02 第2章 液压动力元件

•2.1液压泵概述•2.2齿轮泵•2.3叶片泵•2.4柱塞泵•2.5螺杆泵•2.6液压泵的噪声及控制2液压动力元件•2.1液压泵概述•在液压系统中，为系统提供动力的元件称为液压动力元件，液压动力元件即液压泵，是液压系统中的能量转换置。液压泵的作用:是将原动机的机械能（力矩M，转速n）转换成液体的压力能（压力p，排量Q）。在液压系统中，所需的液压能都是由液压泵供给，因此液压泵在液压系统中也被称为液压系统的“心脏”。2.1.1液压泵的基本原理•在液压传动系统中，液压泵都是容积式的，是靠密封工作腔的容积变化进行工作的。•构成容积的泵必须具备以下基本条件：•(1)结构上能实现具有密封性能的可变工作容积。•(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通。•(3)吸油口与排油口不能连通，即不能同时开启。•从工作过程可以看出，在不考虑油液泄漏的情况下，液压泵在每一工作周期中吸入或排出的油液体积只取决于工作构件的几何尺寸，如柱塞泵的柱塞直径和工作行程。•在不考虑油液泄漏等影响时，液压泵单位时间排出的油液体积与液压泵密封容积变化频率n成正比，也与泵密封容积的变化量V成正比；•在不考虑液体的压缩性和泄漏时，液压泵单位时间内排出的液体体积与工作压力无关。液压泵的职能符号如下：2.1.2液压泵的分类(1)按结构分:柱塞泵、齿轮泵、叶片泵三大类；(2)按排量是否可调分:定量泵、变量泵；何为排量？(3)按排油方向分:单向泵、双向泵；(4)按压力级别分:低压、中压、中高压、超高压泵；单向定量泵单向变量泵双向定量泵双向变量泵2.1.3液压泵与液压马达的性能参数•液压泵的基本性能参数主要有压力、排量、流量、功率和效率。•1.压力•(1)工作压力p。液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力。其值的大小取决于外负载的大小和排油管路上的压力损失,而与液压泵的流量无关。•(2)额定压力pn。液压泵在正常工作条件下,根据试验标准规定，允许连续运转的最高压力称为液压泵的额定压力。•(3)最高允许压力pmax。液压泵根据试验标准规定,允许液压泵短暂运行的最高压力值,称为液压泵的最高允许压力。2.排量和流量•(1)排量V。液压泵在没有泄漏的情况下，泵轴每转一周所能排出液体的体积,称为液压泵的排量，其值的大小只与周期性变化的密闭容积几何尺寸有关。排量可调节的液压泵称为变量泵;排量为常数的液压泵则称为定量泵。•(2)理论流量q0。理论流量是指在不考虑液压泵的泄漏流量的情况下,在单位时间内所排出的液体体积的平均值。显然,如果液压泵的排量为V,其主轴转速为n,则该液压泵的理论流量q0为：•q0=Vn(2-1)•(3)实际流量q。液压泵在某一具体工况下,单位时间内所排出的液体体积称为实际流量,它等于理论流量q0减去泄漏流量Δq,即：•q=q0-Δq(2-2)•(4)额定流量qn。液压泵在正常工作条件下,按试验标准规定(如在额定压力和额定转速下)所能输出的最大流量。•在不考虑液体的压缩性和泄漏时，液压泵单位时间内排出的液体体积与工作压力无关。(m3/s)3.功率和效率•2.1.3.3功率和效率•(1)液压泵的功率损失。分为容积损失和机械损失。•①容积损失ηv。容积损失是指液压泵流量上的损失,液压泵的实际输出流量总是小于其理论流量,主要原因是由于液压泵内部高压腔的泄漏、油液的压缩以及在吸油过程中由于吸油阻力太大、油液粘度大以及液压泵转速高等原因导致油液不能全部充满密封工作腔。•液压泵的容积损失可用容积效率来表示,它等于液压泵的实际输出流量q与其理论流量q0之比，即：0001-Vqqqqqqq0（23）•因此液压泵的实际输出流量q为•q=q0ηv=Vnηv(2-4)•液压泵的容积效率随着液压泵工作压力的增大而减小,且随液压泵的结构类型不同而异,但恒小于1。②机械损失ηm。机械损失是指液压泵在转矩上的损失。