流体传动与控制基础（第3版）课件：液压动力元件

流体传动及控制基础（

液压动力元件1）

液压动力元件n

液压动力元件也称液压能源元件，俗称液压泵。液压泵把输入的机械能转换为液体的压力能。n

液压泵是能量转换元件n

液压泵提供液压能液压剪切机液压缸液压泵

液压动力元件3.1

概述齿轮泵叶片泵3.2

齿轮泵3.3

叶片泵3.4

柱塞泵3.5

液压泵的功率和效率柱塞泵3.1概

述3.1.1

基本工作原理与分类n

吸油、排油过程排油过程吸油过程5基本工作原理柱塞泵基本工作原理油液受挤压产生真空排油柱塞外伸柱塞缩回吸油6液压泵工作的基本特性n

液压泵必须有容积大小可交替变化的密闭工作腔。n

液压泵的密闭工作腔处于吸油时，称之为吸油腔；处于排油时，称之为排油腔。n

吸油腔压力，取决于吸油高度和吸油管路压力损失。7液压泵在油箱之上液压泵排油液面比泵进油口低吸油进油口靠产生真空吸油吸油管液压泵在油箱之下液面比泵进油口高吸油管进油口有正压吸油液压泵排油吸油9液压泵工作的基本特性n

输出油液压力由油液出流流动时所受到的阻力产生。这种阻力主要决定于作用在执行器上的负载、管路中节流阀所产生的节流阻力以及管路沿程压力损失等。n

液压泵每工作一次循环过程所吸入和排出油液的理论体积取决于密闭工作腔容积变化量，而与排油压力无关，这是液压泵的一个重要特性。液压泵压力建立（节流口大、没有压力）节流口最大无阻力通过液压泵100L/min溢流阀压力为零出口没有压力11液压泵的压力取决于负载（液压缸）执行器受液体压力作用液压泵排油到管路负载液压泵活塞杆回油口回油到油箱12液压泵的压力取决于负载（液压马达）进油口液压马达液压泵马达输出轴油箱13液体总是向阻力最小的管路流动如果

A阀出口关闭压力达到12MPa液压泵12MPa压力设定油箱20MPa压力设定B阀打开14没有流动阻力串联阻力叠加压力为

0A阀弹簧产生

10MPa阻力10MPa10MPaB阀流动受

20MPa阻力加上

10MPa背压20MPa30MPaC阀已有

30MPa背压弹簧产生

30MPa阻力30MPa液压泵总压力

60MPa油箱液压泵、电机-液压泵装置和图形符号液压泵液压泵电机M16电机-液压泵装置液压泵排油口进油口电机-液压泵-油箱组成泵站液压泵电机油箱18液压泵的分类n

