液压泵和液压马达的工作原理

第一节液压泵和液压马达概述一、液压泵的工作原理及分类1.液压泵的工作原理液压泵是液压系统的动力元件，它将原动机（电动机、内燃机等）输入的机械能（转矩T和角速度ω）转换为液压能（压力p、流量q）输出，为液压系统提供压力油源。液压传动系统中使用的液压泵和液压马达都是容积式的，容积式液压泵的工作原理如下图示，1.液压泵的工作原理图示为单柱塞泵的工作原理，它由偏心轮1、柱塞2、柱塞套（缸体）3、弹簧4、单向阀（吸油阀）6和（排油阀）7组成。1.液压泵的工作原理柱塞2和柱塞套形成密闭容腔a，在弹簧4的作用下与偏心轮1靠住。当原动机按如图所示位置带动偏心轮1作顺时针方向旋转运动时，柱塞2在弹簧力的作用下向右运动，使容腔a增大，压力较小，并形成一定的真空度，油箱中油液在大气压的作用下，经吸油阀6进入密闭容腔a中（此过程排油阀关闭），这一过程为吸油。1.液压泵的工作原理当偏心轮的几何中心转到最右点时，吸油过程终止。偏心轮继续旋转使柱塞向左运动，密闭容器减小，油液压力增大，经排油阀排出，这一过程称为排油。当偏心轮的几何中心转到最左点时排油过程终止。1.液压泵的工作原理偏心轮连续旋转，柱塞左右往复运动，液压泵半个周期吸油，半个周期排油。在工作过程中，吸油阀和排油阀不会同时开启，由此可见，液压泵是靠密闭容腔的容积变化来进行工作的。称此类液压泵为容积式液压泵，简称液压泵。2.液压泵的特点(2)必须具有配液装置，当密闭工作容腔容积由小变大时，配液装置使密闭工作容腔只与吸油腔相通；当密闭工作容腔由大变小时，配液装置使密闭工作容腔只与排油腔相通。(1)结构上具有能实现周期性变化的密闭工作容腔2.液压泵的特点(4)油箱中的油液必须具有一定的压力，以保证液压泵工作容积增大时能及时供油(3)必须要有隔离封油装置使液压泵的吸油腔与排油腔不能相通3.液压泵的分类及图形符号液压泵按其输出流量是否可以调节分为定量泵和变量泵两类；按结构形式可以分为齿轮式、叶片式和柱塞式三种；按其一个工作周期密闭容积的变化次数可以分为单作用泵、双作用泵和多作用泵等。液压泵的一般图形符号如下图所示。a单向定量液压泵b单向变量液压泵c双向定量液压泵d双向变量液压泵二、液压泵和液压马达的主要工作参数1.液压泵的压力液压泵的主要性能参数有压力、转速、排量、流量、功率和效率。a.吸油压力指液压泵进口处的压力。自吸泵的吸油腔必须具有一定的真空度，一般齐吸油压力低于大气压力。b.工作压力液压泵工作时的出口压力，其大小取决于负载。2.液压泵的额定转速和工作转速c.额定压力泵在正常工作条件下，按实验标准规定连续运转的最高压力。超过此值就是过载。a.额定转速液压泵在额定压力下能连续长时间运转的最高转速，单位为r/minb.最高转速液压泵在额定压力下超过额定转速允许短暂运行的最高转速，单位为r/min2.液压泵的排量和流量a.液压泵的排量（用V表示）是泵每转一转，由其密封油腔几何尺寸变化所算得的输出液体的体积，也称作无泄漏情况下，泵每转一转所输出的液体体积。b.液压泵的理论流量指泵在单位时间内由其密封油腔几何尺寸变化计算而得出的输出的液体体积，也称作无泄漏情况下单位时间内所能输出的液体的体积。泵的转速为n，则泵的理论流量q=nV2.液压泵的排量和流量c.泵的瞬时流量qsh每一瞬时的流量，称为泵的瞬时流量，一般指泵的瞬时理论流量d.实际流量qp泵工作时单位时间实际排除液体的体积，称为泵的实际流量，等于泵的理论流量qt减去泄露、压缩等损失的流量△qp，即ptptppkqqqq13.功率和效率液压泵由电动机驱动，输入量是转矩和转速，输出量时液体的压力和流量；液压马达则刚好相反，输入量是液体的压力和流量，输出量时转矩和转速。