液压泵的实际输入转矩T总是大于理论上所需要的转矩T0,其主要原因是液压泵体内相对运动部件之间因机械摩擦而引起的摩擦转矩损失以及液体的粘性而引起的摩擦损失。液压泵的机械损失用机械效率表示,它等于液压泵的理论转矩T0与实际输入转矩T之比,设转矩损失为ΔT,则液压泵的机械效率为：01mTTTTTTT①输入功率Pi。液压泵的输入功率是指作用在液压泵主轴上的机械功率,当输入转矩为T0，角速度为ω时,有：•Pi=T0ω(2-6)•②输出功率P0。液压泵的输出功率是指液压泵在工作过程中的实际吸、压油口间的压差Δp和输出流量q的乘积,即：P0=Δpq(2-7)•在实际计算中,若油箱通大气,液压泵吸、压油的压力差往往用液压泵出口压力p代入。(2)液压泵的功率。•(3)液压泵的总效率η。液压泵的总效率是指液压泵的实际输出功率P0与其输入功率Pi的比值,即：•图2.3液压泵的特性曲线q0qT0Tηmηv•由式(2-8)可知，液压泵的总效率等于其容积效率与机械效率的乘积，所以液压泵的输入功率也可写成：0i0VmPpqPT(2-8)液压泵的各个参数和压力之间的关系如图2.3所示。ipqP(2-9)2.2齿轮泵•如图所示，齿轮泵是一种常用的液压泵，主要特点是结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸性能好，对油液污染不敏感，工作可靠；其主要缺点是流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调。•齿轮泵被广泛地应用于采矿设备，冶金设备，建筑机械，工程机械，农林机械等各个行业。•齿轮泵按照其啮合形式的不同，有外啮合和内啮合两种，其中外啮合齿轮泵应用较广，而内啮合齿轮泵则多为辅助泵。图2.4CB—B齿轮液压泵的结构1-轴承外环；2-堵头；3-滚子；4-后泵盖；5-键；6-齿轮；7-泵体；8-前泵盖；9-螺钉；10-压环；11-密封环；12-主动轴；13-键；14-泄油孔；15-从动轴；16-泵体；17-定位销；18-卸荷槽2.2.1外啮合齿轮泵的工作原理主动齿轮被动齿轮泵体吸油腔压油腔当泵的主动齿轮按逆时针方向旋转时，齿轮泵右侧齿轮脱开啮合，齿轮的轮齿退出齿间，使密封容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在外界大气压的作用下，经吸油管路、吸油腔进入齿间。随着齿轮的旋转，吸入齿间的油液被带到另一侧，进入压油腔。这时轮齿进入啮合，使密封容积逐渐减小，齿轮间部分的油液被挤出，形成了齿轮液压泵的压油过程。齿轮啮合时齿向接触线把吸油腔和压油腔分开，起配油作用。当齿轮液压泵的主动齿轮由电动机带动不断旋转时，轮齿脱开啮合的一侧，由于密封容积变大则不断从油箱中吸油，轮齿进入啮合的一侧，由于密封容积减小则不断地排油。如果齿轮倒转，则吸油腔和排油腔互换，这就是齿轮液压泵的工作原理。原理演示2.2.2齿轮泵的流量计算•外啮合齿轮泵的排量可近似看作是两个啮合齿轮的齿谷容积之和，若假设齿谷容积等于轮齿所占体积，齿轮泵的排量可近似为：•V＝πdhb=2πzm2b•式中V——液压泵的每转排量(m3／r)；•z——齿轮的齿数；•m——齿轮的模数(m)；•b——齿轮的齿宽(m)；•d——齿轮的节圆直径(m)，d=mz；•h——齿轮的有效齿高(m)，h=2m。•实际上，齿谷容积比轮齿体积稍大一些，并且齿数越少误差越大，因此，在实际计算中用3.33～3.50来代替上式中的π值，齿数少时取大值，齿数多时取小值。这样，齿轮泵的排量可写为•V=(6.66～7)zm2b•由此得齿轮泵的输出流量为•q=(6.66～7)zm2bnηV•实际上，由于齿轮泵在工作过程中，排量是转角的周期函数，存在排量脉动，瞬时流量也是脉动的。•流量脉动会直接影响到系统工作的平稳性，引起压力脉动，使管路系统产生振动和噪声，如果脉动频率与系统的固有频率一致，还将引起共振，加剧振动和噪声。为了度量流量脉动的大小，引入了流量脉动率：•σ=(qmax－qmin)/q0•式中σ——液压泵的流量脉动率；•qmax——液压泵最大瞬时流量(m3／s)；•qmin——液压泵最小瞬时流量(m3／s)；•q0——液压泵的时间平均流量(m3／s)。