液压马达

第4章液压泵和液压马达返回§4.1液压泵的基本工作原理及分类§4.2液压泵的基本性能参数和特性曲线§4.3齿轮泵§4.4叶片泵§4.5柱塞泵§4.6螺杆泵§4.7各类液压泵的性能比较及应用§4.8液压马达§4.1液压泵的基本工作原理及分类液压泵和液压马达都是靠密封容积的变化来工作的。图4.1所示为液压泵的结构简图。当偏心轮1由动力装置带动旋转时，柱塞2便在偏心轮1和弹簧4的作用下在泵体3内往复移动。柱塞右移时，缸体中密封工作腔a的容积变大，产生真空，油箱中的油液便在大气压力作用下通过吸油（单向）阀5吸入液压泵内，实现吸油；柱塞左移时，缸体中密封工作腔a的容积变小，油液受挤压，通过压油（单向）阀6输到系统中去，实现压油。由此可见，液压泵是靠密封工作腔的容积变化来工作的。它具有一定的密封容积，而且其密封容积是变化的，同时还要有吸压油部分。液压泵输出油液流量的大小，由密封工作腔的容积变化量和单位时间内的变化次数决定。因此这类液压泵又称为容积式泵。图4.1容积式液压泵结构简图1－偏心轮；2－柱塞；3－缸体；4－弹簧；5－吸油阀；6－压油阀液压泵的基本工作原理及分类(2/2)按照结构形式的不同，液压泵可分为齿轮式、叶片式、柱塞式和螺杆式等类型；按密封工作腔容积变化量能否调节，液压泵又分为定量式和变量式两类。液压泵的一般图形符号如图4.2（a）所示，液压马达的一般图形符号如图4.2（b）所示。图4.2液压泵和液压马达图形符号1.液压泵的基本性能参数（1）压力液压泵的压力参数主要是工作压力和额定压力。（a）工作压力它是指液压泵在实际工作时输出油液的压力值，即泵出油口处压力值，也称为系统压力。此压力取决于系统中阻止液体流动的阻力。阻力（负载）增大，工作压力升高；反之则工作压力降低。泵的最大工作压力是由其组成部分零件的结构强度和密封好坏来决定的，随着泵工作压力的提高，它的泄漏量增大，效率降低。（b）额定压力它是指在保证液压泵的容积效率、使用寿命和额定转速的前提下，泵连续长期运转时允许使用的压力最大限定值。它是泵在正常工作的条件下，按试验标准规定能连续运转的最高压力。当泵的工作压力超过额定压力时，就会过载。§4.2液压泵的基本性能参数和特性液压泵的基本性能参数(2/5)(2)流量和排量由液压泵的密封容腔几何尺寸变化计算而得到的液压泵每转排出液体的体积，称为液压泵的排量V。在工程上，它可以用在无泄漏的情况下，液压泵轴每转所排出的液体体积来表示，常用单位为mL/r。由液压泵的密封容腔几何尺寸变化计算而得到的液压泵在单位时间内排出液体的体积，称为液压泵的理论流量qt。它等于液压泵排量V和转速n的乘积，即（4.1）液压泵在工作时的输出流量称为液压泵的实际流量q。这时的流量必须考虑到液压泵的泄漏。液压泵在额定转速和额定压力下输出的流量称为液压泵的额定流量qn。由于液压泵存在泄漏，所以液压泵的实际流量和额定流量都小于理论流量。qnVt液压泵的基本性能参数(3/5)(3)功率液压泵的输入能量为机械能，其表现为转矩T和转速ω；液压泵的输出能量为液压能，表现为压力p和流量q。液压缸的输入能量为液压能，其表现为压力p和流量q；液压缸的输出能量为机械能，表现为力F和速度。以泵－缸系统为例，液压泵的输入功率Pi为（4.2）液压泵的输出功率Po为（4.3）当忽略能量转换及输送过程中的损失时，液压泵的输出功率应该等于输入功率，即液压泵的理论功率为（4.4）式中——液压泵的转动角速度（rad/s）；Tt——液压泵的理论转矩（N·m）。PTnTi2PFpApqo2ttttPFpApqpVnTnT液压泵的基本性能参数(4/5)(4)效率液压泵由于存在泄漏，因此它的实际输出流量q为（4.6）q和ql都与液压泵的工作压力p有关，ql随p的升高而加大，从而导致q随p的升高而减小。