搜索
第二章液压动力元件动力元件起着向系统提供动力源的作用，是系统不可缺少的核心元件。液压系统是以液压泵作为向系统提供一定的流量和压力的动力元件，液压泵将原动机（电动机或内燃机）输出的机械能转换为工作液体的压力能,是一种能量转换装置。第一节液压泵概述第二节齿轮泵第三节叶片泵第四节柱塞泵第五节液压泵的噪声第六节液压泵的选用第一节液压泵概述一.液压泵的工作原理及特点1.液压泵的工作原理液压泵是靠密封容腔容积的变化来工作的。右图是液压泵的工作原理图。当凸轮1由原动机带动旋转时，柱塞2便在凸轮1和弹簧4的作用下在缸体3内往复运动。柱塞右移时，缸体中密封工作腔a的容积变大，产生真空，油箱中的油液便在大气压力作用下通过吸油单向阀5吸入缸体内，实现吸油；柱塞左移时,缸体中密封工作单柱塞式液压泵工作原理动画腔a的容量变小，油液受挤压，便通过1－凸轮；2－柱塞；3－泵体压油单向阀6输送到系统中去,实现压4－弹簧；5.6－单向阀油如果偏心轮不断地旋转，液压泵就会不断地完成吸油和压油动作，因此就会连续不断地液压系统供油。2.液压泵的特点从上述液压泵的工作过程可以看出，其基本特点是：（1)具有若干密封而又可以周期性变化的的空间液压泵的输出流量与此空间的容积变化量和单位时间内的变化次数成正比，与其它因素无关。（2）油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力这是容积式液压泵能够吸入油液的外部条件。因此，为保证液压泵正常吸油，油箱必须与大气相通，或采用封闭的充压油箱。（3）具有相应的配流机构将吸液腔和排液腔隔开，保证液压泵有规律地连续吸排液体。液压泵地结构原理不同，其配流机构也不相同。1)吸、压油腔的压力；2）q与p的关系；3）分类；液压泵按其在单位时间内所能输出的油液的体积是否可调节而分为定量泵和变量泵两种；按结构形式可分为齿轮式、叶片式、柱塞式三大类。二.液压泵的主要性能参数1.压力（1）工作压力指液压泵出口处的实际压力值。工作压力取决于液压泵输出到系统中的液体在流动过程中所受的阻力。（2）额定压力指液压泵在连续工作过程中允许达到的最高压力。额定压力值的大小由液压泵零部件的结构强度和密封性来决定。（3）最高允许压力指在超过额定压力的条件下，根据试验标准规定，允许液压泵短暂运行的最高压力值。2.排量和流量（1）排量V指在无泄漏情况下，液压泵转一转所能排出的油液体积。可见，排量的大小只与液压泵中密封工作容腔的几何尺寸和个数有关。（2）理论流量qt指在无泄漏情况下，液压泵单位时间内输出的油液体积。其值等于泵的排量V和泵轴转数n的乘积，即qt＝Vn（2－1）（3）实际流量q指单位时间内液压泵实际输出油液体积。由于工作过程泵的出口压力不等于零，因而存在内部泄漏量q1，使得泵的实际流量小于泵的理论流量，即q＝qt－q1（2－2）（4）额定流量qn泵在额定转数和额定压力下输出的实际流量。3.功率和效率（1）液压泵功率损失液压泵的功率损失有容积损失和机械损失两部分：1）容积损失主要是液压泵内部泄漏造成的流量损失。容积损失的大小用容积效率表征，即（2－3）式中取泄漏量Δq=klp。这是因为液压泵工作构件之间的间隙很小，泄漏液体的流动状态可以看作是层流，即泄漏量和泵的工作压力p成正比。Kl是液压泵的泄漏系数。2）机械损失指液压泵内流体粘性和机械摩擦造成的转矩损失。机械损失的大小用机械效率表征，即（2－5）1TTTTTtttm（2）液压泵的功率1）输入功率Pi驱动液压泵的机械功率，由电动机或柴油机给出，即（2－6）2）输出功率po液压泵输出的液压功率，即泵的实际流量q与泵的进、出口压差Δp的乘积。（2－7）在实际的计算中，若油箱通大气，液压泵吸、压油口的压力差△p往往用液压泵出口压力p代入。（3）液压泵的总效率液压泵的总效率是泵的输出功率与输入功率之比，即（2－9）液压泵的总效率、容积效率和机械效率可以通过实验测得。下图给出了某液压泵的性能曲线。第二节齿轮泵齿轮泵是一种常用的液压泵，其主要特点是：1.抗油液污染能力强，体积小，价格低廉；2.