鹤岗师范大学

鹤岗师范高等专科学校 工程与经济管理系专业毕业论文 论文题目 液压传动 系 （部）：工程与经济管理系 专 业：矿山机电 班 级：09矿山机电 学 号：0911090108 学生姓名：刘维平 指导老师： 2012年05月20日 院系 专业 年级 姓名 题目 指导老师评 语 指导老师 （签章）评 阅 人评 语 评阅人 （签章）成 绩 答辩委员会主任 （签章） 年 月 日 目录 摘 要第1章 液压泵和马达概述 1.1 容积式泵和马达工作原理 1.2 液压泵和马达的基本性能参数 第2章 液压泵的分类1.1 齿轮泵1.2 叶片泵1.3 柱塞泵第三章 液压马达的分类1.1 高速液压马达 1.2 低速大扭矩液压马达第4章 液压泵及液压马达的工作特点 1.1 液压泵工作特点 1.2 液压泵及液压马达图形符号 摘 要 将原动机（柴油机、汽油机、电动机等）的能量通过某种方式加以控制，并传送到工作装置，以完成预定的工作，这一过程称之为传动。 利用封闭系统（如封闭的管路、元件、容器等）中的压力液体实现能量传递和转换的传动叫做液压传动。其中的液体（一般情况下为矿物油）称为工作液体或工作介质，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件的作用相类似 液压泵是液压传动系统的重要组成部分。它向系统提供工作所需的具有一定压力和流量的液压介，驱动系统中各执行装置才输出负载所必须的力和速度。液压泵通常是由原动机（点击和内燃机）拖动。液压泵将原动机的机械能转换成液压工作介质的压力能，所以液压泵是液压系统的动力元件。液压马达是把液体的压力能转换为机械能的装置，从原理上讲，液压泵可以作液压马达用，液压马达也可作液压泵用，二者是可逆工作的。但事实上同类型的液压泵和液压马达虽然在结构上相似，但由于两者的工作情况不同，使得两者在结构上也有某些差异第一章 液压泵和马达概述 1.1 容积式泵和马达工作原理 泵工作原理： 曲柄连杆带动活塞(Piston)做直线往复运动。活塞右移，封闭容腔C的容积增大，形成真空；在大气压的作用下，油从单向阀(Check Valve)A被吸入C腔，此时单向阀B断路。当活塞左移时，封闭容腔C的容积减小，单向阀A断路，C腔中的油从单向阀B排出。 马达工作原理： 用外控方法打开单向阀B输入压力油，C腔中的压力油推动活塞右移，使曲柄连杆输BAC泵吸入泵排出O出转矩。在惯性作用下，活塞左移，外控打开单向阀A，C腔中的无压油从阀A排出。 图 1.1 由此可见，泵是靠密封工作腔的容积变化进行工作的。 凸轮(Cam)1旋转时，当柱塞向右移动，工作腔容积变大，产生真空，油液便通过吸油阀5吸入； 柱塞向左移动时，工作腔容积变小，已吸入的油液便通过压油阀6排到系统中去。 液压泵和液压马达工作的必要条件： （1）必须有一个大小能作周期性变化的封闭容积；（2）必须有配流动作，即封闭容积加大时吸入低压油封闭容积减小时排出高压油封闭容积加大时充入高压油封闭容积减小时排出低压油（3）高低压油不得连通。 液压泵和液压马达都是液压传动系统中的能量转换元件。 液压泵由原动机驱动，把输入的机械能转换成为油液的压力能，再以压力、流量的形式输入到系统中去，它是液压系统的动力源。液压输出J液压马达液压泵机械输入液压输入机械输出 液压马达则将输入的压力能转换成机械能，以扭矩和转动的形式输送到执行机构做功，是液压传动系统的执行元件。 液压马达是实现连续旋转运动的执行元件，从原理上讲，向容积式泵中输入压力油，迫使其转轴转动，就成为液压马达，即容积式泵都可作液压马达使用。 但在实际中由于性能及结构对称性等要求不同，一般情况下，液压泵和液压马达不能互换。 根据工作腔的容积变化而进行吸油和排油是液压泵的共同特点，因而这种泵又称为容积泵。 液压泵按其在内所能输出油液体积能否调节而分为定量泵(Fixed displacement pumps)和变量泵(Variable displacement pumps)两类； 按结构形式可以分为齿轮式、叶片式和柱塞式三大类。液压马达也具有相同的形式。 从工作过程可以看出，在不考虑漏油的情况下，液压泵在每一工作周期中吸入或排出的油液体积只取决于工作构件的几何尺寸，如柱塞泵的柱塞直径和工作行程。 