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第三章液压动力元件 液压泵 3 1液压泵概述1 液压泵的作用液压泵是为液压系统提供一定的流量和压力的动力元件 液压泵是把原动机输入的机械能转化为液压能输出的转换装置 液压泵的好坏直接影响到液压系统工作的可靠性和稳定性 2 液压泵的工作原理以单柱塞泵为例1 工作原理2 结构3 液压泵的特点 液压泵正常工作的基本条件 具有若干个密封的工作腔 工作腔可以周期性大小变化 具有相应的配流机构 将吸液腔和排液腔隔开 保证液压泵有规律的吸排液体 4 液压泵的分类 5 液压泵的主要性能参数 1 压力工作压力 即液压泵实际工作时的输出压力 其大小取决于负载的大小 与流量无关 额定压力 指泵在正常工作条件下 按照试验标准规定能连续运转的最高压力 其反映了泵的能力 最高压力 指在超过额定压力的条件下 根据试验标准测定 泵在短时间内超载所允许的极限压力 2 排量和流量 排量V 指在没有泄漏的情况下 泵轴每转一周排出的液体的体积 V可调为变量泵 不可调为定量泵 理论流量 指在不考虑泄漏的前提下 泵单位时间内排出液体的体积 实际流量 指泵在单位时间内实际排出液体的体积 泵的转速 泄漏量 3 效率 液压泵内存在能量损失 主要有容积损失和摩擦损失 分别用容积效率和机械效率来表示 容积效率 是表征液压泵泄漏程度的性能参数 由试验测定 机械效率 是表征液压泵内摩擦损失程度的性能参数 泵的理论排量 泵的理论输入转矩 泵的实际排量 泵的实际输入转矩 总效率 是表征液压泵能量转换程度的参数 4 功率 输入功率 指原动机实际作用在泵主轴上的机械功率 输出功率 指泵单位时间内输出的液压功率 泵的实际输入扭矩 3 2齿轮泵 一 概述1 齿轮泵的特点 1 优点 结构简单 体积小工作可靠 成本低 抗污染能力强 应用广泛2 缺点 容积效率低 泄漏量大 齿轮承受的径向力不易平衡 噪音大不能变量 只能做定量泵使用 2 齿轮泵分类 齿轮泵按照齿轮的啮合方式分为以下两类 1 外啮合齿轮2 内啮合齿轮泵 外啮合渐开线齿轮泵应用广泛 3 2 1外啮合齿轮泵 一 结构及工作原理1 组成结构外啮合齿轮泵主要由一对齿数和模数均相同的齿轮 传动轴 轴承 端盖和泵壳组成 2 外啮合齿轮泵的工作原理 1 工作原理如右图所示 两齿轮与泵体及端盖之间形成密封工作容积 两齿轮的啮合接触线将密封的工作容积分为吸液腔 退出啮合 和排液腔 进入啮合 两部分 当主动齿轮带动从动齿轮沿图示方向转动时 相啮合的齿轮在吸液腔逐渐脱开 齿谷容积增大 形成局部真空 从油箱吸液 齿轮连续旋转就将齿谷内的液体沿圆周带到排液腔 齿轮在排液腔进入啮合 密封工作容积由大变小 将液体排出 可参考空间图 2 特点 不需单独的配流机构齿轮啮合线起到配流的作用泵的瞬时流量脉动由于齿轮啮合点位置的不断改变 吸排液腔容积变化量不是常数 故脉动 增加齿轮的齿数可以减小脉动量 只能作为定量泵使用满足液压泵正常工作的3条件 二 外啮合齿轮泵的排量和流量计算 1 排量V 2 流量 其中 其中 三 齿轮泵结构特性分析 外啮合齿轮泵的泄漏 径向力不平衡和困油现象是影响齿轮泵性能指标的和寿命的三大问题 各种不同的齿轮泵的结构特点之所以不同 都是因为采用了不同的结构措施来解决这三大问题所致 这三大问题现分析如下 1 间隙泄漏三个可能产生泄漏的部位 轴向间隙轴向间隙是指齿轮端面和端盖之间的平面配合间隙 此处配合面积大 加工和配合精度难以保证 泄漏途径又短 故泄漏量最大 达总泄漏量的75 80 