液压泵实际流量与理论流量的比值，称为容积效率，以v表示（4.7）由于液压泵内零件之间的间隙很小，泄漏油液的流态可以看做是层流，所以泄漏量ql和液压泵的工作压力p成正比关系，即（4.8）故又有（4.9）tlqqq11tlllvtttqqqqqqqqVnllqkpvlkpVn1液压泵的基本性能参数(5/5)液压泵由于存在机械摩擦（相对运动零件之间的摩擦及液体的粘性摩擦），因此它的实际输入转矩Ti必然大于理论转矩Tt。液压泵理论转矩与实际转矩的比值，称为机械效率，以m表示（4.10）或根据式（4.4），将代入上式，得（4.11）因此，液压泵的总效率可写成（4.12）mtiTTTpVt22mipVT22ovmiiiPpqqpVPnTVnT由图可见，液压泵的理论流量不随液压泵的压力变化。由于液压泵的泄漏量随压力升高而增大，所以液压泵的实际输出流量q随压力的升高而降低，而容积效率也随之降低。总效率开始随压力p的增大很快上升，达到最大值后，又逐步下降。由容积效率和总效率这两条曲线的变化，可以看出2.液压泵特性曲线机械效率的变化情况。液压泵在低压时，机械摩擦损失在总损失中所占的比重较大，其机械效率很低。随着工作压力的提高，机械效率很快提高。在达到某一值后，机械效率大致保持不变，从而表现出总效率曲线几乎和容积效率曲线平行下降的变化规律。图4.4液压泵特性曲线§4.3齿轮泵1.齿轮泵的工作原理外啮合齿轮泵的工作原理和结构如图4.5所示。泵体1内有一对互相啮合的外齿轮2和3，齿轮的两端由端盖密封。这样由泵体、齿轮的各个齿槽和端盖形成了多个密封工作腔，同时轮齿的啮合线又将左右两腔隔开，形成了吸、压油腔。当齿轮按图示方向旋转时，右侧吸油腔内的轮齿相继脱离啮合，密封工作腔容积不断增大，形成部分真空，在大气压力作用下经吸油管从油箱吸进油液，并被旋转的轮齿齿间槽带入左侧。左侧压油腔由于轮齿不断进入啮合，使密封工作腔容积减小，油液受到挤压被输出送往系统。这就是齿轮泵的吸油和压油过程。在齿轮泵的啮合过程中，啮合点沿啮合线移动，这样就把吸油区和压油区分开。图4.5外啮合齿轮泵工作原理1－泵体；2－主动齿轮；3－从动齿轮2.齿轮泵的排量和流量外啮合齿轮泵的排量可近似看作是两个啮合齿轮的齿槽容积之和。若假设齿槽容积等于轮齿体积，则当齿轮齿数为z、模数为m、节圆直径为d（其值等于mz）、有效齿高为h（其值等于2m）、齿宽为b时，齿轮泵的排量近似值为（4.13）实际上，齿槽容积比轮齿体积稍大一些，并且齿数越少差值越大，因此需用3.33~3.50来代替上式中的值（齿数少时，取大值），以补偿误差。即齿轮泵的排量为（4.14）由此得齿轮泵的输出流量为（4.15）Vdhbzmb22Vzmb(.~)66672qzmbnv(.~)66672齿轮泵的排量和流量(2/2)实际上，由于齿轮泵在工作过程中啮合点沿啮合线移动，使其工作油腔的容积变化率是不均匀的。因此，齿轮泵的瞬时流量是脉动的。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。若用qmax和qmin表示最大、最小瞬时流量，q表示平均流量，则流量脉动率σ可用下式表示（4.16）它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缺点。所以，齿轮泵一般用于对工作平稳性要求不高的场合，要求平稳性高的高精度机械不宜采用齿轮泵。qqqmaxmin3.齿轮泵结构分析(1)困油现象齿轮泵要平稳地工作，齿轮啮合的重合度必须大于1，即有两对轮齿同时啮合的时刻，因此，就会有一部分油液困在两对轮齿所形成的封闭容积之内，如图4.8所示。这个封闭容积先随齿轮转动逐渐减小（由图4.8（a）到图4.8（b）），然后又逐渐增大（由图4.8（b）到图4.8（c））。