液压泵和液压马达设计

2液压泵和液压马达2.1液压泵、马达概述2.2齿轮泵2.3叶片泵2.4柱塞泵2.5液压马达2.6液压泵及液压马达的工作特点本章习题内容提要：本章主要内容为①液压泵和液压马达的工作原理与性能参数。②齿轮式、叶片式、柱塞式液压泵。③高速液压马达及低速大扭矩马达。通过本章的学习，要求掌握这几种泵和马达的工作原理（泵是如何吸油、压油和配流的，马达怎样产生转速、转矩）、结构特点、及主要性能特点；了解不同类型的泵马达之间的性能差异及适用范围，为日后正确选用奠定基础。教学内容：本章首先介绍液压泵和马达的工作原理，接着介绍了齿轮泵及齿轮马达、叶片泵及叶片马达、柱塞泵及柱塞马达的基本结构与工作原理，最后简介几种泵和马达的工作特点。教学重点：1．对容积式泵和马达工作原理进行阐述，对容积式泵和马达的效率进行计算；2．介绍几种泵和马达：齿轮泵及齿轮马达、叶片泵及叶片马达、柱塞泵及柱塞马达的基本结构、工作原理与效率；3．简介几种泵和马达的工作特点、优缺点与应用领域。教学难点：1．泵马达的基本原理及效率计算；2．柱塞泵及柱塞马达基本结构与工作原理；3．分析马达产生输出扭矩的方法。教学方法：课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念，利用泵和马达的拆装实验，了解液压泵和马达的结构及工作原理。教学要求：重点掌握泵马达的基本原理及效率计算，了解叶片泵及叶片马达、齿轮泵及齿轮马达的基本结构与工作原理，掌握柱塞泵及柱塞马达基本结构与工作原理，掌握分析马达产生输出扭矩的方法。2.1液压泵、马达概述2.1.1容积式泵、马达的工作原理液压泵和液压马达都是液压传动系统中的能量转换元件。液压泵由原动机驱动，把输入的机械能转换成为油液的压力能，再以压力、流量的形式输入到系统中去，它是液压系统的动力源；液压马达则将输入的压力能转换成机械能，以扭矩和转速的形式输送到执行机构做功，是液压传动系统的执行元件。图2.1容积泵的工作原理在液压传动系统中，液压泵和液压马达都是容积式的，依靠容积变化进行工作。图2.1为容积式泵的工作原理简图，凸轮1旋转时，柱塞2在凸轮和弹簧3的作用下，在缸体的柱塞孔内左、右往复移动，缸体与柱塞之间构成了容积可变的密封工作腔4。柱塞向右移动时，工作腔容积变大，产生真空，油液便通过吸油阀5吸入；柱塞2向左移动时，工作腔容积变小，已吸入的油液便通过压油阀6排到系统中去。在工作过程中。吸、排油阀5、6在逻辑上互逆，不会同时开启。由此可见，泵是靠密封工作腔的容积变化进行工作的。液压马达是实现连续旋转运动的执行元件，从原理上讲，向容积式泵中输入压力油，迫使其转轴转动，就成为液压马达，即容积式泵都可作液压马达使用。但在实际中由于性能及结构对称性等要求不同，一般情况下，液压泵和液压马达不能互换。液压泵按其在单位时间内所能输出油液体积能否调节而分为定量泵和变量泵两类；按结构形式可以分为齿轮式，叶片式和柱塞式三大类；液压马达也具有相同的形式。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，因而这种泵又称为容积泵。构成容积泵必须具备以下基本条件：（1）（1）结构上能实现具有密封性能的可变工作容积。（2）（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）（3）吸油口与排油口不能沟通，即不能同时开启。从工作过程可以看出，在不考虑油漏的情况下，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。在不考虑泄漏等影响时，液压泵单位时间排出的油液体积与泵密封容积变化频率成正比，也与泵密封容积的变化量成正比；在不考虑液体的压缩性时，液压泵单位时间排出的液体体积与工作压力无关。2.1.2液压泵、马达的基本性能参数液压泵的基本性能参数主要是指液压泵的压力、排量、流量、功率和效率等。工作压力：指泵、马达实际工作时的压力，对泵来说，工作压力是指它的输出压力；对马达来讲，则是指它的输入压力。实际工作压力取决于相应的外负载。额定压力：泵、马达在额定工况条件下按试验标准规定的连续运转的最高压力，超过此值就是过载。排量：泵、马达的轴每转一周，由其密封容腔几何体积变化所排出、吸入液体的体积，亦即在无泄漏的情况下，其轴转动一周时油液体积的有效变化量。理论流量：在单位时间内由其密封容腔几何体积变化而排出、吸入的液体体积。泵、马达的流量为其转速与排量的乘积。额定流量：指在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的流量，亦即在额定转速和额定压力下泵输出的流量。因为泵和马达存在内泄漏，油液具有压缩性，所以额定流量和理论流量是不同的。功率和效率：液压泵由原动机驱动，输入量是转矩和转速，输出量是液体的压力和流量；如果不考虑液压泵、马达在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，也就是它们的理论功率是：nTpqNt2（2.1）式中：tT,n—液压泵、马达的理论转矩(N.m)和转速(r/min)。qp,—液压泵、马达的压力(Pa)和流量(sm/3)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。两者之间的差值即为功率损失，功率损失可以分为容积损失和机械损失两部分。容积损失是因泄漏、气穴和油液在高压下压缩等造成的流量损失，对液压泵来说，输出压力增大时，泵实际输出的流量q减小。设泵的流量损失为lq，则ltqqq。而泵的容积损失可用容积效率v来表征tltlttvqqqqqqq1（2.2）对液压马达来说，输入液压马达的实际流量q必然大于它的理论流量tq即ltqqq，它的容积效率。