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第二章液压动力元件 教师 郭冰菁答疑地点 机电楼409答疑时间 周3晚上11 12节 第二章第一节液压泵概述 第二章液压动力元件 液压泵 第一节概述第二节柱塞泵第三节叶片泵第四节齿轮泵第五节液压泵的选择本章重点提示 第二章第一节液压泵概述 第一节液压泵概述 液压泵的工作原理及特点液压泵的主要性能参数液压泵的特性曲线液压泵分类及职能符号 第二章第一节液压泵概述 1 液压泵的工作原理 液压泵由原动机驱动 把输入的机械能转换为油液的压力能 再以压力 流量的形式输入到系统中去 是液压系统的动力源 液压泵都是依靠密封容积变化的原理来进行工作的 故一般称为容积式液压泵 阀配流 自吸泵 排量 1 偏心轮 2 柱塞 3 缸体4 弹簧 a 密封油腔 5 6 单向阀 第二章第一节液压泵概述 2 液压泵的特点 1 具有若干个密封且又可以周期性变化空间 密闭容积的大小随运动件的运动作周期性的变化 容积由小变大 吸油 由大变小 压油 2 液压泵吸油的实质是油箱内液体在大气压下进入具有一定真空度的吸油腔 吸油腔能够自动增大的称为自吸式泵 3 具有相应的配流机构 将吸油腔和排液腔隔开 保证液压泵有规律地 连续地吸 排液体 结构原理不同 其配油机构也不相同 4 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 第二章第一节液压泵概述 1 压力 N m2 吸油腔的压力决定于吸油高度和吸油管路的阻力 压油腔的压力则取决于外负载和排油管路的压力损失 工作压力p 液压泵实际工作时的输出压力 也称系统压力 工作压力的大小取决于外负载的大小和排油管路上的压力损失 而与液压泵的流量无关 额定压力ps 液压泵在正常工作条件下 按试验标准规定连续运转的最高压力 也称标牌压力 吸入压力 泵进口处压力 自吸泵吸入压力低于大气压 第二章第一节液压泵概述 2 排量和流量 排量V cm3 r 液压泵轴转一周 由其密封容腔几何尺寸变化计算而得的排出液体的体积 理论流量qt m3 s 不考虑液压泵的泄漏流量的情况下 在单位时间内所排出的液体体积 理论流量取决于液压泵的有关几何尺寸和转速 而与排油压力无关 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称为实际流量 额定流量qs 液压泵在正常工作条件下 按试验标准规定 如在额定压力和额定转速下 必须保证的流量 容积效率 v v q qt 第二章第一节液压泵概述 3 功率和效率 输入功率Pi 作用在液压泵主轴上的机械功率 输出功率Po 液压泵输出的液压功率 机械效率 m 实际输入转矩Ti 理论上所需要的转矩Tt 第二章第一节液压泵概述 3 功率和效率 液压泵的总效率 是指液压泵的实际输出功率与其输入功率的比值 即 液压泵的总效率等于其容积效率与机械效率的乘积 第二章第一节液压泵概述 4 转速 泵的转速 额定转速ns 额定压力下能连续长时间正常运转的最高转速 最高转速nmax 额定压力下允许短时间运行的最高转速 最低转速nmin 正常运转允许的最低转速 转速范围 nmax nmin 第二章第一节液压泵概述 例题 例题2 1某液压系统 泵的排量V 10mL r 电机转速n 1200rpm 泵的输出压力p 5Mpa 泵容积效率 v 0 92 总效率 0 84 求 1 泵的理论流量 2 泵的实际流量 3 泵的输出功率 4 驱动电机功率 第二章第一节液压泵概述 解答 解 1 泵的理论流量qt Vn10 3 10 1200 10 3 12L min2 泵的实际流量q qt v 12 0 92 11 