径向间隙径向间隙是指齿顶和泵体的配合间隙 由于齿轮旋转方向和圆周泄漏方向相反 使泄漏受阻滞 故泄漏量也不是很大 占总泄漏量的15 20 啮合处的齿面间隙由制造精度引起的 泄漏量较小 占总泄漏量的4 5 径向间隙 啮合处间隙 轴向间隙 端面 对泄漏采取的措施 由于轴向间隙泄漏量最大 所以一般采取以下几种措施来减小 1 对中低压齿轮泵 多采用端盖和泵体分离的三片式结构 其轴向间隙直接由齿轮和泵体的厚薄公差来保证 间隙为0 02 0 05mm 2 对中高压齿轮泵 一般采用液压自动补偿轴向间隙的办法 自动补偿轴向间隙通常有以下两措施 浮动轴套 浮动侧板 2 径向力不平衡 现象 齿轮泵工作时 作用在齿轮外圆上的液压力是不同的 吸液腔压力最低 排液腔压力最高 由于径向间隙的影响 所以在外圆上 从排液腔到吸液腔的径向力是逐步降低的 且不平衡 其合力是又高压腔一侧指向低压腔一侧 径向力不平衡的危害 工作压力越大 径向不平衡力越大 径向不平衡力很大时就会有以下危害 使轴弯曲变形使齿顶和壳体产生 刮壳 现象降低轴承寿命 解决径向力不平衡的措施1 开平衡槽2 缩小压油口3 加粗轴径 3 困油现象 齿轮泵要平稳的工作 齿轮啮合的重叠系数必须大于1 也就是要求 在一对齿轮即将脱开啮合前 后面的一对齿轮就要开始啮合 这样就在一段时间内 两对啮合的齿和齿轮泵的前后盖组成一个密封容积 如下图所示 当齿轮继续旋转时此空间容积继续减小 直到两个啮合点处于节点两侧对称位置时 其容积最小 此时的油液受挤压 压力急剧上升 使齿轮和轴受到很大的径向力 当齿轮继续旋转 这个密封容积又逐渐增大到最大 容积增大时又造成局部真空 使油液中溶解的气体分离 产生空穴现象 这些都将使齿轮泵产生强烈的噪音 这就是齿轮泵的困油现象 困油现象的危害 1 产生振动和噪声 降低泵的工作稳定性2 增加泵的流量脉动率解决困油现象的办法 在齿轮泵两侧端盖上各铣两个卸荷槽 位置图示 尺寸a应保证在密闭容积达到最小时与压油腔相通 在最大时与吸油腔相通 尺寸a不能过小 否则影响容积效率 3 3叶片泵 一 叶片泵的特点及应用1 优点 结构紧凑 体积小 流量均匀 运动平衡 噪音小 使用寿命较长 容积效率较高等 2 缺点 结构复杂 吸油性较差 对油污比较敏感等 3 应用 对速度平稳性较高的中低压系统 如金属切削机床液压传动的调速系统等 按照工作原理分为 单作用叶片泵 每转吸排液一次作变量泵使用 但主要零件在工作时要受径向力不平衡的作用 工作条件较差 P最大7MPa 双作用叶片泵 每转吸排液两次作定量泵使用 但径向力是平衡的 工作情况较好 应用较为普遍 P最大可达16 21MPa 二 叶片泵的分类 3 3 1单作用叶片泵 1 单作用叶片泵的结构及工作原理1 结构组成 转子 定子 叶片 配流盘 端盖等 定子 转子 叶片 轴孔 2 单作用叶片泵的工作原理 具有密封的工作腔相邻叶片 定子 配流盘 端盖 密封腔的工作容积周期性大小变化定子 转子偏心安置 具有相应的配流机构配流盘 2 单作用叶片泵性能参数1 排量2 流量单作用叶片泵的瞬时流量是脉动的 当叶片多且为奇数时 脉动较小 故叶片数一般为13或者15 定子内径定子转子偏心距叶片宽度 转子速度 容积效率 3 单作用叶片泵机构特性分析1 密封 1 径向间隙措施 利用离心力使叶片贴紧定子内表面 利用向叶片底槽通入压力液 使叶片外伸 采用机械办法强制叶片伸出 弹簧 少用2 轴向间隙即端面间隙 直接由公差配合保证 0 02 0 04mm 径向间隙 2 径向液压力径向液压力的存在影响了叶片泵的工作压力的提高 故一般是中低压泵 压力一般不超过7MPa 