qqqqqqqlltv1（2.3）机械损失是指因摩擦而造成的转矩上的损失。对液压泵来说，泵的驱动转矩总是大于其理论上需要的驱动转矩，设转矩损失为fT，理论转矩为tT，则泵实际输入转矩为ftTTT，用机械效率m来表征泵的机械损失，则tfftttmTTTTTTT11(2.4)对于液压马达来说，由于摩擦损失的存在，其实际输出转矩T小于理论转矩tT，它的机械效率m为tftfttmTTTTTTT1(2.5)液压泵的总效率是其输出功率和输入功率之比，由式（2.1），式（2.2），式（2.4）可得mv(2.6)液压马达的总效率同样也是其输出功率和输入功率之比，可由式(2.1)、式(2.3)、式(2.5)得到与式(2.6)相同的表达式。这就是说，液压泵或液压马达的总效率都等于各自容积效率和机械效率的乘积。事实上，液压泵、马达的容积效率和机械效率在总体上与油液的泄漏和摩擦副的摩擦损失有关，而泄漏及摩擦损失则与泵、马达的工作压力、油液粘度、泵和马达转速有关，为了更确切的表达效率与这些原始参数之间的关系，以无因次压力vnp为变量来表示液压泵、马达的效率。图2.2给出了液压泵、马达无因次压力vnp与效率之间的关系，其中：v,分别为油液的密度和运动粘度，其余符号意义同前，由图可见，在不同的无因次压力下，液压泵和马达的这些参数值相似但不相同，而在不同的转速和粘度下，液压泵和液压马达的效率值也不同的，可见液压泵、马达的使用转速、工作压力和传动介质均会影响使用效率。a)液压泵b)液压马达图2.2液压泵、马达的特性曲线返回本章目录2.2齿轮泵齿轮泵是一种常用的液压泵，它的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，下面分别介绍。2.2.1外啮合齿轮泵的结构及工作原理外啮合齿轮泵的工作原理和结构如图2.3所示。泵主要由主、从动齿轮，驱动轴，泵体及侧板等主要零件构成。泵体内相互啮合的主、从动齿轮2和3与两端盖及泵体一起构成密封工作容积，齿轮的啮合点将左、右两腔隔开，形成了吸、压油腔，当齿轮按图示方向旋转时，右侧吸油腔内的轮齿脱离啮合，密封工作腔容积不断增大，形成部分真空，油液在大气压力作用下从油箱经吸油管进入吸油腔，并被旋转的轮齿带入左侧的压油腔。左侧压油腔内的轮齿不断进入啮合，使密封工作腔容积减小，油液受到挤压被排往系统，这就是齿轮泵的吸油和压油过程。在齿轮泵的啮合过程中，啮合点沿啮合线，把吸油区和压油区分开。图2.3外啮合齿轮泵的工作原理1-泵体;2.主动齿轮;3-从动齿轮2.2.2齿轮泵的流量和脉动率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体积，则当齿轮齿数为z，模数为m，节圆直经为d，有效齿高为h，齿宽为b时，根据齿轮参数计算公式有mzd，mh2，齿轮泵的排量近似为bzmdhbV22（2.7）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值，齿数少时取大值。齿轮泵的排量为bzmV2)7~66.6(（2.8）由此得齿轮泵的输出流量为vbnzmq2)7~66.6(（2.9）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。若用maxq、minq来表示最大、最小瞬时流量，0q表示平均流量，则流量脉动率为0minmaxqqq（2.10）它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齿轮泵的结构特点如图2.4所示，齿轮泵因受其自身结构的影响，在结构性能上其有以下特征。图2.4齿轮泵的结构1-壳体;2.主动齿轮;3-从动齿轮;4-前端盖;5-后端盖;6-浮动轴套;7-压力盖2.2.3.1困油的现象齿轮泵要平稳地工作，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2.5所示，这个密封容积的大小随齿轮转动而变化。图2.5(a)到2.5(b)，密封容积逐渐减小；图2.5(b)到2.5(c)，密封容积逐渐增大；图2.5（c）到2.5（d）密封容积又会减小，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，密封容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，无油液的补充，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。消除困油的方法，通常是在两端盖板上开卸槽，见图2.5（d）中的虚线方框。当封闭容积减小时，通过右边的卸菏槽与压油腔相通，而封闭容积增大时，通过左边的卸荷槽与吸油腔通，两卸荷糟的间距必须确保在任何时候都不使吸、排油相通。图2.5齿轮泵的困油现象及消除措施2.2.3.2径向不平衡力在齿轮泵中，油液作用在轮外缘的压力是不均匀的，从低压腔到高压腔，压力沿齿轮旋转的方向逐齿递增，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。为了减小径向不平衡力的影响，常采取缩小压油口的办法，使压油腔的压力仅作用在一个齿到两个齿的范围内，同时，适当增大径向间隙，使齿顶不与定子内表面产生金属接触，并在支撑上多采用滚针轴承或滑动轴承。2.2.3.3齿轮泵的泄漏通道及端面间隙的自动补偿在液压泵中，运动件间的密封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，同时，高压腔的油液通过间隙向低压腔的泄漏是不可避免的；齿轮泵压油腔的压力油可通过三条途经泄漏到吸油腔去