2液压泵和液压马达

欢迎使用《液压与气压传动》多媒体授课系统燕山大学《液压与气压传动》课程组内容编辑：李久彤姚春东设计制作：姚春东•2.1液压泵及马达概述•2.2齿轮泵•2.3叶片泵•2.4柱塞泵•2.5液压马达•2.6液压泵及液压马达的工作特点2液压泵和液压马达•2.1液压泵及马达概述•油泵和油马达分别为液压系统中的动力元件和执行元件，都是能量转换置。油泵的作用:是将原动机的机械能（力矩M，转速n）转换成液体的压力能（压力p，排量Q）。油马达的作用:是将泵输给它的液体能(压力p、排量Q)转化成机械能(转矩M、转速n)。带动负荷转动。M2n2p1Q1p2Q2M1n1D吸入2.1.1液压泵与液压马达的基本原理•在液压传动系统中，液压泵和液压马达都是容积式的，都是靠密封工作腔的容积变化进行工作的。排出•液压马达是实现连续旋转运动的执行元件，从原理上讲，向容积式泵中输入压力油，使其轴转动，就成为液压马达，即容积式泵都可作液压马达使用，但在实际中，由于性能、结构对称性等要求，一般情况下不能互换。•液压泵和液压马达依靠工作腔的容积变化而进行吸油和排油是液压泵和马达的共同特点，因而这种泵(马达)也称为容积泵和容积马达。•构成容积泵必须具备以下基本条件：•(1)结构上能实现具有密封性能的可变工作容积。•(2)工作腔能周而复始地增大和减小，当它增大时与吸油口相连，当它减小时与排油口相通。•(3)吸油口与排油口不能连通，即不能同时开启。排出•从工作过程可以看出，在不考虑油液泄漏的情况下，液压泵在每一工作周期中吸入或排出的油液体积只取决于工作构件的几何尺寸，如柱塞泵的柱塞直径和工作行程。•在不考虑油液泄漏等影响时，液压泵单位时间排出的油液体积与液压泵密封容积变化频率n成正比，也与泵密封容积的变化量V成正比；•在不考虑液体的压缩性和泄漏时，液压泵单位时间内排出的液体体积与工作压力无关。排出油泵的职能符号如下：•液马达的职能符号如下：2.1.2油泵及马达的分类(1)按结构分:柱塞泵、齿轮泵、叶片泵三大类；(2)按排量是否可调分:定量泵、变量泵；什么是排量？(3)按排油方向分:单向泵、双向泵；(4)按压力级别分:低压、中压、中高压、超高压泵；单向定量马达单向变量马达双向定量马达双向变量马达单向定量泵单向变量泵双向定量泵双向变量泵2.1.3液压泵与液压马达的性能参数•液压泵(马达)的基本性能参数主要有压力、排量、流量、功率和效率。•(1)工作压力和额定压力•工作压力：液压泵和液压马达的工作压力是指泵(马达)实际工作时的压力。•对泵来说，工作压力是指它的输出油液压力；对马达来说，则是指它的输入压力。在实际工作中，泵的压力是由负载大小而决定的。•额定压力：液压泵(液压马达)的额定压力是指泵(马达)在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压力。超过此值就是过载。(2)排量和流量•液压泵(液压马达)的排量有每转排量(用V表示)和每弧度排量(用Vd表示)之分。•每转排量V：泵(马达)每转一圈，由其几何尺寸计算而得到的排出(或吸入)液体的体积(即在无泄漏的情况下，其每转一圈所能输出的液体体积)，简称排量(m3／r)。•每弧度排量Vd：泵(马达)每转一弧度，由其几何尺寸计算而得到的排出(或吸入)液体的体积，称为泵(马达)的每弧度排量(m3／rad)。•理论流量qt：在不考虑泄漏情况下，泵(马达)在单位时间内排出(输入)的液体体积，称泵(马达)的理论流量。(m3/s)•设泵(马达)的角速度为ω(转速为n)，则•qt＝V×n＝Vd×ω。•实际流量q：泵工作时实际排出的流量。•它等于泵的理论流量qt减去泄漏流量(含压缩损失)ql，即q=qt－ql。•ql为容积流失，它与工作油液的粘度、泵的密封性及工作压力p等因素有关。(有什么样的关系？)•对于马达，实际流量与理论流量的关系为：•q=qt+ql•额定流量qn：指在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的流量。