第2章 液压动力元件1

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液压泵的噪声2.6液压泵的选用2.1液压泵概述一个完整的液压系统中包含有多种液压元件，如动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件等。本章介绍液压动力元件，即液压泵。液压泵将原动机（电动机和内燃机）输出的机械能转换成工作液体的压力能，是一种能量转换装置。电动机用于固定设备，如机床、油压机等。内燃机用于移动设备，如液压铲车、叉车等工程机械。1、液压泵的工作原理液压泵都是依靠周期性变化的密封容积和配流装置来进行工作的，故一般称为容积式液压泵。主要形式有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。如图是单柱塞液压泵的工作原理图。柱塞装在缸体中形成密封工作容积。当原动机驱动凸轮旋转时，在凸轮和弹簧的作用下，柱塞便在缸体内做往复运动。柱塞右移时，缸体中密封工作容积变大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压作用下，经吸油管顶开单向阀（吸油阀）进入缸体内，实现吸油。柱塞左移时，缸体中密封工作容积变小，油液受挤压，通过单向阀（压油阀）输送到系统中去，实现压油。当偏心轮不断旋转，液压泵就不断地吸油和压油，从而不断地向液压系统供油。2.1液压泵概述一、液压泵的工作原理及特点2、液压泵的特点单柱塞液压泵具有一切容积式液压泵的基本特点。1）具有若干密封且又可以周期性变化的的空间2）油箱内液体的绝对压力≥pa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将吸油腔和压油腔隔开，保证液压泵有规律地连续吸排液体。液压泵的结构原理不同，其配流机构也不相同。阀配流————————单柱塞泵端面配流或盘式配流——叶片泵、轴向柱塞泵轴配流————————径向柱塞泵无——————————齿轮泵2.1液压泵概述一、液压泵的工作原理及特点1、压力工作压力液压泵实际工作时的出口压力。工作压力取决于外负载的大小和排油管路上的压损，而与流量无关。额定压力液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转所允许的最高压力。额定压力取决于液压泵零部件的结构强度和密封性。最高允许压力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。最高允许压力也取决于液压泵零部件的结构强度和密封性。2.1液压泵概述二、液压泵的主要性能参数2、排量和流量排量V在不考虑泄漏的情况下，液压泵每转一周，所排出油液的体积。排量的大小由密封容积几何尺寸的变化计算而得。理论流量qt在不考虑泄漏的情况下，液压泵在单位时间内所排出油液的体积。qt＝V.n,其中n为主轴转速。实际流量q在具体实际工况下，液压泵在单位时间内所排出油液的体积。q=qt-q1，其中q1为泄漏和压损引起的流量。额定流量qn泵在额定压力和额定转速下输出的实际流量。2.1液压泵概述二、液压泵的主要性能参数3、功率输入功率Pi驱动液压泵的机械功率，即液压泵主轴转矩Ti和主轴角速度ω的乘积。Pi=Ti.ω输出功率P液压泵输出的液压功率，即泵的进出口压差Δp与泵的实际流量q的乘积。P=Δp.q在实际的计算中，若油箱通大气，液压泵吸、压油口的压力差Δp往往用液压泵出口压力p代替。2.1液压泵概述二、液压泵的主要性能参数4、效率容积效率ηV用来表征液压泵的容积损失，即由液压泵内部泄漏造成的流量损失。ηV=q/qt，其中q为液压泵的实际流量，qt为理论流量。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，即泄漏量与泵的工作压力p成正比，kl是液压泵的泄漏系数。机械效率ηm用来表征液压泵的机械损失，即由液压泵内流体的粘性和机械摩擦造成的转矩损失。