第3章液壓動(dòng)力元件3

Chapter3HydraulicPowerElements第3章液壓動(dòng)力元件3.1.1液壓泵的分類■按泵的結(jié)構(gòu)形式（工作原理）分◆齒輪泵◆葉片泵◆柱塞泵◆螺桿泵■按泵的排量是否可調(diào)節(jié)分◆定量泵◆變量泵■按泵的排油方向多少分◆單向泵◆雙向泵液壓泵的圖形（職能）符號(hào)單向定量液壓泵單向變量液壓泵雙向變量液壓泵雙向定量液壓泵3.1.2液壓泵的工作原理容積式液壓泵的工作原理◆在結(jié)構(gòu)上具有一個(gè)或多個(gè)密封且容積大小可以周期性變化的工作容積（稱為密封容積）；當(dāng)密封容積增大時(shí)，密封容積內(nèi)形成局部真空，完成吸油過程；當(dāng)密封容積減小時(shí)，完成壓油過程。液壓泵的輸出流量與此空間的容積變化量和單位時(shí)間內(nèi)的變化次數(shù)成正比，與其它因素?zé)o關(guān)。◆具有相應(yīng)的配油機(jī)構(gòu)，將吸油腔與排油腔分開，并具有良好密封性?！粲拖鋬?nèi)液體的絕對壓力必須恒等于或大于大氣壓力?！鲆簤罕谜９ぷ鞯臈l件再看一遍3.1.3液壓泵的主要性能參數(shù)■壓力（MPa）●額定壓力在正常工作條件下，按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)所允許的最高壓力。

額定壓力值與液壓泵的結(jié)構(gòu)形式及其零部件的強(qiáng)度、工作壽命和容積效率有關(guān)。在液壓系統(tǒng)中，安全閥的調(diào)定壓力要小于液壓泵的額定壓力。銘牌標(biāo)注的就是此壓力。工作時(shí)，液壓泵的工作壓力應(yīng)不超過泵的額定壓力,否則就會(huì)過載。

指泵短時(shí)間內(nèi)所允許超載使用的極限壓力。最高允許壓力受泵本身密封性能和零件因素的限制?！褡罡咴试S壓力液壓泵在實(shí)際工作時(shí)的輸出壓力，亦即液壓泵出口的壓力。●工作壓力液壓泵的工作壓力取決于負(fù)載！●吸入壓力指液壓泵進(jìn)口處的壓力。自吸式泵的吸入壓力低于大氣壓力，一般用吸入高度衡量。當(dāng)液壓泵的安裝高度太高或吸油阻力過大時(shí)，液壓泵的進(jìn)口壓力將因低于極限吸入壓力而導(dǎo)致吸油不充分，而在吸油腔產(chǎn)生氣穴或氣蝕。吸入壓力的大小與液壓泵的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。液壓泵的壓力分級(jí)壓力分級(jí)

低壓中壓

中高壓

高壓

超高壓

壓力（MPa）2.5>2.5~8>8~16>16~32>32■排量V（m3/r，mL/r）在不考慮泄漏的情況下，液壓泵主軸每轉(zhuǎn)一周，所排出的液體的體積（也稱為理論排量、幾何排量）。液壓泵的排量取決于液壓泵的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸（密封容積的大小和數(shù)量）。液壓泵的排量和轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了泵的流量。某些液壓泵的排量是可調(diào)的，繼而流量可調(diào)?！鲛D(zhuǎn)速（r/min）●額定轉(zhuǎn)速在額定壓力下，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推薦能長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行并保持較高運(yùn)行效率的轉(zhuǎn)速。●最高轉(zhuǎn)速●最低轉(zhuǎn)速在額定壓力下，為保證使用壽命和性能所允許的短暫運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速。

最高轉(zhuǎn)速主要與液壓泵的結(jié)構(gòu)形式及自吸能力有關(guān)。為保證液壓泵可靠工作或運(yùn)行效率不致過低所允許的最低轉(zhuǎn)速?！隽髁浚╩3/s，L/min）●理論流量在不考慮泄漏的情況下，液壓泵在單位時(shí)間內(nèi)所排出的液體的體積稱為理論流量；工程上又稱空載流量。注意它們的量綱!理論流量取決于液壓泵的排量（結(jié)構(gòu)尺寸）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)（液壓泵）的轉(zhuǎn)速?！駥?shí)際流量實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在不同壓力下液壓泵所排出的流量。實(shí)際流量低于理論流量，原因是液壓泵在不同壓力下工作時(shí)存在泄漏量。泄漏量則液壓輸出液壓泵機(jī)械輸入■功率（W，kW）●額定流量在額定壓力、額定轉(zhuǎn)速下，按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須保證的輸出流量。●輸入功率實(shí)際驅(qū)動(dòng)泵軸所需的機(jī)械功率，它等于泵軸上的轉(zhuǎn)矩T

