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第四章液压泵和液压马达 第五节液压马达 第四节柱塞泵 第三节叶片泵 第二节齿轮泵 第一节概述 第六节摆动液压马达 1 第四章液压泵和液压马达 第九节液压泵的选用 第八节液压泵的噪声 第七节液压泵的气穴现象 2 4 1概述 液压泵和液压马达的作用 3 容积式液压泵工作原理 4 1概述 泵是靠密封工作腔的容积变化来实现吸油和压油的 其排油量的大小取决于密封工作腔的容积变化值 4 5 4 1概述 液压泵 马达 液压泵 低压 中压 高压液压马达 高速 低速 6 液压泵图形符号 7 4 1概述 液压泵和马达主要性能参数 8 4 1概述 压力 排量和流量 压力 9 几何排量V 是指泵 马达 轴每转一转 由其封闭容腔几何尺寸变化计算而得的排出 输入 的液体体积 几何流量qt 不考虑泄漏 是指泵 马达 在单位时间内由其封闭容腔几何尺寸变化计算而得的排出 输入 的液体体积 qt Vn额定流量 额定转速和额定压力下由泵输出 或输入到马达中去 的实际流量 4 1概述 压力 排量和流量 几何流量 额定流量 内泄漏 10 4 1概述 功率和效率 不考虑能量转换损失 液压泵 马达 输出和输入功率相等 即为几何功率 实际存在能量转换损失 可分为容积损失和机械损失 输出功率小于输入功率 Tt为几何转矩 液压泵液压马达 11 物理量 输入 输出 12 4 1概述 转矩T 转速n 角速度 压力p 流量q 液压泵 由于存在机械损失 T Tt 机械效率为 由于存在容积损失 qt q 容积效率为 Tt qt 总效率为 klp 13 4 1概述 转矩T 转速n 角速度 压力p 流量q 液压泵 Tt qt p T q 14 物理量 输入 输出 15 4 1概述 液压马达 由于存在机械损失 Tt T 机械效率为 由于存在容积损失 q qt 容积效率为 总效率为 转矩T 转速n 角速度 压力p 流量q Tt qt 16 4 1概述 液压马达 转矩T 转速n 角速度 压力p 流量q Tt qt p T q 17 例1 某液压泵铭牌上的压力pH 6 3MPa 工作阻力F 45KN 液压缸的有效工作面积A 90cm2 管路较短 压力损失 p 0 5MPa 问该泵的输出压力为多少 所选的液压泵是否满足要求 液压缸的工作压力 液压泵的输出压力 所以液压泵能满足系统的工作要求 18 例2 某液压泵输出油压p 10MPa 转速n 1450r min 泵的排量Vp 46 2ml r 容积效率 v 0 95 总效率 0 9 求驱动该泵所需电动机的功率P电和泵的输出功率P 1 求液压泵的输出功率 液压泵的实际输出流量q 液压泵的输出功率P 2 求所需的电动机功率 19 例3 某液压泵的铭牌上标有额定压力PH 2 5MPa 额定流量qH 25l min 泵的总效率 0 75 容积效率 v 0 8 试求液压泵的泄漏损失量和所需要的电动机功率 若要求液压泵的工作压力p 1 2MPa时 需要多大的电动机功率 1 液压泵的泄漏损失量 2 计算所需的电动机功率 3 计算所需的电动机功率 20 作业 4 14 34 8 21 4 2齿轮泵 优点 齿轮泵是液压泵中结构最简单的一种泵 抗污染能力强 价格最便宜 缺点 一般齿轮泵容积效率较低 轴承上不平衡力大 工作压力不高 齿轮泵的另一个重要缺点是流量脉动大 运行时噪声较高 在高压下运行时尤为突出 应用场合 齿轮泵主要用于低压或噪声水平限制不严的场合 一般机械的润滑泵以及非自吸式泵的辅助泵都采用齿轮泵 22 从结构上看齿轮泵可分为外啮合和内啮合两类 其中以外啮合齿轮泵应用更广泛 4 2齿轮泵 23 外啮合齿轮泵的结构组成 前 后端盖 壳体 一对齿数 模数 齿形完全相同的渐开线外啮合齿轮 4 2齿轮泵 24 外啮合齿轮泵结构组成 4 2齿轮泵 25 外啮合齿轮泵工作原理 26 密封容积形成 密封容积变化 