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1、第17章 液 压 泵,17.1 液压泵概述 17.2 齿轮泵 17.3 叶片泵 17.4 柱塞泵 17.5 螺杆泵 17.6 各类液压泵的性能比较及应用,17.1 液压泵概述,17.1.1液压泵的工作原理及分类如图17-1所示为一单柱塞液压泵的工作原理。柱塞2安装在泵体3里，并在弹簧作用下始终与偏心轮1接触，当偏心轮1由原动机带动旋转时，柱塞2便在泵体3内往复移动，使密封腔a的容积发生变化。,图17-1单柱塞液压泵的工作原理,1、容积式泵工作的两个必要条件是：(1)有周期性的密封容积变化。(2)有配流装置。上述单柱塞泵中的两个单向阀4、5就是起配流作用的，是配流装置的一种类型。2、根据液压泵结
2、构形式的不同分类：齿轮泵：外啮合齿轮泵、内啮合齿轮泵。叶片泵：单作用叶片泵和双作用叶片泵。柱塞泵：轴向柱塞泵和径向柱塞泵。螺杆泵：,17.1.2液压泵的性能参数1.液压泵的压力（1）工作压力p：是指泵工作时，输出油液的实际压力。其值大小取决于外界负载，当外界负载增大时，液压泵的压力升高；当外界负载减小时，液压泵的压力降低。（2）额定压力pn：泵在正常工作条件下，按实验标准规定能连续运转的最高压力称为泵的额定压力。,表17-1压力等级,液压泵的排量和流量（1）排量V:由泵的密封容腔几何尺寸变化计算而得的泵每转的排油体积称为泵的排量，其常用单位为mL/r。（2）理论流量qvt:由泵的密封容腔几何尺
3、寸变化计算而得的泵在单位时间内的排油体积称为泵的理论流量。泵的理论流量等于排量与其转速的乘积，即：,(17-1),（3）实际流量qv:液压泵的实际流量是泵工作时实际排出的流量。（4）额定流量qvn:液压泵的额定流量是泵在额定压力和额定转速下输出的实际流量。由于泵存在泄漏，所以泵的实际流量和额定流量都小于理论流量。,液压泵的功率（1）输出功率Po:在液压传动系统中，泵的输出表现为液体的压力和流量，其输出功率等于液体压力和流量的乘积，即：,（17-2）,式中Po为泵的输出功率，p为输出油液的压力，qv为输出油液的流量。,式中Pi为泵的输入功率，n为泵轴的转速，Ti为液压泵的输入转矩。液压泵在工作中
4、，由于有泄漏和机械摩擦，就有能量损失，故其输出功率小于输入功率，即Po Pi。,（2）输入功率Pi:液压泵的输入功率为驱动泵轴的机械功率，即：,（17-3）,4.液压泵的效率（1）容积效率v:液压泵的实际流量与理论流量的比值称为泵容积效率，即,（17-4）,式中：qv为实际流量，qvt为理论流量，qv为液压泵的泄漏量，它是理论流量与实际流量的差值，其值大小与泵的压力p有关，随p的增大而增加。,（2）机械效率m:由于泵在工作时存在各种摩擦损失（机械摩擦、液体摩擦），所以驱动泵轴所需要的实际转矩必然大于理论转矩，理论转矩与实际转矩的比值称为机械效率，即：,（17-5）,式中：Ti为实际输入转矩，T
5、t为理论转矩，如果忽略各种能量损失，泵的理论机械功率将全部转换为液压功率，即：,则有，将此式带入式（17-5）得：,（17-6）,（3）总效率。泵的输出功率与输入功率的比值称为泵的总效率，即,（17-7）,例17-1 某液压泵的输出油压p=12MPa，转速n=1400r/min，排量V=48mL/r，容积效率V=0.，总效率=0.，求液压泵的输出功率和输入功率各为多大？解：（1）求液压泵的输出功率液压泵的实际输出流量：,液压泵的输出功率：,（2）求液压泵的输入功率液压泵的输入功率：,17.2齿轮泵,17.2.1外啮合齿轮泵优点：结构简单、制造方便、体积小、重量轻、转速高、自吸性能好、对油的污染
6、不敏感、工作可靠、寿命长、维修方便、价格低廉等。缺点：流量的脉动较大、噪声大、排量不可调节。1.外啮合齿轮泵的工作原理图17-2所示为渐开线圆柱直齿形的外啮合齿轮泵的工作原理图，在泵体内有一对齿数相同的外啮合渐开线齿轮，齿轮两侧由端盖盖住(图中未示出)。,图17-2外啮合齿轮泵的工作原理图,2.齿轮泵的排量和流量齿轮泵的排量V相当于两个齿轮齿槽容积之和。假设齿槽容积等于轮齿体积，那么其排量就等于一个齿轮的齿槽容积和轮齿体积的总和，即相当于以有效齿高(h=2m)和齿宽构成的平面所扫过的环形体积，即泵的排量为,(17-8),式中：d为分度圆直径，d=mz；h为有效齿高，h=2m；z为齿轮齿数。,实
