第3章液壓動力元件3

Chapter3HydraulicPowerElements第3章液壓動力元件3.1.1液壓泵的分類■按泵的結構形式（工作原理）分◆齒輪泵◆葉片泵◆柱塞泵◆螺桿泵■按泵的排量是否可調(diào)節(jié)分◆定量泵◆變量泵■按泵的排油方向多少分◆單向泵◆雙向泵液壓泵的圖形（職能）符號單向定量液壓泵單向變量液壓泵雙向變量液壓泵雙向定量液壓泵3.1.2液壓泵的工作原理容積式液壓泵的工作原理◆在結構上具有一個或多個密封且容積大小可以周期性變化的工作容積（稱為密封容積）；當密封容積增大時，密封容積內(nèi)形成局部真空，完成吸油過程；當密封容積減小時，完成壓油過程。液壓泵的輸出流量與此空間的容積變化量和單位時間內(nèi)的變化次數(shù)成正比，與其它因素無關?！艟哂邢鄳呐溆蜋C構，將吸油腔與排油腔分開，并具有良好密封性。◆油箱內(nèi)液體的絕對壓力必須恒等于或大于大氣壓力?！鲆簤罕谜９ぷ鞯臈l件再看一遍3.1.3液壓泵的主要性能參數(shù)■壓力（MPa）●額定壓力在正常工作條件下，按試驗標準規(guī)定連續(xù)運轉所允許的最高壓力。

額定壓力值與液壓泵的結構形式及其零部件的強度、工作壽命和容積效率有關。在液壓系統(tǒng)中，安全閥的調(diào)定壓力要小于液壓泵的額定壓力。銘牌標注的就是此壓力。工作時，液壓泵的工作壓力應不超過泵的額定壓力,否則就會過載。

指泵短時間內(nèi)所允許超載使用的極限壓力。最高允許壓力受泵本身密封性能和零件因素的限制。●最高允許壓力液壓泵在實際工作時的輸出壓力，亦即液壓泵出口的壓力?！窆ぷ鲏毫σ簤罕玫墓ぷ鲏毫θQ于負載！●吸入壓力指液壓泵進口處的壓力。自吸式泵的吸入壓力低于大氣壓力，一般用吸入高度衡量。當液壓泵的安裝高度太高或吸油阻力過大時，液壓泵的進口壓力將因低于極限吸入壓力而導致吸油不充分，而在吸油腔產(chǎn)生氣穴或氣蝕。吸入壓力的大小與液壓泵的結構形式有關。液壓泵的壓力分級壓力分級

低壓中壓

中高壓

高壓

超高壓

壓力（MPa）2.5>2.5~8>8~16>16~32>32■排量V（m3/r，mL/r）在不考慮泄漏的情況下，液壓泵主軸每轉一周，所排出的液體的體積（也稱為理論排量、幾何排量）。液壓泵的排量取決于液壓泵的結構、幾何尺寸（密封容積的大小和數(shù)量）。液壓泵的排量和轉速決定了泵的流量。某些液壓泵的排量是可調(diào)的，繼而流量可調(diào)。■轉速（r/min）●額定轉速在額定壓力下，根據(jù)試驗結果推薦能長時間連續(xù)運行并保持較高運行效率的轉速?！褡罡咿D速●最低轉速在額定壓力下，為保證使用壽命和性能所允許的短暫運行的最高轉速。

最高轉速主要與液壓泵的結構形式及自吸能力有關。為保證液壓泵可靠工作或運行效率不致過低所允許的最低轉速?！隽髁浚╩3/s，L/min）●理論流量在不考慮泄漏的情況下，液壓泵在單位時間內(nèi)所排出的液體的體積稱為理論流量；工程上又稱空載流量。注意它們的量綱!理論流量取決于液壓泵的排量（結構尺寸）和驅(qū)動電機（液壓泵）的轉速?！駥嶋H流量實際運行時，在不同壓力下液壓泵所排出的流量。實際流量低于理論流量，原因是液壓泵在不同壓力下工作時存在泄漏量。泄漏量則液壓輸出液壓泵機械輸入■功率（W，kW）●額定流量在額定壓力、額定轉速下，按試驗標準規(guī)定必須保證的輸出流量。●輸入功率實際驅(qū)動泵軸所需的機械功率，它等于泵軸上的轉矩T

