第二单元 液压动力元件及执行元件

第二章液压泵 2008 09 教学内容 液压泵的工作原理液压泵的主要性能及参数液压泵的结构液压泵的选用液压马达 液压泵是向液压系统提供一定的流量和压力的动力元件 液压泵由电动机带动将液压油从油箱吸上来并以一定的压力输送出去 使执行元件推动负载作功 液压泵实际就是能量转换装置 它将机械能转换成压力能 2 1液压泵概述 由于泵是依靠其密封工作腔的容积变化来实现吸油和压油的 因而称为容积式泵 如图是一单柱塞泵的工作原理图 大家一起来分析它是如何实现功能的 一 液压泵的工作原理 液压泵工作原理图 2 结构特点 1 必须具有一个由运动件和非运动件所构成的密闭容积 2 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 3 吸 压油腔要分离 1 液压泵的工作原理 一 压力1 工作压力 液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力 工作压力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 2 额定压力 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称为液压泵的额定压力 3 最高允许压力 在超过额定压力的条件下 根据试验规定 允许液压泵短暂运行的最高压力值 称为液压泵的最高允许压力 超过此压力 泵的泄漏会迅速增加 二 液压泵的主要性能和参数 二 排量排量是泵主轴每转一周所排出液体体积的理论值 如泵排量固定 则为定量泵 排量可变则为变量泵 一般定量泵因密封性较好 泄漏小 在高压时效率较高 三 流量 流量 泵单位时间内排出的液体体积 L min 有理论流量Qth和实际流量Qac两种 2 1 式中 q 泵的排量 L r n 泵的转速 r min 2 2 Q 泵的泄漏损失 四 容积效率和机械效率泵的容积效率 泵的机械效率 Tth 泵的理论输入扭矩Tac 泵的实际输入扭矩 五 泵的总效率 功率泵的总效率 泵实际输出功率 电动机输出功率泵的功率 式中 p 泵输出的工作压力 MPa Qac 泵的实际输出流量 L min 例题2 1某液压系统 泵的排量q 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 解 1 泵的理论流量Qth q n 10 3 10 1200 10 3 12L min2 泵的实际流量Qac Qth v 12 0 92 11 04L min3 泵的输出功率4 驱动电机功率 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流量能否调节 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 齿轮泵 液压泵中结构最简单的一种 且价格便宜 故在一般机械上被广泛使用 齿轮泵是靠一对啮合的齿轮来工作的 可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵两种 一 外啮合齿轮泵 其构造和动作原理如图所示 2 2齿轮泵 1 工作原理 2 结构 它由装在壳体内的一对齿轮所组成 齿轮两侧有端盖罩住 壳体 端盖和齿轮的各个齿间槽组成了许多密封工作腔 其排量和流量均采用近似算法 当转速为n时的流量为 3 排量和流量 1 泄漏泄漏有三种 1 轴向泄漏 2 径向泄漏 3 啮合线泄漏泄漏带来的问题 降低效率和工作压力 二 外啮合齿轮泵的问题 1 什么是困油现象 2 困油 2 如何消除困油现象困油将使外啮合齿轮泵产生极大的震动和噪音 