液压泵和液压马达原理

1、3.1液压泵概述液压泵概述机械能机械能： 对于刚体来说，机械能是其动能和势能的总和；对对于刚体来说，机械能是其动能和势能的总和；对于流体来说，机械能是其压力能、动能和势能的总于流体来说，机械能是其压力能、动能和势能的总和。和。压力能压力能： 伯努利方程表明，流体中与压力相关的那部分能量伯努利方程表明，流体中与压力相关的那部分能量叫作压力能。显然，流体的压力能等于其压力和体叫作压力能。显然，流体的压力能等于其压力和体积的乘积。在液压与气压传动中，压力能是主要的积的乘积。在液压与气压传动中，压力能是主要的能量形式，势能和动能比压力能小得多。能量形式，势能和动能比压力能小得多。 动力元件是指液压系统

2、的液压泵和动力元件是指液压系统的液压泵和气压系统的气源装置。它们由电动机或气压系统的气源装置。它们由电动机或柴油机驱动，把输入的机械能转换成油柴油机驱动，把输入的机械能转换成油液或气体的压力能输入到系统中去，为液或气体的压力能输入到系统中去，为系统的工作提供动力。系统的工作提供动力。轴轴向向柱柱塞塞泵泵径径向向柱柱塞塞泵泵叶叶片片泵泵齿齿轮轮泵泵定定量量泵泵轴轴向向柱柱塞塞泵泵叶叶片片泵泵变变量量泵泵泵泵低低速速液液压压马马达达轴轴向向柱柱塞塞马马达达径径向向柱柱塞塞马马达达齿齿轮轮马马达达定定量量马马达达轴轴向向柱柱塞塞马马达达变变量量马马达达马马达达图中为单柱塞泵的工作原理。凸轮由电动机图

3、中为单柱塞泵的工作原理。凸轮由电动机带动旋转。当凸轮推动柱塞向上运动时，柱塞和带动旋转。当凸轮推动柱塞向上运动时，柱塞和缸体形成的密封体积减小，油液从密封体积中挤缸体形成的密封体积减小，油液从密封体积中挤出，经单向阀排到需要的地方去。出，经单向阀排到需要的地方去。当凸轮旋转至曲线的下降当凸轮旋转至曲线的下降部位时，弹簧迫使柱塞向部位时，弹簧迫使柱塞向下，形成一定真空度，油下，形成一定真空度，油箱中的油液在大气压力的箱中的油液在大气压力的作用下进入密封容积。凸作用下进入密封容积。凸轮使柱塞不断地升降，密轮使柱塞不断地升降，密封容积周期性地减小和增封容积周期性地减小和增大，泵就不断吸油和排油。大，

4、泵就不断吸油和排油。动画演示动画演示3.1（1 1）容积式泵必定有一个或若干个周期变化的密）容积式泵必定有一个或若干个周期变化的密封容积。密封容积变小使油液被挤出，密封容积封容积。密封容积变小使油液被挤出，密封容积变大时形成一定真空度，油液通过吸油管被吸入。变大时形成一定真空度，油液通过吸油管被吸入。密封容积的变换量以及变化频率决定泵的流量。密封容积的变换量以及变化频率决定泵的流量。（2 2）合适的）合适的配流装置配流装置。不同形式泵的配流装置虽。不同形式泵的配流装置虽然结构形式不同，但所起作用相同，并且在容积然结构形式不同，但所起作用相同，并且在容积式泵中是必不可少的。容积式泵排油的压力决定

5、式泵中是必不可少的。容积式泵排油的压力决定于排油管道中油液所受到的负载。于排油管道中油液所受到的负载。容积式液压泵的共同工作原理如下：容积式液压泵的共同工作原理如下：工作压力工作压力是指泵的输出压力，其数值决定于外是指泵的输出压力，其数值决定于外负载。如果负载是串联的，泵的工作压力是这些负载。如果负载是串联的，泵的工作压力是这些负载压力之和；如果负载是并联的，则泵的工作负载压力之和；如果负载是并联的，则泵的工作压力决定于并联负载中最小的负载压力。压力决定于并联负载中最小的负载压力。 额定压力额定压力是指根据实验结果而推荐的可连续使是指根据实验结果而推荐的可连续使用的最高压力，他反映了泵的能力（

