液压与气压传动 第三章 液压动力元件.doc

课 时 授 课 计 划授课日期班 别题 目第三章 液压动力元件目的要求 掌握液压泵的工作原理 掌握液压泵的主要性能参数及计算 掌握各种液压泵的结构特点重点各种液压泵的结构特点难点液压泵的主要性能参数的计算教 具课本教 学 方 法课堂教学报书设计第三章 液压动力元件第一节 概述第二节 齿轮泵第三节 叶片泵第四节 柱塞泵第五节 液压泵的选用教学过程：复习：1、液压油的性质及选用 2、液压流体力学基础新 课：第三章 液压动力元件第一节 概述 液压泵(displacement pump)是液压系统的动力元件。其作用是将原动机(电动机、柴油机等)输入的机械能(转矩和角速度)转换为压力能(压力和流量)输出，供给系统压力油，即为执行元件提供压力油。 一、液压泵的工作原理单柱塞式液压泵液压泵的工作原理归纳如下：（1）密闭的容积发生变化是吸油、压油的根本原理，容积变大时形成真空，油箱中的油液在大气压力下进入密闭的容积(吸油)，容积减小时油液 受压排出(压油)； （2）油箱的液面与大气相通是吸油的必要条件； （3）要有配流装置将吸油、压油的过程分开；(吸油口、排压口不能相通) 原理： 液压泵是靠密封容积的变化实现吸油和压油的。 液压泵是靠密封容积的变化来实现吸油和压油的，其排油量的大小取决于密封腔的容积变化，故这种泵又称为容积泵。用符号表示泵二、分类 常用的液压泵及液压马达按其结构形式可分为三大类： 三、液压泵的性能参数主要是指：压力、流量和排量、功率和效率1、压力（1）吸入压力 液压泵进口处的压力。（2） 工作压力 p 液压泵的工作压力是指泵工作时输出油液的实际压力，泵的工作压力决定于负载,外负载增大，泵的工作压力也随之升高。（4）额定压力 ps 泵在正常工作条件下，按试验标准规定能连续运转的最高压力，称为泵的额定压力。泵的额定压力大小受泵本身的泄漏和结构强度制约。当泵的工作压力超过额定压力时，泵就会过载。 （5）最高压力 指液压泵的工作压力随负载的增加而增加，当工作压力增加到液压泵本身零件的强度允许值和允许的最大泄漏时，液压泵的工作压力就不能增加了，这时液压泵的工作压力为最高压力。 （一般液压泵有一定的过载能力，允许的最大过载压力为额定压力1.25倍） 2、流量和排量（1）流量：单位时间内泵输出油液的体积，单位m3/s。（2)排量 (V) 由泵的密封容腔几何尺寸变化计 算而得的泵（在无泄漏情况下）每转一转所能排出液体体积。常用单位mL/r（3)理论流量(qt) 由泵的密封容腔几何尺寸变化计算 而得的泵（在无泄漏情况下）在单位时间内的排出的液体体积称为泵的理论流量。泵的理论流量等于排量和转速的乘积，即 qt =nV（4) 实际流量 泵的实际流量是指泵工作时的实际输出流量。 由于泄漏，实际流量总是比理论流量要小。其值为理论流量qt 减去泄漏量 q , 即q=qt-q （5）瞬时(理论)流量 qsh 液压泵任一瞬时理论输出的流量，一般它是波动的，即qsh q ,（6）额定流量qn 液压泵在额定压力、额定转速下允许连续运行的流量。 泵在正常工作条件下，按试验标准规定泵必须保证的输出流量。额定流量也小于理论流量。3、功率 液压泵的输入能量为机械能，表现为：转矩T和转速；输出能量为压力能，表现为：p和q （1）理论功率Pt 用泵的理论流量与泵进出口压差的乘积来表示。 即： Pt=pqt（2)输出功率(P0) 泵的实际流量q与泵进出口压差的乘积。P0=pq（3) 输入功率(Pi) 驱动液压泵轴的机械功率为泵的输入功率，若输入转矩为T，角速度为，则 若不考虑液压泵在能量转换中的损失，则 4、效率 由于有泄漏和机械摩擦，总会有能量损失，故 P01，一般取1.051.1，既总有两对齿轮同时啮合，这样就在两对啮合轮齿之间产生一个闭死容积，称为困油区，使留在这两对轮齿之间的油液困在这个封闭的容积内。