第六章_液压泵及液压马达

第二篇液压泵及液压马达第六章液压泵及液压马达概述§6-1液压泵及液压马达的工作原理及分类一、工作原理在第一章中，曾用手动液压千斤顶为例，说明最简单的液压传动装置的组成。其中包含了两种基本的能量转换器件：将机械能转换为液体压力能的手动泵——液压泵，以及将液体压力能转换为机械能的液压缸——液压执行元件。液压执行元件有两种形式：实现直线往复运动的称为液压缸，而实现旋转运动的称为液压马达。根据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。构成容积泵的基本条件是：1.结构上实现具有密封性的工作腔。2.工作腔能周而复始地增大和减小，当它增大时与吸油口相连，当它减小时与排油口相连。3.吸油口与排油口不能沟通。从上述工作过程可以推论，液压泵具有以下共同的基本性能：1.液压泵在每一工作周期中吸入或排出的液体容积只取决于工作构件的几何尺寸（例如，柱塞的直径和行程）。因此，在不考虑泄漏的影响时，液压泵每转一转（它包含一个或若干个工作周期，视泵的工作原理而定）排出的液体容积——排量是恒定的。2.液压泵的理论流量与泵的转速成正比。因为不考虑泄漏等影响时的理论流量是转速与排量的乘积。3.在不考虑泄漏及液体的压缩性是，液压泵的流量与工作压力无关。因为不管压力高低，在每个工作周期中被泵强迫排出的液体容积是不变的。从能量转换的性质来说，液压泵与液压马达的功能完全相反。但两者结构并无原则上的区别，液压泵与液压马达是可逆式机械。换言之，将压力油通入液压泵，它就可以成为液压马达而输出机械能。不过，必须指出：虽然液压泵与液压马达就工作腔的形式及工作原理而言并无原则区别，因而是可逆的。但是，若要液压泵作为液压马达来工作，结构上必须允许液体能反向流动。所以，液体只能单向流动的阀式配流泵就不具备作为液压马达工作的可逆性。此外，液压泵与液压马达的可逆性只是从原理的角度而言，由于泵与马达的工作特点不同，因而在具体的结构细节上仍然存在不少差别。在以后的章节中将对此进行说明。二、分类液压泵和液压马达的形式非常多。常用的类型主要可分为：齿轮式、叶片式、螺杆式、轴向柱塞式、径向柱塞式等五类。每一类中又有不同的结构形式。某些结构形式的工作腔几何参数固定不变，因而在每一工作周期中吸入、排出的液体容积恒定。这种泵和马达成为定量型。有些结构形式可以设计成变量型，即可以通过某种结构措施改变工作腔的容积。此外，在分类上习惯将液压马达按其转速和扭矩（转矩），分为高速小扭矩和低速大扭矩型，以及只能实现有限角度回转运动的摆动马达。液压泵和液压马达的分类见表6-1。它们的结构和性能特点将在以后的章节中分别予以讨论。表6-1液压泵和液压马达的分类液压泵§6-2液压泵及液压马达的性能参数一、要性能参数及其含义液压泵和液压马达的性能参数很多。某些参数，如压力、流量，与液压阀有类似的含义，公称压力、公称流量的系列参数标准见第二章表2-1。在表6-2中列出了泵和马达的部分性能参数。其中，排量q是专用于液压泵和液压马达的参数。此外，还有由上述参数导出的参数，如功率、转矩等。表6-2名称常用符号国际制单位工程制单位含义额定压力pnaPBar根据试验结果推荐的允许连续运行的压力工作压力paPBar实际运行时的压力最高压力PmaxaPBar允许按试验标准规定进行超过额定压力短暂运行的压力排量①qradm/3(mL/r,L/r)mL/rL/r一个循环周期中吸入（对于马达）或排出（对于泵）的液体体积。