液壓泵與液壓馬達(dá)

第3章液壓泵與液壓馬達(dá)§3-1概述本章介紹液壓泵和液壓馬達(dá)原理、結(jié)構(gòu)及在液壓系統(tǒng)中的作用。本章重點(diǎn)：液壓泵和液壓馬達(dá)功率和效率計(jì)算的基本方法。液壓泵和液壓馬達(dá)工作原理、結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及選用。一、液壓泵和液壓馬達(dá)的工作原理1、液壓泵和液壓馬達(dá)的作用

液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件，將原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)）輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能輸出，為液壓系統(tǒng)提供足夠流量的壓力油。它是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。而液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，是將液壓泵提供的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并驅(qū)動(dòng)工作部件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換裝置。從原理上講，液壓泵和液壓馬達(dá)是可逆的，但結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上有差異，∴并非所有的液壓泵和液壓馬達(dá)都可逆。2、液壓泵的工作原理液壓泵都是依靠密封容積變化的原理來(lái)進(jìn)行工作的，故稱為容積式液壓泵。1-偏心輪2-柱塞3-缸體4-彈簧5、6-單向閥動(dòng)畫上圖中彈簧的作用是使得柱塞始終與偏心輪接觸。從上述泵的工作過(guò)程可以看出：（1）體積變化是吸油、壓油的根本原因。這種依靠密封容積變化進(jìn)行工作的泵，統(tǒng)稱為容積式液壓泵；（2）在吸油過(guò)程中，必須使油箱與大氣相通，這是吸油的必要條件；在壓油過(guò)程中，油液壓力取決于油液從單向閥5壓出時(shí)遇到的阻力，即液壓泵的工作壓力取決于外界負(fù)荷；（3）單向閥5、6是保證吸油時(shí)，使體積腔與油箱接通，同時(shí)切斷供油管道；壓油時(shí)，使體積腔與油液流向系統(tǒng)的供油管道相通而與油箱切斷。5、6又稱為配油裝置，配油裝置可在形式上各式各樣，但它是液壓泵工作中必不可少的部分。綜上所述，液壓泵正常工作的四個(gè)必備條件：必須具有一個(gè)由運(yùn)動(dòng)件和非運(yùn)動(dòng)件所構(gòu)成的可變的密閉容積；三、液壓泵與液壓馬達(dá)的壓力、排量和流量1、壓力：為了便于液壓元件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用，將壓力分級(jí)：（1）工作壓力：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液壓泵的工作壓力是指它的輸出壓力，其大小由負(fù)荷決定。如果負(fù)荷無(wú)限制增加，泵的壓力也無(wú)限升高，直到泵的密封性和零件被損壞。因此在液壓系中應(yīng)設(shè)置安全閥，來(lái)限制泵的最大壓力，起過(guò)載保護(hù)作用（p達(dá)到安全閥所限定的壓力即卸荷）。液壓馬達(dá)的工作壓力是指它的輸入壓力。（2）額定壓力（公稱壓力）：

又稱“滿負(fù)荷壓力”。指液壓泵和液壓馬達(dá)在使用中允許達(dá)到的最大工作壓力，超過(guò)此值就是過(guò)載。∽應(yīng)符合GB2346-1980。（3）最大壓力（最高允許壓力）：液壓泵、液壓馬達(dá)在短時(shí)間內(nèi)過(guò)載時(shí)所允許的極限壓力，它受泵本身密封性和零件強(qiáng)度的限制，由安全閥限制（最大壓力=p安全閥＞額定壓力）。2、液壓泵和液壓馬達(dá)的排量、流量（1）排量：液壓泵排量VP：

不考慮泄漏時(shí)，泵軸每轉(zhuǎn)一周所排出的液體體積。VP可調(diào)節(jié)時(shí)為變量泵，反之為定量泵。液壓馬達(dá)排量Vm：