6、一般为泵铭用的最高压力，他反映了泵的能力（一般为泵铭牌上所标的压力）。在额定压力下运行时，泵有牌上所标的压力）。在额定压力下运行时，泵有足够的流量输出，并且能保证较高的效率和寿命。足够的流量输出，并且能保证较高的效率和寿命。 1 1、压力、压力 表表3.1压力分级压力分级压力分级压力分级低压低压中压中压中高压中高压高压高压超高压超高压压力压力（MPa）2.52.58816163232最高压力最高压力比额定压力稍高，可看作是泵的比额定压力稍高，可看作是泵的能力极限。一般不希望泵长期在最高压力能力极限。一般不希望泵长期在最高压力下运行下运行。2 2、排量和流量、排量和流量排量排量q指在无泄漏情况下

7、，液压泵转一转所指在无泄漏情况下，液压泵转一转所能排出的油液体积。能排出的油液体积。可见，排量的大小只与可见，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。液压泵中密封工作容腔的几何尺寸和个数有关。排量的常用单位是（排量的常用单位是（ml/r）。）。单柱塞泵单柱塞泵:q= d2H/4 理论流量理论流量QT 指在无泄漏情况下，液压泵单指在无泄漏情况下，液压泵单位时间内输出的油液体积。其值等于泵的排量位时间内输出的油液体积。其值等于泵的排量V V和泵轴转数和泵轴转数n n的乘积，即的乘积，即 QT=qn= d2Hn/4 实际流量实际流量Q指单位时间内液压泵实际输出油指单位时间内液压泵实际

8、输出油液体积。液体积。由于工作过程中泵的出口压力不等由于工作过程中泵的出口压力不等于零，因而存在内部泄漏量于零，因而存在内部泄漏量Q（泵的工作压（泵的工作压力越高，泄漏量越大），力越高，泄漏量越大），使得泵的实际流量使得泵的实际流量小于泵的理论流量，即小于泵的理论流量，即Q=QT-Q泵的实际流量和理论流量之比称为泵的实际流量和理论流量之比称为容积效率容积效率 PV=Q/QT=(QT-Q)/QT=1-Q/QT且且Q=QT PV图3-2 泵的实际流量和效率3 3、功率、机械效率和总效率、功率、机械效率和总效率输入功率输入功率Pi驱动液压泵的机械功率，由电驱动液压泵的机械功率，由电动机或柴油机给出动

9、机或柴油机给出Pi=2nMT输出功率输出功率Po液压泵输出的液压功率，液压泵输出的液压功率，Po=pQT根据能量守恒，有根据能量守恒，有pQT=2MTn将将QT=qn，消去，消去n得得MT=pq/2实际上，由于泵内有各种机械和液压摩擦损失，实际上，由于泵内有各种机械和液压摩擦损失，泵的实际输入转矩应大于理论转矩泵的实际输入转矩应大于理论转矩泵的摩擦损失由两部分组成泵的摩擦损失由两部分组成容积损失容积损失主要是液压泵内部泄漏造成的流量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损失。容积损失的大小用容积效率表征 PV机械损失机械损失指液压泵内流体粘性和机械摩擦指液压泵内流体粘

10、性和机械摩擦造成的转矩损失。机械损失的大小用机械效造成的转矩损失。机械损失的大小用机械效率表征率表征 Pm Pm=MT/MP液压泵的总效率液压泵的总效率泵的总效率是泵的输出功率泵的总效率是泵的输出功率与输入功率之比与输入功率之比 P= Pm. PV按结构分：按结构分：柱塞式柱塞式、叶片式叶片式和和齿轮式齿轮式按排量分：按排量分：定量和变量定量和变量按调节方式分：按调节方式分：手动式和自动式，自动手动式和自动式，自动式又分限压式、恒功率式、恒压式和恒式又分限压式、恒功率式、恒压式和恒流式等。流式等。按自吸能力分：按自吸能力分：自吸式合非自吸式自吸式合非自吸式液压泵和液压马达的图形符号液压泵和液压