随着齿轮啮合，封闭的容积先逐渐减小，当啮合点相对于节点对称时，空间最小，随后又逐渐增大，当前一对轮齿即将脱离啮合后一对轮齿进入啮合时，空间最大。当容积减小，被困油液受挤压，而产生高压，并从缝隙中挤出，导致油液发热，轴承等机件也受到附加的不平衡负载作用。当封闭容积增大，又会造成局部真空，使溶于油中的气体分离出来，产生气穴，引起噪声、振动和气蚀，这就是齿轮泵的困油现象。2、消除困油的方法 通常是在齿轮的两端盖板上开卸荷槽，如图示，当容积减小时，使左边卸荷槽与压油腔相通，当容积增大时，右边与吸油腔相通，在很多齿轮泵中，两槽并不对称于齿轮中心线分布，而是整个向吸油腔侧平移一段距离，实践证明，这样能取得更好的卸荷效果。 注:消除困油现象的卸荷槽非对称分布，偏向吸油腔。 五、径向液压作用力的不平衡 齿轮泵的一侧是压油腔，另一侧是吸油腔。两腔的压力是不平衡，因此齿轮受到了来自压油腔高压油的压力作用，使齿轮泵的上、下齿轮及其轴承都受到一个径向不平衡力的作用。油压力越大，这个径向不平衡力越大。 其结果会加速轴承的磨损，降低轴承的寿命，甚至使轴承弯曲变形，造成齿顶与泵体内孔的摩擦。为解决此问题，可采用开压力平衡槽的办法或采用缩小压油腔的办法减小径向不平衡力。 采取措施：1）缩小压油口，使压油腔的压力油仅作用在一个齿到两个齿的范围内；2）适当增大径向间隙，使齿顶不和泵体接触；3）开压力平衡槽。六、泄漏 齿轮泵压油腔的压力油可通过三条途径泄漏到吸油腔中去：（1）通过齿轮啮合处的间隙；（5%）（2）通过泵体内孔与齿顶圆间的径向间隙；（10%15%）（3）通过齿轮两端面和盖板间的端面间隙。 在三类中，以端面间隙的泄漏量最大，约占7075%，泵的压力愈高，间隙泄漏就愈大，因此一般齿轮泵只是用于低压，且其容积效率亦很低。采取措施：减小设计间隙，增加制造成本和机械摩擦不可取。采用轴向间隙补偿措施(如图)。 效果：额定压力可提高10-16MPa，容积效率不低于0.9七、齿轮泵的优缺点及应用 1、齿轮泵(外啮合)的主要优点： 结构简单，体积小(尺寸小)，重量轻，工艺性好，制造方便，价格低廉，自吸能力强(容许的吸油真空度大)，对油液污染不敏感，转速范围大，维修方便，工作可靠。 2、缺点： 径向不平衡力大，摩擦严重，泄漏大，流量脉动大，工作压力的提高受到限制，噪声较大，不能作变量泵使用。第三节 叶片泵 叶片泵(sliding vane pump)是各类泵中，应用较大、生产量较大的一种泵，在中、低压液压系统，尤其在机床行业中应用最多。与齿轮泵相比，叶片泵的优点:1、流量均匀、运转平衡、噪声小；2、寿命长、轮廓尺寸较小，结构较紧凑等。故在精密机床中应用较多，缺点：1、自吸能力差、调速范围小、最高转数较低、叶片容易死、2、工作可靠性较差、结构较复杂、对油液污染较敏感等。 故在工作环境较污秽、速度范围变化大的机械上应用相对较少，在工作可靠性要求很高的地方，如飞机上，也很少应用。 叶片泵按其每个密封工作腔在泵每转一周时吸油排油的次数，分为单作用式和双作用式两大类。 单作用式常作变量泵使用，其额定压力较低(6.3MPa),常用于组合机床、压力机械等。 双作用式只能作定量泵使用，其额定压力可达1421MPa。在各类机床(尤其是精密机床)设备中， 如：注塑机、运输装卸机械及工程机械等中压系统中得到广泛应用。一、单作用非卸荷式叶片泵 1、原理 如图所示，叶片泵由转子、定子、叶片和端盖、配油盘等件组成。定子的内表面是个圆柱面，转子与定子偏心地安装在轴上，转子上开有槽，叶片装在槽内并可在槽中滑落。转子旋转时，在离心力作用下，叶片从槽中伸出，其顶部紧贴在定子的内表面。