《液压与气压传动》第二章+液压动力元件左建明 第四版

第二章液压动力元件 第一节液压泵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噪声第六节液压泵的选用 第一节液压泵概述 液压动力元件是将原动机提供输出的机械能转换为工作液体的压力能的能量转换装置 是系统的动力源 一 液压泵的工作原理及特点1 液压泵的工作原理以图2 1所示的单柱塞液压泵为例分析 工作原理 液压系统中使用的泵的工作原理均为容积变化式 故称容积式泵 1 工作过程 柱塞右移 容积增大 吸油 柱塞左移 容积减少 压油 系统 2 工作原理 依靠密闭容积的变化来实现工作 靠配流装置来实现吸油和压油的分配 3 工作要求 要有个密闭的容积空间 密闭的容积空间在工作中会发生变化 要有一套配流装置 2 液压泵的特点基本特点是1 具有若干个密闭且可变化的容积空间 2 油箱中的油液必须恒等于或大于大气压力 3 具有相应的配流机构 3 分类按排量是否变化分为定量泵和变量泵 按结构不同分为齿轮式 叶片式和柱塞式 二 液压泵的主要性能参数1 压力 1 工作压力 p 液压泵的工作压力指的是它工作时实际输出 输入 的压力 是变值 2 额定压力pn 是指泵在正常工作条件下 按试验标准规定连续运转的最高工作压力 这是一个定值 超过此值就是过载 额定压力就是满载压力 主要考虑密封性能及材料强度等或说 额定压力是指泵 马达 在正常工作条件下按试验标准规定的连续运转的最高压力 3 最高允许压力 指在超过额定压力的条件下 按试验标准规定 允许液压泵短暂运行的最高工作压力 也是液压泵的最高允许压力 3 实际流量q 指泵在某一具体工况下 单位时间内所能排出的实际液体体积 它等于理论流量减去泄漏和压缩损失后的流量 即 q qt ql 4 额定流量qn 是指额定转速和额定压力下泵必须保证输出的流量 也是在正常工作条件下按试验标准必须保证的流量 一般额定流量 理论流量 3 功率和效率液压泵的功率转换及理论功率 泵的功率转换关系 理论功率 不考虑功率损失的功率 式中单位 Pt W Nm s J s p Pa N m2 V m3 r n rps r s Tt N m rad s qt m3 s 泵的实际功率 实际功率 理论功率 功率损失 1 液压泵的功率损失包括容积损失和机械损失两部分 1 容积损失 指因泄漏等而造成的流量上的损失 用容积效率 V表示 即 所以又因为kl为泄漏系数 所以 讨论 泵输出压力p愈高 泄漏系数愈大 或排量愈小 转速愈低 则泵的容积效率也愈低 2 机械损失是指因摩擦而造成的转矩上的损失 用机械效率 m表示 2 液压泵的功率1 输入功率Pi 是指液压泵主轴上的机械效率 当输入转矩Ti 角速度为 时 有 2 输出功率P 是指液压泵在工作过程中实际吸 压油口间的压力差 p和输出流量q的乘积 即 工程上常采用下式计算 3 液压泵的总效率是指液压泵的实际输出功率与输入功率的比值 其也等于容积效率与机械效率的乘积 即 式中各变量的单位是 p MPa q L min P kW 图2 2为液压泵的功率流程图及各参数和压力之间的关系 以泵为例 第二节齿轮泵 齿轮泵应用广泛 一般做成定量泵 按结构分有内啮合与外啮合两种 外啮合应用广泛 一 外啮合齿轮泵 一 外啮合齿轮泵的工作原理如图2 3 分析 结构组成 外啮合齿轮一对 壳体 端盖等 密闭容积空间的形成 齿轮 壳体 端盖 密闭容积空间的变化 啮合部位的啮合和脱离 配流装置 吸压油口的两边布置自然形成 二 外啮合齿轮泵的排量和流量计算排量计算 假设齿间槽的容积等于齿轮的体积 则排量近似为 实际中 齿间槽的容积略大于齿的体积 故排量计算式为 流量计算 式中 z 齿数 D 节圆直径 D zm h 齿高 h 2m m 模数 B 齿宽 流量脉动 上式计算的是平均流量 实际流量是脉动的 用流量脉动率 表示 其表达式为 流量脉动的特点 z 且 max 0 2 内 外 三 外啮合齿轮泵的结构特点和优缺点结构特点 1 泄漏齿轮泵泄漏有三条途径 齿轮泵泄漏有三条途径 齿轮啮合线处的间隙 泵体内孔与齿顶圆的间隙 齿轮两侧面和端盖间的间隙 这是主要的泄漏 约占总泄漏量的75 80 2 困油困油现象 图2 4 原因 因齿轮传动的重叠系数大于1 存在一个密闭容积 经历了 