第2章液压动力元件

第二章液压动力元件液压泵§2-1液压泵概述液压泵是一种能量转换装置，将电动机（或其它动力装置）所输出的机械能转变为液体压力能，是液压系统中的动力元件，为液压系统提供具有一定的压力油液。泵容积式泵非容积式泵如离心泵液压泵的性能好坏直接影响到液压系统的工作性能和可靠性。液压泵的基本工作原理液压泵的主要性能参数液压泵的分类和选用液压泵的图形符号一、液压泵的基本工作原理液压泵都属于容积式泵，它是靠密封的工作容积发生变化而进行工作的。以单柱塞泵为例组成：缸体、偏心轮、柱塞、弹簧、两个单向阀。柱塞与缸体孔之间形成密闭容积。柱塞直径为d，偏心轮偏心距为e。偏心轮旋转一转，柱塞上下往复运动一次，向下运动吸油，向上运动排油。泵每转一转排出的油液体积称为排量，排量只与泵的结构参数有关。V=Sπd2/4=eπd2/2液压泵的基本工作原理容积式液压泵的基本特点：（1）必须具有若干个密封且又可以周期性变化的空间；油泵的输油量与该密封容积变化的大小及其频率有关。（2）油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力；（3）吸压油腔隔开，有与密封容积变化相协调的配流机构。在压油过程中，密封容积中压去的油液的压力取决于油液流出后遇到的阻力大小。即油泵的输出压力取决于外界负载。在吸油过程中，密封容积中的压力低于大气压，油箱的油液在液面大气压的作用下进入。所以，油箱应与大气压相通或加正压。注意二、液压泵的性能参数1、压力p（单位为Pa）（1）工作压力：泵实际工作的压力。在实际工作中，泵的压力是由负载决定的。工作压力p额定压力pn，即泵过载吸入压力：泵进口处的压力。（2）额定压力：在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压力。指泵的工作能力。（3）最高允许压力：在超过额定压力的条件下，根据试验标准规定，允许液压泵短暂运行的最高压力值．液压系统中管路工作压力的确定：10MPaF1=4MPaF2=6MPa如图所示的系统中：当F1动作时，管路中压力P=？当F2动作时，管路中压力P=？当P=？时，溢流阀打开？若将两液压缸串联，要使液压缸运动，管路工作压力为多少？2、排量和流量（1）排量V：液压泵每转一周，由其密封容积几何尺寸变化计算而得的排出油液的体积。常用单位cm3/r.排量的大小仅与泵的几何尺寸有关。（2）流量：液压泵的流量又分为理论流量qt、实际流量q、额定流量qn等。理论流量qt:在不考虑泄漏的情况下，泵在单位时间内所排出的油液体积，即qt=nV。常用的单位为m3/s和L/min。实际流量q：液压泵在某一具体工况下，单位时间内所排出的液体体积。q=qt－Δq（m3/s）。额定流量qn:液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定（如额定压力和额定转速下）必须保证的流量，称为泵的额定流量（m3/s）。q≤qn﹤qt3、功率和效率（1）容积效率ηv:泵经过容积损失（q1）后的实际输出功率与理论输出功率之比。即111tvtttqqqqqqqvVntvqq（2）机械效率ηm:液压泵的理论转矩Tt与实际输入转矩T之比。即1tT1TT1Ttm或1）输入功率Pi：指作用在液压泵主轴上的机械功率当输入转矩为Ti、输入角速度为ω时，有Pi=Ti·ω2）输出功率Pt：液压泵在工作过程中的实际吸、压油口间的压差Δp和输出流量q的乘积。Pt=q·Δp（2）液压泵的功率3）总效率η:泵的实际输出功率P与其输入功率Pi之比。即i/tvvmitmqpPqpPTT泵的总效率等于其容积效率和机械效率的乘积。iqpP液压泵的输入功率也可写成：4、转速（1）额定转速ns：在额定压力下，能连续长时间运转的最高转速。（2）最高转速nmax：在额定压力下，超过额定转速允许短时间运行的最高转速。（3）最低转速nmin:正常运转所允许的液压泵的最低转速。（4）转速范围：最低转速与最高转速之间的转速为液压泵的工作的转速范围。