这样，在定子的内表面、转子的外圆柱表面，相邻的两个叶片表面及两侧配油盘表面之间就形成了若干个密封的工作腔。当转子按图示方向回转时(定子、配油盘不动)，右半部分叶片逐渐从槽中伸出，密封工作腔的容积逐渐变大，产生局部真空，油箱中的油液在大气压的作用下，由泵的吸油口进入这些密封腔，这就是吸油过程。 与此同时，左半部的叶片随着转子的回转被定子内表面逐渐推入转子槽内，密封工作腔的容积逐渐减少，腔内油液经配油盘的压油窗口压出泵外，这就是压油过程。 这种泵的转子每转一周，泵的每个密封的工作腔吸油和压油各一次，所以称单作用叶片泵(single action vane pump)，这种泵的压油区和吸油区的油压力不平衡，其转子受到单向径向不平衡力的作用，故又称这种泵为非平衡式或非卸荷式叶片泵。 由于轴和轴承的不平衡负荷较大，因而使这种泵的工作压力的提高受到了限制。 改变定子和转子间的偏心矩e值，就可以改变泵的排量，故单作用式叶片泵常做成变量泵。 2、单作用式叶片泵的结构特点（1）定子和转子偏心安装 改变偏心量e可调节泵的输出流量偏心反向，吸油、压油方向也反向。（2）径向液压力不平衡 单作用式叶片泵的转子及轴承上承受着不平衡的径向力，这限制了泵工作压力的提高，故泵的额定压力不超过7Mpa。（3）叶片后倾 为了减小叶片与定子间的磨损，叶片底油槽采取在压油区通压力油，在吸油区与吸油腔相通的结构形式。因而，叶片的底部和顶部所受的液压力是平衡的。这样，叶片的向外运动主要靠旋转时所受到的惯性力。据力学分析，叶片后倾一个角度有利于叶片在惯性力作用下向外伸出。通常后倾角为24。（4）压油腔的叶片根部通压力油，以利叶片在压油腔其顶端与定子内表面相接触，吸油腔的叶片根部通低压油(与吸油口通)；（5）采用内泄结构3、排量和流量 单作用叶片泵的排量为各工作容积在转子旋转一周时所排出的液体总和。式中：D定子内圆直径； B叶片宽度； e定子与转子的偏心距。单作用叶片泵的流量是有脉动的，理论分析表明：1）泵内叶片数越少，流量脉动率越小；2）奇数叶片的泵其脉动率比偶数的小；单作用叶片泵的叶片数均为奇数，一般为13或15片。二、双作用式叶片泵1、工作原理组成 双作用叶片泵(double action vane pump)由定子、转子、叶片、左右配油盘等组成，定子与转子中心重合(同心)。定子内表面为近似椭圆柱形，由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和四段过渡曲线所组成。 当转子转动时，叶片在离心力和叶片根部压力油的作用下，在转子槽内向外移动而压向定子内表面，由叶片、定子的内表面、转子的外表面和两侧配油盘间就形成若干个密封容积。 当叶片由小半径处向大半径移动时，两叶片间密封容积逐渐增大，产生局部真空，使油液在大气压作用下通过吸油口从油箱吸入泵内；当叶片从大半径向小半径移动时，叶片后缩，容积逐渐减小，压力上升，将油从压油口压出，泵连续转动，不断吸油、压油而连续供油。双作用泵有两个吸油腔，两个压油腔，转子每转一转，吸油、压油两次，故称作双作用，且两对吸、压油腔是对称于转子分布，所以径向液压力平衡，故又称此泵为卸荷(平衡)式叶片泵。此泵流量(排量)不可调，所以为定量泵。2、排量和流量考虑叶片厚度及倾角时，双作用叶片泵的排量为：式中：R、r定子圆弧段的大、小半径； B转子和叶片的宽度； S叶片的厚度； z叶片数 ； 叶片的倾斜角。若不考虑叶片厚度及倾角时，排量为： 双作用叶片泵的流量脉动很小，其脉动率较其它形式(螺杆泵除外)小得多。且在叶片数为4 的整数倍时最小。故一般该泵的叶片数为12 或16。