第二章 液压泵和液压马达

1、第二章 液压泵和液压马达,hydraulic pump and hydraulic motor,本章主要内容,液压泵和液压马达的基本原理与性能参数,齿轮式、叶片式、柱塞式液压泵,高速液压马达及低速大扭矩马达,要求：,1、掌握泵、马达的工作原理（泵是如何吸油、压油和配流的，马达是怎样产生转矩、转速的）结构及主要性能特点,2、掌握各种泵和马达的流量、排量、功率、效率、转矩等参数的计算方法，理解其内在联系,3、了解不同类型泵和马达之间的性能差异及适用范围,21 液压泵、马达概述,一、液压泵与液压马达的基本原理：,目前在液压系统中使用的都是容积式泵， 下面以单柱塞泵说明其工作原理：,(动画）,液压泵与

2、液压马达都是液压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为液压油的压力能，再以压力、流量的形式输到系统中去，是液压传动系统的心脏，也是液压系统的动力源。,液压马达,将输入的压力能转换为机械能，以扭矩和转速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，从理论上讲，向容积式泵中输入液压油，使其转动就成为液压马达，即容积式泵都可以做液压马达使用。,但在实际中，由于性能、结构对称性等要求，一般情况下，液压泵和液压马达是不能互换的。,依靠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，因而这种泵也称为容积泵。,构成容积泵必须具备以下

3、基本条件：,1、结构上能实现具有密封性能的可变工作腔。,2、工作腔能周而复始的增大和减少，当它增大时与吸油腔相连，减少时与排油腔相连。,3、吸油与排油口不能连通，即不能同时开启。,二、分类及职能符号：,回 转 式,外啮合 内啮合式,单作用式 双作用式,双螺杆 三螺杆,1、分类：按运动方式分有回转式和往复式两类,按单位时间内输出流量能否调节又分为： 变量泵：流量能调节 定量泵：流量不能调节 2、职能符号：GB78676 对泵来说：都是输入机械能输出液压能 对马达来说：都是输入液压能输出机械能,往 复 式,双向变量泵,单向定量 双向定量 单向变量 双向变量 马达 马达 马达 马达,单向定量泵,双向

4、定量泵,单向变量泵,三、液压泵和液压马达的基本性能参数：,1、工作压力和额定压力p：N/m2,基本性能参数有：压力、排量、流量、功率和效率。,指液压泵（马达）的输出（入）压力：,（1）工作压力：,指液压泵（马达）实际的输出（入）压力，即系统压力，是由外负载决定的（例1）。,（2）额定压力：,指液压泵（马达）在正常工作情况下，允许使用的连续运转的最大工作压力，即标牌压力，超过此值即为超载。,（3）最高压力：,指液压泵（马达）在超载情况下，允许短暂使用的极限压力。到了这个压力，泵和马达就会损坏。,2、排量和流量：,（1）排量V： m3/r (ml/r),（ 2）流量Q：m3/s (l/min),每

5、转排量V,每弧度排量Vd,泵（马达）每转一转，由其几何尺寸计算而得到的排出（或吸入）液体的体积 m3/r,泵（马达）每转一弧度，由其几何尺寸计算而得到的排出（或吸入）液体的体积 m3/rad,指泵（马达）在单位时间内所输出（入）的液体体积。,流量有理论流量、实际流量和额定流量之分：,1）理论流量Qt：,理论流量等于排量与转速的乘积：Qt= V n= Vd,指泵（马达）实际上所输出（入）的有效液体体积。,2）实际流量q ：,3)额定流量qn:,指在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的流量，亦即在额定转速和额定压力下泵输出（或马达输入）的实际流量。,3、功率N和扭矩T：,不计损失的情况下，输入

6、功率和输出功率应相等。,理论输入（输出）转矩为,工作压力为,理论流量为：,效率是衡量能量损失相对大小的一项重要指标，相应有容积效率 V、机械效率 M、总效率 ，三者之间的关系为： = V M,4、效率：,例2：定量泵转速n=1500r/min，在输出压力为6.3MPa时，输出流量为53 l/min，这时实测泵消耗功率为7kW；当泵空载卸荷运转时，输出流量56 l/min，试求该泵的容积效率及总效率。,解：实测泵消耗功率即为泵的输入功率或驱动功率；取空载流量为理论流量，得：,泵的输出功率：,作业：某液压泵输出油压 p=20 MPa，液压泵转速n=1450 r/min， 排量V=100 cm3/r