常指每转或每弧度转角按几何尺寸计算而得的值，即几何排量；或没有泄漏时的值，即理论排量液压马达（定量型、变量型）摆动小扭矩高速大扭矩低速齿轮式内啮合外啮合叶片式单作用双作用螺杆式轴向柱塞式径向柱塞式连杆式多作用式静压平衡式单作用双作用摆线渐开线外曲线内曲线定量型变量型齿轮式叶片式螺杆式轴向柱塞式径向柱塞式内啮合外啮合单作用双作用双螺杆三螺杆斜盘式斜轴式轴配流阀配流摆线通轴非通轴无铰单铰双铰轴配流盘配流阀配流缸体式固定渐开线额定流量Qnsm/3min/L根据试验结果推荐的允许连续运行的流量理论流量Qtsm/3min/L根据几何排量计算所得的流量实际流量Qsm/3min/L实际运行时进入（对于马达）或排出（对于泵）的流量额定转速（额定角速度）Nr/minrad/sr/min根据试验结果推荐的允许连续运行的转速（角速度）最高转速maxnr/minr/min为保证使用性能或使用寿命所允许的最大转速最底转速minnr/minr/min为保证使用性能所允许的最小转速容积效率v经容积损失后的功率与损失前的功率之比值机械效率m经机械损失和压力损失后的功率与损失前的功率之比值总效率输出功率与输入功率之比值噪声级pLdB(A)dB(A)以声压级来评定噪声的强弱，声压级定义为0201PPpgLdB(分贝),其中P为声压，0P为基准声压为了平定人对噪声的主观感受程度，则用按等响曲线进行修改后的响度级dB(A)来表示①排量的单位习惯上多数用每转的容积来表示，本书中除特别注明外，均采用[rm/3]。（一）排量q习惯上将泵（或马达）的轴每转一周，按几何尺寸计算所排出（进入）的液体容积，称为泵（或马达）的排量q。有时称之为几何排量、理论排量，即不考虑泄漏损失时的排量。根据液压动力元件的工作原理可知，泵或马达按几何尺寸及转速n得到的理论流量tQ与排量q之间具有下列关系：60nqQt（6-1）式中tQ——理论流量，[tQ]为sm/3；n——转速，[n]为min/r；q——排量，[q]为rm/3。理论流量tQ是在单位时间间隔内计算的，所以具有时平均的含义。液压泵在某一瞬间的流量，称为瞬时流量shQ。液压泵的瞬时流量往往具有一定的脉动性。（二）功率泵和马达具有相反的能量转换功能。图6-1所示为不考虑内部工作过程时的能量转换“流程”。驱动泵轴的输入功率为pN，由于存在轴承、密封等处的机械摩擦损失和运动构件与液体间的摩擦损失，因此到达工作构件上用来进行能量交换的功率略有减少。工作构件真正排出的流量是泵的几何尺寸决定的理论流量tQ，因此，泵输给液体的功率等于ptPQ）（。但是，由于高低压腔间存在各种泄漏，实际输出的流量紧为Q。因此，输出的液体实际功率等于pPQ）（。需要附带说明：以上所指的P是泵的进出口压差。由于流动造成的压力损失，泵的进、出口压力并不等于相应的工作腔内的压力。但是为了便于实测，均以泵的进、出口压力来表示。因而实际上上述压力损失就隐含在机械损失中。对于马达，也是如此。若输入到液压马达可供利用的输入功率等于MPQ）（。由于存在泄漏，真正到达工作腔参与能量交换的液体流量减少为tQ。这一流量根据马达的几何排量q而驱动马达以转速n旋转，液体输给马达工作构件的功率则为MtPQ）（。同样，因为存在各种机械摩擦损失，并且将液体的流量阻力损失考虑在内，马达的实际输出功率MN比理论功率MtPQ）（低。（三）效率从以上对泵和马达功率的讨论，可以方便地得到效率的表达式。效率是损失后的功率与损失前的功率之比。由于液体泄漏而造成的功率损失称为容积损失。因此，容积效率v为：对于泵tttttvQQQQQQQpQpQ1（6-2）对于马达tttvQQQQpQpQ11（6-3）式中tQ——理论流量；Q——实际流量；Q——泄漏损失流量。泄漏是由于各工作构件间的缝隙而造成的。泄漏流量大体上与工作压差成正比，与液体的粘度成反比，与间隙的三次方成正比。因此，工作构件的泄漏通道的间隙大小会对统计效率产生明显影响。此外，由于容积效率表达式中的理论流量tQ与转速成正比，当略而不计构成间隙的两零件相对运动速度影响时，泄漏流量Q基本与转速无关。所以对于相同或相似的泵而言，容积效率将随工作转速的减小而降低。前面已经说明，除了泄漏损失以外的各种损失都归之为机械损失。由图6-1可见，机械效率为：对于泵pQNNpQpQNpQtmmttptm11（6-4）对于马达pQNpQNpQpQNtmtmttMm1（6-5）式中mN——机械损失总功率。