1.2 液压泵和马达的基本性能参数 液压泵的基本性能参数主要是指液压泵的压力、排量、流量、功率和效率等。工作压力 operating pressure：泵（马达）实际工作时的压力。泵指输出压力；马达指输入压力。实际工作压力取决于相应的外负载。 额定压力 rated pressure：泵（马达）在额定工况条件下按试验标准规定的连续运转的最高压力，超过此值就是过载。每转排量 displacement per revolution V ：无内外泄漏时，泵（马达）每转一周所排出（吸入）液体的体积。 每弧度排量 displacement per radian Vd ：泵（马达）每转一弧度所排出（吸入）液体的体积，也称角排量。 理论流量 theoretical flow rate qt ：无内外泄漏时，单位时间内泵（马达）排出（吸入）液体的体积。泵、马达的流量为其转速与排量的乘积，即: 泵的实际流量 actual flow rate q ：泵工作时实际出口的流量。记泵的泄漏流量(leakage flow rate)为ql，有: q= qt - ql额定流量 rated flow rate qn ：在额定转速和额定压力下泵输出（马达输入）的流量，也是按试验标准规定必须保证的流量。由于泵和马达存在内泄漏，油液具有压缩性，所以额定流量和理论流量是不同的。 功率(power)和效率(efficiency)：液压泵由原动机驱动，输入量是转矩(torque)T和角速度 (angular speed)w，输出量是液体的压力p和流量q；如果不考虑液压泵、马达在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，也就是它们的理论功率(theoretical power )Nt ： 式中：Tt 液压泵、马达的理论转矩(theoretical torque) (Nm)； 液压泵、马达的压力和理论流量。n, w 液压泵、马达的转速(rev/s), 角速度(rad/s)； 实际液压泵和液压马达在能量转换过程中是有损失，输出功率小于输入功率。 功率损失=容积损失+机械损失 容积损失(volumetric loss)是因泄漏 、气穴和油液在高压下压缩等造成的流量损失。机械损失(mechanical loss)是指因摩擦而造成的转矩上的损失。 泵的容积损失用容积效率(volumetric efficiency) hv 表征。 对液压泵来说，输出压力增大时，泵实际输出的流量q减小。设泵的流量损失ql为，则qt=q+ql。 泵的容积损失理想泵马达的容积损失 对液压马达来说，输入液压马达的实际流量q必然大于它的理论流量qt即qt=q-ql ，它的容积效率为：理想马达 机械损失摩擦而造成的转矩上的损失液压泵的机械损失：泵的驱动转矩总是大于其理论上需要的驱动转矩，设转矩损失为Tf，理论转矩为Tt，则泵实际输入转矩为T=Tt+Tf，用机械效率hm (mechanical efficiency)来表征泵的机械损失Tt=Thm，则马达的机械损失对于液压马达来说，由于摩擦损失的存在，其实际输出转矩T小于理论转矩Tt，它的机械效率hm ：马达的总损失 液压马达的总效率 为容积效率和机械 效率的乘积。液压泵、马达的容积效率和机械效率在总体上与油液的泄漏和摩擦副的摩擦损失有关。泵的总效率(overall efficiency of pumps) 液压泵的总效率h(overall efficiency)等于其容积效率和机械效率的乘积：第二章 液压泵的分类1.1 齿轮泵 齿轮泵是一种常用的液压泵。主要优点:结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸性好，对油液污染不敏感，工作可靠；主要缺点:流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调。齿轮泵被广泛地应用于采矿设备、冶金设备、建筑机械、工程机械和农林机械等各个行业。齿轮泵按照其啮合形式的不同，有外啮合(External Gear Pumps)和内啮合(Internal Gear Pumps)两种，外啮合齿轮泵应用较广，内啮合齿轮泵则多为辅助泵。 