图4.8齿轮泵困油现象及其消除措施齿轮泵结构分析(2/5)封闭容积减小，会使被困油液受挤压而产生高压，并从缝隙中流出，导致油液发热，轴承等机件也受到附加的不平衡负载作用；封闭容积的增大又会造成局部真空，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气蚀，降低泵的容积效率，影响工作的平稳性，缩短使用寿命。消除困油的方法，通常是在两端盖板上开卸荷槽（图4.8（d）中的虚线），使封闭容积减小时，通过右边的卸荷槽与压油腔相通；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油腔和压油腔相通。齿轮泵结构分析(3/5)(2)径向不平衡力在齿轮泵中，液体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，径向不平衡力也越大。径向不平衡力很大时，能使泵轴弯曲，导致齿顶接触泵体，产生摩擦；同时也加速轴承的磨损，降低轴承使用寿命。为了减小径向不平衡力的影响，常采取缩小压油口的办法，使压油腔的压力油仅作用在一个齿到两个齿的范围内；同时适当增大径向间隙，使齿顶不和泵体接触。(3)端面泄漏及端面间隙的自动补偿齿轮泵压油腔的压力油可通过三条途径泄漏到吸油腔去：一是通过齿轮啮合线处的间隙；二是通过泵体内孔和齿顶间的径向间隙；三是通过齿轮两端面和盖板间的端面间隙。在这三类间隙中，端面间隙的泄漏量最大。液压泵的压力越高，由间隙泄漏的液压油就愈多，因此，一般齿轮泵只用于低压系统。为减小泄漏，用减小间隙的方法并不能取得好的效果，因为在泵经过一段时间运转后，由于磨损而使间隙变大，泄漏又会增加。为提高齿轮泵的压力和容积效率，需要从结构上采取措施，对端面间隙进行自动补偿。齿轮泵结构分析(4/5)齿轮泵结构分析(5/5)通常采用的自动补偿端面间隙装置有浮动轴套式和弹性侧板式两种。浮动轴套式齿轮泵的浮动轴套是浮动安装的，轴套外侧的空腔与泵的压油腔相通。所引入压力油使轴套或侧板紧贴在齿轮侧端面上，泵输出的压力愈高，贴得愈紧，因而自动补偿端面磨损和减小间隙。当泵工作时，浮动轴套受油压的作用而压向齿轮端面，将齿轮两侧面压紧，从而补偿了端面间隙。1－壳体；2－主动齿轮；3－从动齿轮；4－前端盖；5－后端盖；6－浮动轴套；7－压力盘4.内啮合齿轮泵内啮合齿轮泵有渐开线齿形和摆线齿形两种，其结构示意可见图4.9。这两种内啮合齿轮泵的工作原理和主要特点皆同于外啮合齿轮泵。在渐开线齿形内啮合齿轮泵中，小齿轮和内齿轮之间要装一块月牙隔板，以便把吸油腔和压油腔隔开，如图4.9（a）。摆线齿形内啮合齿轮泵又称摆线转子泵，在这种泵中，小齿轮和内齿轮只相差一齿，因而不需设置隔板，如图4.9（b）。内啮合齿轮泵中的小齿轮是主动轮。图4.9内啮合齿轮泵1－吸油腔；2－压油腔；3－隔板内啮合齿轮泵(2/2)内啮合齿轮泵的结构紧凑，尺寸小，质量小，运转平稳，噪声低，在高转速工作时有较高的容积效率。但在低速高压下工作时，压力脉动大，容积效率低，所以一般用于中低压系统。在闭式系统中，常用这种泵作为补油泵。内啮合齿轮泵的缺点是：齿形复杂，加工困难，价格较贵。§4.4叶片泵1.双作用叶片泵的工作原理图4.10所示为双作用叶片泵的工作原理。定子的两端装有配流盘，定子3的内表面曲线由两段大半径圆弧、两段小半径圆弧以及四段过渡曲线组成。定子3和转子2的中心重合。在转子2上沿圆周均布开有若干条（一般为12或16条）与径向成一定角度（一般为13）的叶片槽，槽内装有可自由滑动的叶片。在配流盘上，对应于定子四段过渡曲线的位置开有四个腰形配流窗口，其中两个与泵吸油口4连通的是吸油窗口；另外两个与泵压油口1连通的是压油窗口。图4.10双作用叶片泵的工作原理1－压油窗口；2－转子；3－定子；4－吸油窗口双作用叶片泵的工作原理(2/2)当转子2在传动轴带动下转动时，叶片在离心力和底部液压力（叶片槽底部始终与压油腔相通）的作用下压向定子3的内表面，在叶片、转子、定子与配流盘之间构成若干密封空间。当叶片从小半径曲线段向