液压泵的结构及工作原理081028_机械/仪表_工程科技_专业资料。液压泵的结构及工作原理

　　液压泵的结构及工作原理 一、泵的分类 二、泵的参数及计算公式 三、齿轮泵 四、叶片泵 五、柱塞泵 一、液压泵的分类 液压泵是将原动机的机械能转换为液压能的能量转换元件、在液压传动中、 液压泵作为动力元件向液压系统提供液压能。 液压泵 二、液压泵的主要技术参数和计算公式 2.1 液压泵的主要技术参数 （1）泵的排量（mL/r）泵每旋转一周、所能排出的液体体积。 （2）泵的理论流量（L/min）在额定转数时、用计算方法得到的单位时 间内泵能排出的流量。 （3）泵的额定流量（L/min）在正常工作条件下；保证泵长时间运转所 能输出的流量。 （4）泵的额定压力（MPa）在正常工作条件下，能保证泵能长时间运转 的压力。 （5）泵的压力（MPa）允许泵在短时间内超过额定压力运转时的 高压 （6）泵的额定转数（r/min）在额定压力下，能保证长时间正常运转的 转数。 （7）泵的转数（r/min）在额定压力下，允许泵在短时间内超过额 定转速运转时的转数。 （8）泵的容积效率（%）泵的实际输出流量与理论流量的比值。 （9）泵的总效率（%）泵输出的液压功率与输入的机械功率的比值。 （10）泵的驱动功率（kW）在正常工作条件下能驱动液压泵的机械功率。 二、液压泵的主要技术参数和计算公式 2.2液压泵的计算公式 参数名称 单位 计算公式 q0=V·n q=V·n·η0 符号说明 V—排量（mL/r） n—转速（r/min） q0—理论流量（L/min） q—实际流量（L/min） Pi—输入功率（kW） T—转矩（N·m） P0—输出功率（kW） p—输出压力（MPa） η0——容积效率（%） ηm——机械效率（%） η—总效率（%） 流量 L/min 输入功率 输出功率 容积效率 机械效率 总效率 kW kW % % % Pi=2πTn/600 P0=pq/60 η0= q/q0 *100 ηm=1000pq0/2πTn*100 ηm=p0/pi *100 三、齿轮泵 3.1齿轮泵的概述 ? 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。 ? 泵主要由主、从动齿轮，驱动轴，泵体及 侧板等主要零件构成。 三、齿轮泵 3.2外啮合齿轮泵的工作原理 ? 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。 3、齿轮泵 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 三、齿轮泵 3.3、齿轮泵困油的现象 ? 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 三、齿轮泵 图2.5 齿轮泵的困油现象及消除措施 三、齿轮泵 3.4齿轮泵的径向不平衡力 ? 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。 三、齿轮泵 3.5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： ? 一是通过齿轮啮合线处的间隙——齿侧间隙， ? 二是通过泵体定子环内孔和齿顶间的径向间隙— —齿顶间隙， ? 