和角速度ω

的乘積。注意量綱!●輸出功率液壓泵的輸出液壓功率指的是泵的出口工作壓力p

與其實(shí)際輸出流量q

的乘積。注意量綱!●理論功率如果液壓泵在能量轉(zhuǎn)換過程中沒有能量損失，則輸入功率與輸出功率相等，即為理論功率?！鲂室簤罕迷谀芰哭D(zhuǎn)換過程中是有損失的，因此輸出功率小于輸入功率，兩者之差即為功率損失。液壓泵的功率損失有機(jī)械損失和容積損失兩種，因摩擦而產(chǎn)生的損失是機(jī)械損失，因泄漏而產(chǎn)生的損失是容積（流量）損失。功率損失的大小用效率來描述。注意量綱!●機(jī)械效率液體在泵內(nèi)流動(dòng)時(shí)，液體黏性會(huì)引起轉(zhuǎn)矩?fù)p失，泵內(nèi)零件相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械摩擦也會(huì)引起轉(zhuǎn)矩?fù)p失。機(jī)械效率是泵所需要的理論轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之比，即●容積效率在轉(zhuǎn)速一定的條件下，液壓泵的實(shí)際流量與理論流量之比定義為泵的容積效率，即◆容積效率取決于泄漏量的大小，在液壓泵結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸確定后，泄漏量又主要取決于泵的出口壓力?！舯迷诘退傧鹿ぷ鲿r(shí)，理論流量較小，容積效率較低。轉(zhuǎn)矩?fù)p失●總效率液壓泵的輸出功率與輸入功率之比。液壓泵的總效率等于機(jī)械效率與容積效率之積。液壓泵的功率流向◆液壓泵的輸入功率◆機(jī)械損失功率◆實(shí)際液體獲得的功率◆因泄漏導(dǎo)致容積損失而損失的功率◆液壓泵的實(shí)際輸出功率即特定介質(zhì)、轉(zhuǎn)速和油溫等條件下測得的液壓泵的壓力特性曲線■液壓泵的噪聲（dB，分貝）產(chǎn)生的原因：流量脈動(dòng)、液流沖擊、零部件的振動(dòng)和摩擦、液壓沖擊等?！纠?-1】

已知中高壓齒輪泵CBG2040的排量為40.6mL/r，該泵在1450r/min轉(zhuǎn)速、10MPa壓力工況下工作，泵的容積效率，總效率

。求驅(qū)動(dòng)該泵所需電機(jī)的功率和泵的輸出功率。解：⑴求液壓泵的輸出功率液壓泵的實(shí)際輸出流量則液壓泵的輸出功率為注意量綱的轉(zhuǎn)換?、魄笠簤罕抿?qū)動(dòng)電機(jī)的功率查電機(jī)手冊，選取功率為11kW的電機(jī)。3.2齒輪泵Gear-TypePump3.2.1齒輪泵概述■分類●外嚙合齒輪泵

使用漸開線直齒齒輪，應(yīng)用最多（本節(jié)主要介紹）●內(nèi)嚙合齒輪泵使用漸開線直齒齒輪、擺線齒輪3.2.1齒輪泵概述■分類■特點(diǎn)◆優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價(jià)格低，工作可靠，自吸性能較好，對油液污染不敏感，維護(hù)方便等?！羧秉c(diǎn)：流量和壓力脈動(dòng)較大，噪聲大，排量不可變（故常做成定量泵）等?！魞?nèi)嚙合齒輪泵與外嚙合齒輪泵比較，其體積小，流量脈動(dòng)小，噪聲小，但加工困難，使用受到限制。3.2.2外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)與工作原理齒輪泵結(jié)構(gòu)■結(jié)構(gòu)（CB型）●泵體●前后端蓋●一對相嚙合的齒輪●驅(qū)動(dòng)軸主要組成部分：■工作原理l一殼體