亦即在额定转速和额定压力下泵输出(或输入到马达中去)的实际流量。(3)功率和效率•液压泵由原动机(电机等)驱动，输入量是转矩和转速(角速度)，输出量是液体的压力和流量；液压马达则刚好相反，输入量是液体的压力和流量，输出量是转矩和转速(角速度)。•如果不考虑液压泵(液压马达)在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，也就是它们的理论功率是：•Nt=p·qt（泵）=Tt·ω（马达）•其中，理论输入(输出)转矩为:Tt=p·Vd=p·V/(2π)•工作压力为p=Tt/Vd=(2π)·Tt/V•理论流量为qt＝Vd×ω＝V×n•式中Nt—液压泵、马达的理论功率(W)；•Tt—液压泵、马达的理论转矩(N·m)；•n—液压泵、马达的转速(r／s)；•注意：不是r/min。•ω——液压泵、马达的角速度(rad／s)；•p——液压泵、马达的工作压力(Pa)；•qt——液压泵、马达的理论流量(m3／s)；•Vd——液压泵、马达的每弧度排量(m3／rad)；•V——液压泵、马达的每转排量(m3／r)。•当不计各种损失时，液压泵的输出流量qt是由角速度ω转换而来的，转换系数即为角度排量Vd；其输出压力p是由输入转矩Tt转换而来的，转换系数即为角度排量Vd的倒数。液压马达也是如此。•实际上，液压泵和液压马达在能量转换过程中是有损失的，因此，输出功率小于输入功率，两者之间的差值即为功率损失，功率损失可以分为容积损失和机械损失两部分。p、qM2、n2M1、n1•对液压马达来说，输入液压马达的实际流量必然大于它的理论流量，其容积效率可表示为：•容积损失是因泄漏、气穴和油液在高压下压缩等造成的流量损失，对液压泵来说，输出压力增大时，泵实际输出的流量减小，泵的流量损失可用容积效率来表示：tltlttVqqqqqqq1qqqqqqqlltV1式中ηv——液压泵、马达的容积效率；•ql——液压泵、马达的泄漏流量(m3／s)；•q——液压泵、马达的实际流量(m3／s)。•对于液压马达来说，由于摩擦损失，使液压马达实际输出转矩小于其理论转矩；它的机械效率为：•机械损失是指因摩擦而造成的转矩损失。对液压泵来说，泵的驱动转矩总是大于其理论上需要的驱动转矩，机械损失用机械效率来表征：tftfttmTTTTTTT1•式中ηm——液压泵、马达的机械效率；•Tf——液压泵、马达的损失转矩(N·m)；•T——液压泵、马达的实际转矩(N·m)。TTTTTTTfftm1•液压泵的总效率是其输出功率和输入功率之比：mVNN入出式中η——液压泵、马达的总效率。•液压马达的总效率同样也是其输出功率和输入功率之比。•这就是说，液压泵或液压马达的总效率都等于各自容积效率与机械效率的乘积。•事实上，液压泵、马达的容积效率和机械效率在总体上与油液的泄漏和摩擦副的摩擦损失有关，而泄漏及摩擦损失则与泵、马达的工作压力、油液粘度、转速有关。液压泵的效率特性曲线•由图可见，在不同的压力下，液压泵和马达的效率是不同的；在不同的转速和粘度下，液压泵和液压马达的效率值也是不同的。液压泵、马达的使用转速、工作压力和传动介质均会影响其工作效率。马达效率特性曲线2.2齿轮泵•齿轮泵是一种常用的液压泵，主要特点是结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸性能好，对油液污染不敏感，工作可靠；其主要缺点是流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调。•齿轮泵被广泛地应用于采矿设备，冶金设备，建筑机械，工程机械，农林机械等各个行业。•齿轮泵按照其啮合形式的不同，有外啮合和内啮合两种，其中外啮合齿轮泵应用较广，而内啮合齿轮泵则多为辅助泵。2.2.1外啮合齿轮泵的工作原理主动齿轮被动齿轮泵体吸油腔压油腔（动画演示）由一对完全相同的圆柱齿轮及泵体、前后泵盖、传动轴、密封件等组成。其组成及工作原理见三维动画。