自配对还是相互配对都不能满足海水泵主要摩擦副的要求。因此金属应用在海水液压摩擦副中只能与硬度较低的塑料材料配对或者采用全静压平衡滑靴设计强迫形成流体润滑膜。()塑料在海水中摩擦磨损性能工程塑料应用在滑靴副中有其独特的优越性:海水对它的侵蚀作用微乎其微而且塑料固有的自润滑性使得它成为天生的摩擦副材料。塑料的主要弱点在于它的强度不够高吸水膨胀率大受热受压后容易变形软化尺寸容易变形。塑料用作摩擦副材料一般与金属或陶瓷进行配对特别注意与塑料配对的零件应尽量提高表面质量不能出现锐边或沟槽以免刮伤对磨的塑料。()陶瓷在海水中的摩擦磨损性能陶瓷不仅是耐磨材料而且耐海水腐蚀即使在润滑不足的情况下也能持续较长寿命而且陶瓷是抗拉丝侵蚀、气蚀和磨粒磨损的优异材料。但陶瓷塑性变形能力差脆性大易受冲击破坏。陶瓷材料在滑靴副中主要用在斜盘上。然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性因为纳米材料具有大的接口接口的原子排列是相当混乱的原子在外力变形的条件下很容易迁移因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性使得陶瓷材料具有很好的力学性质。表面技术使得陶瓷和金属有机地结合在一起使得整体性能既有陶瓷的硬度又有金属的韧性大大改变了材料的力学性能。以上三种材料都广泛应用在海水泵设计制造当中可以根据不同的使用环境和具体要求进行选取。上述三种工程塑料中聚四氟乙烯和尼龙均具有很强的耐腐蚀性满足注水阀酸性工作环境的要求。其中聚四氟乙烯的化学稳定性最好是耐酸的理想材料。但是聚四氟乙烯强度较低刚性较差加工时容易引起工件变形不适合于机械加工方式。尼龙具有较高的力学强度冲击韧性高耐折叠适合于机械加工。注水阀的阀体结构比较复杂内部孔、流道较多需要多次机械加工因此本课题中注水阀的阀体采用尼龙材料。阀芯和浮杆需要与阀体配合机械加工后还需要进行一定打磨以保证阀芯和浮杆在阀体内动作灵敏。聚四氟乙烯强度较低摩擦系数低较容易打磨的打磨后表面光滑可作为良好的减磨自润滑材料因此本课题中注水阀的阀芯和连杆选择聚四氟乙烯材料。湖南理工学院南湖学院毕业设计本章小结本章通过分析滑靴副在海水中的环境材料选择上对滑靴进行了选材设计建立滑靴副选材原则。根据海水的工况重点讨论了滑靴副选材的原则,并对滑靴副可能选用的材料的摩擦学性能做了介绍。第五章结论与展望本文总结在能源危机日益严重、环保意识空前高涨的今天水压传动无疑提供了一种节约油资源的动力传动解决方案。但是水尤其是海水不同于油的理化特性特别是海水中存在大量的污染物质给海水液压技术的研究带来了许多技术难题。海水泵作为水压系统的核心元件其研究对海水液压技术的研究和发展具有十分重要的意义而其研制的难点之一在于关键摩擦副的设计。本文以海水泵滑靴副为研究对象采用前人的研究方法在总结国内外研究成果的基础上本文主要完成以下工作:()分析研究了滑靴的支承类型对滑靴进行了运动分析和受力分析详细计算了斜盘对滑靴的支承反力这对于计算选取压紧系数十分关键。()介绍滑靴副中存在的磨损机理和影响滑靴副污染磨损的因素并分析了滑靴副的失效形式。()从结构设计对滑靴副进行了改进分析了泄漏的影响适当的泄漏不仅可以减小摩擦降低磨损而且可以带走热负荷延长摩擦副的使用寿命提高机械效率获得一定的总效率因此应适当选取压紧系数。对滑靴副结构形式进行了改进计算了中心弹簧的最优压紧力压紧力的大小直接关系到滑靴副的摩擦磨损。分析了海水的理化特性制定了滑靴副的选材原则并介绍了金属、工程塑料和陶瓷三种海水泵的常用材料的摩擦学性能。本文展望本课题的研究方向是很好的现在以本科生的研究能力很难达到那么全面湖南理工学院南湖学院毕业设计不过希望以后顺着这种思路走下去还是很成功的。作者认为今后有必要从一下几个方面开展研究工作:()如果要试验的话试验可以在摩擦磨损试验台和滑靴摩擦副台上以自来水为介质进行的甚至有必要在海水泵样机上以海水为介质作进一步的检验所设计结构和材料的性能。()由于试验所采用泵的结构因素使的滑靴副生成的污染物在泵内不能有效排除容易在泵体内循环加速滑靴的磨损。()在水膜支承力计算上由于采取了层流近似计算方法有必要研究紊流的压力流量方程对水膜的支承力作精确的计算。)