三是通过齿轮两端面和侧板间的间隙——端面间 隙。 ? 在这三类间隙中，端面间隙的泄漏量，压力 越高，由间隙泄漏的液压油就愈多。 三、齿轮泵 3.5齿轮泵的泄漏通道及端面间隙的自动补偿 ? 通常采用的自动补偿端面间隙装置有：浮动轴套 式和弹性侧板式两种，其原理都是引入压力油使 轴套或侧板紧贴在齿轮端面上，压力愈高，间隙 愈小，可自动补偿端面磨损和减小间隙。齿轮泵 的浮动轴套是浮动安装的，轴套外侧的空腔与泵 的压油腔相通，当泵工作时，浮动轴套受油压的 作用而压向齿轮端面，将齿轮两侧面压紧，从而 补偿了端面间隙。 三、齿轮泵 3.6内啮合齿轮泵的结构及工作原理 内啮合齿轮泵有渐开线齿形和摆线齿形两种， 其结构示意可见图2.6。这两种内啮合齿轮泵工作 原理和主要特点皆同于外啮合齿轮泵。在渐开线 齿形内啮合齿轮泵中，小齿轮和内齿轮之间要装 一块月牙隔板，以便把吸油腔和压油腔隔开，如 图2.6（a）；摆线齿形啮合齿轮泵又称摆线转子 泵，在这种泵中，小齿轮和内齿轮只相差一齿， 因而不需设置隔板，如图2.6（b）。内啮合齿轮 泵中的小齿轮是主动轮，大齿轮为从动轮，在工 作时大齿轮随小齿轮同向旋转。 三、齿轮泵 图2.6 内啮合齿轮泵 1-吸油腔，2.压油腔，3-隔板 三、齿轮泵 3.7内啮合齿轮泵的特点 ? 内啮合齿轮泵的结构紧凑，尺寸小，重量 轻，运转平稳，噪声低，在高转速工作时 有较高的容积效率。但在低速、高压下工 作时，压力脉动大，容积效率低，所以一 般用于中、低压系统。在闭式系统中，常 用这种泵作为补油泵。内啮合齿轮泵的缺 点是齿形复杂，加工困难，价格较贵，且 不适合高速高压工况。 四、叶片泵 4.1叶片泵 ? 叶片泵有单作用式和双用式两大类，它输 出流量均匀，脉动小，噪声小，但结构较 复杂，对油液的污染比较敏感。 四、叶片泵 ? 4.1单作用叶片泵工作原理 ? 图2.7为单作用叶片泵的工作原理，泵由转2、定子3、叶 片4和配流盘等件组成。定子的内表面是圆柱面，转子和 定子中心之间存在着偏心，叶片在转子的槽内可灵活滑动， 在转子转动时的离心力以及叶片根部油压力作用下，叶片 顶部贴紧在定子内表面上，于是，两相邻叶片、配油盘、 定子和转子便形成了一个密封的工作腔。当转子按图示方 向旋转时，图右侧的叶片向外伸出，密封工作腔容积逐渐 增大，产生线、配油盘上的吸油窗 口进入密封工作腔；而在图的左侧，叶片往里缩进，密封 腔的容积逐渐缩小，密封腔中的油液排往配油盘排油窗口， 经排油口1被输送到系统中去。这种泵在转子转一转的过 程中，吸油、压油各一次，故称单作用叶片泵。从力学上 讲，转子上受有单方向的液压不平衡作用力，故又称非平 衡式泵，其轴承负载大。若改变定子和转子间的偏心距的 大小，便可改变泵的排量，形成变量叶片泵。 四、叶片泵 图2.7单作用叶片泵工作原理 1-压油口;2.转子;3-定子;4-叶片;5-吸油口 四、叶片泵 4.2单作用叶片泵和变量原理 ? 就变量叶片泵的变量工作原理来分,有内反馈式和外反馈 式两种。 ? （1） 限压式内反馈变量叶片泵 ? 内反馈式变量泵操纵力来自泵本身的排油压力，内反馈式 变量叶片泵配流盘的吸，排油窗口的布置如图2.9。由于 存在偏角 ，排油压力对定子环的作用力可以分解为垂直 于轴线及与之平行的调节分力F2，调节分力F2 与调节弹簧的压缩恢复力、定子运动的摩擦力及定子运动 的惯性力相平衡。