和角速度ω

的乘積。注意量綱!●輸出功率液壓泵的輸出液壓功率指的是泵的出口工作壓力p

與其實際輸出流量q

的乘積。注意量綱!●理論功率如果液壓泵在能量轉換過程中沒有能量損失，則輸入功率與輸出功率相等，即為理論功率?！鲂室簤罕迷谀芰哭D換過程中是有損失的，因此輸出功率小于輸入功率，兩者之差即為功率損失。液壓泵的功率損失有機械損失和容積損失兩種，因摩擦而產(chǎn)生的損失是機械損失，因泄漏而產(chǎn)生的損失是容積（流量）損失。功率損失的大小用效率來描述。注意量綱!●機械效率液體在泵內(nèi)流動時，液體黏性會引起轉矩損失，泵內(nèi)零件相對運動時，機械摩擦也會引起轉矩損失。機械效率是泵所需要的理論轉矩與實際轉矩之比，即●容積效率在轉速一定的條件下，液壓泵的實際流量與理論流量之比定義為泵的容積效率，即◆容積效率取決于泄漏量的大小，在液壓泵結構形式、幾何尺寸確定后，泄漏量又主要取決于泵的出口壓力?！舯迷诘退傧鹿ぷ鲿r，理論流量較小，容積效率較低。轉矩損失●總效率液壓泵的輸出功率與輸入功率之比。液壓泵的總效率等于機械效率與容積效率之積。液壓泵的功率流向◆液壓泵的輸入功率◆機械損失功率◆實際液體獲得的功率◆因泄漏導致容積損失而損失的功率◆液壓泵的實際輸出功率即特定介質(zhì)、轉速和油溫等條件下測得的液壓泵的壓力特性曲線■液壓泵的噪聲（dB，分貝）產(chǎn)生的原因：流量脈動、液流沖擊、零部件的振動和摩擦、液壓沖擊等。【例3-1】

已知中高壓齒輪泵CBG2040的排量為40.6mL/r，該泵在1450r/min轉速、10MPa壓力工況下工作，泵的容積效率，總效率

。求驅(qū)動該泵所需電機的功率和泵的輸出功率。解：⑴求液壓泵的輸出功率液壓泵的實際輸出流量則液壓泵的輸出功率為注意量綱的轉換?、魄笠簤罕抿?qū)動電機的功率查電機手冊，選取功率為11kW的電機。3.2齒輪泵Gear-TypePump3.2.1齒輪泵概述■分類●外嚙合齒輪泵

使用漸開線直齒齒輪，應用最多（本節(jié)主要介紹）●內(nèi)嚙合齒輪泵使用漸開線直齒齒輪、擺線齒輪3.2.1齒輪泵概述■分類■特點◆優(yōu)點：體積小，重量輕，結構簡單，制造方便，價格低，工作可靠，自吸性能較好，對油液污染不敏感，維護方便等。◆缺點：流量和壓力脈動較大，噪聲大，排量不可變（故常做成定量泵）等。◆內(nèi)嚙合齒輪泵與外嚙合齒輪泵比較，其體積小，流量脈動小，噪聲小，但加工困難，使用受到限制。3.2.2外嚙合齒輪泵的結構與工作原理齒輪泵結構■結構（CB型）●泵體●前后端蓋●一對相嚙合的齒輪●驅(qū)動軸主要組成部分：■工作原理l一殼體