容积封闭 容积减小 容积增大 容积开放 的过程 其中 容积减小 压力增加 油从缝隙中挤出 油液发热 轴承承受额外负载 容积增大 压力减小 局部真空 产生孔穴 产生噪声 解决办法 在两侧端盖上开卸荷槽 如图2 5 其c 2 5m h 0 8m 当压力增加时 左面卸荷槽工作 油液压入压油腔 当压力减小时 右面卸荷槽工作 油液从吸油腔吸入 3 径向不平衡力由于吸 压油口压力不相等造成的 解决办法 缩小压油口 适当增大径向间隙 在泵体上开设压力平衡槽 这种方法现在用的不多 优缺点 优点 结构简单 尺寸小 重量轻 制造方便 价格低廉 工作可靠 自吸能力强 对油液污染不敏感 维护方便 缺点 径向不平衡力造成磨损严重 泄漏大 工作压力提高受到限制 流量脉动大 压力脉动大 噪声大 四 提高外啮合齿轮泵压力的措施 针对前面提到的泄漏问题 采取齿轮端面间隙自动补偿的办法 减小端面的间隙 如图2 6 国产CB F系列高压齿轮泵就是采用此办法的实例 其额定压力达14MPa 二 螺杆泵和内啮合齿轮泵 优点 结构简单 紧凑 体积小 重量轻 运转平稳 输油均匀 噪声小 容许采用高转速 容积效率高 达90 95 对油液污染不敏感 1 螺杆泵图2 7其实质是一种外啮合的摆线齿轮泵 图2 7是三螺杆泵的工作原理 缺点 螺杆形状复杂 加工较困难 不易保证精度 2 内啮合齿轮泵分类 渐开线齿轮泵和摆线齿轮泵 又称转子泵 两种 如图2 8 优点 内啮合齿轮泵具有结构紧凑 尺寸小 重量轻 磨损小 使用寿命长 流量脉动小 摆线内啮合齿轮泵结构简单 且啮合重叠系数大 传动平稳 吸油条件更好 缺点 齿形复杂 精度高 需要专门的制造设备 造价较贵 第三节叶片泵 叶片泵分单作用与双作用两大类 优缺点 输出流量均匀 脉动小 噪声低 但结构复杂 吸油性稍差 对油液污染较敏感 工作压力 单作用叶片泵不大于7MPa 双作用叶片泵不大于16 21MPa 一 单作用叶片泵1 单作用叶片泵的工作原理图2 9 分析 结构组成 转子 可在定子上移动的 叶片 定子 泵体 端盖 包括配流窗口 等 密闭容积空间的形成 定子 转子 叶片 端盖 密闭容积空间的变化 由于定子和转子不同心产生 配流装置 在端盖上开有配流窗口 特点 转子转一圈 吸 压油各一次 故称为单作用式 转子受到单方向径向不平衡力 又称非平衡式 改变转子和定子之间的偏心 可改变泵的排量 故可做成变量泵 2 单作用叶片泵的排量和流量计算 计算简图如图2 10 每个叶片旋转一转的容积变化为 所以排量为 流量计算 上式中 B 叶片宽度 e 偏心距 D 定子内直径 R 定子内半径 相邻叶片间的夹角 流量脉动情况 叶片数z 奇数叶片 偶数叶片 一般叶片数为13 15片 3 特点 可改变流量 甚至改变吸 压油口的方向 即可做成双向变量泵 压油腔处叶片底部通压力油 吸油腔处叶片靠离心力等顶住定子 转子受到不平衡径向力 故工作压力不宜太高 二 双作用叶片泵 一 双作用叶片泵的工作原理图2 11 分析 结构组成 转子 可在定子上移动的 叶片 定子 泵体 端盖 包括配流窗口 等 密闭容积空间的形成 定子 转子 叶片 端盖 密闭容积空间的变化 由于定子曲线的曲率半径是变化的 配流装置 在端盖上开有配流窗口 实现吸油和压油 特点 定 转子无偏心 是靠定子径向尺寸变化使密闭容积空间变化 只能做定量泵 转子转一圈 每个密闭的容积空间完成吸油 压油动作各两次 故称为双作用泵 且转子无径向不平衡力 故称为卸荷 平衡 式叶片泵 二 双作用叶片泵的排量和流量计算 计算简图如图2 12 不考虑叶片厚度和倾角影响时双作用叶片泵的排量为 考虑叶片厚度和倾角后的排量为 流量计算 式中 b 叶片厚度 叶片倾角 z 叶片数 R r 定 转子圆弧半径 流量脉动 流量脉动率较小 叶片数为4的倍数时较好 一般为12或16片 三 双作用叶片泵的结构特点1 配油盘 如图2 13 分析 1 有两个吸油窗口 2 4 和压油窗口 1 3 2 窗口间封油区的夹角 大于或等于两个叶片之间的夹角 3 压油窗口靠叶片从封油区进入压油区的一边开有三角槽 又称眉毛槽 2 定子曲线图2 14分析 1 由两段大圆弧R 两段小圆弧r和四段过渡曲线构成 2 过渡曲线一般采用等加速 等减速曲线 3 过渡曲线的极坐标方程为 3 叶片倾角 图2 15倾角 一般取10 15 前倾 