液压动力元件

第三章液压传动动力元件,第一节概述第二节齿轮泵第三节叶片式液压泵第四节柱塞泵,本节主要介绍液压系统四大类液压元件中的动力元件液压泵,本节是以后学习和分析液压基本回路和系统的重要基础。,重点：1.液压泵的工作原理，液压泵的主要性能参数：压力、流量、转速|转矩、功率、容积效率、机械效率、总效率；2.直轴式轴向柱塞泵的工作原理；3.限压式变量叶片泵的工作原理；4.液压泵的选用；5.液压马达的原理和使用。难点：1.液压泵的容积效率；2.限压式变量泵的工作原理及特征曲线。,第一节概述,液压泵：是液压系统中的能量转换装置，是将机械能转换为液体的压力能的动力元件。一、工作原理和分类液压泵的工作原理：图3-1是一个简单的单柱塞液压泵的工作原理图。,图3-1容积式泵的工作原理,特点：这种利用密封工作容积的变化进行吸油和压油的泵称为容积式泵，液压泵都是容积式的。,1.有一个或若干个周期变化的密封容积，才能不断地吸油和排油。2.须有相应的配油机构，如图3-1中的单向阀6和5。3.要保持油箱上的通气孔始终畅通，使油箱内为大气压力分类：1.按其在单位时间内输出油液体积能否调节分类：定量泵和变量泵两类。前者在单位时间内输出的体积是不能调节的，后者是可以调节的。2.按其结构型式分类：齿轮式、叶片式和柱塞式三大类。,从上述液压泵的工作原理可知其正常工作应具备以下条件:,(三)液压泵的图形符号,二、液压泵的主要性能参数,1.压力（1）工作压力液压泵实际工作时所输出油液压力，亦即是液压泵克服负载阻力所建立起来的压力。假如液压系统中没有阻力和外负载，相当于液压泵输出的油液直接流回油箱，则系统就建立不起压力来，液压泵的工作压力由其外加负载决定是一个重要的基本概念。（2）额定压力液压泵根据试验结果而推荐的可连续使用的最高压力，它反映了泵的能力。一般讲泵铭牌上所示的是其额定压力。（3）最大压力按试验标准规定，液压泵在短暂运行时所允许的最高压力。,（1）排量(V)液压泵在无泄漏的情况下，泵轴转动一周所排出的油液体积量。它的大小决定于泵的几何尺寸，故又称几何排量。（2）流量(q)液压泵的流量，是指泵在单位时间内排出液流的体积，泵的流量有理论流量和实际流量之分。理论流量qt为泵的排量V和转速n的乘积(m3/s)式中V液压泵的排量(m3/r)n液压泵转速(r/s),2.排量、流量和容积效率,式中q泵的泄漏流量（内泄漏和外泄漏之和）（m3/s）。额定流量：液压泵的额定流量是指泵在额定转速和额定压力下的输出流量。（3）容积效率液压泵的实际流量和理论流量之比称为容积效率pv。,液压泵实际流量q为,(m3/s),pV在一定范围内，泄漏量q与负载压力p成正比，泵的容积效率则随负载压力增加而线性的下降，见图3-2a。,图3-2液压泵的性能曲线,（1）功率：泵的理论输出功率为泵的理论输入功率为泵的实际输出功率为驱动泵的功率为式中p泵的进出口压差（Pa）Tt驱动泵所需的理论转矩（Nm）,功率、机械效率和总效率,T-驱动泵所需的实际输入转矩（Nm）T泵的摩擦损失转矩,（2）机械效率驱动泵所需的理论转矩Tt与驱动泵的实际输入转矩T之比。,功率、机械效率和总效率,（3）总效率泵的总效率应为泵的输出功率pq与驱动泵的功率T2n之比泵的总效率随负载压力p变化曲线见图3-2b。在使用压力较低时，总效率很低，这是因为泵在轻载时机械摩擦损失所占比重较大，其机械效率很低之故。（那么在使用压力较高时呢?),功率、机械效率和总效率,驱动泵的电动机功率可按下式计算,(W)q泵的实际流量（m3/s）;p泵的总效率。注意：几个转速的概念（1）液压泵的额定转速即在额定压力下能连续长时间正常运转的最大转速。（2）液压泵的最高转速在额定压力下，超过额定转速所允许的短暂运行转速称为最高转速。