定子相对于转子的偏心距、泵的排量大 小可由力的相对平衡来决定，变量特性曲线变量特特性曲线 当泵的工作压力所形成的调节分力F2小于弹簧预紧力时，泵的定子环 对转子的偏心距保持在值，不随工作压力的变化而变，由于泄漏， 泵的实际输出流量随其压力增加而稍有下降，如图2.10中AB；当泵的 工作压力超过 值后，调节分力F2大于弹簧预紧力，随工作压力的增 加，力F2增加，使定子环向减小偏心距的方向移动，泵的排量开始下 降。当工作压力到达 时，与定子环的偏心量对应的泵的理论流量等于 它的泄漏量，泵的实际排出流量为零，此时泵的输出压力为。 ? 改变调节弹簧的预紧力可以改变泵的特性曲线，增加调节弹簧的预紧 力使 点向右移，BC线则平行右移。更换调节弹簧，改变其弹簧刚度， 可改变BC段的斜率，调节弹簧刚度增加，BC线变平坦，调节弹簧刚 度减弱，BC线变徒。调节流量调节螺钉，可以调节曲线A点在纵 座标上的位置。 ? 内反馈式变量泵利用泵本身的排出压力和流量推动变量机构，在泵的 理论排量接近零工况时，泵的输出流量为零，因此便不可能继续推动 变量机构来使泵的流量反向，所以内馈式变量泵仅能用于单向变量。 ? 图2.11外反馈限压式变量叶片泵 1-转子；2.弹簧；3-定子；4-滑块滚针支承；5-反馈柱塞；6-流量调节螺钉 四、叶片泵 4.3单作用叶片的特点 ? (1) 存在困油现象 ? 配流盘的吸、排油窗口间的密封角略大于两相邻叶片间的夹角，而单 作用叶片泵的定子不存在与转子同心的圆弧段，因此，当上述被封闭 的容腔发生变化时，会产生与齿轮泵相类似的困油现象，通常，通过 配流盘排油窗口边缘开三角卸荷槽的方法来消除困油现象。 ? (2) 叶片沿旋转方向向后倾斜 ? 叶片仅靠离心力紧贴定子表面，考虑到叶片上还受哥氏力和摩擦力的 作用，为了使叶片所受的合力与叶片的滑动方向一致，保证叶片更容 易的从叶片槽滑出，叶片槽常加工成沿旋转方向向后倾斜。 ? (3) 叶片根部的容积不影响泵的流量 ? 由于叶片头部和底部同时处在排油区或吸油区中，所以叶片厚度对泵 的流量没有多大影响。 ? (4） 转子承受径向液压力 ? 单作用叶片泵转子上的径向液压力不平衡，轴承负荷较大。这使泵的 工作压力和排量的提高均受到限制。 四、叶片泵 4.4双作用叶片泵工作原理 ? 图2.12为双作用叶片泵的工作原理图，它的作用原理和单 作用叶片泵相似，不同之处只在于定子内表面是由两段长 半径圆弧、两段短半径圆弧和四段过渡曲线组成，且定子 和转子是同心的，在图2.12中，当转子顺时针方向旋转时， 密封工作腔的容积在左上角和右下角处逐渐增大，为吸油 区，在左下角和右上角处逐渐减小，为压油区；吸油区和 压油区之间有一段封油区将吸、压油区隔开。这种泵的转 子每转一转，每个密封工作腔完成吸油和压油动作各两次， 所以称为双作用叶片泵。泵的两个吸油区和两个压油区是 径向对称的，作用在转子上的压力径向平衡，所以又称为 平衡式叶片泵。 四、叶片泵 图2.12双作用叶片泵工作原理 1-定子；2.压油口；3-转子；4-叶片；5-吸油口 四、叶片泵 4.5双作用叶片泵的结构特点； ? （1）定子过度曲线 ? 定子内表面的曲线由四段圆弧和四段过渡曲线组成，泵的动力学特性很大程 度上受过渡曲线的影响。