7、，已知该泵容积效率 0.95 ，总效率 0.9，试求：1）该泵输出的液压功率；2）驱动该泵的电机功率。,解：（1）输出功率：,（2）输入功率：,22 齿轮泵 gear pump,特点：,结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸能力强，对油液污染不敏感，工作可靠。,缺点：,流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调。,齿轮泵是一种常用的液压泵。,齿轮泵多数是外啮合式的，但亦有内啮合式的,一、外啮合齿轮泵的结构及工作原理：,1、结构：,壳体、前后端盖及一对外啮合齿轮,2、工作原理：,(动画）,二、流量及其脉动：,V = D h b = 2 Z m2 b,式中：齿轮的模数m、 齿数Z、 节园直径

8、D=mZ 有效齿高h=2m,实际上，齿谷容积比轮齿体积稍大些，并且齿数越少误差越大，在实际计算中，用3.333.5来代替式中的值,V =（6.667）Z m2 b,2、流量：,q= V nV =（6.667） Z m2 bnV,3、 流量脉动：,1、排量：,齿轮泵流量脉动最大，且齿数越少，脉动越大。,三、困油现象：,1、什么是困油现象？,为了使齿轮泵能连续供油，就要求齿轮啮合的重叠系数1，这样就有两对轮齿同时啮合，从而形成闭死容积。齿轮在啮合的过程中，闭死容积的大小是发生变化的，由大变小时，油液受压使压力急剧升高；由小变大时，压力降低，产生真空；由此造成压力急剧变化的现象称为困油现象。,2、减

9、弱困油现象的措施：,在端盖上开卸荷槽。,开卸荷槽的原则：,1）当闭死容积最小时，与吸、压油口都不 相通；,2）当闭死容积由大变小时，与压油腔相通；,3）当闭死容积由小变大时，与吸油腔相通。,危害：,影响工作、缩短寿命,四、齿轮泵的泄漏与压力补偿：,1、齿轮泵的泄漏：,1）轴向端面间隙泄漏：指齿轮端面与侧端盖之间的泄漏，约占总泄漏量的7080%；,2）径向间隙泄漏：指齿顶圆与泵体内表面之间的泄漏，约占总泄漏量的1520%；,3）轮齿接触处间隙泄漏：这个泄漏量较小，约占总泄漏量的45%，通常忽略不计,2、压力补偿：常用的有浮动侧板或浮动轴套,危害：,v,五、齿轮泵的径向负荷：,1、径向负荷：,由于

10、齿轮泵的吸油腔和压油腔对称地分布在泵的两侧，压油腔的油液压力作用在齿轮上，又由于齿顶和泵体内表面有径向间隙，沿齿顶泄漏的油液压力是逐渐降低的，这样就使上、下两齿轮及轴承受到一个不平衡的径向合力。,2、采取措施：,1)、开压力平衡槽：,在壳体或侧板上开压力平衡槽，将高压油引到低压腔，将低压油引到高压腔，使作用在齿轮上的径向力趋于平衡。,2)、缩小压油口,3)、增加径向间隙。,危害：,轴承磨损、刮壳。,注意：,压油口缩小后，安装时注意不能反转。,六、内啮合齿轮泵,1. 渐开线齿轮泵,特点:,结构紧凑，尺寸小，重量轻，流量脉动小，噪声小。,2. 摆线齿轮泵（转子泵）,特点:,结构简单，体积小,重叠系

11、数大，传动平稳,吸油条件好,脉动小，噪声小,齿形复杂，加工精度要求高，造价高。,应用：机床低压系统,七、小结：,齿轮泵与其它形式的泵相比，具有如下的优、缺点：,一、优点：,1、结构上：结构简单、体积小、重量轻；,2、性能上：工作可靠、自吸性好、对油液污染不敏感；,3、其它方面：制造维修方便，价格低。,二、缺点：,1、流量、压力脉动大，引起的振动、噪声大；,2、由于承受较大的不平衡径向力，因而磨损严重，泄漏大。,23 叶片泵 paddle pump,叶片泵按其作用次数的不同，可以分为： 单作用式和双作用式,1、结构及工作原理：,工作原理： (动画）,一、单作用叶片泵：,结构：,由转子1、定子2、

12、叶片3 和配油盘等主要 零件组成,2. 流量计算和流量脉动：,2) 流量脉动：,流量脉动：,奇数叶片,偶数叶片,结论：,z,.,奇数比偶数时小。,一般取z = 13、15片,就变量泵的变量工作原理来分，有内反馈式和外反馈式两种。,3、单作用叶片泵的变量原理：,（1）限压式内反馈变量叶片泵,工作原理： 限压式外反馈变量叶片泵是一种能够根据负载大小自动调节排量的变量叶片泵。,（2）限压式外反馈变量叶片泵,特性曲线：,当ppc 时，偏心距最大，输出流量最大，对应图中AB段；其中B点为拐点，拐点处的压力pc 主要由弹簧的予压紧力Fs 决定；,当ppc 时，偏心距减小，输出流量减少， 对应图中BC段；