馬達(dá)每轉(zhuǎn)所需油液體積；排量常用單位為cm3/r(ml/r)。（2）流量①理論流量：qt液壓泵qpt：不考慮泄露情況下，單位時(shí)間內(nèi)所能輸出的油液體積，即出口壓力為零——載荷為零時(shí)的流量（此時(shí)無(wú)泄露且執(zhí)行構(gòu)件也不動(dòng)作）；液壓馬達(dá)q

mt：空載無(wú)流量損失下運(yùn)轉(zhuǎn)所需流量；

qt=nV，V——排量，單位為m3/s或L/min。②實(shí)際流量：q液壓泵qp：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)實(shí)際排出的油液體積；若泄漏流量為Δqp，則：液壓馬達(dá)qm：液壓馬達(dá)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)所需輸入的流量；若泄漏流量為，則:③額定流量（公稱流量）qn：在額定轉(zhuǎn)速、額定壓力（泄露最大）下，泵輸出（馬達(dá)輸入）的流量。即工作極限狀況——滿負(fù)荷時(shí)的最大流量。四、泵和馬達(dá)的功率和與效率

液壓泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸入量是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速（角速度），輸出量是液體的壓力和流量；馬達(dá)則正好相反。1、液壓泵的功率與效率（1）理論轉(zhuǎn)矩Tt：由理論力學(xué)知識(shí)：轉(zhuǎn)矩的功功率又∵泵的理論機(jī)械功率應(yīng)無(wú)損耗地全部變換為泵的理論液壓功率，∴（2）輸入功率Pm：即驅(qū)動(dòng)泵的機(jī)械功率T——泵軸上的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩。m——機(jī)械（3）機(jī)械效率ηm：由于機(jī)械摩擦、液體摩擦，泵的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩T總是大于其理論轉(zhuǎn)矩Tt：

（4）容積效率ηv：由于泵存在泄漏（高壓區(qū)流向低壓區(qū)的內(nèi)泄漏、泵體內(nèi)向泵體外的泄露），泵的實(shí)際輸出理流量q總是小于其理論流量qt，于是：（5）泵的輸出功率Py：泵輸出的液壓功率（y——液壓）（6）泵的總效率η：由于泵在能量轉(zhuǎn)換時(shí)有能量損失（機(jī)械摩擦損失、泄露流量損失），泵的輸出功率Py總是小于泵的輸入功率Pm，∴即：泵的總效率=機(jī)械效率ηm和容積效率ηv的乘積。2、液壓馬達(dá)的功率和效率：（1）理論轉(zhuǎn)矩Tmt：∵馬達(dá)的理論液壓功率應(yīng)無(wú)損地全部變換為馬達(dá)的理論機(jī)械功率：（2）輸入功率PMy：即液壓功率：（3）容積效率ηMV和轉(zhuǎn)速nM：由于馬達(dá)存在泄漏，馬達(dá)需要的理論流量qMt總是小于馬達(dá)的實(shí)際輸入流量qM：∴注）：高速馬達(dá)（nM＞500rpm）：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，便于啟動(dòng)和制動(dòng)；調(diào)速、換向靈敏度高。低速馬達(dá)（nM＜500rpm）：排量大、體積大、轉(zhuǎn)速低（幾轉(zhuǎn)~0.？轉(zhuǎn)/min），可直接與工作機(jī)相連，無(wú)需減速裝置，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。（4）機(jī)械效率ηMm：由于馬達(dá)有各種摩擦損失，馬達(dá)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩TM總是＜其理論轉(zhuǎn)矩TMt，于是：（5）輸出功率PMm：對(duì)外做功的機(jī)械功率：（6）總效率ηM：由于馬達(dá)在能量轉(zhuǎn)換時(shí)有能量損失（泄露流量損失、機(jī)械摩擦損失），馬達(dá)的輸出功率PMm總是＜馬達(dá)的輸入功率PMy，其總效率ηM為：即：

馬達(dá)的總效率=容積效率與機(jī)械效率的乘積?！?-2齒輪泵

齒輪泵是一種常用的液壓泵，其優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便；②體積小，重量輕，自吸性能好（允許的吸油真空度大）；③對(duì)油的污染不敏感，工作可靠，便于維修；④∵齒輪是對(duì)稱的回轉(zhuǎn)體，∴允許的轉(zhuǎn)速高→q↑；⑤可以方便地實(shí)現(xiàn)雙向泵：改變齒輪的轉(zhuǎn)向→進(jìn)油口、排油口對(duì)調(diào)；⑥由于嚙合點(diǎn)處的齒面接觸線及齒頂圓與泵體內(nèi)壁的配合安裝，分隔了高、低壓兩腔，起著配油作用，∴在齒輪泵中不需要設(shè)置專門的配流裝置。齒輪泵的缺點(diǎn)：①∵每一瞬間的容積變化率不等，∴流量脈動(dòng)大，噪聲大；②排量不可調(diào)（一般做成定量泵）；③壓力?。ǎ?6MPa），η低（＜0.9）；齒輪泵由外嚙合和內(nèi)嚙合兩種結(jié)構(gòu)形式。本節(jié)著重介紹外嚙合齒輪泵的工作原理、結(jié)構(gòu)性能。一、外嚙合齒輪泵的工作原理二、外嚙合齒輪泵的排量、流量