（3）液压泵的最低转速液压泵正常运转时所允许的转速最低值，称为最低转速。,注意：工程单位的使用,若液压泵的吸油口和排压油口间的压差的单位用MPa表示，输出流量用L/min表示，那么液压泵的输出功率可用P可表示为单位为KW。,第二节齿轮泵(gearpump),齿轮泵具有结构简单、体积小、重量轻、价格低、工作可靠、自吸性能好以及对油液污染不敏感、维护方便等优点，因而广泛的应用于各种液压传动系统。其主要缺点是流量和压力的脉动较大，噪音大，排量不可改变，效率较低，随着结构技术的发展，噪音有了很大的降低，效率和寿命都有很大的提高。,一、工作原理（3-3）,图3-3齿轮泵的工作原理,二、齿轮泵的排量和流量,1.排量齿轮泵的排量是其两个齿轮的齿间槽容积之总和。如果近似地认为齿间槽的容积等于轮齿的体积，则齿轮泵的排量V为(m3/r)式中D齿轮的节圆直径（m），h齿轮的有效工作高度（m），b齿宽（m）；z齿数；m齿轮模数（m）。,实际上，齿间的容积比轮齿的体积稍大，因此，在修正系数3.333.5代替值，齿数少取大值。,V=（6.667.00）Zm2B2.流量齿轮泵实际流量q为式中n齿轮泵的转速（r/s）npV齿轮泵的容积效率。事实上，以上计算的都是平均流量，实践中，齿在不同的啮合点的流量是不同的。大小用流量脉动率表示,三、结构中的几个问题,（一）泄漏泄漏是齿轮泵压力和容积效率低的根本因素。外啮合齿轮泵中存在三个可能产生泄漏部位（指内泄漏）：一是端面泄漏，通过齿轮端面与端盖配合处；二是径向间隙泄漏，通过齿轮外圆与泵体配合处；三是齿啮合处泄漏，通过两个齿轮的啮合处（因有齿向误差，齿轮的全部宽度不可能都齿合）,(二）液压径向力不平衡,（齿轮泵工作时，齿轮圆周上所受有压力是不同的，压力分布状况如图3-4所示。,齿顶和泵体内表面间有径向间隙，所以齿轮外圆上油液的压力是逐步降低的。不平衡液压力作用在齿轮上，使轴承受到径向负载。,径向液压力可按下述近似公式计算：式中Da-齿顶圆直径B-齿轮宽度p-进出口压差减小径向不平衡力采取缩小压油口的办法；开压力平衡槽等,（三）困油现象如图3-5所示消除困油现象方法：通常在两端盖板上开一对矩形卸荷槽,困油现象的消除,注意：1、所开卸荷槽必须保证任何时候都不能相通；2、对于非对称卸荷槽，往往向吸油腔偏移；此外，为了卸荷槽能够通畅，要保证槽宽和槽深；,提高外啮合齿轮泵压力的措施,减小端面轴向间隙，一般采用齿轮端面间隙自动补偿的办法来解决。注意：必须保证齿端面的力小于高压区油压对浮动轴套的力。,CBZ2型高压齿轮泵,此泵是采用双向补偿，其压力高(31.5MPA)、效率高(85%)、寿命长。,1主动齿轮轴2骨架油封3前泵盖4轴承5定位销6泵体7浮动侧板8垫板9支承套10后泵盖11螺栓12径向密封块13密封圈,泵的其他性能参数,压力区间低压齿轮(pH2.5MPa)；中压齿轮泵(pH2.58MPa)；高压齿轮泵(pH8MPa)。,转速常用的为1000-3000r/min最高转速可达20000r/min不能小于300-500r/min,寿命低压齿轮泵3000-5000H高压齿轮泵2000-3000H,排量低压齿轮泵0.05-800ml/r常用2.5-250ml/r,优缺点,优点结构简单、尺寸小、重量轻，制造方便工作可靠、自吸能力强对油液污染不敏感，维护容易。价格低缺点脉动大、径向不平衡力大、泄露大、效率低、噪声大,二、内啮合齿轮泵,内啮合齿轮泵有渐开线齿轮泵和摆线齿轮泵两种。,摆线转子泵,摆线转子泵的额定压力一般为2.5MPa、4MPa。这种泵作为补油泵和润滑泵使用，广泛应用于大、中型车辆的液压转向系统中。