吸压油口隔开 外啮合齿轮泵工作原理 4 2齿轮泵 27 外啮合齿轮泵的排量V 1 06 1 115 2zm2b式中z 齿轮齿数 D 分度圆直径 mz m 模数 hw 工作齿高 2m b 齿宽 排量计算 4 2齿轮泵 28 4 2齿轮泵 流量计算 理论流量 qt Vn 1 06 1 115 2zm2b 实际流量 q qt v 1 06 1 115 zm2b v 结论 1 齿轮泵的qt是齿轮几何参数和转速的函数 2 因为转速等于常数 流量等于常数 所以齿轮泵是定量泵 3 理论流量与出口压力无关 29 每一对轮齿啮合时 啮合点位置变化 容积变化率不均匀 引起瞬时流量变化 出现流量脉动流量脉动结果 引起系统的压力脉动 产生振动和噪声 影响传动的平稳性 4 2齿轮泵 流量脉动 流量脉动率 30 外啮合齿轮泵结构特点 外啮合齿轮泵结构特点和优缺点 4 2齿轮泵 31 32 1 困油 齿轮泵要平稳工作 齿轮啮合的重合度必须大于1 于是总有两对齿轮同时啮合的瞬间 在两对齿轮的齿向啮合线之间形成了一个封闭容积 一部分油液也就被困在这一封闭容积中见图 a 齿轮连续旋转时 这一封闭容积便逐渐减小 到两啮合点处于节点两侧的对称位置时见图 b 封闭容积为最小 齿轮再继续转动时 封闭容积又逐渐增大 直到图 c 所示位置时 容积又变为最大 4 2齿轮泵 33 a b容积缩小p 高压油从一切可能泄漏的缝隙强行挤出 使轴和轴承受很大冲击载荷 泵剧烈振动 同时无功损耗增大 油液发热 b c容积增大p 形成局部真空 产生气穴 引起振动 噪声 汽蚀等 总之 由于困油现象 使泵工作性能不稳定 产生振动 噪声等 直接影响泵的工作寿命 4 2齿轮泵 1 困油引起的结果 34 方法 齿轮泵的两侧盖板上铣出卸荷槽 如图中虚线所示 使封闭腔容积减小时通过右边的卸荷槽与压油腔相通 图a 容积增大时通过左边的卸荷槽与吸油腔相通 图c 两卸荷槽之间的距离必须保证在任何时候都不能使压油腔和吸油腔互通 4 2齿轮泵 1 消除困油的方法 35 在液压泵中 运动件间的密封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 同时 高压腔的油液通过间隙向低压腔的泄漏是不可避免的 齿轮泵压油腔的压力油可通过三条途经泄漏到吸油腔去 齿侧间隙 通过齿轮啮合线处的间隙 约占齿轮泵总泄漏量的5 齿顶径向间隙 通过泵体定子环内孔和齿顶间的径向间隙 约占齿轮泵总泄漏量的20 25 端面轴向间隙 通过齿轮两端面和侧板间的间隙 约占齿轮泵总泄漏量的75 80 总之 泵压力愈高 泄漏愈大 4 2齿轮泵 2 泄漏 36 径向不平衡力的产生 液压力液体分布规律 沿圆周从高压腔到低压腔 压力沿齿轮外圆逐齿降低 p 径向不平衡力增大 齿轮和轴承受到很大的冲击载荷 产生振动和噪声 4 2齿轮泵 3 径向不平衡力 37 改善措施 缩小压油口 以减小压力油作用面积 扩大泵体内腔高压区径向间隙 开压力平衡槽 会使容积效率减小 4 2齿轮泵 3 径向不平衡力 38 39 结构简单 制造方便 价格低廉结构紧凑 体积小 重量轻自吸性能好 对油污不敏感工作可靠 便于维护 1 外啮合齿轮泵的优点 2 外啮合齿轮泵的缺点 流量脉动大压力脉动和噪声大排量不可调 4 2齿轮泵 4 外啮合齿轮泵的优缺点 40 提高外啮合齿轮泵压力措施 齿轮泵由于泄漏大和存在径向不平衡力 因而限制了压力的提高 为使齿轮泵能在高压下工作 常采取的措施为 对泄漏量最大的端面轴向间隙采用自动补偿的办法 如浮动轴套 浮动侧板或弹性侧板 减小径向不平衡力 提高轴与轴承的刚度 4 2齿轮泵 41 端面轴向间隙的补偿装置 浮动轴套 利用泵的出口压力油 引入齿轮轴上的浮动轴套1的外侧A腔 在液体压力作用下 使轴套紧贴齿轮3的侧面 从而保证了两者之间的间隙值与工作压力相适应且长期适应 在泵起动时 靠弹簧4来产生预紧力 保证了轴向间隙的密封 提高外啮合齿轮泵压力措施 4 2齿轮泵 