ηm=Tt/Ti，其中Tt为液压泵的理论转矩，Ti为主轴实际输入转矩。总效率η即液压泵的输出功率与输入功率之比，η=P/Pi。Pi=ΔP.q/ηη=ΔP.q/(Ti.ω)=(ΔP.qt.ηV)/(Tt.ω/ηm)=ηV.ηm2.1液压泵概述二、液压泵的主要性能参数齿轮泵的分类：按结构不同，可分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵。以外啮合齿轮泵应用最广。按齿形不同，可分为渐开线齿轮泵和摆线齿轮泵。以渐开线齿轮泵应用最多。2.2齿轮泵1、工作原理外啮合齿轮泵由前、后端盖和壳体组成。壳体内装有一对共轭啮合齿轮。齿轮端面与端盖之间、齿轮齿顶与壳体内表面之间都有间隙，但间隙很小。壳体、端盖和齿轮的各个齿间槽之间形成了许多密封容积。当齿轮按图示方向旋转时，在泵体右侧，轮齿逐渐脱离啮合，右侧密封工作容积逐渐增大，形成局部真空，油液经吸油管进入吸油腔，将齿间槽充满。随着齿轮的转动，每个齿间中的油液从右侧被带到了左侧。在泵体左侧，轮齿逐渐进入啮合，左侧密封工作容积逐渐减小，齿间的油液从压油口挤出，从压油腔输送到压力管路中去。齿轮泵不断旋转，吸压油口就不断吸油和压油，从而不断向液压系统输送油液。在齿轮泵中，吸油腔和压油腔由相互啮合的轮齿和泵体分隔开来，因此没有单独的配流机构。2.2齿轮泵一、外啮合齿轮泵2.2齿轮泵一、外啮合齿轮泵排量，是液压泵每转一周所排出的油液体积。即所有密封工作容积排出的油液体积总和，这里近似等于两个齿轮的轮齿齿间容积之和。设齿间容积等于轮齿体积，则有其中：D—节圆直径，h—齿高，B—齿宽，z—齿数，m—模数由于齿间容积比轮齿的体积稍大，所以通常修正为22226.66VDhBmzmBzmBVzmB2、排量和流量计算2.2齿轮泵一、外啮合齿轮泵理论流量其中：n——泵的转速流量其中：ηV——泵的容积效率流量脉动率上述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σ为22maxmin6.666.66100%ttVVqVnzmBnqqzmBnqqq2、排量和流量计算3、结构中存在的三大问题1）泄漏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——轴向间隙齿轮外圆和壳体内孔间——径向间隙两个齿轮的轮面啮合处——齿侧间隙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，会使泵的容积效率降低；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。2.2齿轮泵一、外啮合齿轮泵3、结构中存在的三大问题2）困油为了使齿轮平稳地啮合运转，必须满足重叠系数ε＞1,即在一对轮齿即将脱离啮合之前，后面的一对轮齿就要开始啮合。就在两对轮齿同时啮合的这一小段时间内，留在齿间的油液困在两对轮齿和前后端盖所形成的密封容腔中。2.2齿轮泵一、外啮合齿轮泵3、结构中存在的三大问题2）困油困油现象随着齿轮旋转，这个密封容腔逐渐减小，直到两个啮合点A、B处于节点两侧的对称位置，此时密封容腔减到最小，随后密封容腔又逐渐增大。密封容腔减小时，会使被困油液受挤压而产生高压（用液体颜色变深表示高压特点），并从缝隙中强行挤出，导致油液发热，同时也使轴承受到很大的不平衡径向力。封闭容腔增大时，会造成局部真空（用液体颜色变浅表示低压特点），使油液中溶解的气体分离出来，产生空穴，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，影响泵的工作平稳性，缩短泵的使用寿命。2.2齿轮泵一、外啮合齿轮泵3、结构中存在的三大问题2）困油消除困油现象的措施在齿轮泵的两侧端盖上开一对矩形卸荷槽。开卸荷槽的作用：当封闭容腔减小时，使卸荷槽与压油腔相通，将封闭容腔中的高压油排到压油腔；当封闭容腔增大时，使卸荷槽与吸油腔相通，将吸油腔的油补入封闭容腔，从而避免产生局部真空。