2-主動齒輪

3－從動齒輪密封容積的形成齒輪兩端面與端蓋、齒輪齒頂與泵體的內(nèi)腔表面之間的間隙很小，加上齒輪進入嚙合及脫離嚙合的兩條嚙合接觸線，共同形成了吸油腔和壓油腔兩個密封容積。當齒輪按圖示方向旋轉時，右側吸油腔內(nèi)的輪齒脫離嚙合，密封腔容積增大，形成局部真空，實現(xiàn)吸油并被旋轉的輪齒帶入左側的壓油腔。左側壓油腔內(nèi)的輪齒不斷進入嚙合，使密封腔容積減小，油液受到擠壓被排往系統(tǒng)，這就是齒輪泵的吸油和壓油過程。嚙合點處的齒面接觸線一直起著分隔高、低壓腔的作用，因此在齒輪泵中不需要設置專門的配流（配油）機構。這種配油方式稱為直接配油。3.2.3外嚙合齒輪泵的排量和流量■排量●近似認為齒槽容積等于輪齒體積時●實際齒間槽的容積要比輪齒的體積稍大，而且齒數(shù)越少其差值越大，取——齒輪的齒數(shù)——齒輪的模數(shù)——齒輪的齒寬——分度圓直徑■（平均）流量說明：◆齒輪泵的排量與模數(shù)的平方成正比，與齒數(shù)成正比。要增大排量，增大模數(shù)比增大齒數(shù)更有利。換句話說，要使排量不變，而體積減小，則應增大模數(shù)并減少齒數(shù)。◆齒數(shù)z

較少時會發(fā)生根切現(xiàn)象——通過正變位避免?！窭碚摿髁俊駥嶋H流量■流量脈動液壓泵工作時，由于齒輪的嚙合線是在不斷變化的，因此瞬時流量也是在不斷變化的——流量脈動。脈動率3.2.4外嚙合齒輪泵的結構特點分析■泄漏●泄漏途徑：◆端面泄漏——占總泄漏量的70%~75%◆齒頂泄漏——占總泄漏量的10%~15%◆嚙合線泄漏——很少●減小泄漏的措施●危害降低容積效率?！魷p小軸向間隙（0.025~0.06mm）◆采用浮動軸套或彈性側板端面間隙進行自動補償浮動軸套引入壓力油使軸套或側板緊貼在齒輪端面上，壓力愈高，間隙愈小，可自動補償端面磨損和減小間隙?！隼в妄X輪嚙合時的重疊系數(shù)必大于1，故有一部分油液困在兩對輪齒嚙合時所形成的封閉油腔之內(nèi)，這個密封容積的大小隨齒輪轉動而變化，形成困油。

齒輪泵的困油現(xiàn)象AB間的死區(qū)容積逐漸減小AB間的死區(qū)容積達到最小AB間的死區(qū)容積逐漸增大●產(chǎn)生原因●困油現(xiàn)象的消除●危害◆密封容積減小時，受困油液受到擠壓而產(chǎn)生瞬間高壓，密封容積內(nèi)的受困油液若無通道與排油口相通，油液將從縫隙中被擠出，導致油液發(fā)熱，軸承等零件也受到附加沖擊載荷的作用。◆密封容積增大時，若無油液補充，會形成局部真空，使溶于油液中的氣體分離出來，產(chǎn)生氣穴，導致氣蝕現(xiàn)象，引起振動和噪聲。在端蓋上開一對卸荷槽。當封閉容腔減小時，讓卸荷槽與泵的壓油腔相通，這樣可使封閉容腔中的高壓油排到壓油腔中去；當封閉容腔增大時，使卸荷槽與泵的吸油腔相通，使吸油腔的油及時補入到封閉容腔中，從而避免產(chǎn)生真空。卸荷槽容積減小時與壓油側相通容積增大時與吸油側相通齒輪泵結構■徑向不平衡力●產(chǎn)生原因齒輪泵工作時，由于在壓油腔和吸油腔之間存在著壓差，又因泵體表面與齒輪齒頂存在著徑向間隙，油液作用在輪外緣的壓力是不均勻的，從低壓腔到高壓腔，壓力沿齒輪旋轉的方向逐齒遞增，因此，齒輪和軸受到徑向不平衡力的作用?！裎：毫υ礁?，徑向不平衡力越大，它能使泵軸彎曲，使定子偏磨，加速軸承的磨損，降低軸承使用壽命?！駵p小徑向不平衡力的措施◆減小壓油口；◆