浮动轴套 42 将泵出口压力油引至侧板背面 靠侧板自身的变形来补偿端面间隙 端面轴向间隙的补偿装置 弹性侧板 提高外啮合齿轮泵压力措施 4 2齿轮泵 弹性侧板 43 螺杆泵 4 2齿轮泵 44 渐开线内啮合齿轮泵 4 2齿轮泵 45 4 2齿轮泵 渐开线内啮合齿轮泵 46 摆线内啮合齿轮泵 4 2齿轮泵 47 结构较齿轮泵复杂 但工作压力较高 流量脉动小 工作平稳 噪声较小 寿命较长 被广泛应用于机械制造中的专用机床 自动线等中低压液压系统中 但其结构复杂 吸油特性不太好 对油液的污染也比较敏感 4 3叶片泵 分类 48 单作用叶片泵的工作原理 49 1 1单作用叶片泵的结构组成 组成 定子 转子 叶片 配油盘 传动轴 壳体等 定子2具有圆柱形内表面 定子和转子1间有偏心距 叶片3装在转子槽中 并可在槽内滑动 当转子回转时 由于离心力或压力油的作用 使叶片紧靠在定子内壁 这样在定子 转子 叶片和两侧配油盘间就形成若干个密封的工作腔 4 3叶片泵 50 密封容积的变化 转子逆时针转动时 叶片伸出 v密 吸油 叶片缩回 v密 压油 吸压油腔隔开 配油盘上封油区和叶片 4 3叶片泵 1 2单作用叶片泵的工作原理 转子每转一转 每个工作空间完成一次吸油和压油 因此称为单作用叶片泵 51 单作用叶片泵的排量 两叶片处于定子最右边 v密max V1 两叶片处于定子最左边 v密min V2 V1 V2 Z 即一转压出油液的体积 即等于一环形体积 V R e 2 R e 2 b 4 beR 2 beD 4 3叶片泵 1 3单作用叶片泵的排量计算 52 单作用叶片泵的排量 4 3叶片泵 1 3单作用叶片泵的排量计算 53 理论流量 qt Vn 2 beDn 实际流量 q qt v 2 beDn v 结论 1 qt f 几何参数 n e 2 n 常量e变化q 常量 变量泵 当e 0q 0当e大小变化 流量大小变化当e方向变化 输油方向变化故单作用叶片泵可做双向变量泵 4 3叶片泵 1 4单作用叶片泵的流量计算 单作用叶片泵的流量 54 改变定子和转子之间的偏心便可改变流量 偏心反向时 吸油压油方向也相反 处在压油腔的叶片顶部受到压力油的作用 该作用要把叶片推入转子槽内 为了使叶片顶部可靠地和定子内表面相接触 压油腔一侧的叶片底部要通过特殊的沟槽和压油腔相通 吸油腔一侧的叶片底部要和吸油腔相通 这里的叶片仅靠离心力的作用顶在定子内表面上 由于转子受到不平衡的径向液压作用力 所以这种泵一般不宜用于高压 4 3叶片泵 1 5单作用叶片泵的特点 55 双作用叶片泵的工作原理 56 组成 定子 转子 叶片 配油盘 传动轴 壳体等 4 3叶片泵 2 1双作用叶片泵的结构组成 57 58 59 60 为什么称为双作用叶片泵 又称平衡式叶片泵 4 3叶片泵 2 2双作用叶片泵的工作原理 密封容积的形成 定子 转子和相邻两叶片 配流盘围成 吸压油腔隔开 配油盘上封油区和叶片 61 当两叶片从a b转到c d时 排出容积为M的油液 从c d转到e f时 吸进容积为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 4 3叶片泵 2 2双作用叶片泵的排量计算 当叶片数为Z时 转子转一周 所有叶片的排量为2Z个M容积 此值正好为环行体积的两倍 排量计算原理图 62 双作用叶片泵的理论排量为 R 定子长半径 r 定子短半径 b 转子厚度 4 3叶片泵 2 2双作用叶片泵的排量计算 63 一般双作用叶片泵 在叶片底部都通以压力油 叶片底部容积不参加泵的吸油和排油 因此在精确计算叶片泵的排量时 还应该考虑叶片容积对排量的影响 每转不参加排油的叶片总容积为 s 叶片厚度 z 叶片数 叶片相对于转子半径的倾角 4 3叶片泵 2 2双作用叶片泵的排量计算 64 双作用叶片泵精确排量计算公式为 结论 q f 几何参数 n n 常量即q 常量 双作用叶片泵为定量泵 