3 过度密封区和困油现象 过度密封区 过度密封区的包角应该大于两相邻叶片的夹角 以保证吸排液腔隔离 两相邻叶片到达过渡区时候会产生困油现象 由于e小影响不是很大 3 1 2双作用叶片泵 工作原理双作用叶片泵的原理和单作用叶片泵相似 不同之处只在于定子内表面是由两段长半径圆弧 两段短半径圆弧和四段过渡曲线组成 且定子和转子是同心的 图中 当转子顺时针方向旋转时 密封工作腔的容积在左上角和右下角处逐渐增大 为吸油区 在左下角和右上角处逐渐减小 为压油区 吸油区和压油区之间有一段封油区将吸 压油区隔开 双作用叶片泵工作原理1 定子 2 压油口 3 转子 4 叶片 5 吸油口 这种泵的转子每转一转 每个密封工作腔完成吸油和压油动作各两次 所以称为双作用叶片泵 图2 12双作用叶片泵工作原理1 定子 2 压油口 3 转子 4 叶片 5 吸油口 双作用叶片泵的平均流量计算 当两叶片从a b位置转c d位置时 排出容积为M的油液 从c d转到e f时 吸进了容积为M的油液 从e f转到g h时又排出了容积为M的油液 再从g h转回到a b时又吸进了容积为M的油液 图2 13双作用叶片泵平均流量计算原理 转子转一周 两叶片间吸油两次 排油两次 每次容积为M 当叶片数为Z时 转动一周所有叶片的排量为2Z个M容积 若不计叶片几何尺度 此值正好为环行体积的两倍 故泵的排量为 平均流量为 考虑叶片厚度影响后 双作用叶片泵精确流量计算公式为 2 23 叶片泵的高压化趋势 随着技术的发展 双作用叶片的最高工作压力已达成20 30MPa 这是因为双作用叶片泵转子上的径向力基本上是平衡的 不像齿轮泵和单作用叶片泵那样 工作压力的提高会受到径向承载能力的限制 叶片泵工作压力提高的主要限制条件是叶片和定子内表面的磨损 为了解决定子和叶片的磨损 要采取措施减小在吸油区叶片对定子内表面的压紧力 目前采取的主要结构措施有以下几种 1 双叶片结构 各转子槽内装有两个经过倒角的叶片 两叶片的倒角部分构成从叶片底部通向头部的V型油道 因而作用在叶片底 头部的油压力相等 合理设计叶片头部的形状 使叶片头部承压面积略小于叶片底部承压面积 这个承压面积的差值就形成叶片对定子内表面的接触力 2 弹簧负载叶片结构 叶片的底面上开有三个弹簧孔 通过叶片头部和底部相连的小孔及侧面的半圆槽使叶片底面与头部沟通 不过 弹簧在工作过程中频繁受交变压缩 易引起疲劳损坏 图2 15弹簧负载叶片结构 3 母子叶片结构 图2 16母子叶片结构 叶片槽中装有母叶片和子叶片 母 子叶片能自由地相对滑动 正确选择子叶片和母叶片的宽度尺寸之比可使母叶片和定子的接触压力适当 转子上的压力平衡孔使母叶片的头部和底部液压力相等 泵的排油压力通到母 子叶片之间的中间压力腔 叶片作用在定子上的力为 2 24 4 阶梯叶片结构 叶片做阶梯形式 转子上的叶片槽亦具有相应的形状 它们之间的中间油腔经配流盘上的槽与压力油相通 转子上的压力平衡油道把叶片头部的压力油引入叶片底部 这种结构由于叶片及槽的形状较为复杂 加工工艺性较差 应用较少 1 定子 2 转子 3 中间油腔 4 压力平衡油道 3 3 3单双叶片泵的特点比较 3 3 3 1单作用叶片的特点 存在困油现象 叶片沿旋转方向向后倾斜 配流盘的吸 排油窗口间的密封角略大于两相邻叶片间的夹角 而单作用叶片泵的定子不存在与转子同心的圆弧段 因此 当上述被封闭的容腔发生变化时 会产生与齿轮泵相类似的困油现象 通常 通过配流盘排油窗口边缘开三角卸荷槽的方法来消除困油现象 转子承受径向液压力 单作用叶片泵转子上的径向液压力不平衡 