液压泵与液压马达

第3章液压泵与液压马达§3-1概述本章介绍液压泵和液压马达原理、结构及在液压系统中的作用。本章重点：液压泵和液压马达功率和效率计算的基本方法。液压泵和液压马达工作原理、结构、参数以及选用。一、液压泵和液压马达的工作原理1、液压泵和液压马达的作用

液压泵作为液压系统的动力元件，将原动机（电动机）输入的机械能转换为液压能输出，为液压系统提供足够流量的压力油。它是一种能量转换装置。而液压马达是液压系统中的执行元件，是将液压泵提供的液压能转变为机械能，并驱动工作部件做旋转运动的能量转换装置。从原理上讲，液压泵和液压马达是可逆的，但结构细节上有差异，∴并非所有的液压泵和液压马达都可逆。2、液压泵的工作原理液压泵都是依靠密封容积变化的原理来进行工作的，故称为容积式液压泵。1-偏心轮2-柱塞3-缸体4-弹簧5、6-单向阀动画上图中弹簧的作用是使得柱塞始终与偏心轮接触。从上述泵的工作过程可以看出：（1）体积变化是吸油、压油的根本原因。这种依靠密封容积变化进行工作的泵，统称为容积式液压泵；（2）在吸油过程中，必须使油箱与大气相通，这是吸油的必要条件；在压油过程中，油液压力取决于油液从单向阀5压出时遇到的阻力，即液压泵的工作压力取决于外界负荷；（3）单向阀5、6是保证吸油时，使体积腔与油箱接通，同时切断供油管道；压油时，使体积腔与油液流向系统的供油管道相通而与油箱切断。5、6又称为配油装置，配油装置可在形式上各式各样，但它是液压泵工作中必不可少的部分。综上所述，液压泵正常工作的四个必备条件：必须具有一个由运动件和非运动件所构成的可变的密闭容积；三、液压泵与液压马达的压力、排量和流量1、压力：为了便于液压元件的设计、生产和使用，将压力分级：（1）工作压力：压力分级低压中压中高压高压超高压压力/MPa≤2.5＞2.5~8＞8~16＞16~32＞32液压泵的工作压力是指它的输出压力，其大小由负荷决定。如果负荷无限制增加，泵的压力也无限升高，直到泵的密封性和零件被损坏。因此在液压系中应设置安全阀，来限制泵的最大压力，起过载保护作用（p达到安全阀所限定的压力即卸荷）。液压马达的工作压力是指它的输入压力。（2）额定压力（公称压力）：

又称“满负荷压力”。指液压泵和液压马达在使用中允许达到的最大工作压力，超过此值就是过载。∽应符合GB2346-1980。（3）最大压力（最高允许压力）：液压泵、液压马达在短时间内过载时所允许的极限压力，它受泵本身密封性和零件强度的限制，由安全阀限制（最大压力=p安全阀＞额定压力）。2、液压泵和液压马达的排量、流量（1）排量：液压泵排量VP：

不考虑泄漏时，泵轴每转一周所排出的液体体积。VP可调节时为变量泵，反之为定量泵。液压马达排量Vm：

马达每转所需油液体积；排量常用单位为cm3/r(ml/r)。（2）流量①理论流量：qt液压泵qpt：不考虑泄露情况下，单位时间内所能输出的油液体积，即出口压力为零——载荷为零时的流量（此时无泄露且执行构件也不动作）；液压马达q

mt：空载无流量损失下运转所需流量；

qt=nV，V——排量，单位为m3/s或L/min。②实际流量：q液压泵qp：单位时间内实际排出的油液体积；若泄漏流量为Δqp，则：液压马达qm：液压马达实际运转所需输入的流量；若泄漏流量为，则:③额定流量（公称流量）qn：在额定转速、额定压力（泄露最大）下，泵输出（马达输入）的流量。即工作极限状况——满负荷时的最大流量。四、泵和马达的功率和与效率