1.11 外啮合齿轮泵的结构及工作原理泵主要由主、从动齿轮，驱动轴，泵体及侧板等主要零件构成。 泵体内相互啮合的主、从动齿轮与两端盖及泵体一起构成密封工作容积，齿轮的啮合点将左、右两腔隔开，形成了吸、压油腔。 当齿轮按图示方向旋转 时，右侧吸油腔内的轮齿 脱离啮合，密封腔容积不 断增大，构成吸油并被旋 转的轮齿带入左侧的压 油腔。左侧压油腔内的轮齿不 断进入啮合，使密封腔容 积减小，油液受到挤压被 排往系统，这就是齿轮泵 的吸油和压油过程。 1.12 齿轮泵的流量和脉动率(Pulsating Rate)外啮合齿轮泵的排量可近似看作是两个啮合齿轮的齿谷容积之和。若假设齿谷容积等于轮齿体积，则当齿轮齿数(Number of Teeth)为z ，模数(Modulus of Gear)为m，节圆直径(Pitch Diameter )为d，有效齿高(Effective Height)为h，齿宽(Width of Teeth)为b时，根据齿轮参数计算公式有d=mz，h=2m，齿轮泵的排量近似为V=dhb=2zm2b实际上，齿谷容积比轮齿体积稍大一些，并且齿数越少误差越大，因此,在实际计算中用3.333.50来代替上式中p值，齿数少时取大值。V=(6.667)zm2b 由此得齿轮泵的输出流量(The Output Flow Rate)为 V=(6.667)zm2bnhv 齿轮泵的流量脉动q=(6.667)zm2bnhv 上式是齿轮泵的平均流量。实际上，在齿轮啮合过程中，排量是转角的周期函数，因此瞬时流量是脉动的。脉动的大小用脉动率表示。（2.10）若用qmax、qmin来表示最大、最小瞬时流量，q0表示平均流量，则流量脉动率(Flow Pulsation Rate)为 流量脉动率是衡量容积式泵流量品质的一个重要指标。 齿轮泵的流量脉动流量脉动会直接影响到系统工作的平稳性，引起压力脉动，使管路系统产生振动和噪声。在容积式泵中，齿轮泵的流量脉动最大，并且齿数愈少，脉动率愈大，这是外啮合齿轮泵的一个弱点。 1.13 齿轮泵的结构特点 外啮合齿轮泵存在的四个问题： 外啮合齿轮泵的泄露比较大 外啮合齿轮泵的流量脉动大 外啮合齿轮泵有径向不平衡力 外啮合齿轮泵有困油问题 1.14 内啮合齿轮泵 Internal Gear Pumps内啮合齿轮泵有渐开线齿形(Crescent)和摆线齿形(Grout)两种。 渐开线齿形 摆线齿形 1外齿轮(external gear)，2内齿轮( internal gear)，3隔板(Crescent- shaped Seal)，4吸油，5压油 渐开线齿形(Crescent)小齿轮和内齿轮之间要装一块月牙隔板，以便把吸油腔和压油腔隔开，如图（a） 内啮合齿轮泵中的小齿轮是主动轮，大齿轮为从动轮，在工作时大齿轮随小齿轮同向旋转。摆线齿形(Grout)啮合齿轮泵又称摆线转子泵。在这种泵中，小齿轮和内齿轮只相差一齿，因而不需设置隔板。如图（b）内啮合齿轮泵的结构紧凑，尺寸小，重量轻，运转平稳，噪声低； 但在低速、高压下工作时，压力脉动大，容积效率低； 一般用于中、低压系统，或作为补油泵； 内啮合齿轮泵的缺点是齿形复杂，加工困难，价格较贵，且不适合高压工况。 1.2 叶片泵 叶片泵包括两大类：双作用叶片泵和单作用叶片泵。双作用叶片泵只能做成定量泵，单作用叶片泵一般是变量泵。其主要区别是定子内曲线的形状不同。曲线形状不同泵轴转一转时吸压油的次数也不同，每转吸压油一次的称单作用叶片泵，吸压油两次的称双作用叶片泵。 1.2.1 单作用叶片泵工作原理定子内表面是圆柱面，转子和定子中心之间存在着偏心(Eccentricity)，叶片在转子的槽内可灵活滑动，在转子转动时的离心力以及叶片根部油压力作用下，叶片顶部贴紧在定子内表面上，于是两相邻叶片、配油盘、定子和转子便形成了一个密封的工作腔。 泵在转子转一转的过程中，吸油、压油各一次，故称单作用叶片泵。转子单方向受力，轴承负载大。改变偏心距，可改变泵排量，形成变量叶片泵。1压油口1压油口 2转子3定子4叶片5吸油口1.2.1.1 单作用叶片泵的平均流量1.2.2 双作用叶片泵工作原理 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。 