04L min3 泵的输出功率4 驱动电机功率 第二章第一节液压泵概述 三 液压泵特性曲线 它表示液压泵的工作压力与容积效率 或实际流量 总效率和输入功率之间的关系 由图示性能曲线可以看出 容积效率随压力增高而减小 压力为零时 泄漏流量为零 容积效率 v 100 实际流量等于理论流量 总效率随工作压力增高而增大 接近额定压力时效率有一个最高值 第二章第一节液压泵概述 四 液压泵类型 结构形式 齿轮泵 叶片泵 柱塞泵和螺杆泵等泵的输出排量能否调节 定量泵和变量泵泵的额定压力的高低 低压泵 中压泵和高压泵进出油口方向 单向泵 双向泵 第二章第一节液压泵概述 五 职能符号 单向定量泵单向变量泵双向定量泵双向变量泵 第二章第二节柱塞泵 第二节柱塞泵 轴向式 径向式 第二章第二节柱塞泵 概述 特点 容积效率高 压力高 v 0 98 p 40Mpa 柱塞和缸体均为圆柱表面 易加工 精度高 内泄小 结构紧凑 径向尺寸小 转动惯量小 易于实现变量 构造复杂 成本高 对油液污染敏感 应用 用于高压 高转速的场合 径向柱塞泵轴向柱塞泵 第二章第二节柱塞泵 一 径向柱塞泵 移动定子以改变偏心距的大小 便可改变柱塞的行程 从而改变排量改变偏心距的方向 则可改变吸 压油的方向 径向柱塞泵可以做成单向或双向变量泵 1 工作原理 密闭容腔 柱塞底部的容积 定子与转子之间的偏心距 固定配流轴 第二章第二节柱塞泵 第二章第二节柱塞泵 2 排量和流量计算 设转子和定子之间的偏心距为e 则柱塞在缸体孔中的行程为2e 设柱塞个数为z 直径为d 泵的排量为 设泵的转数为n 容积效率为 则泵的实际输出流量为 第二章第二节柱塞泵 3 结构特点 配流轴配流 因配流轴上与吸 压油窗口对应的方向开有平衡油槽 使液压径向力得到平衡 容积效率较高 柱塞头部装有滑履 滑履与定子内圆为面接触 接触面比压很小 可以实现多泵同轴串联 液压装置结构紧凑 改变定子相对缸体的偏心距可以改变排量 且变量方式多样 第二章第二节柱塞泵 4 负载敏感变量径向柱塞泵 泵输出流量适应执行元件所需流量 泵出口压力随负载压力变化而变化 自动调整 第二章第二节柱塞泵 密封工作腔 缸体孔 柱塞底部 吸油过程 柱塞伸出 V p 吸油 排油过程 柱塞缩回 V p 排油 斜盘式 直轴式 斜盘与缸体轴线倾斜一角度 斜轴式 摆缸式 缸体轴线与传动轴线成一倾斜角度 二 轴向柱塞泵 第二章第二节柱塞泵 缸体转动 斜盘 配油盘不动 1 工作原理 缸体 柱塞 配油盘 斜盘 柱塞伸出 低压油机械装置 斜盘式轴向柱塞泵 吸油 压油 第二章第二节柱塞泵 第二章第二节柱塞泵 第二章第二节柱塞泵 传动轴 第二章第二节柱塞泵 2 排量及流量 排量 一个密封空间 流量 式中 d 柱塞直径D 柱塞分布圆直径 斜盘倾角z 柱塞数 第二章第二节柱塞泵 q tg q q 改变 的大小 变量泵 改变 的方向 双向泵 流量脉动率 结论 柱塞数为奇数时流量脉动小 柱塞数越多 脉动越小 一般取z 7 9 11 为限制柱塞所受的液压侧向力不致过大 斜盘的最大倾角一般小于18 20 第二章第二节柱塞泵 3 结构特点 轴向柱塞泵 主体 变量机构主体机构特点 滑靴结构 降低接触应力 减小磨损中心弹簧机构 柱塞的伸出 由弹簧压紧压盘 有自吸能力 三对磨擦副 柱塞与缸体孔 缸体与配流盘 滑履与斜盘 容积效率较高 额定压力可达32MPa 泵体上有泄漏油口 元件零压 散热 传动轴是悬臂梁 缸体外大轴承支承 不易高速 第二章第二节柱塞泵 3 结构特点 配流盘 为防止密闭容积在吸 压油转换时因压力突变引起的压力冲击 在配流盘的配流窗口前端开有减振槽或减振孔 第二章第二节柱塞泵 3 结构特点 手动变量机构 结构简单 但操纵不轻便 且不能在工作过程中变量 