液压泵由电动机驱动，输入量是转矩和转速（角速度），输出量是液体的压力和流量；马达则正好相反。1、液压泵的功率与效率（1）理论转矩Tt：由理论力学知识：转矩的功功率又∵泵的理论机械功率应无损耗地全部变换为泵的理论液压功率，∴（2）输入功率Pm：即驱动泵的机械功率T——泵轴上的实际输入转矩。m——机械（3）机械效率ηm：由于机械摩擦、液体摩擦，泵的实际输入转矩T总是大于其理论转矩Tt：

（4）容积效率ηv：由于泵存在泄漏（高压区流向低压区的内泄漏、泵体内向泵体外的泄露），泵的实际输出理流量q总是小于其理论流量qt，于是：（5）泵的输出功率Py：泵输出的液压功率（y——液压）（6）泵的总效率η：由于泵在能量转换时有能量损失（机械摩擦损失、泄露流量损失），泵的输出功率Py总是小于泵的输入功率Pm，∴即：泵的总效率=机械效率ηm和容积效率ηv的乘积。2、液压马达的功率和效率：（1）理论转矩Tmt：∵马达的理论液压功率应无损地全部变换为马达的理论机械功率：（2）输入功率PMy：即液压功率：（3）容积效率ηMV和转速nM：由于马达存在泄漏，马达需要的理论流量qMt总是小于马达的实际输入流量qM：∴注）：高速马达（nM＞500rpm）：转动惯量小，便于启动和制动；调速、换向灵敏度高。低速马达（nM＜500rpm）：排量大、体积大、转速低（几转~0.？转/min），可直接与工作机相连，无需减速装置，使传动机构大为简化。（4）机械效率ηMm：由于马达有各种摩擦损失，马达的实际输出转矩TM总是＜其理论转矩TMt，于是：（5）输出功率PMm：对外做功的机械功率：（6）总效率ηM：由于马达在能量转换时有能量损失（泄露流量损失、机械摩擦损失），马达的输出功率PMm总是＜马达的输入功率PMy，其总效率ηM为：即：

马达的总效率=容积效率与机械效率的乘积。§3-2齿轮泵

齿轮泵是一种常用的液压泵，其优点：①结构简单，制造方便；②体积小，重量轻，自吸性能好（允许的吸油真空度大）；③对油的污染不敏感，工作可靠，便于维修；④∵齿轮是对称的回转体，∴允许的转速高→q↑；⑤可以方便地实现双向泵：改变齿轮的转向→进油口、排油口对调；⑥由于啮合点处的齿面接触线及齿顶圆与泵体内壁的配合安装，分隔了高、低压两腔，起着配油作用，∴在齿轮泵中不需要设置专门的配流装置。齿轮泵的缺点：①∵每一瞬间的容积变化率不等，∴流量脉动大，噪声大；②排量不可调（一般做成定量泵）；③压力小（＜16MPa），η低（＜0.9）；齿轮泵由外啮合和内啮合两种结构形式。本节着重介绍外啮合齿轮泵的工作原理、结构性能。一、外啮合齿轮泵的工作原理二、外啮合齿轮泵的排量、流量

动画1动画2齿轮泵的排量可以看做是两个齿轮的齿槽容积之和。假设齿槽容积等于轮齿容积（近似计算），那么其排量=一个齿轮的齿槽容积和轮齿容积的总和。于是齿轮每转一转排出的液体体积——排量=以齿顶圆为外圆、以扣除顶隙部分的有效齿高（2m）为半径差、以齿宽为高所形成的环形筒的体积：实际上齿间槽的容积＞轮齿的容积，∴通常取§3-3叶片泵叶片泵的结构较齿轮泵复杂，但工作压力较高，且流量脉动小，工作平稳，噪声小，∴它被广泛用于继续制造中的专用机床、夹紧装置的低压液压系统中。根据转子旋转一周泵吸、排油次数的不同，叶片泵分为：完成一次吸、排油的单作用叶片泵和完成两次吸、排油的双作用叶片泵。前者多用于变量泵，后者均为定量泵。一、双作用叶片泵1、结构和工作原理：如下页图：1、11——轴承；7——右泵体；2——左配流盘；8——端盖；3——左泵体；9——传动轴；4——叶片；10——防尘密封圈；5——定子；12——螺钉；6——右配流盘；13——转子。动画动画上页图中：1——定子；2——转子；3——叶片；虚线为配油盘上的配油窗口（⊥图面前后均有配油盘）；中部椭圆形轮廓为定子内表面曲线。用长定位销将配流盘与定子定位并固定在泵体上，以保证配流盘上吸、压油窗口位置与定子内孔表面曲线相对应。转子上均匀开有叶片槽，叶片可以在槽内沿槽滑动。配流盘上开有与压油腔相通的环槽，将压力油引入叶片底部，推动叶片始终与定子内表面保持接触。传动轴支承在轴承上通过花键带动转子在配流盘之间转动。转子与定子中心重合，定子表面近于椭圆柱，由两段长半径圆弧R、两段短半径圆弧r和4短过渡曲线组成，过渡曲线的作用：产生密闭工作容积变化。工作原理：