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。1.2.2.1 平均流量计算 考虑叶片厚度影响后，双作用叶片泵精确流量计算公式为：1.2.2.2 叶片泵的高压化随着技术的发展，双作用叶片的最高工作压力已达成2030MPa，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。 1.3 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。轴向柱塞泵按变量方式可分为两大类： 斜盘式 Axial piston swash plate design 斜轴式 Bent-axis design 斜盘1 柱塞2 缸体3 配油盘4 传动轴5 吸油口6 压油口7斜盘(Swash Plate)1和配油盘(Valve Plate)4不动，传动轴(Drive Shaft)5带动缸体(Cylinder Block)3、柱塞(Piston)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上的配油窗口吸入。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，将油液从配油盘压油窗口向外排出。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g，就可以改变密封工作容积的有效变化量，实现泵的变量。 1.3.1 排量和流量 若柱塞数目为Z，柱塞直径d，柱塞孔分布圆直径D，斜盘倾角g，则泵的排量为 ：泵的输出流量为 ： 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。1.3.2 斜盘式轴向柱塞的结构特点 Construction Characteristics of Swash Plate Axial Piston Pumps端面间隙的自动补偿：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。 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： 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5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(Servo Spool)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。1.3.3 斜轴式轴向柱塞泵Bent-axis Axial Piston Pumps 传动轴(Drive Shaft)5的轴线相对于缸体(Cylinder Block)3有倾角g，柱塞(Piston)2与传动轴圆盘之间用相互铰接的连杆(Connecting Rod)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，使密封腔容积不断发生增大和缩小的变化，通过配流盘(Valve Plate)1上的窗口 a 和 b 实现吸油和压油。g 与斜盘式泵相比较，斜轴式泵由于缸体所受的不平衡径向力较小，故结构强度较高可以有较高的设计参数，其缸体轴线与驱动轴的夹角g 较大，变量范围较大；但外形尺寸较大，结构也较复杂。目前，斜轴式轴向柱塞泵的使用相当广泛。 1.3.4 径向柱塞泵 Radial Piston Pumps转子2的中心与定子1的中心之间有一个偏心量e。在固定不动的配流轴3上，相对于柱塞孔的部位有相互隔开的上下两个配流窗口，该配流窗口又分别通过所在部位的二个轴向孔与泵的吸、排油口连通。当移动定子，改变偏心量e的大小时，泵的排量就发生改变；因此，径向柱塞泵可以是单向或双向变量泵。泵的平均排量为： 泵的输出流量： 径向柱塞泵结构较复杂，自吸能力差，并且配流轴受到径向不平衡液压力的作用，易于磨损。 第三章 液压马达的分类 液压马达和液压泵在结构上基本相同，也是靠密封容积的变化进行工作的。