理想的过渡曲线不仅应使叶片在槽中滑动时的径向 速度变化均匀，而且应使叶片转到过渡曲线和圆弧段交接点处的加速度突变 不大，以减小冲击和噪声，同时，还应使泵的瞬时流量的脉动小。 ? （2）叶片安放角； ? 设置叶片安放角有利于叶片在槽内滑动，为了保证叶片顺利的从叶片槽滑出， 减小叶片的压力角，根据过渡曲线的动力学特性，双作用叶片泵转子的叶片 槽常做成沿旋转方向向前倾斜一个安放角 ，当叶片有安放角时，叶片泵就不 允许反转。 ? （3）端面间隙的自动补偿 ? 为了提高压力，减少端面泄漏，采取的间隙自动补偿措施是将配流盘的外侧 与压油腔连通，使配流盘在液压推力作用下压向转子。泵的工作压力愈高， 配流盘就会愈加贴紧转子，对转子端面间隙进行自动补偿。 五、柱塞泵 5.1斜盘式轴向柱塞泵工作原理 ? 轴向柱塞泵可分为斜盘式和斜轴式两大类，图2.18为斜盘 式轴向柱塞泵的工作原理。泵由斜盘1、柱塞2、缸体3、 配油盘4等主要零件组成，斜盘1和配油盘4是不动的，传 动轴5带动缸体3，柱塞2一起转动，柱塞2靠机械装置或在 低压油作用压紧在斜盘上。当传动轴按图示方向旋转时， 柱塞2在其沿斜盘自下而上回转的半周内逐渐向缸体外伸 出，使缸体孔内密封工作腔容积不断增加，产生局部真空， 从而将油液经配油盘4上的配油窗口a吸入；柱塞在其自上 而下回转的半周内又逐渐向里推入，使密封工作腔容积不 断减小，将油液从配油盘窗口b向外排出，缸体每转一转， 每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油动作。改变斜盘的 倾角g，就可以改变密封工作容积的有效变化量，实现泵 的变量。 五、柱塞泵 图2.18斜盘式轴向柱塞泵的工作原理 1-斜盘；2.柱塞；3-缸体；4-配流盘；5-传动轴；a-吸油窗口；b-压油窗口 五、柱塞泵 5.2斜盘式轴向柱塞的结构特点 ? （1）端面间隙的自动补偿 ? 由图2.18可见，使缸体紧压配流盘端面的作用力，除机械装置或弹簧 作为预密封的推力外，还有柱塞孔底部台阶面上所受的液压力，此液 压力比弹簧力大得多，而且随泵的工作压力增大而增大。由于缸体始 终受液压力紧贴着配流盘，就使端面间隙得到了自动补偿。 ? （2）滑靴的静压支撑结构 ? 在斜盘式轴向柱塞泵中，若各柱塞以球形头部直接接触斜盘而滑动， 这种泵称为点接触式轴向柱塞泵。点接触式轴向柱塞泵在工作时，由 于柱塞球头与斜盘平面理论上为点接触，因而接触应力大，极易磨损。 一般轴向柱塞泵都在柱塞头部装一滑靴，如图2.19所示，滑靴是按静 压轴承原理设计的，缸体中的压力油经过柱塞球头中间小孔流入滑靴 油室，使滑靴和斜盘间形成液体润滑，改善了柱塞头部和斜盘的接触 情况。有利于提高轴向柱塞泵的压力和其它参数，使其在高压、高速 下工作。 五、柱塞泵 图2.19滑靴的静压支承原理 图2.20手动伺服变量机构图 五、柱塞泵 ? ? ? （3）变量机构 在斜盘式轴向柱塞泵中，通过改变斜盘倾角 的大小就可调节泵的排量， 变量机构的结构型式是多种多样的，这里以手动伺服变量机构为例说 明变量机构的工作原理。 如图2.20是手动伺服变量机构简图，该机构由缸筒1，活塞2和伺服阀 组成。活塞2的内腔构成了伺服阀的阀体，并有 、 和 三个孔道分别 沟通缸筒1下腔 、上腔 和油箱。