•流量脉动率是衡量容积式泵流量品质的一个重要指标。在容积式泵中，齿轮泵的流量脉动最大，并且齿数愈少，脉动率愈大，这是外啮合齿轮泵的一个弱点。2.2.3齿轮泵的结构特点1.齿轮泵的泄漏通道在液压泵中，运动件间是靠微小间隙密封的，这些微小间隙从运动学上形成摩擦副，而高压腔的油液通过间隙向低压腔泄漏是不可避免的；齿轮泵压油腔的压力油可通过以下三条途径泄漏到吸油腔去：轴向间隙：齿轮的端面同泵壳的端盖间存在着间隙，这个间隙是沿轴的方向，称为轴向间隙，其漏失量占泵内漏失量的70%80％左右。径向间隙：齿顶圆的齿顶部同泵壳间存在着间隙，此间隙沿轴的径向，称径向间隙，该间隙的漏失量占泵内漏失量的15％左右。径向间隙：齿轮啮合线处存在着齿侧间隙，在齿轮啮合线上的漏失量占泵内漏失量的5％左右。以上这些间隙的大小，即要保证齿轮的灵活运转，减小摩擦，提高机械效率，又要做到漏失量小，提高容积效率。因此，在设计齿轮液压泵时，这些间隙大小的确定是十分重要的。轴向间隙尺寸一般为0.0050.03mm；径向间隙尺寸一般为0.080.16mm。在使用过程中，保证这些间隙尺寸不变，且不遭到破坏，也是十分重要的。另外间隙尺寸的确定，还要考虑泵的抗污染能力。液压油中有机械颗粒的杂质，其间隙若能比颗粒小，就可减小颗粒的浸入破坏间隙密封。这也是提高齿轮液压泵寿命的关键因素之一。因此为了实现齿轮泵的高压化，为了提高齿轮泵的压力和容积效率，需要从结构上来采取措施，对端面间隙进行自动补偿。产生径向力的原因:（a）吸油腔侧压力低于压油腔侧压力；（b）齿轮的啮合力。齿轮液压泵的径向力如图2.6（a）、（b）所示。设O1为主动轮，O2为被动轮，两轮转向沿1、2所指方向。齿轮液压泵液压力在压油腔，其分布为螺壳式，这是因为液压力每通过一次齿轮的齿顶均要产生压降。其合力在主动轮上为F1，被动轮上为F1'。2.齿轮泵的径向力图2.6齿轮液压泵受力分析图（a）齿轮液压泵液体径向压力分布图；（b）齿轮液压泵径向受力图因此，齿轮和轴受到径向不平衡力的作用，工作压力越高，径向不平衡力越大，径向不平衡力很大时，能使泵轴弯曲，导致齿顶压向定子的低压端，使定子偏磨，同时也加速轴承的磨损，降低轴承使用寿命。减小径向力偏载的措施：a）减小压油口直径；使压油腔的压力仅作用在一个齿到两个齿的范围内;•b）增大扫膛处径向间隙；使齿顶不与定子内表面产生金属接触；•c）采用滚针轴承或滑动轴承；并在支撑上多采用滚针轴承或滑动轴承;•d)开减载槽，即将齿槽中的高压区引向低压吸油口，齿槽的低压区引向高压的排油口；•e)过渡区连通。3.齿轮液压泵的困油现象及其卸荷措施为保证齿轮泵平稳地工作，齿轮啮合时的重叠系数必须大于1，即至少有一对以上的轮齿同时啮合，因此，在工作过程中，就有一部分油液困在两对轮齿啮合时所形成的封闭油腔之内，如图所示，这个密封容积的大小随齿轮转动而变化。•从图(1)到图(2)，密封容积逐渐减小；从图(2)到图(3)，密封容积逐渐增大；如此产生了密封容积周期性的增大减小。•受困油液受到挤压而产生瞬间高压，密封空腔的受困油液若无油道与排油口相通，油液将从缝隙中被挤出，导致油液发热，轴承等零件也受到附加冲击载荷的作用；若密封容积增大时，无油液补充，又会造成局部真空，使溶于油液中的气体分离出来，产生气穴，这就是齿轮泵的困油现象。•困油现象使齿轮泵产生强烈的噪声，并引起振动和汽蚀，同时降低泵的容积效率，影响工作的平稳性和使用寿命。设计齿轮泵时，在保证高低压腔不串通的前提下，要保证闭死容积从大变小时和压油腔相通，从小变大时和吸油腔相通即可。也有在这个端盖上钻一个盲孔或两个盲孔作为卸荷槽。消除困油现象的方法：通常是在两端盖板上开卸荷槽，见下图中的虚线方框。当封闭容积减小时，通过右边的卸荷槽与压油腔相通。而封闭容积增大时，通过左边的卸荷槽与吸油腔相通，两卸荷槽的间距必须确保在任何时候都不使吸、排油相通。返回首页2.2.4高压齿轮泵的特点齿轮液压泵由于泄漏大(主要