三、液压泵的性能曲线液压泵的性能曲线是在特定的工作介质、转速和油温下通过试验做出的。由图可知：容积效率ηv（实际流量q）随压力增高而减少；机械效率ηm开始时迅速上升，而后变缓；总效率η始于零，随压力升高而升高，接近额定压力时总效率η最高。液压泵的分类四、液压泵的分类和选用4.1、按输出流量能否改变，可分为定量泵和变量泵；4.2、按额定压力的高低，可分为低压泵（≤2.5MPa）、中低压泵（≤14MPa）、中高压泵（≤32MPa）和高压泵（＞32MPa）；4.3、按结构形式，主要有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等。4、4选用原则：是否要求变量要求变量选用变量泵。工作压力柱塞泵的额定压力最高。工作环境齿轮泵的抗污能力最好。噪声指标双作用叶片泵和螺杆泵属低噪声泵。效率轴向柱塞泵的总效率最高。五、油泵的职能符号p，Qn，Mn油泵（定量泵）变量泵双向变量泵液压泵的职能符号§2-2齿轮泵齿轮泵按齿轮啮合形式可分为外啮合和内啮合两种。具有如下优点：（1）体积小，重量轻，价格便宜；（2）自吸能力强，抗污染能力强。一、渐开线外啮合齿轮泵1、工作原理齿轮泵的工作原理组成：分离三片式，前、后泵盖，泵体，一对齿数、模数、齿形完全相同的渐开线外啮合齿轮装在泵体内，将其分为两部分（吸和压）。工作原理：容积式泵1、密封容积的形成——齿轮的齿槽、泵体内表面、前后泵盖等围成。2、密封容积变化——齿轮脱开啮合，V密↑，产生真空，吸油；齿轮进入啮合，V密↓，油被迫压出压油；3、吸压油口隔开——两齿轮啮合线及泵盖两啮合的轮齿将泵体、前后盖板和齿轮包围的密闭容积分成两部分，轮齿进入啮合的一侧密闭容积减小，经压油口排油，退出啮合的一侧密闭容积增大，经吸油口吸油。2、排量和流量齿轮泵瞬时流量不均匀——即脉动，一般采用近似计算。（1）排量：相当于有效齿高和齿宽所构成的平面所扫过的环形体积，V=2πzm2Bz—齿数，m—齿轮模数，B—齿宽齿轮节圆直径一定时，为增大泵的排量，应增大模数，减小齿数。齿轮泵为定量泵，排量间接地受压力影响，压力升高，泄漏加大，容积效率下降，排量减少。（2）流量：理论流量：qt=Vn=6.66zm2Bn实际流量：q=qtηv=6.66zm2Bnηv排量和流量每一对轮齿啮合时，啮合点位置变化∴瞬时流量也变化：从最小变最大，又从最大变最小故出现流量脉动σ=(qmax－qmin)/q×100%结论：齿数越少，脉动率越大，最大可达20%以上流量脉动是容积式泵的共同弊病：既会引起系统的压力脉动，产生振动和噪声，又会影响传动的平稳性。一般齿轮泵的齿数为6或12个，齿轮为正变位齿轮。（1）泄漏与间隙补偿措施齿轮泵的泄漏途径主要有三条：①齿轮端面与前后盖板之间的端面间隙的泄漏，约占总泄漏的75%～80%；②齿顶圆与泵体内圆之间的径向间隙的泄漏，约占总泄漏的15%～20%；③齿面啮合处的泄漏，占齿轮泵总泄漏量的5%3、结构特点结构特点端面间隙的自动补偿措施：浮动轴套（或浮动侧板）、弹性侧板（或称挠性侧板）式补偿装置。补偿方法：在浮动零件的背面引入压力油，让作用在背面的液压力稍大于正面（配合面）的液压力，此力把浮动零件压向齿轮端面，减少端面间隙。A、浮动轴套的典型结构：（1）补偿面为“8”字形的浮动轴套（2）补偿面为偏心“8”字形的浮动轴套CBN-3OO（3）分区压力补偿的“8”字形浮动侧板CB-L型B、弹性侧板CB-FB型轴向补偿压油腔通常用特形的弹性密封圈与非受压面隔开，并利用密封圈自身的弹性对补偿元件产生预压。中小排量的齿轮泵多采用浮动轴套；大排量泵，特别是采用滚针轴承的则宜采用弹性侧板式结构。结构特点（2）困油现象与卸荷措施困油现象产生的原因齿轮重迭系数ε＞1，在两对轮齿同时啮合时，它们之间将形成一个与吸、压油腔均不相通的闭死容积，此闭死容积随齿轮转动其大小发生变化，先由大变小，后由小变大。困油现象的危害闭死容积由大变小时油液受挤压，导致压力冲击和油液发热，闭死容积由小变大时，会引起汽蚀和噪声。