对于不同类型的机械损失，其影响因素也不同。滚动轴承的摩擦力矩与负载力或工作压差成正比，而与转速基本无关；粘性摩擦力受运动速度的影响；密封处的摩擦力则与起始压紧力有关；液体流动阻力损失的影响因素更为复杂。大体上，机械效率随工作压差的增大而提高。泵或马达的总效率等于输出功率与输入功率之比，即对于泵mvpttpNpQpQpQNpQ（6-6）对于马达mvtMtmpQNpQpQpQN（6-7）因此，泵或马达的总效率都等于容积效率与机械效率的乘积。泵及马达的典型效率特性曲线见图6-2。泵的效率特性是指某一转速下的特性，马达的效率特性是指某一压力下的特性。为了全面评价泵和马达的效率并决定某最佳工作区域，需要作出它们在整个转速、压力工作范围内的特性曲线——全特性（有时称为通用特性）。图6-3所示是某种液压马达的全特性。（四）转矩根据能量守恒定律，不考虑损失时泵或马达的轴功率等于参与能量转换的液体功率。因而，不论对于何种型式的泵或马达，以下恒等式始终成立：pQTtt（6-8）式中tT——轴上的理论转矩；——轴的旋转角速度；tQ——泵或马达的理论流量；p——泵或马达的进、出口压差。由此可得2pqTt（6-9）此处q的单位为每转的排量。由于泵和马达的工作任务不同，人们希望着重了解的参数，对泵来说是输出流量，而马达是输出转矩。大多数泵的理论流量具有脉动性，是泵的转角的函数，具体值可以根据其工作原理和几何尺寸计算求得。按照式（6-8），马达的瞬时理论转矩可以根据它的瞬时理论流量)(shQ来求得。)()(shshQpT（6-10）如果马达工作时的压差p和角速度不变，则瞬时转矩)(shT具有与瞬时流量)(shQ规律相同的脉动性质。由于类型相同的泵和马达的瞬时流量规律相同，所以可以利用已知的液压泵的瞬时流量规律，直接得到液压马达的瞬时转矩规律而不必另行推导。液压马达的输出实际转矩MT与理论转矩tT之差为机械损失转矩，因此mtMTT（6-11）对于液压泵，轴上的输入实际转矩则为mtPTT（6-12）二、其它性能参数除了上述主要性能参数外，还有一些专用于泵或马达的性能参数。例如：泵的极限吸入压力。这是为了保证泵能正常吸油所需的进口压力。当由于泵的安装高度太高或吸油阻力太大而使吸入压力低于此极限值时，液压泵将不能充分吸满，甚至会在低压吸入区产生气穴或气蚀。马达的最低稳定转速。这是指液压马达在额定负载下，不产生爬行现象的最低转速。它是评价马达低速性能的重要指标。最低稳定转速主要受摩擦力、泄漏情况以及马达转矩脉动性的影响，因此与液压马达的结构型式、规格大小、制造装配质量有关。马达的启动转矩，即马达在额定压力下，由静止状态启动时输出轴上的转矩。启动转矩比马达的理论转矩低，它除了受摩擦力的影响外，还由于转矩的脉动性而使输出轴处于不同的相位角时的启动转矩也不同。马达的滑转转速。滑转系指将马达的进出油口关闭，在马达轴上施加额定值的主动转矩（如负载重物下落），由于闭锁的进出油通道间存在泄漏而使液压马达的输出轴在重物带动下缓慢转动——滑转。滑转转速表示了液压马达的制动性能。§6-3液压泵及液压马达的工作特点一、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。因此，除了在泵的结构设计时尽可能减小吸油流道的液阻外，为了保证泵的正常运行，应该使泵的安装高度不超过允许值，避免吸油滤油器及管路形成过大的压降。2.液压泵的工作压力取决于负载阻力情况。若负载为零，则泵的工作压力为零。随着排油管路阻力的增加，泵的工作压力就自动增加。泵的最高工作压力主要受结构强度和使用寿命的限制。为了防止压力过高而使泵、系统受到损害，要采取限压措施。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。但转速的增大受到吸油性能、泵的使用寿命的限制。工作转速降低时虽然对寿