7、际齿槽容积比轮齿体积稍大一些，所以通常取,V=6.66 zm2b,（17-9）,齿轮泵的实际输出流量为,qv=6.66 zm2bnV,（17-10）,式中：n为泵的转速；v为泵容积效率。,式(17-10)中的qv是齿轮泵的平均流量。实际上，由于齿轮泵啮合过程中压油腔的容积变化率是不均匀的，因此齿轮泵的瞬时流量是脉动的。设qvmax、qvmin表示最大、最小瞬时流量，流量脉动率可用下式表示：,(17-11),齿轮泵的齿数愈少，流量脉动率就愈大，其值最高可达20以上。流量脉动引起压力脉动，随之产生振动与噪声(内啮合齿轮泵的流量脉动率要小的多)，所以，高精度机械不宜采用外啮合齿轮泵。,3.外啮合齿轮
8、泵的结构特点（1）困油现象。如图17-3所示。这个密封容积随齿轮转动先由最大(如图17-3(a)所示)逐渐减小到最小（如图17-3(b)所示)，又由最小逐渐增加到最大(如图17-3(c)所示)。当密封容积减小时，被困油液受到挤压，压力急剧上升，并从缝隙中流出，导致油液发热，轴承等机件也受到附加的不平衡负载作用。当密封容积增大时，又会造成局部真空，使溶于油中的气体分离出来，产生气穴，引起噪声、振动和气蚀，这就是齿轮泵的困油现象。,消除困油现象的方法:通常是在齿轮的两端盖板上开卸荷槽(如图17-3(d)中的虚线所示)，在很多齿轮泵中，两槽并不对称于齿轮中心线分布，而是整个向吸油腔侧平移一段距离，这
9、样能取得更好的卸荷效果。,图17-3齿轮泵的困油现象及消除措施,（2）径向作用力不平衡。原因:当齿轮泵工作时，液体作用在齿轮外缘上的压力是不均匀的，从低压腔到高压腔，压力沿齿轮旋转方向逐齿递增，因此齿轮和轴受到径向不平衡力的作用。后果:工作压力越高，径向不平衡力也越大，严重时能使泵轴弯曲，导致齿顶接触泵体产生磨损，同时也降低了轴承的使用寿命。解决办法:为了减少径向不平衡力的影响，常采取缩小压油口的办法，使压油腔的压力油仅作用在一到两个齿的范围内；同时适当增大径向间隙，使齿顶不与泵体接触。,（3）泄漏。外啮合齿轮泵压油腔的压力油向吸油腔泄漏有三条途径：是通过齿轮啮合处的啮合间隙；是通过泵体内孔和
10、齿顶圆间的径向间隙；是通过齿轮两端面和盖板间的端面间隙。在三类间隙中，以端面间隙的泄漏量最大，约占7080左右，而且泵的压力愈高，间隙泄漏就愈大，因此其容积效率很低，一般齿轮泵只适用于低压场合。,解决办法:通常采用的端面间隙自动补偿装置。浮动轴套式：弹性侧板式：其原理都是引入液压油使轴套或侧板紧贴齿轮端面，压力越高，贴得越紧，因而能自动补偿端面磨损和减小间隙。如图17-4所示为采用浮动轴套的中高压齿轮泵的一种典型结构，图中1和2是浮动安装的，轴套左侧的空腔均与泵的压油腔相通。当泵工作时，轴套1和2受左侧高压油的作用而向右移动，将齿轮的两侧面压紧，从而自动补偿了端面间隙。这样，齿轮泵的额定工作压
11、力可达20MPa，容积效率不低于0.9。,图17-4采用浮动轴套的中高压齿轮泵,17.2.2内啮合齿轮泵渐开线齿形；摆线齿形两种。其结构示意图如图17-5所示。,图17-5内啮合齿轮泵结构示意图（a）渐开线齿形；(b)摆线齿形,1.渐开线齿形内啮合齿轮泵组成：渐开线齿形内啮合齿轮泵由小齿轮、内齿环、月牙形隔板等组成。工作原理：当小齿轮为主动轮时，带动内齿环绕各自的中心同方向旋转，左半部轮齿退出啮合，容积增大，形成真空，进行吸油。进入齿槽的油被带到压油腔，右半部轮齿进入啮合，容积减小，从压油口压油。在小齿轮和内齿轮之间要装一块月牙形隔板，以便将吸、压油腔隔开。,2.摆线齿形内啮合齿轮泵组成：主要