如果不考虑液压泵在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，及理论功率为液压泵进出口液压差△p与理论流量的乘积，即nTTpVnpqPttti2式中：Tt——液压泵（马达）的理论转矩ω——液压泵（马达）的角速度3.功率和效率实际上，液压泵和液压马达在能量转换过程中是有损失的，因此输出功率小于输入功率。两者之间的差值为功率损失，功率损失可以分为容积损失和机械损失两部分。容积损失是因泄露而造成的流量损失。对于液压泵来说，输出压力增大时，泄露量增大，泵的实际输出的流量q减小。设泵的流量损失为△q，则泵的容积损失可以用容积效率ηv来表示，ttttVqqqqqqq13.功率和效率对于液压马达，输入实际流量q必然大于它的理论流量qt，即q=qt+△q,它的容积效率为机械损失是指因摩擦而造成的转矩的损失。对于液压泵来说，驱动泵的转矩总是大于其理论转矩，设转矩损失为△T，则实际转矩为理论转矩与损失转矩之和，qqqqtV13.功率和效率用机械效率ηm来表征泵的机械损失，有对于液压马达，实际输出转矩小于理论转矩，其机械效率为ttttmTTTTTTT11ttttmTTTTTTT13.功率和效率液压泵和液压马达的总效率η是输出功率与输入功率之比，根据前面的公式可以得到即液压泵和液压马达的总效率都等于各自的容积效率与机械效率的乘积。液压泵的效率与泵的泄露和摩擦损失有关。Vm第二节齿轮泵齿轮泵按结构形式可以分为外啮合和内啮合两种，内啮合齿轮泵应用较少，所以本节主要介绍外啮合齿轮泵。外啮合齿轮泵具有以下优点：结构简单、紧凑；容易制造，成本低；对油液污染不敏感；工作可靠，维护方便；寿命长等。基于以上优点，外啮合齿轮泵广泛应用于各种低压系统中。一、外啮合齿轮泵的工作原理图示为外啮合齿轮泵的工作原理。在泵的壳体内有一对外啮合齿轮，齿轮两侧有端盖盖住。壳体、端盖和齿轮的各个齿间槽组成许多密封的工作腔。当齿轮按图示方向旋转时，右侧吸油腔由于相互啮合的齿轮逐渐脱开，密封工作腔容积逐渐增大，形成部分真空，油箱中的油液被吸进来，将齿间槽充满，并随着齿轮旋转，把油液带到左侧压油腔中。在压油区一侧，由于齿轮逐渐啮合，密封工作腔容积不断减小，油液被挤出去。吸油区和压油区是有相互啮合的齿轮以及泵体分隔开的。二、外啮合齿轮泵的流量计算齿轮泵排量的精确计算比较复杂，通常采用近似计算法。在近似计算时，认为齿间的容积等于齿轮的体积，因此齿轮每转一周，排除的液体的体积等于其中一个齿轮的所有齿间工作容积及其所有齿轮体积之和，及等于其中一个齿轮齿顶园与齿根圆之间环形圆柱的体积，即齿轮泵的排量为BzmBmzmmzmVp222)2(2421式中：z—齿轮齿数m—齿轮模数B—齿轮齿宽二、外啮合齿轮泵的流量计算实际上，齿间容积比齿轮体积稍大，而且齿轮齿数越少差值越大。另外，对修正齿轮而言，齿轮变薄，齿间容积也增大，因此对上式进行修正，乘以修正系数6.66，修正后的齿轮泵排量为：BzmVp266.6根据上面式子，齿轮泵排量V与齿轮数成正比，与齿轮模数的平方成正比。在齿轮分度圆半径一定时，增大模数m，减少齿轮数z可以增大齿轮泵的排量。二、外啮合齿轮泵的流量计算齿轮泵的实际流量为VVppBnzmnVq266.6式中：ηV为齿轮的容积效率三、外啮合齿轮泵的结构问题及其解决方法1困油现象及其解决办法为了保证齿轮传动平稳，齿轮泵的齿轮重合度必须大于1（1.05-1.1），即在前一对齿轮尚未脱开啮合之前，后一对齿轮已经进入啮合。在两队齿轮同时啮合时，她们之间形成一个与吸、压油腔均不相通，且容腔的大小不断发生变化的闭死容腔（P24图3.2.3）。