伺服变量机构 是通过操作液压伺服阀动作 利用泵输出的压力油推动变量活塞来实现变量的 故加在拉杆上的力很小 控制灵敏 第二章第二节柱塞泵 通轴式柱塞泵 通轴两端滚动轴承支撑 改善受力状态 提高转速 变量机构与传动轴平行 并作用与斜盘外缘 径向尺寸减小 操纵力减小 传动轴较粗 避免受力变形 第二章第二节柱塞泵 和上述直轴式相比 其结构较复杂 外形尺寸和重量均较大 变量范围大 强度高 三 斜轴式柱塞泵 第二章第二节柱塞泵 缸体轴线与传动轴不在一条直线上 它们之间存在一个摆角 柱塞与传动轴之间通过连杆连接 传动轴旋转通过连杆拨动缸体旋转 强制带动柱塞在缸体孔内作往复运动 特点 可增大摆角来增大流量 可达25 且耐冲击 寿命长 一 工作原理及特点 第二章第二节柱塞泵 二 恒功率变量轴向柱塞泵 泵输出流量随压力升高而减小 功率不变 第二章第二节柱塞泵 四 常见故障及排除方法 第二章第三节叶片泵 第三节叶片泵 第二章第三节叶片泵 第三节叶片泵 优点 输出流量均匀 脉动小 噪声低 体积小 缺点 自吸性能差 对油液污染敏感 结构较复杂 转速受限制 600 2000rpm 分类 单作用 双作用 每转吸 压油一次 每转吸 压油两次 第二章第三节叶片泵 一 双作用叶片泵 1 结构特点 定子和转子同心 定子内曲线由四段圆弧和四段过渡曲线组成 叶片底部通压力油 配油盘上有四个月牙形窗口 第二章第三节叶片泵 2 工作原理 旋转一周 完成二次吸油 二次排油 双作用泵径向力平衡 平衡式叶片泵 两个吸油区 两个排油区的中心夹角是对称的 为了要使径向力完全平衡 密封空间数 即叶片数 应当是双数 第二章第三节叶片泵 3 排量计算和流量脉动 其中 B 叶片宽度 R 定子长轴半径r 定子短轴半径 叶片倾角S 叶片厚度可见 流量与结构参数有关 只能做定量泵使用 1 排量与流量 V 2z 1 2 R2 r2 B 2 R2 r2 B 不考虑叶片厚度 考虑叶片厚度 第二章第三节叶片泵 3 流量计算和流量脉动 2 流量脉动 一般取z 12 16片 取4的倍数 理论上每一瞬间密封容积的变化一样 制造时长 短径圆弧很难保证同心 第二章第三节叶片泵 4 典型结构 第二章第三节叶片泵 5 结构特点 1 叶片倾角 T Nsin sin sin T T作用 减小切向分力 减轻叶片和槽的磨损 避免卡死 一般取 10 14OYB型叶片泵取 13O 叶片倾斜放置的泵不能反转 受力分析 N TP T Nsin 压力角T sin sin T 危害 叶片和槽磨损 卡死 措施 沿旋转方向前倾 角 前倾 角后 N T P 压力角 第二章第三节叶片泵 5 结构特点 开三角槽原因 p V 油液倒流 影响 流量脉动 噪声 措施 开三角槽作用 缓冲 避免压力突变 减小流量脉动和噪声 2 配油盘 因配流盘的两个吸油窗口和两个压油窗口对称布置 因此作用在转子和定子上的液压径向力平衡 轴承承受的径向力小 寿命长 第二章第三节叶片泵 5 结构特点 3 定子内曲线 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 阿基米德螺旋线 等加速等减速曲线 高次曲线 使相邻叶片夹角小于圆弧段范围角 闭死容积转移时不发生容积变化 无困油现象 第二章第三节叶片泵 结构图 第二章第三节叶片泵 双作用叶片泵为了保证叶片和定子内表面紧密接触 叶片底部都通压力油腔 当叶片处在吸油腔时 叶片底部与顶部作用的压力差使叶片以很大的力压向定子内表面 加速了定子内表面的磨损 影响泵的寿命和额定压力的提高 所以对高压叶片泵常采用以下措施来改善叶片受力状况 6 提高双作用叶片泵压力的措施 第二章第三节叶片泵 6 提高双作用叶片泵压力的措施 1 减小通往吸油区叶片根部的油液压力 