由于新材料、新工艺的不断涌现有必要不断采用新材料新工艺对滑(靴作精密加工并总结材料之间相互的摩擦学特性。湖南理工学院南湖学院毕业设计参考文献高彩云,赵运才液压组件污染磨损分析煤炭技术,,():~Fitch,ECProactiveMaintenanceofFluidPowerProceedingsofstInternationalSymposiumonFluidPowerTransmissionandControl,P~,Beijing,China,October,ErikTrostmannWaterHydraulicsControlTechnologyNewYork:MaterialDekker,Inc,赵继松,杨曙东海水泵滑靴副污染磨损及控制方法研究液压与气动,()周华纯水液压介质、柱塞泵及试验系统的研究:博士后工作报告杭州:浙江大学,WolffangBacké,WATEROROILHYDRAULICSINTHEFUTURETheSixthScandinavianInternationalConferenceonFluidPower,Tampere,Finland,May:~柯坚,刘恒龙,刘思宁水压轴向柱塞泵滑靴静压支承分析与计算中国机械工程,():~王宝娣海水泵的腐蚀与防腐蚀机电设备,():许耀铭油膜理论与液压泵和马达的摩擦副设计(第一版)北京:机械工业出版社,何存兴液压组件北京:机械工业出版社(第一版),唐群国,向东湖,廖义德纯水液压柱塞泵滑靴副的设计问题液压与气动,():颜志光润滑材料与润滑技术北京:中国石化出版社,JeunThomaTheOilFilmasDesignElementHydraulicPneumaticPower,Dec,余祖耀高速海水液压柱塞马达(泵)的研制:博士学位论文武汉:华中科技大学,宋俊,王淑莲等液压组件优化(第一版)北京:机械工业出版社,刘银水,余祖耀,唐群国等表面工程技术在水压组件中的应用中国机械工程,,():~FinkFWCorrosionofmetalsinseawaterPB,OSWRDReportNo,湖南理工学院南湖学院毕业设计RogersTHTheMarineCorrosionHandbookMcGrawHillCoofCanada,NewYorkandToronto,HausherrGTheUseofNewMaterialinWaterHydraulicsProcofthethScandinavianIntConfOnFluidPower,Finland,:~徐颧主编机械设计手册()Ml北京:机械工业出版社致谢本文是在毕业设计指导老师张焱老师的精心指导下完成的我非常想感谢的是张焱老师能在百忙之中抽出时间来给我们找数据并在双休日给我指导从开题报告到设计任务书的整个过程这样让我能够从当初的一无所知变得对做毕业论文更加有条理和熟练对于我的一些疑问老师都热情积极的给了讲解和方法让我把论文做得更加顺畅和完美。在找工作和做毕业设计时间上冲突的情况下更要感谢老师能够宽容交论文的日期限制给予了无限的人性化的关照这是让我很感激的在保证找工作的时间的前提下并没有让我降低毕业论文的质量这一切都多亏有张老师的关照。而且在找工作上张焱老师还给予了很多很好的建议和见解从而使我对未来的人生更加有信心和希望因此是老师在生活和学习上的帮助才让整个做毕业设计的过程充实和顺利。在完成学士学位论文之际十分感激父母数十年来对我无声无息的支持使我得以安心在学校完成学业。父母不仅赋予我生命而且赋予了我坚忍的秉性。父母的关爱与鼓励永远是督促我前进的力量之源。感谢级机自班的全体同学是他们让我的视野和思想得到了开阔知识得到了丰富并在生活上给我很大的帮助与关心。感谢我的老师们和同学是他们在学术和生活上给了极大的帮助。湖南理工四年于我犹如小溪之汇入大海令我终身难忘因为我有幸遇见的人们他们的学识、阅历、见闻、思想给我的撞击和思考给了我豁然开朗的思想境界和无穷的想象力。谨以此文献给所有关心、支持和帮助我的师长、亲人和朋友们。

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