液压泵按其内部主要运动构件的形状和运动方式的不同，可分为nnn齿轮泵叶片泵柱塞泵n

液压泵按其每工作一个循环过程所排出的液体体积能否改变，可分为nn定量泵变量泵193.1.2

液压泵的基本参数n

液压泵是以旋转的机械运动来产生工作容腔的体积变化，因此液压泵的规格是以一定转速下的输出流量和额定工作压力来确定，其基本工作参数是：n

流

量n

压

力n

转

速20排量n

排量是指液压泵每转一弧度所输出的液体体积，其值是密闭容积几何尺寸的变化量，用

表示。排油国际单位：工程单位：进油21流

量n

流量是指液压泵在单位时间内所输出的液体体积。流量通常有：n

理论流量n

实际流量n

额定流量排油国际单位：工程单位：进油22排量和流量的关系n

理论流量正比于泵的排量

(

)和角速度

(，即液压泵的工作压力n

液压泵的工作压力是指实际工作时输出油液的压力，其大小取决于外负载及管路的压力损失

。n

额定压力n

最高允许压力液压泵的额定转速n

液压泵的额定转速是指在额定压力下，能长时间连续正常运转的最高转速。nn最高转速最低转速对比汽车发动机排量Theend27流体传动及控制基础（

液压动力元件2）液压泵的功能负载控制阀液压缸n

液压泵把输入的机械能转过滤器液压泵换为液体的压力能n

液压泵是能量转换元件冷却器油箱n

液压泵用来提供液压能电机23.2

齿轮泵n

齿轮泵是利用齿轮啮合原理进行工作。按啮合性质的不同，分为n

外啮合齿轮泵外啮合n

内啮合齿轮泵n

螺杆泵螺杆泵内啮合33.2.1

外啮合齿轮泵驱动轴从动轮主动轮泵体

前端盖后端盖4泵体外啮合齿轮泵工作原理排油齿轮啮合吸油外啮合齿轮泵工作原理排油吸油6外啮合齿轮泵剖视图7外啮合齿轮泵-电机装置电机齿轮泵M吸、排油口液压泵-

电机装置图形符号8外啮合齿轮泵与水泵工作原理的比较n

水泵由于叶轮旋转产生离心力而使出流水具有动能n

出水口与进水口之间没有密封，是连通的。n

出流水动能取决于水出流速度进水口进水管n

齿轮泵靠密封容腔变化原理工作n

排油腔与吸油腔之间有密封，是不连通的。n

液体排出时受到阻力而产生压力壳体叶轮几种外啮合齿轮泵实物吸油口排油口齿轮泵的参数

—排量n

工程上，泵的排量是每转一周所排出油液体积，n

国际单位表示，排量是指泵每转一弧度所排出的油液体积，单位

。单位换算：n齿轮泵的排量排量表示齿轮泵的规格11齿轮的基本参数

—分度圆n

分度圆是便于齿轮设计、制造而选择的一个尺寸参考n

模数决定齿大小，反映齿轮的厚、薄和承载能力。目的是标准化齿轮刀具，减少成本。齿厚:S周节:P齿数:z12齿轮基本参数

—模数n

齿数一定，模数越大，则齿轮的径向尺寸也越大。不同模数齿形模数与径向尺寸齿轮泵的参数

—排量n

齿轮泵的排量排量：齿轮泵的流量n

流量是指液压泵在单位时间内所输出的液体体积。流量通常有：nnn理论流量实际流量额定流量国际单位：工程单位：15齿轮泵的理论流量n

齿轮泵流量不均匀性在齿轮啮合过程中，齿轮泵每一瞬时的容积变化率是不均匀的，呈现周期性变化。因此，齿轮泵的瞬时流量是脉动的。流量不均匀系数为—

理论流量齿轮泵的理论流量n

排量一定时，泵的理论流量与转速成线性比例关系，转速高，流量大。单位：或；—

角速度，—

转速，

。齿轮泵的流量－转速曲线n

在排量

一定的情况下18齿轮泵转速的限制n

转速提高受吸油性能限制，转速过高引起吸油不充分，泵噪声增大;泵内部运动件间磨损加剧，影响使用寿命。n

一般情况，转速过低，泵输出流量减少、脉动增大，可能难以产生真空，吸油困难19油箱齿轮泵的工作压力n

液压泵的工作压力是指实际工作时输出油液的压力，其大小取决于外负载及管路的压力损失。nn额定压力最高允许压力齿轮泵的泄漏和容积损失n

额定转速下，泵理论流量是常数。由于排出腔是高压，吸油腔是低压，而齿轮侧面有间隙，产生从排油腔到吸油腔的油液内泄漏,泵输出实际流量小于理论流量，其减少的液体体积称为液压泵的容积损失。排油腔吸油腔液压泵的泄漏n

三个泄漏途径排油n

齿轮侧面的轴向间隙n

齿顶与壳体之间间隙n

齿面啮合接触的间隙22进油液压泵的流量－压力曲线n

由于泵输出的实际流量小于理论流量，存在容积损失，其容积效率为理论流量实际流量液压泵排油压力的影响n

排油压力越高，泄漏越大，容积效率越低。n

此外，由于吸油腔是低压，排油腔压力越高，齿轮及轴承受不平衡侧向液压力的作用越大，这将影响轴承寿命，并使齿轮及轴变形。齿轮泵轴向间隙补偿n

浮动侧板结构n

浮动轴套结构浮动侧板齿轮泵径向不平衡力排油作用在轴承上的侧向力26进油齿轮泵参数计算【例3-1】齿轮泵转速1000r/min，空载输出流量15.8L/min，在工作压力10MPa时的容积效率是90%，求：齿轮泵的理论排量是多少？工作压力10MPa时的输出流量是多少？28双联齿轮泵n

两个齿轮泵有各自独立的吸油口和排油口n

两个齿轮泵在同一个驱动轴上29多联齿轮泵n

两个泵共用一个吸油口，分设两个排油口，而第三个泵有独立的吸油口和排油口。3.2.2

内啮合齿轮泵n

渐开线内啮合齿轮泵n

摆线内啮合齿轮泵渐开线内啮合齿轮泵摆线内啮合齿轮泵31渐开线内啮合齿轮泵结构出油泵体进油腔开始排油月牙隔板不断吸油进油外齿轮两齿间充油32内齿轮渐开线内啮合齿轮泵结构排油吸油33摆线内啮合齿轮泵的工作原理34摆线内啮合齿轮泵结构剖视泵体摆线齿轮内齿轮35内啮合齿轮泵的不平衡液压力泵体摆线齿轮n