11、马达的图形符号定量泵变量泵定量马达变量马达 双向变量泵双向变量马达图3-3 液压泵和液压马达的图形符号结束结束在第一节所述单柱塞泵中，凸轮使泵在第一节所述单柱塞泵中，凸轮使泵在半周内吸油，半周内排油。因此泵排出在半周内吸油，半周内排油。因此泵排出的流量是脉动的，它所驱动的液压缸或液的流量是脉动的，它所驱动的液压缸或液压马达的运动速度是不均匀的。所以无论压马达的运动速度是不均匀的。所以无论是泵或马达总是做成多柱塞的。常用的多是泵或马达总是做成多柱塞的。常用的多柱塞泵有径向式和轴向式两大类。柱塞泵有径向式和轴向式两大类。二、轴向柱塞泵二、轴向柱塞泵一、径向柱塞泵一、径向柱塞泵一、径向柱塞泵一、径向

12、柱塞泵柱塞 2-定子 3-转子 4-套 5-配流轴图3-31 径向柱塞泵工作原理1.1.径向柱塞泵的工作原理径向柱塞泵的工作原理图为径向柱塞泵的工作原理。之所以称为径图为径向柱塞泵的工作原理。之所以称为径向柱塞泵是因为有多个柱塞径向地配置在一个共向柱塞泵是因为有多个柱塞径向地配置在一个共同的缸体同的缸体3内。缸体由电动机带动旋转，柱塞要靠内。缸体由电动机带动旋转，柱塞要靠离心力耍出，但其顶部被定离心力耍出，但其顶部被定子子2的内壁所限制。定子的内壁所限制。定子2是是一个与缸体偏心放置的圆环。一个与缸体偏心放置的圆环。因此，当缸体旋转时柱塞就因此，当缸体旋转时柱塞就做往复运动。这里采用配流做往复

13、运动。这里采用配流轴配油，又称径向配流。径轴配油，又称径向配流。径向柱塞泵外形尺寸较大，目向柱塞泵外形尺寸较大，目前生产中应用不广。前生产中应用不广。斜盘 2-缸体 3-柱塞 4-配流盘 5-轴 6-弹簧图3-21 直轴式轴向柱塞泵的工作原理1、直轴式轴向柱塞泵原理、直轴式轴向柱塞泵原理二、轴向柱塞泵二、轴向柱塞泵图为该泵的工作原理。图中斜盘图为该泵的工作原理。图中斜盘1和配流盘和配流盘4固定不转，电机带动轴固定不转，电机带动轴5、缸体、缸体2以及缸体内柱以及缸体内柱塞塞3一起旋转。柱塞尾有弹簧，使其球头与斜盘一起旋转。柱塞尾有弹簧，使其球头与斜盘保持接触。保持接触。图3-22 配流盘配流盘配

14、流盘由于存在困油问题，为减少困油，因此在由于存在困油问题，为减少困油，因此在配油盘的槽配油盘的槽I、II的起始点开上条小三角槽，且的起始点开上条小三角槽，且在二配流槽的两端都开有小三角槽。见下图：在二配流槽的两端都开有小三角槽。见下图：2 2、流量、流量轴向柱塞泵的几何排量轴向柱塞泵的几何排量q=(dq=(d2 2/4)DZtg/4)DZtg平均理论流量为平均理论流量为Q QT T=(d=(d2 2/4)DZntg/4)DZntg式中式中 d d柱塞直径；柱塞直径；D D柱塞在缸体上柱塞在缸体上的分布直径；的分布直径；Z Z柱塞数；柱塞数；n n轴的转速；轴的转速； 斜盘倾斜角度。斜盘倾斜角度