動(dòng)畫1動(dòng)畫2齒輪泵的排量可以看做是兩個(gè)齒輪的齒槽容積之和。假設(shè)齒槽容積等于輪齒容積（近似計(jì)算），那么其排量=一個(gè)齒輪的齒槽容積和輪齒容積的總和。于是齒輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)排出的液體體積——排量=以齒頂圓為外圓、以扣除頂隙部分的有效齒高（2m）為半徑差、以齒寬為高所形成的環(huán)形筒的體積：實(shí)際上齒間槽的容積＞輪齒的容積，∴通常取§3-3葉片泵葉片泵的結(jié)構(gòu)較齒輪泵復(fù)雜，但工作壓力較高，且流量脈動(dòng)小，工作平穩(wěn)，噪聲小，∴它被廣泛用于繼續(xù)制造中的專用機(jī)床、夾緊裝置的低壓液壓系統(tǒng)中。根據(jù)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周泵吸、排油次數(shù)的不同，葉片泵分為：完成一次吸、排油的單作用葉片泵和完成兩次吸、排油的雙作用葉片泵。前者多用于變量泵，后者均為定量泵。一、雙作用葉片泵1、結(jié)構(gòu)和工作原理：如下頁(yè)圖：1、11——軸承；7——右泵體；2——左配流盤；8——端蓋；3——左泵體；9——傳動(dòng)軸；4——葉片；10——防塵密封圈；5——定子；12——螺釘；6——右配流盤；13——轉(zhuǎn)子。動(dòng)畫動(dòng)畫上頁(yè)圖中：1——定子；2——轉(zhuǎn)子；3——葉片；虛線為配油盤上的配油窗口（⊥圖面前后均有配油盤）；中部橢圓形輪廓為定子內(nèi)表面曲線。用長(zhǎng)定位銷將配流盤與定子定位并固定在泵體上，以保證配流盤上吸、壓油窗口位置與定子內(nèi)孔表面曲線相對(duì)應(yīng)。轉(zhuǎn)子上均勻開(kāi)有葉片槽，葉片可以在槽內(nèi)沿槽滑動(dòng)。配流盤上開(kāi)有與壓油腔相通的環(huán)槽，將壓力油引入葉片底部，推動(dòng)葉片始終與定子內(nèi)表面保持接觸。傳動(dòng)軸支承在軸承上通過(guò)花鍵帶動(dòng)轉(zhuǎn)子在配流盤之間轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子與定子中心重合，定子表面近于橢圓柱，由兩段長(zhǎng)半徑圓弧R、兩段短半徑圓弧r和4短過(guò)渡曲線組成，過(guò)渡曲線的作用：產(chǎn)生密閉工作容積變化。工作原理：