,内啮合齿轮泵的特点,1、结构紧凑、尺寸小、质量轻2、由于齿轮转向相同，故相对滑动速度小、磨损小寿命长3、流量脉动小4、可使用高转速，可获得较大的容积效率,第三节叶片式(vane)液压泵,叶片泵具有运转平稳，噪音小，流量均匀性好，容积效率较高等优点，在机床液压系统中获得广泛的应用，其缺点是它吸油条件苛刻，工作转速必须有6001500r/min之间，对液压油的污染比较敏感，结构较复杂。叶片泵有两类：双作用和单作用叶片泵。双作用泵是定量泵，单作用泵则往往做成变量泵。至于液压马达则只有双作用式。,一、单作用式叶片泵（一）工作原理（图3-6),图3-6单作用叶片泵的工作原理,（二）流量计算,(一)单作用式叶片泵从图3-7所示，每个密封工作空间一次排油量应是其最大容积与最小容积之差。,实际流量式中D定子内表面直径，D=2r;r转子半径;,泵的排量,两叶片夹角，;e偏心距;B叶片宽度;z叶片数;n叶片泵转速;npV叶片泵容积效率。若考虑叶片所占体积的影响时，则排量为,二、双作用式叶片泵（一）工作原理（图3-9）,图3-9双作用叶片泵工作原理,（二）流量计算由图310可见，当不考虑叶片所占体积时，双作用式叶片泵的排量为减去叶片所占体积则实际流量,式中R定子内表面长圆弧半径;r定子内表面短圆弧半径;,（三）双作用叶片泵的倾角,（四）双作用叶片泵的配油盘,封油区对应的中心角大于两个叶片之间的夹角在配油盘的压油口靠封油区到压油区的一边开一个截面为三角形的三角槽,理论上过渡曲线应用阿基米德螺线，则叶片的流量理论上没有脉动。可是在连接点处会产生很大的径向加速度，对定子产生冲击；先用等加速和等减速曲线作为过渡曲线可极大减小冲击；甚至用高次曲线作过渡曲线；定子的过渡曲线；,（四）双作用叶片泵的定子曲线,提高双作用叶片泵压力的措施,措施：减小作用在叶片底部的油液压力减小作用面积,a)子母叶片b)双叶片1转子2定子3母叶片4子叶片5、6叶片,变量叶片泵是在单作用式叶片泵的基础上加一套变量机构而成。变量原理是改变偏心距的大小和方向来实现。根据偏心改变的形式不同，有手动调节方式，限压式和稳流量式等几种。下面介绍限压式变量叶片泵的结构原理。（一）限压式变量叶片泵的工作原理限压式变量叶片泵在液压系统达到限定的压力后，可自动减少泵的供油量，从而减小功率损失，提高液压系统的效率。限压式变量叶片泵有内反馈和外反馈两种。,三、变量叶片泵,图3-12外反馈限压式变量泵工作原理,图3-12是一种外反馈限压式（或称压力补偿控制）变量叶片泵的工作原理图。,设液压力作用在定子上的有效面积为，流量调节螺钉调定后所对应的偏心距为e0，对应的弹簧初始压缩量为x0,弹簧的弹性系数为Ks，有pb就是泵所调定的限定压力，当工作压力ppb时，pAKsx0当ppbpAksx0；e=e0x；,从式可知，p越大则e越小，当p增大至最大时，e=0。限压式变量叶片泵的特性曲线如图3-11所示。特点和应用,图3-11,主要性能参数,中低压叶片泵的额定压力一般为6.3MPA，变量叶片泵的压力一般不超过17.5MPA,双作用叶片泵的压力可达28-30MPA；小排量叶片泵的转速可达8000-10000r/min,一般可达1500-2000r/min,变量叶片泵大约3000r/min，一般不低于600-900r/min;容积效率可达93%-95%，总效率与齿轮泵相当；寿命高于齿轮泵，高压叶片泵的寿命可达5000H以上；排量范围0.5-4200ml/r,一般双作用叶片泵2.5-300ml/r，变量叶片泵6-120ml/r。,第四节柱塞(piston)泵,柱塞泵和液压马达与齿轮式和叶片式的相比较,具有压力高、容积效率高、流量容易调节的特点,故适用于高压大功率的液压系统中。按其柱塞排列的不同为轴向柱塞式和径向柱塞式。一、轴向柱塞泵（一）轴向柱