15、。从上式看出：泵的流量及每转排量可通从上式看出：泵的流量及每转排量可通过改变斜盘倾角过改变斜盘倾角而改变，所以轴向柱而改变，所以轴向柱塞泵可很方便地做成变量泵。塞泵可很方便地做成变量泵。 叶片泵有两类：双作用和单作用叶片叶片泵有两类：双作用和单作用叶片泵，双作用叶片泵是定量泵，单作用泵往泵，双作用叶片泵是定量泵，单作用泵往往做成变量泵。往做成变量泵。叶片泵具有结构紧凑、流量均匀、噪声小、叶片泵具有结构紧凑、流量均匀、噪声小、运转平稳等优点，运转平稳等优点，因而被广泛用于中、低压液因而被广泛用于中、低压液压系统中。但它也存在着结构复杂，吸油能力压系统中。但它也存在着结构复杂，吸油能力差，对油液污

16、染比较敏感等缺点。差，对油液污染比较敏感等缺点。一、双作用叶片泵一、双作用叶片泵二、单作用叶片泵二、单作用叶片泵 1、结构和工作原理、结构和工作原理一、双作用叶片泵一、双作用叶片泵图中为双作用叶片泵结构。它主要由壳体图中为双作用叶片泵结构。它主要由壳体1、7，转子转子3，定子，定子4，叶片，叶片5，配流盘，配流盘2、6和主轴和主轴9等组等组成。成。1-前泵体 2-配流盘 -转子 4-定子 5-叶片 6-配流盘 7后泵体 8-端盖 9-主轴 10-密封防尘圈 11、12-轴承 13-螺钉动画动画3-3图3-13 双作用叶片工作原理压油吸油双作用叶片泵工作原理可由下图说明。当转子双作用叶片泵工作原

17、理可由下图说明。当转子3和叶片和叶片5一起按图示方向旋转时，由于离心力的一起按图示方向旋转时，由于离心力的作用，叶片紧贴在定子作用，叶片紧贴在定子4的内表面，把定子内表面、的内表面，把定子内表面、转子外表面和两个配流盘形成的空间分割成八块转子外表面和两个配流盘形成的空间分割成八块密封容积。随着转子的旋转，每一块密封容积会密封容积。随着转子的旋转，每一块密封容积会周期性地变大和缩小。一转周期性地变大和缩小。一转内密封容积变化两个循环。内密封容积变化两个循环。所以密封容积每转内吸油、所以密封容积每转内吸油、压油两次，称为双作用泵。压油两次，称为双作用泵。双作用使流量增加一倍，双作用使流量增加一倍，

18、流量也相应增加。流量也相应增加。2 2、排量和流量、排量和流量如图所示，当不考虑叶片如图所示，当不考虑叶片厚度时，双作用叶片泵的厚度时，双作用叶片泵的排量为排量为V0=2（V1-V2)ZZ为密封容腔的个数，为密封容腔的个数，V1和和V2分别是完成吸分别是完成吸油和压油后封油区内油和压油后封油区内油液的体积。显然油液的体积。显然考虑到考虑到=2/Z，所以所以 式中，式中，B一叶片的宽度，一叶片的宽度，R、r 定子的定子的长半径和短半径。长半径和短半径。 实际上叶片有一定厚度，叶片所占的空间减实际上叶片有一定厚度，叶片所占的空间减小了密封工作容腔的容积。因此转子每转因叶片小了密封工作容腔的容积。因

19、此转子每转因叶片所占体积而造成的排量损失为所占体积而造成的排量损失为 式中，式中，s叶片厚度；叶片厚度；叶片倾角。叶片倾角。因此，双作用叶片泵的实际排量为因此，双作用叶片泵的实际排量为 双作用叶片泵的实际输出流量为双作用叶片泵的实际输出流量为 式中，式中，n叶片泵的转速，叶片泵的转速，pv叶片泵的容积效率叶片泵的容积效率。 叶片泵的流量脉动很小。理论研究表明，当叶片泵的流量脉动很小。理论研究表明，当叶片数为叶片数为4 4的倍数时流量脉动率最小，所以双作用的倍数时流量脉动率最小，所以双作用叶片泵的叶片数一般取叶片泵的叶片数一般取12或或16。3、结构上的若干特点、结构上的若干特点（1 1）保持叶