減少齒輪的齒數(shù)，這樣減小了齒頂圓直徑，承壓面積減??；◆

適當增大徑向間隙；◆

開壓力平衡槽。再看齒輪泵結構3.2.5內(nèi)嚙合齒輪泵（略）3.3葉片泵VanePump●單作用葉片泵泵軸回轉一周完成一次“吸油-壓油”過程（常做成變量泵）●雙作用葉片泵泵軸回轉一周完成兩次“吸油-壓油”過程3.3.1葉片泵概述■分類■特點◆優(yōu)點：流量均勻，壓力脈動下，運轉平穩(wěn)，噪聲小，結構緊湊，體積小，重量輕，排量較大?！羧秉c：結構復雜，對油液的清潔度要求高，泵的轉速不能太高（影響葉片離心力、葉片磨損）、也不能太低（影響吸油特性），自吸能力差等?！鰤毫Ψ秶糁械蛪海海?~6.3）MPa◆高壓：~（25~32）MPa3.3.2單作用葉片泵■組成壓油口吸油口●定子●轉子●配流盤●葉片定子轉子葉片配流盤上的壓油窗口配流盤上的吸油窗口■工作原理

定子的內(nèi)表面是圓柱面，轉子和定子中心之間存在著偏心，葉片在轉子的槽內(nèi)可靈活滑動，在轉子轉動時的離心力以及葉片根部油壓力作用下，葉片頂部貼緊在定子內(nèi)表面上，于是兩相鄰葉片、配流盤、定子和轉子便形成了一個密封的工作容積。

泵在轉子轉一轉的過程中，吸油（密封容積增大時）、壓油（密封容積減小時）各一次，故稱單作用葉片泵?！雠帕颗c流量●排量●流量●流量脈動（z

為奇數(shù)）（z

為偶數(shù)）z

一般取為13或15?！鰡巫饔萌~片泵的特點◆泵的排量、流量與偏心距e有關，改變偏心距e，即可改變泵的排量?！舸嬖诶в同F(xiàn)象，但不嚴重?！魺o論是高壓側還是低壓側葉片底部和頂部所受的液壓力平衡?！羧~片沿著旋轉方向后傾安裝?！艮D子承受較大的徑向不平衡力，施加在軸承上，影響工作壓力的提高?！襞淞鞅P的月牙窗口上開有三角槽，以減小密封容積與吸、壓油口瞬時接通時產(chǎn)生的沖擊。單作用葉片泵3.3.3限壓式外反饋變量葉片泵■工作原理如前所述，改變單作用葉片泵的偏心距e，就會改變泵的排量，這就是變量葉片泵的工作原理。變量葉片泵按改變偏心方式分手動調(diào)節(jié)變量和自動調(diào)節(jié)變量，自動調(diào)節(jié)變量又分限壓式、穩(wěn)流量式、恒壓式等。限壓式變量葉片泵排量的自動調(diào)節(jié)又有外反饋和內(nèi)反饋兩種方式，這里只介紹限壓式外反饋變量葉片泵。限壓式外反饋變量葉片泵1—轉子；2—彈簧；3—定子；4—滑塊滾針支承；5—反饋柱塞；6—流量調(diào)節(jié)螺釘●當（定義pc=FS/A——拐點壓力）時，定子及反饋柱塞在彈簧力FS的作用下貼在流量調(diào)節(jié)（限位）螺釘上，偏心量最大（emax），輸出流量最大（qmax）。●當時，定子在液壓力的作用下左移，當左移x后與彈簧力平衡，此時由負載決定的壓力p