常见的液马达也有齿轮式(Gear)、叶片式(Vane)和柱塞式(Piston)等几种主要形式；从转速转矩范围分，可有高速马达(High-speed Hydraulic Motors)和低速大扭矩马达(Low speedHigh torque Hydraulic Motors)之分。马达和泵在工作原理上是互逆的，当向泵输入压力油时，其轴输出转速和转矩就成为马达。 由于二者的任务和要求有所不同，故在实际结构上只有少数泵能做马达使用。1.1 高速液压马达 High-speed Hydraulic Motors 一般来说，额定转速高于500r/min的马达属于高速马达，额定转速低于500r/min的马达属于低速马达。高速液压马达基本型式：齿轮式(Gear)、叶片式(Vane)和轴向柱塞式(Piston)等。它们的主要特点是转速高，转动惯量小，便于启动、制动、调速和换向。通常高速马达的输出转矩不大，最低稳定转速较高，只能满足高速小扭矩工况。1.1.1 齿轮式液压马达齿轮式液压马达的工作原理如右图所示。液压马达的进油口通入压力油ps， ps由于形成封闭容积，而且液压马达的输出轴上有一定负载力矩，所以输入的液压油形成一定的压力。压力作用在齿轮上，形成的液压力矩和负载力矩相平衡。输入一定的流量, 形成了转速。工作后的低压油从液压马达的出油口排出。1.1.2 叶片式液压马达叶片式液压马达的工作原理见图压力为ps的油，从马达进 口经壳体中的内部流道，别进 入配流盘的通油窗口、。 工作后的油经配流窗口、 和壳体上的内部流道排出。设 马达出口压力为零。因各叶片 所受液压力不平衡，对转子产 生转矩，液压马达才能克服机械负载转矩。转子的转向如图所示。若进出油口对调，则液压马达反转。因液压马达可以正反转，所以叶片处于转子的半径方向。1.1.3 柱塞式马达当压力油输入液压马达时，处于压力腔的柱塞被顶出，压在斜盘上，斜盘对柱塞产生反力，该力可分解为轴向分力和垂直于轴向的分力。其中，垂直于轴向的分力使缸体产生转矩。当压力油输入液压马达后，所产生的轴向分力为：使缸体3产生转矩的垂直分力为： 单个柱塞产生的瞬时转矩为：液压马达总的输出转矩： R 柱塞在缸体的分布圆半径； d柱塞直径； N 压力腔半圆内的柱塞数 可以看出，液压马达总的输出转矩等于处在马达压力腔半圆内各柱塞瞬时转矩的总和。由于柱塞的瞬时方位角呈周期性变化，液压马达总的输出转矩也周期性变化，所以液压马达输出的转矩是脉动的，通常只计算马达的平均转矩。 1.2 低速大扭矩液压马达Low speed High torque Hydraulic Motors低速大扭矩液压马达是相对于高速马达而言的，通常这类马达在结构形式上多为径向柱塞式,其特点是：最低转速低，大约在510转/分；输出扭矩大，可达几万牛顿米；径向尺寸大，转动惯量大。 它可以直接与工作机构直接联接，不需要减速装置，使传动结构大为简化。低速大扭矩液压马达广泛用于起重、运输、建筑、矿山和船舶等机械上。 低速大扭矩液压马达的基本形式有三种：它们分别是曲柄连杆马达(Crank-rod Motor)、静力平衡马达(Hydrostatic Balance Motor)和多作用内曲线马达(Multistroke Motor)。1.2.1 曲柄连杆低速大扭矩液压马达 Crank-rod Hydraulic Motors曲柄连杆式低速大扭矩液压马达(Crank-rod Motor)应用较早，同类型号为JMZ型，其额定压力16MPa，最高压力21MPa，理论排量最大可达6.140 r/min。 马达由壳体、曲柄连杆活塞组件、偏心轴及配油轴组成。壳体1内沿圆周呈放射状均匀布置了五只缸体，形成星形壳体；缸体内装有活塞2，活塞2与连杆3通过球绞连接，连杆大端做成鞍型圆柱瓦面紧贴在曲轴4的偏心圆上，液压马达的配流轴5与曲轴通过十字键连结在一起，随曲轴一起转动，马达的压力油经过配流轴通道，由配流轴分配到对应的活塞油缸。 腔通压力油，活塞受到压力油的作用。 腔与排油窗口接通。 受油压作用的柱塞通过连杆对偏心圆中心作用一个力N，推动曲轴绕旋转中心转动，对外输出转速和扭矩； 随着驱动轴、配流轴转动，配流状态交替变化。在曲轴旋转过程中，位于高压侧的油缸容积逐渐增大，而位于低压侧的油缸的容积逐渐缩小，因此，高压油不断进入液压马达，从低压腔不