20、片与定子内表面接触）保持叶片与定子内表面接触转子旋转时保证叶片与定子内表面接触时泵转子旋转时保证叶片与定子内表面接触时泵正常工作的必要条件。前文已指出叶片靠旋转时正常工作的必要条件。前文已指出叶片靠旋转时离心甩出，但在压油区叶片顶部有压力油作用，离心甩出，但在压油区叶片顶部有压力油作用，只靠离心力不能保证叶片与定子可靠接触。为此，只靠离心力不能保证叶片与定子可靠接触。为此，将压力油也通至叶片底部。但这样做在吸油区时将压力油也通至叶片底部。但这样做在吸油区时叶片对定子的压力又嫌过大，使定子吸油区过渡叶片对定子的压力又嫌过大，使定子吸油区过渡曲线部位磨损严重。减少叶片厚度可减少叶片底曲线部位磨损严

21、重。减少叶片厚度可减少叶片底部的作用力，但受到叶片强度的限制，叶片不能部的作用力，但受到叶片强度的限制，叶片不能过薄。这往往成为提高叶片泵工作压力的障碍。过薄。这往往成为提高叶片泵工作压力的障碍。在高压叶片泵中采用各种结构来减小叶片对定子在高压叶片泵中采用各种结构来减小叶片对定子的作用力。的作用力。（2 2）端面间隙）端面间隙为了使转子和叶片能自由旋转，它们为了使转子和叶片能自由旋转，它们与配油盘二端面间应保持一定间隙。但间与配油盘二端面间应保持一定间隙。但间隙也不能过大，过大时将使泵的内泄漏增隙也不能过大，过大时将使泵的内泄漏增加，泵容积效率降低。一般中、小规格的加，泵容积效率降低。一般中、

22、小规格的泵其端面间隙为泵其端面间隙为0.020.04mm。（3 3）定子曲线）定子曲线这里指的是连接四段圆弧的过渡曲线。这里指的是连接四段圆弧的过渡曲线。较早期的泵采用阿基米德螺线。较早期的泵采用阿基米德螺线。即即 =r2+a 及及 =r1-a 采用阿基米德螺线时，叶片径向速度不变，采用阿基米德螺线时，叶片径向速度不变，不会引起泵流量脉动。不会引起泵流量脉动。（4 4）叶片倾角）叶片倾角从前图中可看出叶片顶部顺转子旋转从前图中可看出叶片顶部顺转子旋转方向转过一角度方向转过一角度 。很明显，叶片顶部与。很明显，叶片顶部与定子曲线间是滑动摩擦。在压油区，叶片定子曲线间是滑动摩擦。在压油区，叶片依靠

23、定子内表面迫使叶片沿叶片槽向里运依靠定子内表面迫使叶片沿叶片槽向里运动，其作用与凸轮相似，叶片与定子内表动，其作用与凸轮相似，叶片与定子内表面接触时有一定压力角。面接触时有一定压力角。4、类型、类型前图所示叶片泵额定压力前图所示叶片泵额定压力6.3MPa，转，转速有速有10001500r/min，流量有，流量有6100r/min多种规格，容积效率多种规格，容积效率90%左右，主要用于左右，主要用于机床。机床。 （动画（动画3-43-4） 图3-13 单作用叶片工作原理压油吸油1 1 、工作原理、工作原理单作用叶片泵工作原理见下图。由图可看出，单作用叶片泵工作原理见下图。由图可看出，与双作用泵的

24、主要差别在于它的定子是一个与转与双作用泵的主要差别在于它的定子是一个与转子偏心放置的圆环。子偏心放置的圆环。转子每一转，转子、转子每一转，转子、定子叶片和配流盘定子叶片和配流盘形成的密封容积只形成的密封容积只变换一次，所以配变换一次，所以配流盘上只需要一个流盘上只需要一个配流窗口。配流窗口。单作用叶片泵结构如图单作用叶片泵结构如图泵的转子泵的转子K及其轴承上会受到不平衡的液及其轴承上会受到不平衡的液压力，大小为压力，大小为:P=pBD式中式中P转子受到的不平衡液压力；转子受到的不平衡液压力；p泵的工作压力；泵的工作压力；B定子的宽度；定子的宽度；D定子内直径。定子内直径。计算泵的几何排量为：计