越高，x就越大，定子與轉子之間的偏心量就越小，流量也越小?！癞攑高達使時，，泵的輸出流量為零，只從油箱吸入少量的流量補償泵的泄漏。由于輸出流量為零，此時不管負載怎樣增大，輸出壓力也不再升高——限壓?！隽髁?壓力特性曲線及其調(diào)節(jié)◆當時，◆當時，◆當時，★調(diào)節(jié)右側的限位螺釘，可以調(diào)節(jié)最大流量qmax?！镎{(diào)節(jié)左側彈簧的預緊力FS，可以調(diào)節(jié)拐點壓力pc?！镎{(diào)節(jié)左側彈簧的剛度k，可以調(diào)節(jié)BC段曲線的斜率及最高壓力pmax。■結構限壓式外反饋變量葉片泵的結構3.3.4雙作用葉片泵■組成●定子●轉子●配流盤●葉片■工作原理雙作用葉片泵分別有兩個吸油口和兩個壓油口。定子1和轉子2的中心重合，但定子內(nèi)表面不是圓形的，而是由四段圓弧和四段過渡曲線構成的近似橢圓形。配流盤上有兩對均布的配油窗口。兩個相對的窗口連通后分別接進出油口構成兩個吸油口和兩個壓油口。轉子每轉一周，每個密封工作油腔完成兩次吸油和壓油，故稱為雙作用葉片泵。雙作用葉片泵的徑向力基本上是平衡的?！龆ㄗ觾?nèi)表面曲線定子內(nèi)表面曲線是由四段圓弧和四段過渡曲線構成的近似橢圓形。過渡曲線應保證使葉片在轉子槽中滑動時徑向速度和加速度變化均勻，保證葉片對定子表面的沖擊盡可能小，一般采用“等加速-等減速曲線”?！魟傂詻_擊——加速度變化趨于無窮大◆柔性沖擊——加速度變化為有限值■排量與流量●不考慮葉片的厚度和傾角影響時●考慮葉片的厚度和傾角影響時葉片泵的流量脈動很小。理論研究表明，當葉片數(shù)為4的倍數(shù)時流量脈動率最小，所以雙作用葉片泵的葉片數(shù)一般取12或16。■葉片傾角受力分析表明，如果葉片的安放方向是沿著轉子的徑向，則易使葉片和槽磨損、卡死。

解決的措施：使葉片沿旋轉方向前傾斜θ角。一般葉片泵取θ=10°~14°?！雠淞鞅P上的三角槽封油區(qū)中兩相鄰葉片之間的油液其壓力基本與吸油區(qū)壓力相同，當這部分液體從封油區(qū)到達壓油窗口時，相當于一個低壓區(qū)域突然和一個高壓區(qū)域接通，這勢必造成壓油腔中的油液倒流進來，引起泵輸出流量和壓力的脈動。在配流盤上葉片從封油區(qū)進入壓油窗口的一邊開一個三角槽，可使低壓液體逐漸進入壓油窗口，壓力逐漸上升，從而降低泵的流量脈動和壓力脈動。■提高雙作用葉片泵壓力的技術措施（略）■結構3.4柱塞泵PlungerPump●軸向柱塞泵柱塞的軸線和傳動軸的軸線平行（斜軸式、斜盤式）●徑向柱塞泵柱塞的軸線和傳動軸的軸線垂直3.4.1柱塞泵概述■分類■特點◆優(yōu)點：容積效率高、高壓、大流量、大功率，無級變量◆缺點：結構復雜3.4.2斜盤式軸向柱塞泵■組成斜盤1柱塞2缸體3配流盤4吸油口壓油口●斜盤●柱塞●缸體●配流盤■工作原理斜盤式軸向柱塞泵原理1斜盤式軸向柱塞泵原理2斜盤1柱塞2缸體3配流盤4吸油口壓油口◆斜盤（傾斜γ角）和配油盤不動，傳動軸帶動缸體和柱塞一起轉動（柱塞被根部彈簧及液壓力壓緊在斜盤上）?！魝鲃虞S帶動缸體和柱塞旋轉時，柱塞在其沿斜盤自下而上回轉的半周內(nèi)逐漸向缸體外伸出，使缸體孔內(nèi)密封工作腔容積不斷增加，油液經(jīng)配流盤上的吸油口吸入；柱塞在其自上而下回轉的半周內(nèi)又逐漸向里推入，使密封工作腔容積不斷減小，將油液從配油盤上的壓油口壓進系統(tǒng)。斜盤1柱塞2缸體3配流盤4