故必须在侧板上开设卸荷槽 以防止其发生 卸荷槽的形式 3 径向力不平衡后果 使齿轮和轴承的磨损加剧 降低了泵的使用寿命 齿轮泵的优缺点及应用1 优点 结构简单 制造工艺性好 价格便宜 自吸能力较好 抗污染能力强 而且能耐冲击性负载 2 缺点 流量脉动大 泄漏大 噪声大 效率低 零件的互换性差 磨损后不易修复 3 应用 用于环境差 精度要求不高的中低压场合 通常p 10MPa 如工程机械 建筑机械 农用机械等 三 齿轮泵的特点和应用 概述 叶片泵的结构较齿轮泵复杂 但其工作压力较高 且流量脉动小 工作平稳 噪声较小 寿命较长 根据各密封工作容积在转子旋转一周吸 排油液次数 叶片泵分为两类 即单作用叶片泵和双作用叶片泵 单作用叶片泵多为变量泵 双作用叶片泵均为定量泵 2 3叶片泵 1 工作原理和结构如图所示 单作用叶片泵由转子 定子 叶片和端盖等组成 定子具有圆柱形内表面 定子和转子的间有偏心距e 叶片装在转子槽中 并可在槽内滑动 当转子回转时 由于离心力的作用 使叶片紧靠在定子内壁 一 单作用叶片泵 单作用叶片泵的结构 注意体会其密封容积的变化 单作用叶片泵的排量为各工作容积在主轴旋转一周时所排出的液体的总和 如图所示 两个叶片形成的一个工作容积V 近似地等于扇形体积V1和V2之差 即 2 排量和流量计算 单作用叶片泵排量计算简图 因此 单作用叶片泵的排量和流量分别为 单作用泵的特点 特点 1 改变定子和转子之间的偏心便可改变流量 2 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 1 工作原理双作用式叶片泵如图所示 定子内表面近似椭圆 转子和定子同心安装 有两个吸油区和两个压油区对称布置 转子每转一周 完成两次吸油和压油 双作用叶片泵大多是定量泵 二 双作用叶片泵 双作用叶片泵的工作原理1 定子2 转子3 叶片 2 双作用叶片泵的结构 双作用叶片泵的定子曲线 3 双作用叶片泵的排量和流量计算 双作用叶片泵排量计算简图 V 2z1 2 R2 r2 B 2 R2 r2 B 三 限压式变量叶片泵 1 限压式变量叶片泵的工作原理 限压式变量叶片泵的工作原理 实物结构图 1 用于中低压 要求较高的系统中 2 油液粘度要合适 转速不能太低 500 1500rpm 3 要注意油液的清洁 油不清洁容易使叶片卡死 4 通常只能单方向旋转 如果旋转方向错误 会造成叶片折断 叶片泵的应用 优点 容积效率高 只需改变柱塞的工作行程就能改变泵的排量 压力应用 高压大流量分类 径向柱塞泵轴向柱塞泵变量轴向柱塞泵 2 4柱塞泵 1 径向柱塞泵的原理 一 径向柱塞泵 径向柱塞泵的工作原理1 柱塞2 缸体3 衬套4 定子5 配油 从上图可以看出 1 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 2 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 轴向柱塞泵是将多个柱塞配置在同一个缸体的圆周上 并使柱塞中心线和缸体中心线平行的一种泵 轴向柱塞泵有两种形式 斜盘式和摆缸式轴向柱塞泵的工作原理 二 轴向柱塞泵 1 斜盘式轴向柱塞泵的工作原理 2 斜轴式轴向柱塞泵的工作原理 3 变量轴向柱塞泵 变量轴向柱塞泵 主体 变量机构主体机构特点 滑履结构中心弹簧机构缸体端面间隙的自动补偿配流盘变量机构 改变斜盘倾角 的大小以调节泵的排量 SCY14 1型斜盘式轴向柱塞泵的结构 4 柱塞泵的特点和应用 特点 1 工作压力高 密封性好 结构紧凑 单位功率重量小 寿命长等 2 结构复杂 制造成本高 自吸能力差 应用 高压 大流量 大功率系统 5 液压泵的图形符号 