2-主動(dòng)齒輪

3－從動(dòng)齒輪密封容積的形成齒輪兩端面與端蓋、齒輪齒頂與泵體的內(nèi)腔表面之間的間隙很小，加上齒輪進(jìn)入嚙合及脫離嚙合的兩條嚙合接觸線，共同形成了吸油腔和壓油腔兩個(gè)密封容積。當(dāng)齒輪按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，右側(cè)吸油腔內(nèi)的輪齒脫離嚙合，密封腔容積增大，形成局部真空，實(shí)現(xiàn)吸油并被旋轉(zhuǎn)的輪齒帶入左側(cè)的壓油腔。左側(cè)壓油腔內(nèi)的輪齒不斷進(jìn)入嚙合，使密封腔容積減小，油液受到擠壓被排往系統(tǒng)，這就是齒輪泵的吸油和壓油過程。嚙合點(diǎn)處的齒面接觸線一直起著分隔高、低壓腔的作用，因此在齒輪泵中不需要設(shè)置專門的配流（配油）機(jī)構(gòu)。這種配油方式稱為直接配油。3.2.3外嚙合齒輪泵的排量和流量■排量●近似認(rèn)為齒槽容積等于輪齒體積時(shí)●實(shí)際齒間槽的容積要比輪齒的體積稍大，而且齒數(shù)越少其差值越大，取——齒輪的齒數(shù)——齒輪的模數(shù)——齒輪的齒寬——分度圓直徑■（平均）流量說明：◆齒輪泵的排量與模數(shù)的平方成正比，與齒數(shù)成正比。要增大排量，增大模數(shù)比增大齒數(shù)更有利。換句話說，要使排量不變，而體積減小，則應(yīng)增大模數(shù)并減少齒數(shù)。◆齒數(shù)z

較少時(shí)會(huì)發(fā)生根切現(xiàn)象——通過正變位避免?！窭碚摿髁俊駥?shí)際流量■流量脈動(dòng)液壓泵工作時(shí)，由于齒輪的嚙合線是在不斷變化的，因此瞬時(shí)流量也是在不斷變化的——流量脈動(dòng)。脈動(dòng)率3.2.4外嚙合齒輪泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析■泄漏●泄漏途徑：◆端面泄漏——占總泄漏量的70%~75%◆齒頂泄漏——占總泄漏量的10%~15%◆嚙合線泄漏——很少●減小泄漏的措施●危害降低容積效率。◆減小軸向間隙（0.025~0.06mm）◆采用浮動(dòng)軸套或彈性側(cè)板端面間隙進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償浮動(dòng)軸套引入壓力油使軸套或側(cè)板緊貼在齒輪端面上，壓力愈高，間隙愈小，可自動(dòng)補(bǔ)償端面磨損和減小間隙?！隼в妄X輪嚙合時(shí)的重疊系數(shù)必大于1，故有一部分油液困在兩對輪齒嚙合時(shí)所形成的封閉油腔之內(nèi)，這個(gè)密封容積的大小隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，形成困油。

齒輪泵的困油現(xiàn)象AB間的死區(qū)容積逐漸減小AB間的死區(qū)容積達(dá)到最小AB間的死區(qū)容積逐漸增大●產(chǎn)生原因●困油現(xiàn)象的消除●危害◆密封容積減小時(shí)，受困油液受到擠壓而產(chǎn)生瞬間高壓，密封容積內(nèi)的受困油液若無通道與排油口相通，油液將從縫隙中被擠出，導(dǎo)致油液發(fā)熱，軸承等零件也受到附加沖擊載荷的作用。◆密封容積增大時(shí)，若無油液補(bǔ)充，會(huì)形成局部真空，使溶于油液中的氣體分離出來，產(chǎn)生氣穴，導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象，引起振動(dòng)和噪聲。在端蓋上開一對卸荷槽。當(dāng)封閉容腔減小時(shí)，讓卸荷槽與泵的壓油腔相通，這樣可使封閉容腔中的高壓油排到壓油腔中去；當(dāng)封閉容腔增大時(shí)，使卸荷槽與泵的吸油腔相通，使吸油腔的油及時(shí)補(bǔ)入到封閉容腔中，從而避免產(chǎn)生真空。卸荷槽容積減小時(shí)與壓油側(cè)相通容積增大時(shí)與吸油側(cè)相通齒輪泵結(jié)構(gòu)■徑向不平衡力●產(chǎn)生原因齒輪泵工作時(shí)，由于在壓油腔和吸油腔之間存在著壓差，又因泵體表面與齒輪齒頂存在著徑向間隙，油液作用在輪外緣的壓力是不均勻的，從低壓腔到高壓腔，壓力沿齒輪旋轉(zhuǎn)的方向逐齒遞增，因此，齒輪和軸受到徑向不平衡力的作用?！裎：毫υ礁撸瑥较虿黄胶饬υ酱?，它能使泵軸彎曲，使定子偏磨，加速軸承的磨損，降低軸承使用壽命。●減小徑向不平衡力的措施◆減小壓油口；◆