这个问题有争议 四 提高双作用叶片泵压力的措施 3 使叶片顶部和底部的液压作用力平衡 如图2 17 问题的提出 叶片对定子的作用力太大 解决措施 1 减小作用在叶片底部的油液压力2 减小叶片底部的承压面积如图2 16 三 双级叶片泵和双联叶片泵1 双级叶片泵 相当于两个叶片泵串联 可有效提高泵的实际输出工作压力 如图2 18 2 双联叶片泵 相当于两个叶片泵并联 有两个独立的输出油口 四 限压式变量叶片泵1 限压式变量叶片泵的工作原理图2 16是限压式变量叶片泵的工作原理简图 它是根据外负载 泵的出口压力 的大小自动调节泵的流量 分析 当pA Fs ksx0时 e e0 偏心预调量 由流量调节螺钉调节 x0为弹簧的预压缩量 q qmax const 当pA pBA Fs ksx0时 液压作用力与弹簧力向平衡 这是一个转折状态 当pA Fs时 e e0 其中e e0 x f p x是定子移动的距离 所以q f e f x 当p e q 当p pmax 即pc 时 q 0 p pmax 故称限压式 p pmax 外反馈 且p使e变化 可改变流量 2 限压式变量叶片泵的特性曲线特性曲线如图2 20 分析 1 曲线由两段组成 AB段相当于定量泵 其压力增加 流量逐渐减小 BC段相当于变量泵 其压力增加 流量迅速减小 2 A点对应的是压力等于零时的流量 故相当于理论流量 3 B点为拐点 对应的是定子刚好移动的时刻 4 C点对应的是流量等于零时的压力 即最大工作压力 5 最大输出功率出现在pB处 6 图2 19是外反馈式 实际中用的更多的是内反馈式限压式变量叶片泵 其工作原理如右图所示 7 此泵适用于执行元件 快进 工进 快退 的动作循环 限压式变量叶片泵的调整 调节调压螺钉10 改变了x0 则BC段左右平移 且x0 pB 和pmax BC段右移 调节流量调节螺钉5 则改变了e0 AB段上下平移 且e0 q AB段上移 改变弹簧刚度ks 则BC段的斜率发生变化 当ks pC BC段变平坦 当ks pC BC段变平陡 第四节柱塞泵 柱塞泵的特点 1 柱塞泵的密闭容积是由圆柱形表面构成 加工方便 密封性能好 适用于高压场合 2 改变柱塞行程可改变排量 易于实现变量 3 主要零件均受压 材料强度可充分利用 4 工作压力高 结构紧凑 效率高 流量调节方便 分类 径向柱塞泵和轴向柱塞泵 一 径向柱塞泵1 径向柱塞泵的工作原理工作原理如图2 21 工作原理分析 1 结构组成 转子 定子 柱塞 配油轴等 2 密闭空间V的形成及变化 3 配油轴的配流 4 转子轴上受到径向不平衡力 5 可变量 转子每转一圈 柱塞吸 压油各一次 改变偏心可改变流量 特点 径向尺寸大 结构复杂 自吸能力差 轴上受到了径向不平衡力作用 易于磨损 限制了转速和压力的提高 2 径向柱塞泵的排量和流量计算 排量 流量 流量脉动 当柱塞数为奇数时 流量脉动小 二 轴向柱塞泵 一 轴向柱塞泵等工作原理分类 直轴式与斜轴式两种 如图2 22 工作原理分析 1 结构组成 柱塞 缸体 斜盘 配流盘 连杆等 2 密闭空间V的形成及变化 V 柱塞与缸体和柱塞的轴向移动 3 可做成变量泵 4 直轴式缸体上受到了径向不平衡力 而斜轴式缸体上未受到了径向不平衡力 缸体每转一圈 每个柱塞往复运动一次 完成一次吸 压油动作 改变斜盘的倾角 可改变排量的大小 结构特点 结构紧凑 径向尺寸小 惯性小 容积效率高 工作压力高 对油液污染较敏感 二 轴向柱塞泵的排量和流量计算如图2 22a 排量 流量 流量脉动 1 柱塞数多则流量脉动小 2 柱塞数为奇数时流量脉动小 3 柱塞数常取7 9或11 三 轴向柱塞泵的结构特点 1 典型结构如图2 23 总体结构分析 2 变量机构 1 手动变量机构 图2 23 2 手动伺服变量机构 图2 24 说明 变量机构的形式较多 还有恒功率变量机构 恒压变量机构 恒流量变量机构等 四 双端面配油轴向柱塞泵简介图2 25所示 是一种双端面进油 单端面排油 靠吸油自冷却的新型轴向柱塞泵 第五节液压泵的噪声 液压泵的噪声大小与液压泵的种类 结构 大小 转速以及工作压力大小等很多因素有关 一 产生噪声的原因1 泵的流量脉动和压力脉动 2 泵工作腔从吸油腔突然与压油腔相通 3 空穴现象 4 泵内流道具有截面突然扩大和收缩 急拐弯等 5 机