双作用叶片泵仍存在微小流量脉动 当叶片数为4的整数倍 且大于8时的流量脉动较小 故通常取叶片数为12或16 4 3叶片泵 2 2双作用叶片泵的排量计算 65 定子曲线是由四段圆弧和四段过渡曲线组成的 过渡曲线应保证叶片贴紧在定子内表面上 保证叶片在转子槽中径向运动时速度和加速度的变化均匀 使叶片对定子的内表面的冲击尽可能小 1 定子曲线 4 3叶片泵 2 3双作用叶片泵的结构特点 66 等加速 等减速过渡曲线 1 定子曲线 4 3叶片泵 2 3双作用叶片泵的结构特点 67 2 叶片的倾角 在双作用叶片泵中 将叶片顺着转子回转方向前倾一个 角 使压力角减小 这样就可以减小侧向力和摩擦力 使叶片在压油腔的槽中容易缩回 不会卡住甚至折断 并可减少磨损 叶片为什么不在转子中径向安装 叶片泵叶片的前倾角 一般10 14 由于叶片的倾斜安装 只允许转子朝倾斜的方向旋转 即前倾 不得随意反转 否则会将叶片折断 4 3叶片泵 2 3双作用叶片泵的结构特点 68 双作用叶片泵的配油盘上有两个吸油窗口和两个压油窗口 窗口之间为封油区 通常应使封油区对应的中心角 稍大于或等于两个叶片之间的夹角 否则会使吸油腔和压油腔连通 造成泄漏 3 配油盘 4 3叶片泵 2 3双作用叶片泵的结构特点 69 在配油盘的压油窗口靠叶片从封油区进入压油区的一边开有一个截面形状为三角形的三角槽 又称眉毛槽 使两叶片之间的封闭油液在未进入压油区之前就通过该三角槽与压力油相连 其压力逐渐上升 因而缓减了流量和压力脉动 并降低了噪声 3 配油盘 4 3叶片泵 2 3双作用叶片泵的结构特点 70 环形槽c与压油腔相通并与转子叶片槽底部相通 使叶片的底部作用有压力油 增加叶片对定子表面的压紧力 防止漏油 3 配油盘 4 3叶片泵 2 3双作用叶片泵的结构特点 71 a 子母叶片b 阶梯叶片c 柱销叶片d 双叶片 4 3叶片泵 2 4提高双作用叶片泵压力的措施 改善吸油腔的叶片受力状况 目的 减小压力油的作用面积 72 限压式变量叶片泵 属于单作用叶片泵 作用 当压力升高到预调的限定压力后 流量自动减小 限压式变量叶片泵对既要实现快速行程 又要实现保压和工作进给的执行元件来说是一种合适的油源 快速行程需要大的流量 负载压力较低 保压和工作进给时负载压力升高 需要流量减小 即按负载压力自动调节流量 限压式变量叶片泵的分类 限压式变量泵利用压力反馈作用实现变量 外反馈限压式变量叶片泵 内反馈限压式变量叶片泵 4 3叶片泵 3 1限压式变量叶片泵作用与分类 73 主要组成部件 变量泵主体 限压弹簧 调节机构 螺钉 反馈液压缸 4 3叶片泵 3 2外反馈限压式变量叶片泵的组成 74 3 3外反馈限压式变量叶片泵的工作原理 75 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 4 4柱塞泵 1 1柱塞泵工作原理 76 1 2柱塞泵分类轴向柱塞泵 柱塞轴向布置直轴式 又称斜盘式 斜轴式径向柱塞泵 柱塞沿径向放置 4 4柱塞泵 77 与齿轮泵和叶片泵相比 这种泵有以下特点 工作压力高 构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和缸孔 加工方便 可得到较高的配合精度 密封性能好 在高压工作仍有较高的容积效率 工作压力一般是20 40MPa 流量范围较大 因为只要适当地加大柱塞直径或增加柱塞数目 流量便增大 易于实现变量 只需改变柱塞的工作行程就能改变流量 柱塞泵中的主要零件均受压应力作用 材料强度性能可得到充分利用 寿命长 4 4柱塞泵 1 3柱塞泵特点 78 结构组成 泵由斜盘1 柱塞2 缸体3 配油盘4 传动轴5等主要零件组成 传动轴中心线与缸体中心线重合 4 4柱塞泵 2 1斜盘式 直轴式 轴向柱塞泵 79 80 缸体 柱塞滑履组 配流盘 81 工作原理 缸体旋转 斜盘迫使柱塞做往复运动 使密封容积增大或减小 实现吸油或压油 