选择液压泵的原则是否要求变量 径向柱塞泵 轴向柱塞泵 单作用叶片泵是变量泵 工作压力 柱塞泵压力31 5MPa 叶片泵压力6 3MPa 高压化以后可达16MPa 齿轮泵压力2 5MPa 高压化以后可达21MPa 工作环境 齿轮泵的抗污染能力最好 噪声指标 低噪声泵有内啮合齿轮泵 双作用叶片泵和螺杆泵 双作用叶片泵和螺杆泵的瞬时流量均匀 效率 轴向柱塞泵的总效率最高 同一结构的泵 排量大的泵总效率高 同一排量的泵在额定工况下总效率最高 2 4液压泵与电动机参数选用 液压泵的选择 通常是先根据对液压泵的性能要求来选定液压泵的型式 再根据液压泵所应保证的压力和流量来确定它的具体规格 1 液压泵工作压力的确定液压泵的的工作压力是根据执行元件的最大工作压力来决定的 考虑到各种压力损失 泵的最大工作压力P泵可按下式确定 P泵 k压 P缸式中 P泵一液压泵所需要提供的压力 Pa k压一系统中压力损失系数 取1 1 1 5P缸一液压缸中所需的最大工作压力 Pa 2 液压泵输出流量的确定液压泵的输出流量取决于系统所需最大流量及泄漏量 即 Q泵 K流 Q缸式中 Q泵 液压泵所需输出的流量 m3 min K流 系统的泄漏系数 取1 1 1 3Q缸一液压缸所需提供的最大流量 m3 min若为多液压缸同时动作 Q缸应为同时动作的几个液压缸所需的最大流量之和 在P泵 Q泵求出以后 就可具体选择液压泵的规格 选择时应使实际选用泵的额定压力大于所求出的P泵值 通常可放大25 泵的额定流量略大于或等于所求出的Q泵值即可 3 电动机参数的选择驱动液压泵所需的电动机功率可按下式确定 KW 式中 PM 电动机所需的功率 kwP泵 泵所需的最大工作压力 Pa Q泵 泵所需输出的最大流量 m3 min 泵的总效率 各种泵的总效率大致为 齿轮泵0 6 0 7 叶片泵0 6 0 75 柱塞泵0 8 0 85 4 计算举例 例1 已知某液压系统如图2 12所示 工作时 活塞上所受的外载荷为F 9720N 活塞有效工作面积A 0 008m2 活塞运动速度v 0 04m s 问应选择额定压力和额定流量为多少的液压泵 驱动它的电机功率应为多少 例2 某液压系统 巳知负载F 30000N 活塞有效面积A 0 01m2 空载时的快速前进的速度为0 05m s 负载工作时的前进速度为0 025m s 选取k压 1 5 k流 1 3 0 75 试从下列已知泵中选择一台合适的泵 并计算其相应的电动机功率 已知泵如下 YB 32型叶片泵 Q额 32L min P额 63kgf cm2YB 40型叶片泵 Q额 40L min P额 63kgf cm2YB 50型叶片泵 Q额 50L min P额 63kgf cm2 1 某液压泵的转速为950r min 排量为q 168ml r在额定压力29 5Mpa和同样转速下 测的实际流量为150l min 额定工况下的总效率为0 87 求 1 泵的理论流量 2 泵的容积效率和机械效率 3 泵在额定工况下 所需电机驱动功率 2 已知某液压系统工作时所需最大流量Q 5 10 4m3 s 最大工作压力p 40 105Pa 取k压 1 3 k流 1 1 试从下列表中选择液压泵 若泵的效率 0 7 计算电机功率 CB B50型泵Q 50L min p 25 105PaYB 40型泵Q 40L min p 63 105Pa 思考题与习题 第三章执行元件 液压缸与液压马达 液压缸又称为油缸 它是液压系统中的一种执行元件 其功能就是将液压能转变成机械能 用来驱动工作机构作直线运动 移动液压缸 或摆动运动 摆动液压缸 液压马达 3 1液压缸类型一 概述按结构形式分为活塞式 柱塞式 摆动式等 按工作方式分为 单作用和双作用式双作用式 