当转子转动时，叶片在离心力和（建压后）叶片根部压力油的作用下，在转子槽内向外移动而压向定子表面，由叶片、定子的内表面、转子的圆形外表面和前后两侧配油盘之间就形成若干个密封空间。当转子按图示方向旋转时，处在小圆弧上的密封空间经过渡曲线而运动到大圆弧时，叶片外伸，密封空间的容积增大，吸油；再从大圆弧经过渡曲线运动到小圆弧的过程中，叶片被定子内壁逐渐压进槽内，密封空间容积变小，压油。转子每转一转，每个工作间要完成两次吸油和压油，故称之为双作用叶片泵。由于两个吸、压油腔相对于回转中心对称分布，∴作用在转子上的油液压力相互平衡，称为卸荷式叶片泵，宜于高压。2、排量、流量公式几何上可以证明，双作用叶片泵的排量为：上式中的第二项是考虑到叶片从R转动r时，在槽内回缩让出一部分体积，造成泵的排量减少的缘故。式中b——叶片宽度（⊥图面的尺寸）；S——叶片厚；Z——叶片数；θ——叶片倾角。叶片的安装角度：叶片安装时朝着旋转方向前倾的角度。目的：减少叶片对转子槽侧面的压紧力和磨损，使叶片伸缩灵活。见下页图。二、单作用叶片泵1、工作原理：如上页图，与双作用泵的主要区别在于它的定子是一个与转子偏心安装的圆环。这样，转子每转一转，由转子、定子、叶片和配流盘组成的密封容积只变化一次，∴配流盘上只需要两个配流窗口。2、排量与流量公式（e——偏心距）3、特点（1）可以通过改变定子的偏心距e来调节泵的排量和流量。偏心反向时，吸压油方向也相反；（2）转子受有不平衡的液压径向力，所以一般不用于高压。三、限压式变量叶片泵限压式变量叶片泵是单作用叶片泵，它能借助于输出压力的大小自动改变定子与转子间的偏心距e，从而改变输出流量q。1、工作原理如上页图：转子的中心O1是固定的，定子中心O2可以左右移动。在右端限压弹簧3作用下，定子被推向左端，靠紧在柱塞的右端面上，形成原始偏心距e0（即emax，emax≤e极限=d定子内孔－d转子），它决定了泵的最大流量。e0的大小可由柱塞旁螺钉1调节。泵的出口压力油，经泵体内的通道作用于柱塞的左端面上，使柱塞对定子产生一作用力pA，它平衡限压弹簧的预紧力kx0，k——弹簧刚度，x0——弹簧的预压缩量。当pA＜kx0时，限压弹簧的预压缩量不变，定子不做移动，e0（emax）保持不变，泵输出流量为最大；当负载增大，压力升高，直到pA=kx0，此时p称为泵的限定压力pB（q基本保持不变）；当pA＞kx0时，限压弹簧被压缩，定子右移，e↓，q↓。泵的出口压力越高，定子的偏心越小，泵的输出流量越小；当工作压力达到某一极限值pC（pmax——截止压力）时，定子移到最右端位置，偏心量减到最小使泵内偏心所产生的流量全部用于补偿泄露，泵的输出流量为零。此时，无论外负荷如何增大，p不会再升高。这种泵称为限压式叶片泵。至于外反馈的意义则表示反馈是通过柱塞从外面加到定子上的。2、特性曲线