轴承负荷较大 这使泵的工作压力和排量的提高均受到限制 3 3 3 2双作用叶片泵的结构特点 定子过度曲线 定子内表面的曲线由四段圆弧和四段过渡曲线组成 应使叶片转到过渡曲线和圆弧段交接点处的加速度突变不大 以减小冲击和噪声 同时 还应使泵的瞬时流量的脉动最小 叶片安放角 设置叶片安放角有利于叶片在槽内滑动 为了保证叶片顺利的从叶片槽滑出 减小叶片的压力角 根据过渡曲线的动力学特性 双作用叶片泵转子的叶片槽常做成沿旋转方向向前倾斜一个安放角 当叶片有安放角时 叶片泵就不允许反转 双作用叶片泵的叶片 前倾 5 限压式变量叶片泵限压式变量叶片泵是在单作用叶片泵的基础上增加了变量机构 其输出的流量随工作压力的变化而变化 可以实现低压大流量 高压小流量使执行元件空载快速运动和工进慢速运动 1 结构及工作原理 限压式外反馈变量叶片泵 外反馈限压式变量叶片泵1 转子 2 弹簧 3 定子 4 滑块滚针支承 5 反馈柱塞 6 流量调节螺钉 限压式外反馈变量叶片泵 限压式变量叶片泵的特性曲线 低压大流量 高压小流量 3 4柱塞泵 柱塞泵是通过柱塞在柱塞孔内往复运动时密封工作容积的变化来实现吸油和排油的 柱塞泵的特点是泄漏小 容积效率高 可以在高压下工作 轴向柱塞泵可分为斜盘式和斜轴式两大类 斜盘1和配油盘4不动 传动轴5带动缸体3 柱塞2一起转动 传动轴旋转时 柱塞2在其沿斜盘自下而上回转的半周内逐渐向缸体外伸出 使缸体孔内密封工作腔容积不断增加 油液经配油盘4上的配油窗口a吸入 斜盘1 柱塞2 缸体3 配油盘4 2 4 1斜盘式轴向柱塞泵 吸油口 压油口 柱塞在其自上而下回转的半周内又逐渐向里推入 使密封工作腔容积不断减小 将油液从配油盘窗口b向外排出 缸体每转一转 每个柱塞往复运动一次 完成一次吸油动作 改变斜盘的倾角 就可以改变密封工作容积的有效变化量 实现泵的变量 2 4 1 1斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量 实际上 柱塞泵的排量是转角的函数 其输出流量是脉动的 就柱塞数而言 柱塞数为奇数时的脉动率比偶数柱塞小 且柱塞数越多 脉动越小 故柱塞泵的柱塞数一般都为奇数 从结构工艺性和脉动率综合考虑 常取Z 7或Z 9 2 4 1 2斜盘式轴向柱塞的结构特点 端面间隙的自动补偿 由图可见 使缸体紧压配流盘端面的作用力 除机械装置或弹簧作为预密封的推力外 还有柱塞孔底部台阶面上所受的液压力 此液压力比弹簧力大得多 而且随泵的工作压力增大而增大 由于缸体始终受液压力紧贴着配流盘 就使端面间隙得到了自动补偿 图2 19滑靴的静压支承原理 滑靴的静压支撑结构 为防止磨损 一般轴向柱塞泵都在柱塞头部装一滑靴 滑靴是按静压轴承原理设计的 缸体中的压力油经过柱塞球头中间小孔流入滑靴油室 使滑靴和斜盘间形成液体润滑 改善了柱塞头部和斜盘的接触情况 有利于提高轴向柱塞泵的压力 变量机构 手动伺服变量机构 图2 20手动伺服变量机构图 变量机构由缸筒1 活塞2和伺服阀3组成 斜盘4通过拨叉机构与活塞2下端铰接 利用活塞2的上下移动来改变斜盘倾角 当用手柄使伺服阀芯3向下移动时 上面的进油阀口打开 活塞也向下移动 活塞2移动时又使伺服阀上的阀口关闭 最终使活塞2自身停止运动 同理 当手柄使伺服阀芯3向上移动时 变量活塞向上移动 2 4 2斜轴式轴向柱塞泵 传动轴5的轴线相对于缸体3有倾角 柱塞2与传动轴圆盘之间用相互铰接的连杆4相连 轴5旋转时 连杆4就带动柱塞2连同缸体3一起绕缸体轴线旋转 柱塞2同时也在缸体的柱塞孔内做往复运动 使密封腔