这一容腔随着齿轮的旋转，先由大变小，后由小变大。当闭死容腔由大变小时油液受挤压经缝隙溢出，使压力增高，齿轮轴承承受周期性的压力冲击，产生能量损失，导致油液发热，引起震动和噪声，降低齿轮泵的工作平稳性和使用寿命。当闭死容腔由小变大时油液由于得不到补充，使闭死容腔形成局部真空，产生气蚀现象，引起振动和噪声。这种闭死容腔大小变化导致压力冲击和气蚀的现象称为困油现象，严重影响泵的使用寿命和工作性能，必须予以消除。消除困油现象的方法：在泵的前后盖或浮动轴套等零件上开卸荷槽。在开设荷槽后，可以将闭死容腔限制为最小。即当闭死容腔容积由大变小时，卸荷槽始终与压油腔相通；当容积由小变大时，卸荷槽始终与吸油腔相通。2.径向不平衡力齿轮工作时，作用在齿轮外圆上的压力是不均匀的。爱压油腔和吸油腔，齿轮外圆分别承受着系统工作压力和吸油压力；在齿轮齿顶圆与泵体内孔的径向间隙中，可以认为油液压力由高压腔压力逐级下降到吸油腔压力。这些液体压力综合作用的合力，相当于给齿轮一个径向不平衡的作用力，使齿轮和轴承受载。径向力是影响齿轮泵寿命的重要因素。当使用压力增大，使径向力很大时，会使泵轴弯曲及泵体偏磨，同时也加速轴承的磨损，降低了机械效率及轴承的使用寿命。因此，要力求减小径向力，通常在结构上采用以下措施：（1）缩小压油口缩小压油口，使排油腔作用在齿轮上的面积减小到只作用1至2个齿的范围内（1）缩小压油口缩小压油口，使排油腔作用在齿轮上的面积减小到只作用1至2个齿的范围内（2）扩大排油腔将排油腔扩大大吸油腔一侧，只有1-2个齿起密封作用，使其它对称区域的液压力得到平衡，减小作用在轴承上的径向力。（3）扩大吸油腔将吸油腔扩大大排油腔一侧，只有1-2个齿起密封作用，使其它对称区域的液压力得到平衡，减小作用在轴承上的径向力。（4）开设平衡槽在端盖、轴套的过度区开设平衡槽，分别与高、低压腔相通，以使齿轮径向力自平衡。3.泄漏（1）端面间隙泄漏压油腔和过渡区段通过齿轮端面与前后端盖的端面间隙向低压腔泄漏，这一途径的泄漏量最大，占总泄漏的70%-80%泄露意味着能量损失，不仅使油液发热，也直接影响了齿轮泵的容积效率。泄漏主要有三条途径：（2）径向间隙泄漏压油腔的油液经径向间隙向吸油腔泄漏。这一途径通道较长，有多个局部损失存在，但配合间隙较小，工作油液本身有粘性，所以泄漏量相对较小，占15%-20%。3.泄漏（3）齿轮啮合处的泄漏由于啮合线接触不良，使高压腔与低压腔之间密封不良造成泄漏。在啮合正常的情况下，这一泄漏量较小，随着工作压力的提高，啮合接触更加紧密，通过该途径泄漏量更少，一般可以忽略不计。泄露意味着能量损失，不仅使油液发热，也直接影响了齿轮泵的容积效率。泄漏主要有三条途径：要提高外啮合齿轮泵的工作压力，必须减小端面轴向间隙泄漏，一般采用齿轮端面间隙自动补偿的方法来解决。齿轮端面间隙自动补偿原理，是利用特制的通道把泵内压油腔的压力油引到浮动轴套外侧，作用在一定形状和大小的面积上，产生液压作用力，使轴套压向齿轮端面，这个液压力的大小必须保证浮动轴套始终紧贴齿轮端面，减小端面轴向间隙泄漏，达到提高工作压力的目的。四、提高外啮合齿轮泵压力的措施练习3-1叶片泵转速n=1500r/min,输出压力6.3MPa时输出流量为53L/min，测得泵轴消耗功率为7Kw，当泵空载时，输出流量56L/min，求该泵的容积效率和总效率。练习3-2一液压泵的机械效率为0.92，泵的转速为950r/min时的理论流量为160L/min，若泵的工作压力为2.95MPa，实际流量为152L/min。试求：（1）液压泵的总效率（2）泵在上述工况所需的电动机功率（3）驱动液压泵所需的转矩