内部泄漏比较大，噪声大，流量脉动大，排量不能调节。上述特点使得齿轮泵通常被用于工作环境比较恶劣的各种低压、中压系统中。齿轮泵中齿轮的齿形以渐开线为多。在结构上可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵。外啮合齿轮泵应用广泛。一.外啮合齿轮泵（一）外啮合齿轮泵的工作原理右图是外啮合齿轮泵的工作原理图。由于齿轮端面与壳体端盖之间的缝隙很小，齿轮齿顶与壳体内表面的间隙也很小，因此可以看成将齿轮泵壳体内分隔成左、右两个密封容腔。当齿轮按图示方向旋转时，右侧的齿轮逐渐脱离啮合，因此这一侧的密封容腔的体积逐渐增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下经泵的吸油口进入这个腔体，因此这个容腔称为吸油腔。随着齿轮的转动，每1－壳体；2－主动齿轮；个齿间中的油液从右侧被带到了左侧。在3－从动轮左侧的密封容腔中，轮齿逐渐进入啮合，使左侧密封容腔的体积逐渐减小，把齿间的油液从压油口挤压输出的容腔称为压油腔。当齿轮泵不断地旋转时，齿轮泵的吸、压油口不断地吸油和压油，实现了向液压系统输送油液的过程。在齿轮泵中，吸油区和压油区由相互啮合的轮齿和泵体分隔开来，因此没有单独的配油机构。（二）外啮合齿轮泵的排量和流量计算1.排量V排量是液压泵每转一周所排出的液体体积。这里近似等于两个齿轮的齿间容积之和。设齿间容积等于齿轮体积，则有（2－11）式中，D—齿轮节圆直径；h—齿轮齿高；B—齿轮齿宽；Z—齿轮齿数；m—齿轮模数。由于齿间容积比轮齿的体积稍大，所以通常修正为（2－12）2.流量q当驱动齿轮泵的原动机转速为n时，齿轮泵的理论流量为qt＝vn(2－13）齿轮泵的实际输出流量为（2－14）式中，ηpv—齿轮泵的容积效率。式(2－14)中的q是齿轮泵的平均流量，实际上，在齿轮啮合过程齿轮泵的瞬时流量是脉动变化的。设qmax和qmin分别表示齿轮泵的最大、最小瞬时流量，则流量脉动率δq为（2－15）CB-B型齿轮泵结构图（三）外啮合齿轮泵的结构特点和优缺点外啮合齿轮泵的泄漏、困油和径向液压力不平衡是影响齿轮泵性能指标和寿命的三大问题。各种不同齿轮泵的结构特点之所以不同，都采用了不同结构措施来解决这三大问题所致。1.泄漏这里所说的泄漏是指液压泵的内部泄漏，即一部分液压油从压油腔流回吸油腔，没有输送到系统中去。泄漏降低了液压泵的容积效率。外啮合齿轮泵的泄漏存在着三个可能产生泄漏的部位：齿轮端面和端盖间；齿轮外圆和壳体内孔间以及两个齿轮的齿面啮合处。其中对泄漏影响最大的是齿轮端面和端盖间的轴向间隙，这部分泄漏量约占总泄漏量的75%－80%，因为这里泄漏途径短，泄漏面积大。轴向间隙过大，泄漏量多，会使容积效率降低；但间隙过小，齿轮端面和端盖间的机械摩擦损失增加，会使泵的机械效率降低。因此设计和制造时必须严格控制泵的轴向间隙。2.困油为了使齿轮平稳地啮合运转，根据齿轮啮合原理，齿轮的重叠系数应该大于1,即存在两对轮齿同时进入啮合的时候。因此，就有一部分油液困在两对轮齿所形成的封闭容腔之内，这个封闭容腔先随齿轮转动逐渐减小以后又逐渐增大。减小时会使被困油液受挤压而产生高压，并从缝隙中流出，导致油液发热，同时也使轴承受到不平衡负载的作用；封闭容腔的增大会造成局部真空，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。其封闭容积的变化如图所示。困油现象使齿轮泵产生强烈的噪声和气蚀，影响、缩短其工作的平稳性和寿命。消除困油现象的方法消除困油的方法，通常是在两端盖板上开一对矩形卸荷槽（见右图中的虚线所示）。开卸荷槽的原则是：当封闭容腔减小时，让卸荷槽与泵的压油腔相通，这样可使封闭容腔中的高压油排到压油腔中去；当封闭容腔增大时，使卸荷槽与泵的吸油腔相通，使吸油腔的油及时补入到封闭容腔中，从而避免产生真空，这样使困油现象得以消除。在开卸荷消除困油现象的方法槽时，必须保证齿轮泵吸、压油腔任何时候不能通过卸荷槽直接相通，否则将使泵的容积效率降低很多。