13、当p=p max 时， Q=0,特性曲线的调节：,3）改变弹簧的刚度k s ，可改变BC段的斜率，从而改变限定压力pc和最大压力p max之间的距离。,2）调节压力调节螺钉（即调节弹簧的予压缩量x0 ），可使BC段左右平移，从而改变限定压力pc和最大压力p max的大小：,1）调节最大流量调节螺钉（即调节e max），可使线段AB上下平移，从而改变泵的最大输出流量，此时因BC段不变，则pc 发生变化；,优、缺点及应用：,优点：,能按负载大小自动调节流量，功率利用合理，发热小。,缺点：,结构复杂，泄漏大，且轴承承受不平衡的径向力，噪声大。,应用：,用于执行元件速度有快、有慢和需要保压的场合 （例

14、子）,二、双作用式叶片泵：,1、结构及工作原理,工作原理： (动画）,结构：,由转子、定子、叶片 和配油盘等主要零件组成，叶片可在叶片槽内径向自由滑动。,与单作用式叶片泵的不同之处是：,转子与定子同心，定子内表面由两段长半径为R，两段短半径为 r 和四段过渡曲线所组成,2、特点：,2）泵的两个吸油区和两个压油区分别对称布置，故压力作用在轴承上的径向力是平衡的，所以称为平衡式叶片泵 （或卸荷式叶片泵）；,3）这种泵只能作定量泵。,1）转子每转一周，每个密封工作容腔完成两次吸油和两次压油，所以叫做双作用式叶片泵,排量：,3、排量和流量：,设：定子长半径为R、短半径为r、叶片宽度为b，当忽略叶片厚度

15、时，其排量为：,V=2 (R2r2) b,双作用式, 叶片数一般为偶数，且对称布置，所以脉动率很小，尤其当z为4的倍数时更小，一般为12或16 片。,4、流量脉动：,5、配油盘上的三角槽：,当叶片经吸油腔进入封油区（两腰形窗口之间的园弧）时，其压力基本与吸油腔压力相同，但当转子转过一微小角度，突然与压油腔相通时，压力由吸油压力猛升至输出压力，引起压油腔油液倒流，泵瞬时流量变小，加大了压力脉动，流量脉动和噪声。,措施： 配油盘上开三角槽。,5、叶片泵的高压化趋势,（1）双叶片结构,（2）弹簧叶片结构,（3）母子叶片结构,（四）阶梯叶片结构,三、单作用叶片泵与双作用叶片泵的特点比较,（一）单作用叶

16、片泵的特点,（1）存在困油现象,（2）叶片沿旋转方向向后倾斜,（3）叶片根部的容积不影响泵的流量,（4）转子承受径向液压力（额定压力7MPa),（二）双作用叶片泵的结构特点,（1）定子过渡曲线 采用等加速等减速曲线，目的：无刚性冲击。,（2）叶片安放角,前倾13，目的：减小压力角，使叶片滑动顺畅。,叶片泵根据需要可以组合在一起：,双联泵：两泵并联,双级泵：两泵串联,（3）端面间隙的自动补偿,(4) 配流盘上开三角尖槽，目的：使油压力从吸油腔向压油腔平稳过渡，避免油液倒灌，引起冲击,24 柱塞泵 piston pump,柱塞按其在缸内排列的方式不同，可分为：,轴向柱塞泵：,径向柱塞泵：,柱塞沿转

17、轴轴线排列,柱塞按径向辐射状排列,一、斜盘式轴向柱塞泵：axial piston pump,2、工作原理：（动画）,1、结构：由柱塞、缸体、配油盘、斜盘等组成,3、排量和流量：,4、流量脉动：,由此可知：柱塞数为奇数时，流量脉动系数小；柱塞数越多，流量脉动系数越小；因此柱塞泵常用7或9个柱塞。,同叶片泵一样，柱塞泵的流量脉动系数和脉动频率分别为：,5、典型结构：,（1）结构,（2）特点,1）端面间隙的自动补偿,2）滑靴及静压支承结构,3）变量机构,二、斜轴式轴向柱塞泵的结构：,图2-22,1、结构：,由定子、转子（旋转缸体）、配油轴、衬套 、柱塞等零件组成,三、径向柱塞泵： radial pi