減少齒輪的齒數(shù)，這樣減小了齒頂圓直徑，承壓面積減?。弧?/p>

適當(dāng)增大徑向間隙；◆

開壓力平衡槽。再看齒輪泵結(jié)構(gòu)3.2.5內(nèi)嚙合齒輪泵（略）3.3葉片泵VanePump●單作用葉片泵泵軸回轉(zhuǎn)一周完成一次“吸油-壓油”過程（常做成變量泵）●雙作用葉片泵泵軸回轉(zhuǎn)一周完成兩次“吸油-壓油”過程3.3.1葉片泵概述■分類■特點(diǎn)◆優(yōu)點(diǎn)：流量均勻，壓力脈動(dòng)下，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，排量較大?！羧秉c(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對油液的清潔度要求高，泵的轉(zhuǎn)速不能太高（影響葉片離心力、葉片磨損）、也不能太低（影響吸油特性），自吸能力差等?！鰤毫Ψ秶糁械蛪海海?~6.3）MPa◆高壓：~（25~32）MPa3.3.2單作用葉片泵■組成壓油口吸油口●定子●轉(zhuǎn)子●配流盤●葉片定子轉(zhuǎn)子葉片配流盤上的壓油窗口配流盤上的吸油窗口■工作原理

定子的內(nèi)表面是圓柱面，轉(zhuǎn)子和定子中心之間存在著偏心，葉片在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)可靈活滑動(dòng)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力以及葉片根部油壓力作用下，葉片頂部貼緊在定子內(nèi)表面上，于是兩相鄰葉片、配流盤、定子和轉(zhuǎn)子便形成了一個(gè)密封的工作容積。

泵在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的過程中，吸油（密封容積增大時(shí)）、壓油（密封容積減小時(shí)）各一次，故稱單作用葉片泵。■排量與流量●排量●流量●流量脈動(dòng)（z

為奇數(shù)）（z

為偶數(shù)）z

一般取為13或15。■單作用葉片泵的特點(diǎn)◆泵的排量、流量與偏心距e有關(guān)，改變偏心距e，即可改變泵的排量?！舸嬖诶в同F(xiàn)象，但不嚴(yán)重。◆無論是高壓側(cè)還是低壓側(cè)葉片底部和頂部所受的液壓力平衡。◆葉片沿著旋轉(zhuǎn)方向后傾安裝。◆轉(zhuǎn)子承受較大的徑向不平衡力，施加在軸承上，影響工作壓力的提高。◆配流盤的月牙窗口上開有三角槽，以減小密封容積與吸、壓油口瞬時(shí)接通時(shí)產(chǎn)生的沖擊。單作用葉片泵3.3.3限壓式外反饋?zhàn)兞咳~片泵■工作原理如前所述，改變單作用葉片泵的偏心距e，就會(huì)改變泵的排量，這就是變量葉片泵的工作原理。變量葉片泵按改變偏心方式分手動(dòng)調(diào)節(jié)變量和自動(dòng)調(diào)節(jié)變量，自動(dòng)調(diào)節(jié)變量又分限壓式、穩(wěn)流量式、恒壓式等。限壓式變量葉片泵排量的自動(dòng)調(diào)節(jié)又有外反饋和內(nèi)反饋兩種方式，這里只介紹限壓式外反饋?zhàn)兞咳~片泵。限壓式外反饋?zhàn)兞咳~片泵1—轉(zhuǎn)子；2—彈簧；3—定子；4—滑塊滾針支承；5—反饋柱塞；6—流量調(diào)節(jié)螺釘●當(dāng)（定義pc=FS/A——拐點(diǎn)壓力）時(shí)，定子及反饋柱塞在彈簧力FS的作用下貼在流量調(diào)節(jié)（限位）螺釘上，偏心量最大（emax），輸出流量最大（qmax）。●當(dāng)時(shí)，定子在液壓力的作用下左移，當(dāng)左移x后與彈簧力平衡，此時(shí)由負(fù)載決定的壓力p