3、双作用式叶片泵的结构特点（1）定子过渡曲线 理想的过渡曲线不仅应使叶片在槽中滑动时的径向速度和加速度变化均匀，而且应使叶片转到过渡曲线和圆弧交界处的加速度突变不大，以减小冲击和噪声。目前双作用式叶片泵一般都是用综合性能较好的等加速度-等减速曲线。（2）径向作用力平衡 由于双作用式叶片泵的吸、压油口对称分布，所以转子和轴承上所受的径向力是平衡的。（3）配流盘 配流盘的作用是给泵进行配油。为了保证配流盘的吸、压油窗口在工作中能隔开，就必须使配流盘上封油区夹角 (即吸油窗口和压油窗口之间的夹角)大于或等于两个相邻叶片间的夹角，如图320所示，即： 此外定子圆弧部的夹角应当等于或大于配流盘上封油区夹角 ，以免产生困油和气穴现象。（4）缷荷三角槽 在配流盘上叶片从封油区进入压油窗口一边开卸荷三角槽，如图所示 使相邻叶片间的密闭容积逐渐地进入压油窗口，压力逐渐上升，从而消除困油现象和由于压力突变而引起的瞬时流量脉动和噪声（5）叶片倾角 叶片在转子中放置时应当有利于叶片在转子的槽中滑动，并且磨损要小。 压力角 越大，Ft力越大。当转子槽按旋转方向倾斜a角时，可使原径向排置叶片的压力角减少为，这样就可以减少与叶片垂直的力Ft，使叶片在转子槽中移动灵活，减少磨损。由于不同转角处的定子曲线的法线方向不同，由理论和实践得出，一般叶片倾角a=1014注意：由于叶片倾斜一个角度安装，转子必须朝倾斜的方向旋转，也就是叶片顶部按转子回转方向往前倾斜。高压双作用叶片泵的结构特点（1）端面间隙的自动补偿 为了减小端面泄漏，采取的间隙自动补偿措施是将右配流盘的右侧与压油腔连通，使配流盘在液压力作用下压向定子。泵的工作压力愈高，配油盘就会愈加贴紧定子。（2）减小叶片对定子的作用力 1)减小作用在叶片底部的油液压力，将泵的压油腔的油液通过阻尼槽或内装式小减压阀通到吸油区的叶片底部，以减小压力。 2）减小叶片底部受压力油作用的面积。可以用减小叶片厚度的办法来减少压力油对叶片底部的作用力。但受目前材料工艺的限制，叶片不能做得太薄，一般厚度为1.8-2.5mm。（3）采取双叶片结构 如图所示。在转子2的槽中装有两个叶片1，它们之间可以相对自由滑动，在叶片顶端和两侧面倒角之间构成V形通道，使叶片底部的压力油经过通道进入叶片顶部，因此使叶片底部和顶部的压力相等，适当选择叶片顶部棱边的宽度，即可保证叶片顶部有一定的作用力压向定子3，同时又不至于产生过大的作用力而引起定子的过度磨损。（4）采用子母叶片结构 采用子母叶片结构减小叶片底部承受压力油作用的宽度或采用阶梯叶片。 这种方法可以用于额定压力达21MPa的高压叶片泵上。第四节 柱塞泵 柱塞泵是依靠柱塞在其缸体内做往复直线运动时所造成的密封工作腔的容积变化来实现吸油和压油的。由于构成密封工作腔的构件柱塞和缸体内孔均为圆柱表面，加工方便，容易得到较高的配合精度，密封性能好，容积效率高。故可以达到很高的工作压力。 同时，这种泵只要改变柱塞的工作行程就可以很方便地改变其流量，易于实现变量。因此，在高压、大流量、大功率的液压系统中和流量需要调节的场合，如在龙门刨床、拉床、液压机、工程机械、矿山机械、船舶机械等等上面得到广泛应用。 柱塞泵的分类： 柱塞泵按照柱塞的排列和运动方向不同，分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵； 轴向柱塞泵按照配流方式的不同，分为直轴式（斜盘式）和斜轴式（摆缸式）。工作原理： 柱塞泵是依靠柱塞在其缸体内往复运动时密封工作腔的容积变化来实现吸油和压油的。 这类泵泄漏小，容积效率高，可以在高压下工作一、径向柱塞泵流量计算径向柱塞泵的特点：柱塞在转子内是径向排列的，所以径向尺寸大，旋转惯性大，结构复杂。