18、ston pump,径向柱塞泵的工作原理图,2、工作原理：,（动画）,3、偏心轴式径向柱塞泵：,4、径向柱塞泵结构：,5. 流量计算,调节e的大小变量泵,改变e的方向双向泵,25 液压马达 hydraulic motor,液压马达是将液压能转换成机械能的装置，可以实现连续的旋转运动，其结构与液压泵相似，并且也是靠密封容积的变化进行工作的。,常见的有：,齿轮式,叶片式,柱塞式,从转速、转矩分：,高速马达,低速大扭矩马达,一、液压马达的转矩和转速,二、高速液压马达：axial piton motor,轴向分力F:,垂直分力：,单个柱塞产生的瞬时转矩为：,液压马达总的输出转矩为：,二、低速大扭矩液压

19、马达,曲柄连杆马达,静力平衡马达,多作用内曲线马达,1、曲柄连杆马达,2、静力平衡马达,3、多作用内曲线马达,26 液压泵及液压马达的工作特点,1、液压泵的工作特点,（1）液压泵的吸油腔压力过低将会产生吸油不足，异常噪声，甚至无法工作。,（2）液压泵的工作压力取决于外负载，若负债为零，则泵的工作压力为零。,（3）变量泵可以通过调节排量来改变流量，定量泵只有用改变转速的办法来调节流量，但转速增大受到吸油性能、泵的使用寿命、效率等的限制。,（4）液压泵的流量具有某种程度的脉动性质，其脉动情况取决于泵的形式及结构设计参数。,（5）液压泵靠工作腔的容积变化来吸油、排油，如果工作腔处在吸、排油之间的过度

20、密封区时存在容积变化，就会产生压力急剧升高或降低的“困油现象”，从而影响容积效率，产生脉动、噪声及工作机构上的附加动载荷，这是液压泵设计中需要注意的一个共性问题。,二、液压马达的工作特点,（1）在一般工作条件下，液压马达的进、出口压力都高于大气压，因此不存在液压泵那样的吸入性能问题，但是，如果液压马达可能在泵工矿下工作，它的进油口应有最低压力限制，以免产生气蚀。,（2）马达应能正、反运转，一次，就要求液压马达在设计时具有结构上的对称性。,（3）液压马达的实际工作压差取决于负债力矩的大小，当被驱动负载的转动惯量大、转速高，并要求急剧制动或反转时，会产生较高的液压冲击，为此，应在系统中设置必要的安

21、全阀、缓冲阀。,（4）由于内部泄漏不可避免，因此将液压马达的排油口关闭而进行制动时，仍会有缓慢的滑转，所以，需要长时间精确制动时，应另行设置防止滑转的制动器。,（5）某些形式的液压马达必须在回油口具有足够的背压才能保证正常工作，并且转速越高所需背压也越大，背压得增高意味着油源的压力利用率低，系统的损失大。,27 液压泵的选用,一、性能：,压力：,由齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、柱塞泵逐渐增高；,效率：,由齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、柱塞泵逐渐增高；,自吸性能：,由齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、柱塞泵逐渐变差；,污染敏感性：,由齿轮泵、螺杆泵、叶片泵、柱塞泵逐渐敏感；,流量脉动：,齿轮泵最大，柱塞泵、单作用式叶

22、片泵次之，螺杆泵、双作用式叶片泵最小；,价格：,由齿轮泵、叶片泵、螺杆泵、柱塞泵逐渐变贵,二、选用：,一般不重要系统：,送料、夹紧等，用便宜的齿轮泵；,小功率、小负载系统：,用齿轮泵和双作用式叶片泵；,精密机床：,用螺杆泵和双作用式叶片泵；,负载中等、速度有快有慢时：,用限压式变量泵；,大功率、大负载系统：,用柱塞泵。,小 结,可变的密封容积、协调的配油机构及高、低压腔相互隔开的结构。,液压泵是液压系统的动力源，构成液压泵所需的基本条件是：,液压泵的性能参数有：,排量,流量,压力,功率,效率,几何参数,排量和转速的乘积,工作压力取决于负载，最高压力和额定压力是设计参数,泵输出流量和工作压力的乘积,容积效率和机械效率分别反映了液压泵的容积损失和机械损失。,液压泵从结构形式上分：,齿轮泵,叶片泵,柱塞泵,抗污染，可用于环境比较恶劣的工作条件下。,以流量、压力脉动小，噪音低而见长,是目前性能比较完善、压力和效率最高的液压泵,液压马达是液压系统的最重要的执行元件，它是液压泵的逆工矿，向工作机构