4 4柱塞泵 2 1斜盘式轴向柱塞泵 82 排量计算 若柱塞数为z 柱塞直径为d 柱塞孔的分布圆直径为D 斜盘倾角为 则柱塞的行程为 故缸体转一转 泵的排量为 4 4柱塞泵 2 1斜盘式轴向柱塞泵 83 理论流量 qt Vn 实际流量 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 4 4柱塞泵 2 1斜盘式轴向柱塞泵 流量计算 84 1 柱塞头部结构 球形头部 和斜盘接触为点接触 接触应大 易磨损 滑靴结构 滑靴是按静压支撑原理设计的 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 和斜盘接触为面接触 大大降低了磨损 4 4柱塞泵 2 1斜盘式轴向柱塞泵 结构特点 85 通过改变斜盘倾角 的大小就可调节泵的排量 从而达到改变泵的输出流量 活塞2的内腔构成了伺服阀的阀体 并有c d和e三个孔道分别沟通缸筒1下腔a 上腔b和油箱 泵上的斜盘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 2 变量机构 4 4柱塞泵 2 1斜盘式轴向柱塞泵 结构特点 86 当用手柄使伺服阀芯3向下移动时 上面的阀口打开 a腔中的压力油经孔道c通向b腔 活塞因上腔有效面积大于下腔的有效面积而移动 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 当手柄使伺服阀芯3向上移动时 下面的阀口打开 b和e接通油箱 活塞2在a腔压力油的作用下向上移动 并在该阀口关闭时自行停止运动 变量控制机构就是这样依照伺服阀的动作来实现其控制的 4 4柱塞泵 2 1斜盘式轴向柱塞泵 2 变量机构 结构特点 87 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 4 4柱塞泵 2 1斜盘式轴向柱塞泵 3 端面间隙的自动补偿 结构特点 88 4 4柱塞泵 2 2斜轴式轴向柱塞泵 结构组成 配油盘 缸体 柱塞 连杆 传动轴 圆盘 89 4 4柱塞泵 2 2斜轴式轴向柱塞泵 工作原理 90 91 柱塞侧向力小 摩擦损失小 可增大摆角来增大流量 变量范围大 连杆球头和主轴盘连接比较牢靠 自吸能力强 转动惯量小 起动特性好 起动效率高 4 4柱塞泵 2 2斜轴式轴向柱塞泵 与直轴式轴向柱塞泵相比 92 4 4柱塞泵 2 3轴向柱塞泵的变量控制机构 手动控制液压控制电气控制 按控制方式可分为 恒压控制恒流量控制恒功率控制 按控制目的可分为 93 94 4 4柱塞泵 2 4阀配油式径向柱塞泵 阀配油式径向柱塞泵 单柱塞 95 阀配油式径向柱塞泵 多柱塞 96 转子 缸体2 转动 柱塞5 相对缸体往复运动 定子1 不动 配流轴3 不动 4 4柱塞泵 结构组成 2 5轴配油式径向柱塞泵 97 4 4柱塞泵 工作原理 当转子2旋转时 柱塞5在离心力及机械回程力作用下 它的头部与定子1的内表面紧紧接触 由于转子2与定子1存在偏心 所以柱塞5在随转子转动时 又在柱塞孔内作径向往复滑动 当转子2按图示箭头方向旋转时 上半周的柱塞皆往外滑动 柱塞孔的密封容积增大 通过轴向孔吸油 下半周的柱塞皆往里滑动 柱塞孔内的密封工作容积缩小 通过配流盘向外排油 2 5轴配油式径向柱塞泵 98 转子每转一转 柱塞在缸孔内吸油 压油各一次 通过变量机构改变定子和转子间的偏心距 可改变泵的排量和工作方向 因此径向柱塞泵可以是单向或双向变量泵 为了流量脉动率尽可能小 通常采用奇数柱塞数 4 4柱塞泵 特点 2 5轴配油式径向柱塞泵 99 泵的平均排量为 泵的输出流量 4 4柱塞泵 排量和流量计算 2 5轴配油式径向柱塞泵 d 柱塞直径e 转子和定子的偏心距z 柱塞数 100 4 5液压马达 高速小转矩 500r min齿轮式叶片式轴向柱塞式低速大转矩 500r min径向柱塞式