越高，x就越大，定子與轉(zhuǎn)子之間的偏心量就越小，流量也越小。●當(dāng)p高達(dá)使時(shí)，，泵的輸出流量為零，只從油箱吸入少量的流量補(bǔ)償泵的泄漏。由于輸出流量為零，此時(shí)不管負(fù)載怎樣增大，輸出壓力也不再升高——限壓。■流量-壓力特性曲線及其調(diào)節(jié)◆當(dāng)時(shí)，◆當(dāng)時(shí)，◆當(dāng)時(shí)，★調(diào)節(jié)右側(cè)的限位螺釘，可以調(diào)節(jié)最大流量qmax。★調(diào)節(jié)左側(cè)彈簧的預(yù)緊力FS，可以調(diào)節(jié)拐點(diǎn)壓力pc?！镎{(diào)節(jié)左側(cè)彈簧的剛度k，可以調(diào)節(jié)BC段曲線的斜率及最高壓力pmax。■結(jié)構(gòu)限壓式外反饋?zhàn)兞咳~片泵的結(jié)構(gòu)3.3.4雙作用葉片泵■組成●定子●轉(zhuǎn)子●配流盤●葉片■工作原理雙作用葉片泵分別有兩個(gè)吸油口和兩個(gè)壓油口。定子1和轉(zhuǎn)子2的中心重合，但定子內(nèi)表面不是圓形的，而是由四段圓弧和四段過渡曲線構(gòu)成的近似橢圓形。配流盤上有兩對均布的配油窗口。兩個(gè)相對的窗口連通后分別接進(jìn)出油口構(gòu)成兩個(gè)吸油口和兩個(gè)壓油口。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，每個(gè)密封工作油腔完成兩次吸油和壓油，故稱為雙作用葉片泵。雙作用葉片泵的徑向力基本上是平衡的?！龆ㄗ觾?nèi)表面曲線定子內(nèi)表面曲線是由四段圓弧和四段過渡曲線構(gòu)成的近似橢圓形。過渡曲線應(yīng)保證使葉片在轉(zhuǎn)子槽中滑動(dòng)時(shí)徑向速度和加速度變化均勻，保證葉片對定子表面的沖擊盡可能小，一般采用“等加速-等減速曲線”?！魟傂詻_擊——加速度變化趨于無窮大◆柔性沖擊——加速度變化為有限值■排量與流量●不考慮葉片的厚度和傾角影響時(shí)●考慮葉片的厚度和傾角影響時(shí)葉片泵的流量脈動(dòng)很小。理論研究表明，當(dāng)葉片數(shù)為4的倍數(shù)時(shí)流量脈動(dòng)率最小，所以雙作用葉片泵的葉片數(shù)一般取12或16?！鋈~片傾角受力分析表明，如果葉片的安放方向是沿著轉(zhuǎn)子的徑向，則易使葉片和槽磨損、卡死。

解決的措施：使葉片沿旋轉(zhuǎn)方向前傾斜θ角。一般葉片泵取θ=10°~14°?！雠淞鞅P上的三角槽封油區(qū)中兩相鄰葉片之間的油液其壓力基本與吸油區(qū)壓力相同，當(dāng)這部分液體從封油區(qū)到達(dá)壓油窗口時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)低壓區(qū)域突然和一個(gè)高壓區(qū)域接通，這勢必造成壓油腔中的油液倒流進(jìn)來，引起泵輸出流量和壓力的脈動(dòng)。在配流盤上葉片從封油區(qū)進(jìn)入壓油窗口的一邊開一個(gè)三角槽，可使低壓液體逐漸進(jìn)入壓油窗口，壓力逐漸上升，從而降低泵的流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)。■提高雙作用葉片泵壓力的技術(shù)措施（略）■結(jié)構(gòu)3.4柱塞泵PlungerPump●軸向柱塞泵柱塞的軸線和傳動(dòng)軸的軸線平行（斜軸式、斜盤式）●徑向柱塞泵柱塞的軸線和傳動(dòng)軸的軸線垂直3.4.1柱塞泵概述■分類■特點(diǎn)◆優(yōu)點(diǎn)：容積效率高、高壓、大流量、大功率，無級(jí)變量◆缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜3.4.2斜盤式軸向柱塞泵■組成斜盤1柱塞2缸體3配流盤4吸油口壓油口●斜盤●柱塞●缸體●配流盤■工作原理斜盤式軸向柱塞泵原理1斜盤式軸向柱塞泵原理2斜盤1柱塞2缸體3配流盤4吸油口壓油口◆斜盤（傾斜γ角）和配油盤不動(dòng)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體和柱塞一起轉(zhuǎn)動(dòng)（柱塞被根部彈簧及液壓力壓緊在斜盤上）。◆傳動(dòng)軸帶動(dòng)缸體和柱塞旋轉(zhuǎn)時(shí)，柱塞在其沿斜盤自下而上回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)逐漸向缸體外伸出，使缸體孔內(nèi)密封工作腔容積不斷增加，油液經(jīng)配流盤上的吸油口吸入；柱塞在其自上而下回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)又逐漸向里推入，使密封工作腔容積不斷減小，將油液從配油盤上的壓油口壓進(jìn)系統(tǒng)。斜盤1柱塞2缸體3配流盤4