25、算泵的几何排量为：q=B (R+e)2-(R-e)2=4B Re=2 Bde理论流量为：理论流量为：QT=2 Bde式中式中R定子内半径；定子内半径；e定子与转子的偏心量；定子与转子的偏心量； 2 2 、限压式变量叶片泵（动画、限压式变量叶片泵（动画3-53-5）左图中表示限压式变量叶片泵的原理，右图为左图中表示限压式变量叶片泵的原理，右图为其特性曲线。泵的输出压力作用在定子右侧的活塞其特性曲线。泵的输出压力作用在定子右侧的活塞1上。当压力作用在活塞上的力不超过弹簧上。当压力作用在活塞上的力不超过弹簧2的预紧的预紧力时，泵的输出流量基本不变。当泵的工作压力增力时，泵的输出流量基本不变。当泵的工

26、作压力增加，作用于活塞上的力超过弹簧的预紧力时，定子加，作用于活塞上的力超过弹簧的预紧力时，定子向左移动，偏心向左移动，偏心量减小，泵的输量减小，泵的输出流量减小。当出流量减小。当泵压力到达某一泵压力到达某一数值时，偏心量数值时，偏心量接近零，泵没有接近零，泵没有流量输出。流量输出。 下图是限压变量泵的实际结构。图中定子上下图是限压变量泵的实际结构。图中定子上半部为压油区，作用在定子内部的液体压力使定半部为压油区，作用在定子内部的液体压力使定子向上并通过滑块子向上并通过滑块2 2使之与滚针导轨使之与滚针导轨1 1靠紧，使定靠紧，使定子移动灵活。螺钉子移动灵活。螺钉1111用以调节限压式变量泵的

27、起用以调节限压式变量泵的起控压力。螺钉控压力。螺钉8 8用以限制定子的最大偏心量，即泵用以限制定子的最大偏心量，即泵的空载流量。的空载流量。1-滚针 2-滑块 3-定子 4-转子 5-叶片 6-活塞 7-轴 8-最大流量调节螺钉 9-弹簧座 10-弹簧 11-压力调节螺钉 此泵的结构有以下两点值得注意：此泵的结构有以下两点值得注意： （1 1）叶片底部油液是自动切换的。即当叶片在）叶片底部油液是自动切换的。即当叶片在压油区时，其底部通压力油；在吸油区时则与压油区时，其底部通压力油；在吸油区时则与吸油腔相通。所以叶片上、下的液压力是平衡吸油腔相通。所以叶片上、下的液压力是平衡的，有利于减少叶片与

28、定子间的磨损。的，有利于减少叶片与定子间的磨损。 （2 2）叶片也有一倾角，但倾斜方向正好与双作）叶片也有一倾角，但倾斜方向正好与双作用泵相反。此种泵中，叶片上下液压力是平衡用泵相反。此种泵中，叶片上下液压力是平衡的，叶片的向外运动主要依靠其旋转时所受到的，叶片的向外运动主要依靠其旋转时所受到的惯性力。的惯性力。 上诉泵的额定压力为上诉泵的额定压力为6.3MPa，主要用于机，主要用于机床和压力机。床和压力机。结束结束一、概述一、概述二、外啮合齿轮泵工作原理二、外啮合齿轮泵工作原理三、外啮合齿轮泵的几个问题三、外啮合齿轮泵的几个问题四、内啮合齿轮泵四、内啮合齿轮泵五、齿轮马达五、齿轮马达 齿轮泵是液压泵中结构最简单的一种泵，它齿轮泵是液压泵中结构最简单的一种泵，它的抗污染能力强，价格最便宜。但一般齿轮泵