卸荷措施在前后盖板或浮动轴套上开卸荷槽开设卸荷槽的原则两槽间距a为最小闭死容积，而使闭死容积由大变小时与压油腔相通，闭死容积由小变大时与吸油腔相通。作用在齿轮泵轴承上的径向力F是由沿齿轮圆周液体压力产生的径向力Fp和由齿轮啮合产生的径向力FT所组成。径向力不仅影响轴承的寿命，而且使齿轮轴变形，导致齿顶刮削泵体内圆。结构特点这一危害随着齿轮泵压力的提高而加剧，因此必须采取相应的措施以平衡液压径向力。（3）液压径向力及平衡措施平衡径向力的主要措施：①合理选择齿宽B和齿顶圆直径De；②缩小压油腔尺寸；③增大轴与轴承刚度④通过在盖板上开设平衡槽，使它们分别与低、高压腔相通，产生一个与液压径向力平衡的作用。齿轮泵的结构4、CB型齿轮泵的外形结构及性能参数分离三片式结构。主要由齿轮、泵体、前后端盖、传动轴等组成。齿轮泵的结构CB－L型齿轮泵结构图主要性能参数：1、压力具有良好的轴向和径向补偿装置的中小排量的齿轮泵的最高工作压力目前均超过25MPa，最高者达32MPa。大排量齿轮泵的许用压力亦可达16～20MPa;2、排量范围从0.05～800mL/r，但常用为2.5～250800mL/r;3、转速最高转速可达20000r/min以上，常用为1000～3000r/min，最低为300～500r/min；4、效率63～85%，带有间隙补偿装置的泵优于固定间隙型，内齿轮泵优于外齿轮泵；5、寿命低压齿轮泵为3000～5000小时，高压外齿轮泵在额定压力下的寿命一般只有几百小时，高压内齿轮泵2000～3000小时。主要性能参数三、螺杆泵工作原理相互啮合的螺杆与壳体之间形成多个密闭容积，每个密闭容积为一级。当传动轴带动主螺杆顺时针旋转时，左端密闭容积逐渐形成，容积增大为吸油腔；右端密闭容积逐渐消失，容积减小为压油腔。特点流量均匀，噪声低；自吸性能好。二、内啮合齿轮泵工作原理小齿轮带动内齿环同向异速旋转，左半部分轮齿退出啮合，形成真空，吸油。右半部分轮齿进入啮合，容积减小，压油。月牙板同两齿轮将吸压油口隔开。组成：小齿轮、内齿环、月牙形隔板等特点无困油现象流量脉动小，噪声低采取间隙补偿措施后，泵的额定压力可达30MPa。应用1、移动设备和车辆上作为液压工作系统和转向系统的压力油源；2、各种液压系统的辅助泵，如闭式回路中的补油泵、先导控制系统中的低压控制油源等。3、内齿轮泵在固定和移动设备中的应用面会迅速扩大。思考题思考题1、容积式泵工作的必要条件是什么？2、困油现象的实质是什么？齿轮泵困油现象是怎样产生的？3、外啮合齿轮泵能否做高压泵用？为什么？4、如果与液压泵吸油口相通的油箱是完全封闭的，不与大气相通，液压泵能否正常工作？参考资料：•1、许福玲等主编《液压与气压传动》机械工业出版社•2、路甬祥主编《液压气动技术》机械工业出版社§2-3叶片泵叶片泵叶片泵根据每转作用次数的不同，可分为双作用式和单作用式两大类。具有如下优点：（1）结构紧凑，体积小，重量轻；（2）流量均匀，噪声小，寿命长。但吸入特性不太好，对油液的污染比较敏感，制造工艺要求比较高。一般叶片泵的工作压力为7MPa,高压叶片泵的工作压力可达25～32MPa。泵的转速范围一般在600～1500r/min。叶片泵广泛应用在机床、工程机械、船舶、压铸机和冶金设备中。结构组成定子其内环由两段大半径R圆弧、两段小半径r圆弧和四段过渡曲线组成转子铣有Z个叶片槽，且与定子同心，宽度为B叶片在叶片槽内能自由滑动左、右配流盘开有对称布置的吸、压油窗口结构组成1、双作用叶片泵的工作原理传动轴、壳体等双作用叶片泵双作用叶片泵工作原理密闭容积的组成：定子内环、转子外圆、相邻叶片和左右配流盘。半径圆弧和四段过渡曲线组成，故有两部分密闭容积将减小，受挤压的油液经配流窗口排出，两部分密闭容积将增大形成真空，经配流窗口从油箱吸油。吸压油口隔开：配油盘上封油区及叶片密闭工作容积被叶片分割为四部分，传动轴带动转子旋转，叶片在离心力作用下紧贴定子内表面，因定子内环由两段大半径圆弧、两段小β1ββ2