内啮合齿轮泵的轴承也受不平衡液压力的作用，排油压力越高对轴承寿命的影响越大。内齿轮吸油排油n

此外，除有单个内啮合齿轮泵，实际应用中也有双联、三联的内啮合齿轮泵。36几种齿轮泵铸铁壳体铝合金壳体3.2.3

螺杆泵n

基本工作原理进油口进油口排油口螺杆泵的剖视图39螺杆泵的特点n

运转平稳、噪声低、瞬时流量均匀，竖放占地小，在舰船、机器的润滑系统中应用广泛。n

螺杆泵内油液由吸油到排油是无搅拌提升，因此，也常用于抽送怕搅拌的奶油、啤酒和原油等。n

螺杆泵的加工制造要求比较高，因此，成本高。403.2.4

齿轮泵的特点及应用n

结构简单，价格低，抗污染能力强。n

输出流量、压力脉动大，噪声大。n

内啮合齿轮泵结构紧凑、噪声低、流量脉动小，但价格较外啮合齿轮高。n

齿轮泵效率低，磨损后容积效率大大降低，使用寿命缩短。n

铝合金壳体泵，外形美观，但成本比普通铸铁壳体泵高。齿轮泵的应用n

齿轮泵是常见的液压泵，排量不可变，只能作定量泵。主要应用于对压力、流量特性要求不高的中低压系统，如工程机械、农业机械、林业机械和机床等。【案例】齿轮泵故障n

机床液压系统，齿轮泵端面磨损，端面间隙增大，泄漏增大，工作压力达不到要求，输出流量不足。可能导致：nn机床刀具冷却润滑油不足，刀具损坏。机床主轴轴承润滑条件恶化，轴承损坏刀具需要油冷却Theend44流体传动及控制基础（

液压动力元件3）3.3

叶片泵n

叶片泵按转子转一周密闭工作腔吸、排油次数不同，分为n

单作用叶片泵n

双作用叶片泵单作用泵双作用泵3.3.1单作用叶片泵n

单作用叶片泵结构叶片定子转子3.3.1单作用叶片泵工作原理n

叶片泵每转一周所排出液体体积与转子和定子之间的偏心距大小有关。流量为定子内曲面叶片

转子定子3.3.1单作用叶片泵工作原理n

转子和定子之间有偏心距n

转子转动n

叶片在转子上滑动5单作用叶片泵也称非平衡叶片泵n

因转子每转一周，两叶片间的工作腔吸、排油各一次，因此称为单作用叶片泵。由于进、排油腔有压差，转子受不平衡径向液压力作用，所以也称为非平衡式叶片泵。高压侧低压侧限压式变量叶片泵n

变量叶片泵：偏心距大小可调节。限压调节流量调节7定子中心线转子中心线变量叶片泵工作原理8偏心距最大偏心距最小限压式叶片泵流量压力特性流量调节限压调节限压式变量叶片泵剖视10限压式变量叶片泵特性n

限压式变量叶片泵按负载压力的反馈来调节输出流量。当负载压力低时，泵输出流量大；随负载压力升高，泵输出流量减少。n

这种泵适用于负载小时要求快速运动(即要求泵提供大流量)，而负载大时要求低速运动(即要求泵提供小流量)的场合。这样，可有效减少系统的功率损失。113.3.2

双作用叶片泵工作原理n

转子和定子同心n

定子内环四段曲线构成近似椭圆进油侧排油侧排油侧进油侧双作用叶片泵工作原理定子转子

叶片13双作用叶片泵结构剖视图叶片排油进油定子转子驱动轴双作用叶片泵结构剖视图定子、转子和叶片工作容腔没有形成工作容腔形成工作容腔1920双作用叶片泵也称平衡叶片泵n

转子每转一周，各工作容腔吸油和排油各两次，因此称之为双作用叶片泵。n

因两个排油口对称布置，转子所受径向液压力完全平衡，又称平衡式叶片泵。n

由于双作用叶片泵驱动轴的轴承受力平衡，其工作压力、使用寿命都比单作用叶片泵和齿轮泵高。21几种不同的叶片泵双联叶片泵排油进油排油进油排油排油双联叶片泵结构排油进油泵芯24双联叶片泵结构3.3.3