2.2.2齿轮泵的流量和脉动率•外啮合齿轮泵的排量可近似看作是两个啮合齿轮的齿谷容积之和，若假设齿谷容积等于轮齿所占体积，齿轮泵的排量可近似为：•V＝πdhb=2πzm2b•式中V——液压泵的每转排量(m3／r)；•z——齿轮的齿数；•m——齿轮的模数(m)；•b——齿轮的齿宽(m)；•d——齿轮的节圆直径(m)，d=mz；•h——齿轮的有效齿高(m)，h=2m。•实际上，齿谷容积比轮齿体积稍大一些，并且齿数越少误差越大，因此，在实际计算中用3.33～3.50来代替上式中的π值，齿数少时取大值，齿数多时取小值。这样，齿轮泵的排量可写为•V=(6.66～7)zm2b•由此得齿轮泵的输出流量为•q=(6.66～7)zm2bnηV•实际上，由于齿轮泵在工作过程中，排量是转角的周期函数，存在排量脉动，瞬时流量也是脉动的。•流量脉动会直接影响到系统工作的平稳性，引起压力脉动，使管路系统产生振动和噪声，如果脉动频率与系统的固有频率一致，还将引起共振，加剧振动和噪声。为了度量流量脉动的大小，引入了流量脉动率：•σ=(qmax－qmin)/q0•式中σ——液压泵的流量脉动率；•qmax——液压泵最大瞬时流量(m3／s)；•qmin——液压泵最小瞬时流量(m3／s)；•q0——液压泵的时间平均流量(m3／s)。•流量脉动率是衡量容积式泵流量品质的一个重要指标。在容积式泵中，齿轮泵的流量脉动最大，并且齿数愈少，脉动率愈大，这是外啮合齿轮泵的一个弱点。2.2.3齿轮泵的结构特点2.2.3.1困油的现象（原理演示）为保证齿轮泵平稳地工作，齿轮啮合时的重叠系数必须大于1，即至少有一对以上的轮齿同时啮合，因此，在工作过程中，就有一部分油液困在两对轮齿啮合时所形成的封闭油腔之内，如图所示，这个密封容积的大小随齿轮转动而变化。•从图(1)到图(2)，密封容积逐渐减小；从图(2)到图(3)，密封容积逐渐增大；如此产生了密封容积周期性的增大减小。受困油液受到挤压而产生瞬间高压，密封空腔的受困油液若无油道与排油口相通，油液将从缝隙中被挤出，导致油液发热，轴承等零件也受到附加冲击载荷的作用；若密封容积增大时，无油液补充，又会造成局部真空，使溶于油液中的气体分离出来，产生气穴，这就是齿轮泵的困油现象。•困油现象使齿轮泵产生强烈的噪声，并引起振动和汽蚀，同时降低泵的容积效率，影响工作的平稳性和使用寿命。设计齿轮泵时，在保证高低压腔不串通的前提下，要保证闭死容积从大变小时和压油腔相通，从小变大时和吸油腔相通即可。也有在这个端盖上钻一个盲孔或两个盲孔作为卸荷槽。消除困油现象的方法：通常是在两端盖板上开卸荷槽，见图2-22中的虚线方框。当封闭容积减小时，通过右边的卸荷槽与压油腔相通。而封闭容积增大时，通过左边的卸荷槽与吸油腔相通，两卸荷槽的间距必须确保在任何时候都不使吸、排油相通。2.2.3.2径向不平衡力产生径向力的原因:（原理演示）（a）吸油腔侧压力低于压油腔侧压力；（b）齿轮的啮合力。在齿轮泵中，油液作用在齿轮外缘的压力是不均匀的，从低压腔到高压腔，压力沿齿轮旋转的方向逐齿递增，因此，齿轮和轴受到径向不平衡力的作用，工作压力越高，径向不平衡力越大，径向不平衡力很大时，能使泵轴弯曲，导致齿顶压向定子的低压端，使定子偏磨，同时也加速轴承的磨损，降低轴承使用寿命。减小径向力偏载的措施：a）减小压油口直径；使压油腔的压力仅作用在一个齿到两个齿的范围内;•b）增大扫膛处径向间隙；使齿顶不与定子内表面产生金属接触，并在支撑上多采用滚针轴承或滑动轴承;•c）采用滚针轴承或滑动轴承；•d)开减载槽，即将齿槽中的高压区引向低压吸油口，齿槽的低压区引向高压的排油口；•e)过渡区连通。2.2.3.2齿轮泵的泄漏通道及端面间隙的自动补偿在液压泵中，运动件间是靠微小间隙密封的，这些微小间隙从运动学上形成摩擦副，而高压腔的油液通过间隙向低压腔泄漏是不可避免的；齿轮泵压油腔的压力油可通过三条途径泄漏到吸油腔去:(1)通过齿轮啮合线处的间隙——齿侧间隙；(2)通过泵体定子环内孔和齿顶间的径向间隙——齿顶间隙；(3)通过齿轮两端面和侧板间的间隙——端面间隙。在这三类间隙中，端面间隙的泄漏量最大，压力越高，由间隙泄漏的液压油就愈多。因