开卸荷槽的原则：必须保证在任何时候都不能使吸油腔和压油腔通过卸荷槽直接相通，否则将使泵的容积效率降低很多。卸荷槽间距也不能过大，否则困油现象不能彻底消除。2.2齿轮泵一、外啮合齿轮泵3、结构中存在的三大问题3）径向不平衡力在齿轮泵中，由于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。径向不平衡力的大小为：F=K.Δp.B.De式中，K—系数；主动轮为0.75；从动轮为0.85；Δp—泵进出口压力差；De—齿顶圆直径。当泵的尺寸确定以后，油液压力越高径向不平衡力就越大。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：缩小压油腔开压力平衡槽2.2齿轮泵一、外啮合齿轮泵4、特点优点结构简单，制造方便尺寸小，重量轻价格低廉工作可靠自吸能力强抗油液污染能力强，维护容易2.2齿轮泵一、外啮合齿轮泵缺点承受径向不平衡力，磨损严重内部泄漏大，工作压力的提高受到限制流量脉动大，压力脉动和噪声大排量不能调节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。4、特点优点结构简单，制造方便尺寸小，重量轻价格低廉工作可靠自吸能力强抗油液污染能力强，维护容易缺点承受径向不平衡力，磨损严重内部泄漏大，工作压力的提高受到限制流量脉动大，压力脉动和噪声大排量不能调节2.2齿轮泵二、内啮合齿轮泵1、内啮合渐开线齿轮泵工作原理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。图中上面的腔体是吸油腔，下面的腔体是压油腔。特点流量脉动率仅是外啮合齿轮泵的5%～10%结构紧凑、噪声小、效率高但齿形复杂，需要专门的高精度加工设备多被用在一些要求较高的系统中。2.2齿轮泵二、内啮合齿轮泵2、内啮合摆线齿轮泵工作原理内转子和外转子只差一个齿，没有月牙板。在内、外转子的轴心线上有一偏心e。内转子为主动轮。内、外转子的啮合点将吸、压油腔分开。在啮合过程中，上侧密封容腔逐渐变大是吸油腔，下侧密封容腔逐渐变小是压油腔。特点结构紧凑，运动平稳，噪声低。但流量脉动比较大，啮合处间隙泄漏大。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。2.3叶片泵容积式液压泵的主要形式有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。叶片泵按结构可分为单作用叶片泵和双作用叶片泵。单作用叶片泵，是指转子旋转一周，密封工作容积完成一次吸油和一次压油；双作用叶片泵，是指转子旋转一周，密封工作容积完成两次吸油和两次压油。2.3叶片泵一、单作用叶片泵1、结构单作用叶片泵主要由定子、转子、叶片、端盖和配油盘组成。定子和转子的内表面都是圆柱形，但定子与转子之间存在偏心距e。转子上面开有叶片槽，叶片可在槽内滑动（外伸或缩回）。当转子旋转时，由于离心力作用，叶片顶部始终紧靠定子内壁，这样在定子内壁、转子外壁、叶片和两侧配油盘之间就形成了若干个密封的工作容积。2.3叶片泵一、单作用叶片泵2、工作原理配流方式为盘式配流，也称端面配流。配油盘上开有两个腰圆形的窗口，即一个吸油窗口和一个压油窗口。在吸油窗口和压油窗口之间有一段封油区，用于把吸油腔和压油腔隔开。配油盘装在前端盖或后端盖内侧。当转子按图示顺时针方向旋转时，在泵的左半部，叶片逐渐外伸，叶片间的工作容积逐渐增大，从吸油口吸油；在泵的右半部，叶片被定子内壁压进槽内，叶片间的工作容积逐渐减小，从压油口排油。转子旋转一周，每个工作容积完成一次吸油和一次压油。转子不停地旋转，泵就不停地吸油和压油。3、排量和流量计算排量，即转子旋转一周，所有密封工作容积排出的油液体积总和V。设定子直径为D，宽度为B，两叶片间夹角为β，叶片数为z，定子与转子的偏心量为e，泵转速为n，容积效率为ηV。当转子旋转一周，某一密封工