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片在離心力和（建壓后）葉片根部壓力油的作用下，在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)向外移動(dòng)而壓向定子表面，由葉片、定子的內(nèi)表面、轉(zhuǎn)子的圓形外表面和前后兩側(cè)配油盤之間就形成若干個(gè)密封空間。當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，處在小圓弧上的密封空間經(jīng)過(guò)渡曲線而運(yùn)動(dòng)到大圓弧時(shí)，葉片外伸，密封空間的容積增大，吸油；再?gòu)拇髨A弧經(jīng)過(guò)渡曲線運(yùn)動(dòng)到小圓弧的過(guò)程中，葉片被定子內(nèi)壁逐漸壓進(jìn)槽內(nèi)，密封空間容積變小，壓油。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，每個(gè)工作間要完成兩次吸油和壓油，故稱之為雙作用葉片泵。由于兩個(gè)吸、壓油腔相對(duì)于回轉(zhuǎn)中心對(duì)稱分布，∴作用在轉(zhuǎn)子上的油液壓力相互平衡，稱為卸荷式葉片泵，宜于高壓。2、排量、流量公式幾何上可以證明，雙作用葉片泵的排量為：上式中的第二項(xiàng)是考慮到葉片從R轉(zhuǎn)動(dòng)r時(shí)，在槽內(nèi)回縮讓出一部分體積，造成泵的排量減少的緣故。式中b——葉片寬度（⊥圖面的尺寸）；S——葉片厚；Z——葉片數(shù)；θ——葉片傾角。葉片的安裝角度：葉片安裝時(shí)朝著旋轉(zhuǎn)方向前傾的角度。目的：減少葉片對(duì)轉(zhuǎn)子槽側(cè)面的壓緊力和磨損，使葉片伸縮靈活。見(jiàn)下頁(yè)圖。二、單作用葉片泵1、工作原理：如上頁(yè)圖，與雙作用泵的主要區(qū)別在于它的定子是一個(gè)與轉(zhuǎn)子偏心安裝的圓環(huán)。這樣，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，由轉(zhuǎn)子、定子、葉片和配流盤組成的密封容積只變化一次，∴配流盤上只需要兩個(gè)配流窗口。2、排量與流量公式（e——偏心距）3、特點(diǎn)（1）可以通過(guò)改變定子的偏心距e來(lái)調(diào)節(jié)泵的排量和流量。偏心反向時(shí)，吸壓油方向也相反；（2）轉(zhuǎn)子受有不平衡的液壓徑向力，所以一般不用于高壓。三、限壓式變量葉片泵限壓式變量葉片泵是單作用葉片泵，它能借助于輸出壓力的大小自動(dòng)改變定子與轉(zhuǎn)子間的偏心距e，從而改變輸出流量q。1、工作原理如上頁(yè)圖：轉(zhuǎn)子的中心O1是固定的，定子中心O2可以左右移動(dòng)。在右端限壓彈簧3作用下，定子被推向左端，靠緊在柱塞的右端面上，形成原始偏心距e0（即emax，emax≤e極限=d定子內(nèi)孔－d轉(zhuǎn)子），它決定了泵的最大流量。e0的大小可由柱塞旁螺釘1調(diào)節(jié)。泵的出口壓力油，經(jīng)泵體內(nèi)的通道作用于柱塞的左端面上，使柱塞對(duì)定子產(chǎn)生一作用力pA，它平衡限壓彈簧的預(yù)緊力kx0，k——彈簧剛度，x0——彈簧的預(yù)壓縮量。當(dāng)pA＜kx0時(shí)，限壓彈簧的預(yù)壓縮量不變，定子不做移動(dòng)，e0（emax）保持不變，泵輸出流量為最大；當(dāng)負(fù)載增大，壓力升高，直到pA=kx0，此時(shí)p稱為泵的限定壓力pB（q基本保持不變）；當(dāng)pA＞kx0時(shí)，限壓彈簧被壓縮，定子右移，e↓，q↓。泵的出口壓力越高，定子的偏心越小，泵的輸出流量越?。划?dāng)工作壓力達(dá)到某一極限值pC（pmax——截止壓力）時(shí)，定子移到最右端位置，偏心量減到最小使泵內(nèi)偏心所產(chǎn)生的流量全部用于補(bǔ)償泄露，泵的輸出流量為零。此時(shí)，無(wú)論外負(fù)荷如何增大，p不會(huì)再升高。這種泵稱為限壓式葉片泵。至于外反饋的意義則表示反饋是通過(guò)柱塞從外面加到定子上的。2、特性曲線

見(jiàn)下頁(yè)圖：AB段：p＜pB，e=emax不變，qA=qmax?？紤]到供油壓力增大時(shí)，泵的泄露量也增加，∴實(shí)際輸出流量略有減少。調(diào)節(jié)柱塞旁螺釘，可改變e0（emax）→改變qA（=qmax）→AB段上、下平移；P-q特性曲線BC段：p＞pB，定子朝e變小的方向移動(dòng)，使q迅速減小。p大→q小，p小→q大。調(diào)節(jié)彈簧旁螺釘，可改變x0→改變pB的大小，使BC段左右移動(dòng)；改變彈簧剛度k時(shí)，可以改變BC段的斜率，彈簧越軟（k值越?。珺C段越陡，pmax值越??；反之，pmax值越大；B點(diǎn)：最大功率點(diǎn)（P=pq）——拐點(diǎn)。3、特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn)：與定量葉片泵相比：①結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸龐大，泄露大，效率低；②因軸上受有不平衡徑向液壓力，噪聲大；③能按負(fù)載壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)流量→調(diào)節(jié)執(zhí)行構(gòu)件的速度（負(fù)載大→速度小，負(fù)載小→速度大），∴在功率利用上較為合理（輸出功率P=pq穩(wěn)定），可減少功率損耗。應(yīng)用：執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要有快、慢速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，如：①、組合機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快進(jìn)、快退，需要大q、小p，可利用AB段；②、組合機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工進(jìn)：需要小q、大p，用BC段；定位夾緊系統(tǒng)中：①、定位夾緊：需要低壓大流量，用AB段；