两腔均能进出压力油 活塞 缸体 能作正 反两个方向移动的液压缸单作用式 只有一腔能进出压力油 活塞 缸体 只能依靠液压力作单向运动 回程需借助自重 外力的液压缸 液压缸及其分类 柱塞式液压缸 单活塞杆式液压缸 双活塞杆式液压缸 伸缩式液压缸 液压缸及其分类 单活塞杆式液压缸 双活塞杆式液压缸 伸缩式液压缸 柱塞式液压缸 增压缸 弹簧复位式液压缸 串联式液压缸 特殊液压缸 二 活塞式液压缸 1 双杆活塞式液压缸 工作原理 特点和应用 当两活塞杆直径相同 缸两腔的供油压力和流量都相等时 活塞 或缸体 两个方向的推力和运动速度也都相等 适用于要求往复运动速度和输出力相同的工况 双杆活塞式液压缸 2 单杆活塞式液压缸 工作原理 特点和应用 供油压力和流量不变时 活塞在两个方向的运动速度和输出推力皆不相等 由于A1 A2 故F1 F2 V1 V2 即活塞杆伸出时 推力较大 速度较小 活塞杆缩回时 推力较小 速度较大 因而它适用于伸出时承受工作载荷 缩回时为空载或轻载的场合液压缸的差动连接单杆活塞缸的两腔同时通入压力油的油路连接方式称为差动连接 作差动连接的单杆活塞缸称为差动液压缸 差动连接的特点 差动连接时实际起有效作用的面积是活塞杆的横截面积 在输入油液压力和流量相同的条件下 活塞运动速度较大而推力较小 广泛用于组合机床的液压动力滑台和其它机械设备的快速运动中 要使活塞往返运动速度相等 即V2 V3 则即A1 2A2 3 典型的活塞液压缸 柱塞式液压缸伸缩式套筒液压缸增压缸齿条活塞缸摆动式液压缸 三 其它形式的液压缸 主要特点 单作用液压缸 要双向运动需成对使用适用于行程较长的场合推力和速度分别为F V 垂直安装 1 柱塞式液压缸 伸缩缸是由两级或多级活塞缸套装而成 又称多级缸 伸缩缸中活塞伸出的顺序是从大至小 而空载缩回的顺序一般是从小至大 当输入流量相同时 外伸速度逐次增大 当负载恒定时 液压缸的工作压力逐次增高 常用于安装空间小而行程要求很长的场合 2 伸缩式套筒液压缸 伸缩式套筒液压缸 3 增压缸 局部区域获得高压增压缸只能将高压油输入其它液压缸以获得大的推力 其本身不能直接作为执行元件 4 齿条活塞缸 摆动缸 摆动式液压缸也称摆动马达 5 摆动式液压缸 1 液压缸内径计算 根据负载大小和选定的系统压力计算确定 根据液压缸的输出速度和所选定的系统流量计算确定 2 活塞杆直径计算 3 液压缸长度 由最大行程决定4 液压缸的壁厚 根据结构设计确定 但在工作压力较高或缸径较大时必须进行强度验算 3 2液压缸主要尺寸计算 3 3液压缸的结构 缸筒和缸盖活塞和活塞杆缓冲装置排气装置 一 单杆活塞式液压缸的结构 1 耳环2 螺母3 防尘圈4 17 弹簧挡圈5 套6 15 卡键7 14 O形密封圈8 12 Y形密封圈9 缸盖兼导向套10 缸筒11 活塞13 耐磨环16 卡键帽18 活塞杆19 衬套20 缸底 二 双杆活塞式液压缸的结构 1 活塞杆2 堵头3 托架4 17 V形密封圈5 14 排气孔6 19 导向套7 O形密封圈8 活塞9 22 锥销10 缸体11 20 压板12 21 钢丝环13 23 纸垫15 活塞杆16 25 压盖18 24 缸盖 三 缸筒和缸盖的连接 四 活塞和活塞杆的连接形式 五 缓冲装置 为了防止活塞在行程终点时和缸盖相互撞击 引起噪声 冲击 则必须设置缓冲装置 缓冲装置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程终端时封住活塞和缸盖之间的部分油液 强迫它从小孔或细缝中挤出 以产生很大的阻力 使工作部件受到制动 逐渐减慢运动速度 达到避免活塞和缸盖相互撞击的目的 常见的缓冲装置 六 排气装置 液压缸在安装过程中或长时间