柱塞与定子为点接触，接触应力高配油轴受到径向不平衡液压力的作用，易磨损，摩损后间隙不能补偿，泄漏大，故这种泵的工作压力、容积效率和泵的转速都比轴向柱塞泵低定子与转子偏心安装，改变偏心距e值可改变泵的排量，因此径向柱塞泵可做变量泵使用。有的径向柱塞泵的偏心距e可从正值变到负值，改变偏心的方向，泵的吸油方向和排油方向也发生变化，成为双向径向柱塞变量泵由其特点所决定，径向柱塞泵广泛地用于低速、高压、大功率的拉床、插床和刨床的液压传动的主运动中二、轴向柱塞泵1、 斜盘式轴向柱塞泵 （1）工作原理 该泵由传动轴、斜盘、柱塞、缸体、配油盘等零件组成。传动轴和缸体固连在一起，缸体上在直径为D 的圆周上均匀地排列着若干个轴向孔，柱塞沿轴向均匀布置，可在孔内滑动。 斜盘的轴线与转动轴呈（）角。 柱塞靠弹簧或底部的低压油作用，使其球形端部紧压在斜盘上，当传动轴按图示方向带动缸体一起回转时(斜盘和配油盘不动)，柱塞会从缸体孔中逐渐向外伸出，柱塞密封工作腔(由柱塞端面与缸体内孔围成的容腔)的容积不断扩大，形成部分真空，将液压油从油箱经油管、进油窗口a吸进来，随着旋转柱塞又会向缸体孔内逐渐缩回，使密封工作腔的容积不断减小，压力增大，油液从配油窗口b向外压出，缸体每转一周，每个柱塞吸油、压油一次，当缸体连续旋转时，就不断输出压力油。 改变斜盘倾角，可改变柱塞往复行程的大小，也就改变了排量，改变斜盘倾角的倾斜方向(泵的转向不变)，可使泵的进、出油口互换，成为双向变量泵。 （2）结构特点1）有一斜盘，斜盘轴线与转轴有一倾角(夹角)；2）柱塞轴向排列，保持柱塞顶部与斜盘面接触；3）配油盘不动，其配油口相应与吸、压油管相通。（3）排量和流量 柱塞泵也有流量波动，奇数柱塞比偶数柱塞脉动较小，所以一般柱塞泵的柱塞数取7、9或11，工作压力高(常用压力2040MPa，最高可达80MPa)。（4）轴向柱塞泵优点： 结构紧凑，径向尺寸小，惯性小，容积效率高，工作压力也很大，目前最高压力可达40MPa，甚至更高，一般用于工程机械、压力机等高压系统。缺点： 因为柱塞轴向安装，所以轴向尺寸较大， 轴向作用力也很大，结构比较复杂。（5）柱塞泵的优点v 参数高： 额定压力高，转速高，泵的驱动功率大；v 效率高： 容积效率为95左右，总效率 为90左右；v 寿命长；v 变量方便，形式多。 柱塞泵的缺点：q 结构较复杂，零件数较多；q 制造工艺要求较高，成本较贵；q 对油液的污染较敏感，要求较多的过滤精度，对使用和维护要求较高；第五节 液压泵的选用一、选择液压泵的原则 是否要求变量：径向柱塞泵、轴向柱塞泵、单作用叶片泵是变量泵。 工作压力：柱塞泵压力31.5MPa；叶片泵压力6.3MPa,高压化以后可达16MPa；齿轮泵压力2.5MPa，高压化以后可达21MPa。 工作环境：齿轮泵的抗污染能力最好。 噪声指标：低噪声泵有内啮合齿轮泵、双作用叶片泵和螺杆泵，双作用叶片泵和螺杆泵的瞬时流量均匀。 效率：轴向柱塞泵的总效率最高；同一结构的泵，排量大的泵总效率高；同一排量的泵在额定工况下总效率最高。二、液压泵压力大小的选用 液压泵的选择，通常是先根据对液压泵的性能要求来选定液压泵的型式，再根据液压泵所应保证的压力和流量来确定它的具体规格。 液压泵的的工作压力是根据执行元件的最大工作压力来决定的，考虑到各种压力损失，泵的最大工作压力P泵可按下式确定：P泵k压P缸 式中：P泵 一液压泵所需要提供的压力，Pa, k压一 系统中压力损失系数，取1.3 1.5 P缸 一液压缸中所需的最大工作压力，Pa 液压泵的产品样本中表明的最大工作压力和额定压力，选用时应使额定压力等于或大于计算值。三、液压泵流量大小的选用 液压泵的输出流量应满足执行元件最高运动速度的要求。 输出流量取决于系统所需最大流量及泄漏量，即q泵K流q缸式中： q