见下页图：AB段：p＜pB，e=emax不变，qA=qmax。考虑到供油压力增大时，泵的泄露量也增加，∴实际输出流量略有减少。调节柱塞旁螺钉，可改变e0（emax）→改变qA（=qmax）→AB段上、下平移；P-q特性曲线BC段：p＞pB，定子朝e变小的方向移动，使q迅速减小。p大→q小，p小→q大。调节弹簧旁螺钉，可改变x0→改变pB的大小，使BC段左右移动；改变弹簧刚度k时，可以改变BC段的斜率，弹簧越软（k值越小），BC段越陡，pmax值越小；反之，pmax值越大；B点：最大功率点（P=pq）——拐点。3、特点及应用特点：与定量叶片泵相比：①结构复杂，尺寸庞大，泄露大，效率低；②因轴上受有不平衡径向液压力，噪声大；③能按负载压力自动调节流量→调节执行构件的速度（负载大→速度小，负载小→速度大），∴在功率利用上较为合理（输出功率P=pq稳定），可减少功率损耗。应用：执行机构需要有快、慢速运动的场合，如：①、组合机床进给系统实现快进、快退，需要大q、小p，可利用AB段；②、组合机床进给系统实现工进：需要小q、大p，用BC段；定位夹紧系统中：①、定位夹紧：需要低压大流量，用AB段；

②、夹紧结束保压：需要维持较大的压力和补偿泄露的流量（q=0，执行构件静止），用C点。§3-4柱塞泵柱塞泵是靠柱塞在刚体中作往复运动，造成密封容积变化来实现吸油与压油的液压泵。与齿轮泵、叶片泵相比，其优点：①构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和刚体的圆孔，加工方便，可得到较高的配合精度密封性能好，在高压下工作仍有较高的ηV；②只需要改变柱塞的工作行程，就能改变流量，易于实现变量；③柱塞主要零件均受压应力，材料强度能得以充分利用。应用：需要高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合——龙门刨、拉床、液压机、工程机械、矿山冶金机械、船舶。按柱塞的排列和运动方向不同，柱塞泵可分为径向、轴向柱塞泵两大类。一、径向柱塞泵1、工作原理如下页图：柱塞径向排列在缸体中，缸体由原动机带动连同柱塞一起旋转，∴缸体为转子。柱塞在离心力（或低压补油）作用下抵紧定子内壁，当转子按图示方向顺时针旋转时，由于定子和转子之间有偏心距e，柱塞绕经上半周时向外伸出，柱塞底部的容积↑，形成部分真空，于是便经衬套3（压紧在转子孔内，并随转子一起回转）上的油孔从配油轴的吸油腔b吸油；当柱塞转到下半周时，定子内壁将柱塞向里推，柱塞底部的容积↓，向配油轴的压油腔c压油。转子回转一周，每个柱塞底部的密封容积完成一次吸压油，转子连续转动，即完成泵的吸压油工作。配油轴固定不动，油液从配油轴上半部的两个孔a流入，从下半部两个油孔b压出。为了进行配油，配油轴在与衬套接触的一段加工出上下两个缺口，形成吸油腔b和压油腔c，留下的部分（左、右）形成封油区。2、排量和流量计算∵柱塞在孔中的行程为2e【从（R-e）~（R+e）】，∴注）：①q因e的大小而不同。若使定子做水平移动以调节e，就成为变量泵；若改变e的偏心方向，进出油口随之改变，这就是双向变量泵；②由于径向柱塞泵径向尺寸大，自吸能力差（行程短），且配油轴受到不平衡液压力的作用，易于磨损，从而限制了它转速和压力的提高。（∴下面重点介绍——）二、轴向柱塞泵1—缸体，2—配油盘（前后腰形孔为压、吸油口），3—柱塞，4—斜盘，5—传动轴，6—弹簧。

轴向柱塞泵是将多个柱塞轴向均匀配置在同一个缸体（即转子）的圆周上，并使柱塞中心线∥缸体中心线的一种泵。当缸体轴线与传动轴轴线重合时，称为直轴式（或斜盘式）轴向柱塞泵；当缸体轴线与传动轴成一个夹角γ