即在吸油区叶片根部与压油腔之间串联一减压阀或阻尼槽 使压油腔的压力油经减压后再与叶片根部相通 这样叶片经过吸油腔时 叶片压向定子内表面的作用力不会太大 第二章第三节叶片泵 2 减小叶片底部承受压力油作用的面积 阶梯式叶片 a 子母叶片 b 柱销式叶片 c 第二章第三节叶片泵 二 单作用叶片泵 1 结构 转子 定子 叶片 配油盘 壳体 端盖等 特点 定子和转子偏心 定子内曲线是圆 配油盘有二个月牙形窗口 叶片底部通对应油区的压力油 不受力 仅靠离心力伸出 第二章第三节叶片泵 2 工作原理 密封工作腔 转子 定子 叶片 配油盘组成 吸油过程 叶片伸出 V p 吸油 排油过程 叶片缩回 V p 排油 旋转一周 完成一次吸油 一次排油 单作用泵径向力不平衡 非平衡式叶片泵 一个吸油区 一个排油区 第二章第三节叶片泵 3 排量计算和流量脉动 1 排量计算 式中 B 叶片宽度e 偏心距D 定子内径 流量 D 2R 可看出改变偏心距e可实现变量 第二章第三节叶片泵 2 流量脉动 流量脉动 奇数叶片 偶数叶片 结论 z 奇数比偶数时 小 一般取z 13 15片 第二章第三节叶片泵 4 特点 1 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 因此可做为变量泵 2 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 叶片仅由离心力顶在内表面上 3 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 工作压力最大为7 0Mpa 4 为了更有利于叶片在惯性力作用下向外伸出 而使叶片有一个与旋转方向相反的倾斜角 称后倾角 一般为24 第二章第三节叶片泵 三 限压式变量叶片泵 1 结构特点 弹簧 反馈柱塞 限位螺钉 压力调节螺钉 流量调节螺钉 2 工作原理 靠反馈力和弹簧力平衡 控制偏心距的大小 来改变流量 转子中心固定 定子可以水平移动外反馈 限压 第二章第三节叶片泵 2 限压式变量叶片泵的工作原理 pAkx0时 e e0 xpA K x0 x e e0 A p pB K p pB p e q pc K e0 x0 A时 e 0q 0pc称为极限压力 第二章第三节叶片泵 3 特性曲线 调整 调整螺钉1可改变原始偏心量e0 即调节泵的最大输出流量 亦即改变A点的位置 使AB线段上下平移 调整螺钉4可改变弹簧预压缩量 即调节限定压力pB大小 亦即改变B点的位置 使BC线段左右平移 改变弹簧刚度k 则可改变BC线段的斜率 弹簧越 软 k值越小 BC线段越陡 pc值越小 反之 弹簧越 硬 k值越大 BC线段越平坦 pc值越大 第二章第三节叶片泵 5 优缺点及应用 优点 功率利用合理 简化液压系统缺点 结构复杂 泄漏增加 m v 应用 要求执行元件有快速 慢速和保压的场合 第二章第三节叶片泵 思考题 某机床液压系统采用限压式变量泵 泵的流量 压力特性曲线ABC如图所示 泵的总效率为0 7 如机床在工作进给时泵的压力P 4 5Mpa 输出流量为q 2 5L min 在快速移动时 泵的压力和流量为2Mpa 20L min 问限压式变量泵的流量 压力特性曲线应调成何种图形 泵所需的最大驱动功率为多少 第二章第三节叶片泵 五 叶片泵常见故障及排除方法 第二章第四节齿轮泵 第四节齿轮泵 第二章第四节齿轮泵 齿轮泵的分类 齿轮泵参数范围 流量 2 5 750L min压力 10 315bar转速 1300 4000rpm容积效率 0 88 0 96总效率 0 78 0 92 第二章第四节齿轮泵 一 外啮合齿轮泵 一 外啮合齿轮泵的结构 齿轮 壳体 端盖等 