②、夾緊結(jié)束保壓：需要維持較大的壓力和補(bǔ)償泄露的流量（q=0，執(zhí)行構(gòu)件靜止），用C點(diǎn)?！?-4柱塞泵柱塞泵是靠柱塞在剛體中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，造成密封容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸油與壓油的液壓泵。與齒輪泵、葉片泵相比，其優(yōu)點(diǎn)：①構(gòu)成密封容積的零件為圓柱形的柱塞和剛體的圓孔，加工方便，可得到較高的配合精度密封性能好，在高壓下工作仍有較高的ηV；②只需要改變柱塞的工作行程，就能改變流量，易于實(shí)現(xiàn)變量；③柱塞主要零件均受壓應(yīng)力，材料強(qiáng)度能得以充分利用。應(yīng)用：需要高壓、大流量、大功率的系統(tǒng)中和流量需要調(diào)節(jié)的場(chǎng)合——龍門刨、拉床、液壓機(jī)、工程機(jī)械、礦山冶金機(jī)械、船舶。按柱塞的排列和運(yùn)動(dòng)方向不同，柱塞泵可分為徑向、軸向柱塞泵兩大類。一、徑向柱塞泵1、工作原理如下頁(yè)圖：柱塞徑向排列在缸體中，缸體由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)連同柱塞一起旋轉(zhuǎn)，∴缸體為轉(zhuǎn)子。柱塞在離心力（或低壓補(bǔ)油）作用下抵緊定子內(nèi)壁，當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于定子和轉(zhuǎn)子之間有偏心距e，柱塞繞經(jīng)上半周時(shí)向外伸出，柱塞底部的容積↑，形成部分真空，于是便經(jīng)襯套3（壓緊在轉(zhuǎn)子孔內(nèi)，并隨轉(zhuǎn)子一起回轉(zhuǎn)）上的油孔從配油軸的吸油腔b吸油；當(dāng)柱塞轉(zhuǎn)到下半周時(shí)，定子內(nèi)壁將柱塞向里推，柱塞底部的容積↓，向配油軸的壓油腔c壓油。轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)一周，每個(gè)柱塞底部的密封容積完成一次吸壓油，轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，即完成泵的吸壓油工作。配油軸固定不動(dòng)，油液從配油軸上半部的兩個(gè)孔a流入，從下半部?jī)蓚€(gè)油孔b壓出。為了進(jìn)行配油，配油軸在與襯套接觸的一段加工出上下兩個(gè)缺口，形成吸油腔b和壓油腔c，留下的部分（左、右）形成封油區(qū)。2、排量和流量計(jì)算∵柱塞在孔中的行程為2e【從（R-e）~（R+e）】，∴注）：①q因e的大小而不同。若使定子做水平移動(dòng)以調(diào)節(jié)e，就成為變量泵；若改變e的偏心方向，進(jìn)出油口隨之改變，這就是雙向變量泵；②由于徑向柱塞泵徑向尺寸大，自吸能力差（行程短），且配油軸受到不平衡液壓力的作用，易于磨損，從而限制了它轉(zhuǎn)速和壓力的提高。（∴下面重點(diǎn)介紹——）二、軸向柱塞泵1—缸體，2—配油盤（前后腰形孔為壓、吸油口），3—柱塞，4—斜盤，5—傳動(dòng)軸，6—彈簧。

軸向柱塞泵是將多個(gè)柱塞軸向均勻配置在同一個(gè)缸體（即轉(zhuǎn)子）的圓周上，并使柱塞中心線∥缸體中心線的一種泵。當(dāng)缸體軸線與傳動(dòng)軸軸線重合時(shí)，稱為直軸式（或斜盤式）軸向柱塞泵；當(dāng)缸體軸線與傳動(dòng)軸成一個(gè)夾角γ