泵上的斜盘4通过拨叉机构与活塞2下 端铰接，利用活塞2的上下移动来改变斜盘倾角 。当用手柄使伺服阀 芯3向下移动时，上面的阀口打开， 腔中的压力油经孔道 通向 腔， 活塞因上腔有效面积大于下腔的有效面积而移动，活塞2移动时又使 伺服阀上的阀口关闭，终使活塞2自身停止运动。同理，当手柄使 伺服阀芯3向上移动时，下面的阀口大开， 和 接通油箱，活塞2在 腔 压力油的作用下向上移动，并在该阀口关闭时自行停止运动。变量控 制机构就是这样依照伺服阀的动作来实现其控制的。 五、柱塞泵 5.3斜轴式轴向柱塞泵 ? 图2.21为斜轴式轴向柱塞泵的工作原理图。传动轴5的轴线与传动轴圆盘之间用相互铰接的连杆4相连。当传 动轴5沿图示方向旋转时，连杆4就带动柱塞2连同缸体3一起绕缸体轴 线同时也在缸体的柱塞孔内做往复运动，使柱塞孔底部 的密封腔容积不断发生增大和缩小的变化，通过配流盘1上的窗口a和 b实现吸油和压油。 ? 与斜盘式泵相比较，斜轴式泵由于缸体所受的不平衡径向力较小，故 结构强度较高可以有较高的设计参数，其缸体轴线与驱动轴的夹角 较 大，变量范围较大；但外形尺寸较大，结构也较复杂。目前，斜轴式 轴向柱塞泵的使用相当广泛。 ? 在变量形式上，斜盘式轴向柱塞泵靠斜盘摆动变量，斜轴式轴向柱塞 泵则为摆缸变量，因此，后者的变量系统的响应较慢。关于斜轴泵的 排量和流量可参照斜盘式泵的计算方法计算。 五、柱塞泵 图2.21斜轴式轴向柱塞泵的工作原理图 1-流盘；2.柱塞；3-缸体；4-连杆；5-传动轴；a-吸油窗口；b-压油窗口； 五、柱塞泵 5.4径向柱塞泵 ? 图2.22是径向柱塞泵的工作原理图，由图可见，径向柱塞泵的柱塞径向布置在缸体上， 在转子2上径向均匀分布着数个柱塞孔，孔中装有柱塞5；转子2的中心与定子1的中心 之间有一个偏心量e。在固定不动的配流轴3上，相对于柱塞孔的部位有相互隔开的上 下两个配流窗口，该配流窗口又分别通过所在部位的二个轴向孔与泵的吸、排油口连 通。当转子2旋转时，柱塞5在离心力及机械回程力作用下，它的头部与定子1的内表面 紧紧接触，由于转子2与定子1存在偏心，所以柱塞5在随转子转动时，又在柱塞孔内作 径向往复滑动，当转子2按图示箭头方向旋转时，上半周的柱塞皆往外滑动，柱塞孔的 密封容积增大，通过轴向孔吸油；下半周的柱塞皆往里滑动，柱塞孔内的密封工作容 积缩小，通过配流盘向外排油。 ? 当移动定子，改变偏心量e的大小时，泵的排量就发生改变；当移动定子使偏心量从正 值变为负值时，泵的吸、排油口就互相调换，因此，径向柱塞泵可以是单向或双向变 量泵，为了流量脉动率尽可能小，通常采用奇数柱塞数。 ? 径向柱塞泵的径向尺寸大，结构较复杂，自吸能力差，并且配流轴受到径向不平衡液 压力的作用，易于磨损，这些都限制了它的速度和压力的提高。近发展起来的带滑 靴连杆—柱塞组件的非点接触径向柱塞泵，改变了这一状况，出现了低噪声，耐冲击 的高性能径向柱容泵，并在凿岩、冶金机械等领域获得应用，代表了径向柱塞泵发展 的趋势。径向泵的流量可参照轴向柱塞泵和单作用叶片泵的计算方法计算。 五、柱塞泵 图2.22径向柱塞泵的工作原理图 1-定子；2.转子；3-配流轴；4-出衬套；5-柱塞；a-吸油腔；b-压油腔；
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