双作用叶片泵的特点n

流量均匀，压力脉动小，噪声低。n

转子所受径向液压力平衡，工作压力、使用寿命较单作用叶片泵和齿轮泵高。n

加工要求高，成本较齿轮泵高。n

叶片在转子槽中有滑动运动，抗污染能力比齿轮泵差；因此，对油液清洁度要求高。n

只能作定量泵。单作用叶片泵的特点n

单作用叶片泵因转子受力不平衡，而影响使用寿命；但是，单作用叶片泵可通过调节偏心距而改变排量。因此，单作用叶片泵通常都制成变量泵。【案例】叶片泵故障分析n

Φ800铝箔粗轧机，液压系统采用叶片泵供油。叶片泵排量8cm3/r，转速1450r/min，工作压力6.3MPa。运行一段时间,叶片泵噪声增大，压力只能达到0.5MPa。原因：液压系统油液污染，造成叶片泵内部元件磨损加剧，配流盘端面粗糙不平，这样端面泄漏加大，叶片泵压力难以提高。端面粗糙不平同时：端面间隙泄漏也使叶片泵产生较大的噪声。叶片泵的应用n

叶片泵是常见的液压泵，广泛应用于中、低压液压系统中，如机床、注塑机、起重机械和船舶等领域。Theend30流体传动及控制基础（

液压动力元件4）3.4

柱塞泵n

按柱塞排列和运动形式不同，分为n

轴向柱塞式n

径向柱塞式n

若按排量是否可变，可分为n

定量泵n

变量泵3.4.1

轴向柱塞泵n

轴向柱塞泵因柱塞沿缸体圆周均布并与缸体的轴线平行而得名。按结构特点不同，可分为n

斜盘式轴向柱塞泵n

斜轴式轴向柱塞泵缸体柱塞斜盘式轴向柱塞泵内部结构缸体柱塞

斜盘4缸体和柱塞组件轴向柱塞泵的缸体与柱塞n

柱塞轴线与缸体轴线平行故得名轴向柱塞泵。柱塞轴线

缸体轴线柱塞柱塞组件缸体5斜盘式轴向柱塞泵缸体组件结构缸体轴向均布柱塞孔缸体底孔配流盘斜盘式轴向柱塞泵剖视7柱塞式液压泵基本工作原理n

柱塞式液压泵基本工作原理都是柱塞在柱塞孔中作往复运动，当柱塞外伸时，把油吸入，柱塞内缩时把油排出去。回程盘8斜盘式柱塞泵排油吸油9斜盘式轴向柱塞泵的进、出油口吸、排油口回程盘斜盘式轴向柱塞泵的变量原理n

由于缸体旋转一周柱塞伸缩的行程长度与斜盘的倾角大小有关，因此改变斜盘倾角大小即可改变泵的排量。斜盘式轴向柱塞泵的变量原理柱塞行程柱塞无行程3

2

1排油吸油45

612斜盘式轴向柱塞泵的变量原理变量机构斜盘式轴向柱塞泵排量计算n

设柱塞直径d，柱塞孔的分布园半径为R，斜盘倾角为，则缸体转一周，柱塞从斜盘最高点到最低点所完成的轴向位移h为一个柱塞所排液体体积

为斜盘式轴向柱塞泵排量计算n

设柱塞数为z，则泵的理论排量

为因此，改变斜盘倾角

，即可改变泵的排量。当

等于零时，液压泵无流量输出。15几种不同的斜盘式轴向柱塞泵斜轴式轴向柱塞泵柱塞

缸体17斜轴式轴向柱塞泵缸体组件进、出油腔b)缸体c)

配流盘d)

后盖18斜轴式轴向柱塞泵泄漏油柱塞缸体排油进油19斜轴式轴向柱塞泵的工作原理图柱塞伸出吸油斜轴式轴向柱塞泵变量原理21斜轴式轴向柱塞泵变量原理斜轴式轴向柱塞泵排量计算n

设柱塞直径为d，缸体上柱塞孔的分布园半径为R

，缸体倾角为

，柱塞数为z，则缸体转一周，泵的理论排量为—缸体转一周，单个柱塞腔排出的液体体积。23斜轴式轴向柱塞变量泵结构剖视图泄漏口配流盘变量缸24几种不同的斜轴式轴向柱塞泵25【案例】轴向柱塞泵应用n

轧机压下液压系统，液压泵站采用柱塞泵，2台泵工作，1台泵备用，泵排量

63

cm3/r

，转速1450r/min

，工作压力

10MPa。原因：检修过程中，液问题：运行噪声增大，工作压力零。压泵进油路上的阀门关闭。液压泵重新启动工作时，没有打开阀门。进油阀门26Theend27流体传动及控制基础（