若卸荷槽间距过大则困油现象不能彻底消除，所以两卸荷槽之间距离为式中a一齿轮压力角；t0一标准齿轮的基节。3.径向不平衡力在齿轮泵中，由于在压油腔和吸油腔之间存在着压差，液体压力的合力作用在齿轮和轴上，是一种径向不平衡力，如下图所示。径向不平衡力的大小为式中，K—系数；对于主动轮，K＝0.75。对从动轮，K=0.85；Δp—泵进、出口压力差；De—齿顶圆直径。由此可见，当泵的尺寸确定以后，油液压力越高径向不平衡力就越大。其结果是加速轴承的磨损，增大内部泄漏，甚至造成齿顶与壳体内表面的摩擦。减小径向不平衡力的方法有：（1）缩小压油腔（2）开压力平衡槽4.优缺点外啮合齿轮泵的优点就是结构简单，尺寸小，重量轻，制造方便，价格低廉，工作可靠，自吸能力强(容许的吸油真空度大)，对油液污染不敏感，维护容易。它的缺点是一些机件承受径向不平衡力，磨损严重，泄漏大，工作压力的提高受到限制。此外，它的流量脉动大，因为压力脉动和噪声都比较大。（四）提高外啮合齿轮泵压力的措施（五）齿轮泵的主要性能（1）压力：齿轮泵一般用于低压（＜2.5Mpa)大流量的系统(2)排量:0.05~800ml/r,常用的是2.5~250ml/r.(3)转速:常用的为1000~3000r/min.(4)效率:一般ηp＜0.6.(5):寿命:低压齿轮泵为3000~5000h,高压外啮合齿轮泵一般只有几百小时.要提高齿轮泵的工作压力，必须减小端面泄漏，可以采用浮动轴套或浮动侧板，使轴向间隙能自动补偿。利用特制的通道，把压力油引入右腔，在油压的作用下浮动轴套以一定的压紧力压向齿轮，压力愈高、压得愈紧，轴向间隙就愈小，因而减少了泄漏。当泵在较低压力下工作时，压紧力随之减小，泄漏也不会增加。(六)螺杆泵螺杆泵的工作机构是由互相啮合且装于定子内的三根螺杆组成，中间一根为主动螺杆，由电机带动，旁边两根为从动螺杆、另外还有前、后端盖等主要零件组成。1—从动螺杆2—吸油腔3—主动螺杆4—压油腔螺杆泵结构简单、紧凑，体积小，重量轻，运转平稳，输油均匀，噪声小，容许采用高转速，容积效率较高（达90%~95%），对油液的污染不敏感，因此它在一些精密机床系统中得到了应用。缺点是：螺杆形状复杂，加工较困难，不易保证精度。二.内啮合齿轮泵右图是内啮合渐开线齿轮泵的工作原理图。小齿轮1和内齿轮2相互啮合，它们的啮合线和月牙板3将泵体内的容腔分成吸油腔和压油腔。当小齿轮按图示方向转动时，内齿轮同向转动。容易看出，图中左面的腔体是吸油腔，右面的腔体是压油腔。内啮合齿轮泵的流量脉动率仅是外啮合齿轮泵流量脉动率的5%～10%。具有结构紧凑、噪声小和效率高等一系列内啮合渐开线齿轮泵优点。它的不足之处是齿形复杂，需要1－主动齿轮；2－从动齿轮专门的高精度加工设备，因此多被用在3－月牙板；4－吸油腔一些要求较高的系统中。5－压油腔右图是摆线齿轮泵的工作原理图。在内啮合摆线齿轮泵中，外转子1和内转子2只差一个齿，没有月牙板，并且在内、外转子的轴心线上有一偏心e，内转子2为主动轮，内、外转子的啮合点将吸、压油腔分开。在啮合过程中，左侧密封容腔逐渐变大是吸油腔，右侧密封容腔逐渐变小是压油腔。内啮合摆线齿轮泵内啮合摆线齿轮泵结构紧1－内齿轮；2－外齿轮凑，运动平稳，噪声低。但流量脉动比较大，啮合处间隙泄漏大。所以通常在工作压力为2.5～7MPa的液压系统中作为润滑、补油等辅助泵使用。第三节叶片泵叶片泵具有结构紧凑、流量均匀、噪声小、运转平稳等优点，因而被广泛用于中、低压液压系统中。但它也存在着结构复杂，吸油能力差，对油液污染比较敏感等缺点。叶片泵按结构可分为单作用式(完成一次吸、排油液)和双作用式（完成两次吸、排油液）两大类。单作用叶片泵多用于变量泵，双作用叶片泵均为定量泵。一.单作用叶片泵1.单作用叶片泵的工作原理右图为单作用叶片泵工作原理图。单作用叶片泵也是由转子l、定子2、叶片3和配油盘(图中未画出)等零件组成。与双作用叶片泵明显不同之处是，定子的内表面是圆形的，转子与定子之间有一偏心量e，配油盘只开一个吸油窗口和一个压油窗