第二章第四节齿轮泵 二 工作原理 2对齿轮参数相同 密封工作腔 齿间槽 壳体 端盖组成 配流机构 啮合点处的齿面接触线分离吸 排油腔 吸油过程 轮齿脱开啮合 V p 吸油 排油过程 轮齿进入啮合 V p 排油 第二章第四节齿轮泵 三 排量和流量计算 式中 D为齿轮分度圆直径 D mz h为有效齿高 h 2m B为齿轮宽 m为齿轮模数 z为齿数 第二章第四节齿轮泵 三 排量和流量计算 由于啮合点的位置变化 因此油腔的容积是变化的 实际上齿轮泵的输油量是有脉动的 1 输油量与齿轮模数m的平方成正比 2 在泵的体积一定时 齿数少 模数就大 故输油量增加 但流量脉动大 齿数增加时 模数就小 输油量减少 流量脉动也小 用于机床上的低压齿轮泵 取z 13 19 而中高压齿轮泵 取z 6 14 齿数z 14时 要进行修正 3 输油量和齿宽B 转速n成正比 一般转速n为750r min 1000r min 1500r min 转速过高 会造成吸油不足 转速过低 泵也不能正常工作 一般齿轮的最大圆周速度不应大于5 6m s 第二章第四节齿轮泵 四 结构特点和优 缺点 外啮合齿轮泵的泄漏 困油和径向不平衡力是影响齿轮泵性能指标和寿命的三大问题 三大问题的解决就成了提高齿轮泵性能指标和寿命的关键所在 第二章第四节齿轮泵 1 泄漏问题 1 泄漏途径 齿轮端面和端盖间的轴向间隙80 齿轮外圆和壳体内孔间的径向间隙15 两个齿轮的齿面啮合处5 2 危害 v 3 防泄措施 a 减小轴向间隙b 轴向间隙补偿装置 浮动侧板 浮动轴套 第二章第四节齿轮泵 防泄措施1 a 减小轴向间隙小流量 间隙0 025 0 04mm大流量 间隙0 04 0 06mm但很有限 且磨损后又增加 第二章第四节齿轮泵 防泄措施2 b 轴向间隙补偿装置浮动侧板浮动轴套 第二章第四节齿轮泵 补偿原则 1 把压力油引到侧板或轴套外侧 使侧板或轴套轴向浮动 自动补偿轴向间隙 2 为保证压紧面之间的密封要求 液压压紧力 有弹簧力时 应加上弹簧力 应稍大于液压反推力 但不宜过大 以免增加磨损 3 压紧力的合力与反推力的合力作用线应重合 以免产生力偶 增大一边间隙 第二章第四节齿轮泵 2 径向力不平衡 1 原因 压力由压油腔工作压力递减为吸油腔压力 造成径向液压力分布不均啮合力2 危害 轴承磨损 刮壳 第二章第四节齿轮泵 第二章第四节齿轮泵 采取措施 1 开压力平衡槽 在壳体或侧板上开压力平衡槽 将高压油引到低压腔 将低压油引到高压腔 使作用在齿轮上的径向力趋于平衡 2 增大高压油腔 在工作过程中 低压腔只有1 2个齿起密封作用 3 增大低压油腔 在工作过程中 同样高压腔只有1 2个齿起密封作用 第二章第四节齿轮泵 3 困油现象 产生原因 1 新齿轮对进入啮合而上一齿轮对还未脱开 构成闭死容积Vb Vb由大 小 p 油液发热 径向力增大 轴承磨损 Vb由小 大 p 气穴 噪声 振动 第二章第四节齿轮泵 1 困油现象 措施 开卸荷槽原则 1 当闭死容积最小时 与吸 压油口都不相通 2 当闭死容积由大变小时 与压油腔相通 3 当闭死容积由小变大时 与吸油腔相通 第二章第四节齿轮泵 开设卸荷槽后工作情况 第二章第四节齿轮泵 优缺点和用途 优点 体积小 重量轻 结构紧凑 工作可靠 自吸性能好 对油液污染不敏感 便于制造 维修 缺点 效率低 流量脉动大 噪声高 用途 工程机械 机床低压系统 第二章第四节齿轮泵 二 内啮合齿轮泵 渐开线齿轮泵摆线齿轮泵 特点 结构紧凑 尺寸小 重量轻流量脉动小 噪声小 效率高 容积效率可达0 96 总效率达0 9 第二章第四节齿轮泵 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