液压动力元件5）3.4.2

径向柱塞泵2径向柱塞泵工作原理缸体中心线定子中心线排油口配流轴泵壳体柱塞缸体吸油口定子环径向柱塞泵的排量n

设柱塞的直径为d

，柱塞数为z

。由于径向柱塞泵的定子和转子存在偏心距e

，则缸体每转一周时，各柱塞吸、排油各一次，完成一个往复行程，其行程长度等于偏心距的2倍。因此，泵的理论排量

为3.4.3

柱塞式变量泵的控制方式n

轴向柱塞泵通过改变斜盘倾角或缸体摆角、径向柱塞泵改变定子偏心距，可改变泵的排量，即调节泵的输出流量，这是柱塞式液压泵的重要特性。5柱塞式变量泵的控制方式n

柱塞式液压泵变量方式灵活、形式多样，如n

手动变量n

比例变量n

恒压变量n

恒功率变量6手动变量泵变量手柄变量手轮7手动双向变量泵图形符号及变量特性8比例变量泵装置n

通过电信号控制变量机构的调节，使泵的输出流量与给定电信号大小成比例。比例变量泵控制器比例变量泵及放大器比例变量泵控制器10恒压变量机构控制原理及特性曲线变量缸控制阀113.4.4

柱塞泵的特点及应用n

容积效率高，可达92～98％以上，因而额定工作压力高，可达35-40MPa。n

工作转速高，功率与质量之比是所有液压泵中最大的。n

易于改变排量，可制成各种类型的变量泵。n

流量、压力脉动小，运转平稳。n

零件制造精密，成本高；使用时对油液的清洁度要求高。3.4.4柱塞泵的应用n

由于柱塞泵综合性能好，广泛应用于高压、大流量、大功率的液压系统中，如冶金、工程机械、船舶、航空、武器装备等各个工业部门。3.5液压泵的功率和效率n

液压泵的功率和效率n

液压泵的输入功率n

液压泵的输出功率n

液压泵的容积效率n

液压泵的机械效率n

液压泵的总效率3.5.1

液压泵的功率n

液压泵的输入功率n

液压泵的输出功率15液压泵的输入功率

(W)排油吸油；—

实际输入转矩—

泵轴角速度，液压泵的输出功率

(W)排油吸油—

进排压力差，—

输出流量，；。3.5.2

液压泵的效率泄漏油柱塞与缸体之间泄漏缸体与配流盘之间泄漏排油吸油18液压泵的容积效率n

由于液压泵的排油是高压，而吸油是低压，因而必然存在通过间隙的泄漏，使得实际输出流量小于理论输出流量。实际输出流量与理论输出流量之比，称为液压泵的容积效率。19理论输入转矩n

理论输入转矩

(

)为—泵进出口压力差，

；—泵的理论排量，

。20液压泵机械摩擦损失球头铰接摩擦柱塞滑动摩擦轴承转动摩擦缸体转动摩擦21液压泵机械效率n

由于液压泵内有机械的摩擦损失，因此，在液压泵进、出口压力差一定时，其实际输入转矩大于理论输入转矩。理论输入转矩与实际输入转矩之比，称为液压泵的机械效率。磨损总效率n

液压泵的输出功率与输入机械功率之比，称为液压泵的总效率，它也等于容积效率与机械效率的乘积。磨损液压泵特性曲线24液压泵计算举例1【例3-2】液压泵计算举例2【例3-3】液压泵计算举例3【例3-4】3.6液压泵的性能比较及选用n

液压泵性能比较n

齿轮泵价格最低，结构简单，抗污染能力强，但是性能差；端面磨损后，容积效率大大降低，影响泵的性能。齿轮泵广泛应用于移动设备和机床领域等。n

叶片泵价格和性能介于齿轮泵与柱塞泵之间，但是对液压油的清洁度和润滑性有较高要求，其最高转速较齿轮泵和轴向柱塞泵低，而且端面磨损后容积效率降低。n

柱塞液压泵综合性能最好，功率与重量之比最大；由于容积效率高，可以达到很高的额定工作压力，但是价格最贵，结构复杂，现场维修困难。3.6液压泵的性能比较及选用性能齿轮泵外啮合

内啮合叶片泵单作用

双作用轴向柱塞泵斜盘式

斜轴轴式径向柱塞泵压力范围/<21<25<16<