12、零件是一对内啮合的齿轮(即内、外转子)。内转子齿数比外转子齿数少一个，两转子之间有一偏心距。工作原理：工作时，内转子带动外转子同向旋转，所有内转子的齿都进入啮合，形成几个独立的密封腔。随着内外转子的啮合旋转，各密封腔的容积将发生变化，从而进行吸油和压油。优点：结构紧凑、尺寸小、重量轻、运转平稳、噪声小、流量脉动小等优点；缺点：齿形复杂、加工困难、价格较贵。,17.3叶片泵,优点：结构紧凑，运动平衡，噪声小，输油均匀，寿命长。缺点：结构复杂，吸油性能差，转速不能太高，对油的污染敏感。1.双作用叶片泵的工作原理如图17-6所示为双作用叶片泵的工作原理图，该泵主要由定子、转子、叶片、配油盘和泵体等组
13、成。,转子每转一周，每一叶片往复滑动两次，因而吸、压油作用发生两次，故这种泵称为双作用叶片泵。因为吸、压油口对称分布，转子和轴所受的径向液压力相平衡，所以这种泵又称为平衡式叶片泵，该泵的排量不可调，是定量泵。,图17-6双作用叶片泵的工作原理图,2.双作用叶片泵的排量和流量由叶片泵的工作原理可知，当叶片泵每伸缩一次时，每两叶片间油液的排出量等于大半径R圆弧段的容积与小半径r圆弧段的容积之差。若叶片数为z，则双作用叶片泵每转排油量应等于上述容积差的2z倍，表达式为,V=2z（R2-r2）b,（17-12）,泵输出的实际流量则为,qv=VnV=2z（R2-r2）bnV,（17-13）,式中:b为叶
14、片宽度。,如果不考虑叶片厚度，则理论上双作用叶片泵流量无脉动。这是因为在转子转动时，压油窗口处的叶片使前后两个工作腔之间互相连通，形成了一个组合的密封工作腔。随着转子的匀速转动，位于大、小圆弧处的叶片均在圆弧上滑动，压油腔的容积不变，因此泵的瞬时流量也是均匀的。但由于叶片有一定厚度，根部又连通压油腔，在吸油区的叶片不断伸出，根部容积要用压力油来补充，导致减少了输出量，造成少量流量脉动。,3.双作用叶片泵的结构特点（1）定子过渡曲线。定子内表面的曲线是由四段圆弧和四段过渡曲线组成的(如图17-6所示)。理想的过渡曲线不仅应使叶片在槽中滑动时的径向速度和加速度变化均匀，而且应使叶片转到过渡曲线和圆
15、弧交接点处的加速度突变不大，以减小冲击和噪声。目前，双作用叶片泵一般都使用综合性能较好的等加速或等减速曲线作为过渡曲线。（2）径向作用力平衡。由于双作用叶片泵的吸、压油口对称分布，所以转子和轴承上所承受的径向作用力是平衡的。,17.4柱塞泵,17.4.1斜盘式轴向柱塞泵1.斜盘式轴向柱塞泵的工作原理斜盘式轴向柱塞泵的工作原理如图17-7所示，组成：它主要由斜盘1、柱塞2、缸体3、配油盘4所组成。缸体3上均匀分布了若干个轴向柱塞孔，孔内装有柱塞2，柱塞都与缸体轴线平行。工作原理：斜盘与缸体间倾斜了一个角，缸体由轴带动旋转，斜盘和配油盘固定不动。在底部弹簧的作用下，柱塞头部始终紧贴斜盘。当缸体按图
16、示方向旋转时，由于斜盘和弹簧的共同作用，使柱塞产生往复运动，各柱塞与缸体间的密封腔容积便发生增大或缩小的变化，通过配油盘上的窗口a吸油，窗口b压油。,图17-7斜盘式轴向柱塞泵的工作原理,2.斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量当柱塞泵旋转一周时，柱塞移动的距离为L=Dtan(如图17-8所示)，故柱塞泵每转的排量为,（17-14）,泵实际输出的流量为,(17-15),式中：d为柱塞直径；L为柱塞行程；D为缸体上柱塞分布圆直径；为斜盘倾角；z为柱塞数；n为泵的转数；v为泵的容积效率。,图17-8轴向柱塞泵流量的计算,3.轴向柱塞泵的结构特点如图17-9所示为常见的轴向柱塞泵结构图，它由两部分组成：右边
17、的主体部分(可再分为前泵体部分、中间泵体部分)和左边的变量部分。缸体5安装在中间泵体1和前泵体7内，由传动轴8通过花键带动旋转。在缸体内的七个轴向缸孔中分别装有柱塞9。柱塞的球形头部装在滑履12的孔内，并可作相对滑动。中心弹簧3通过内套2、钢球13和回程盘14将滑履12紧紧地压在斜盘15上，同时，中心弹簧3又通过外套10将缸体5压向配油盘6。当缸体由传动轴带动旋转时，柱塞相对缸体作往复运动，于是容积发生变化，这时油液可通过缸孔底部月牙形的通油孔、配油盘6上的配油窗口和前泵体7的进、出油孔完成吸、压油工作。,图17-9手动变量斜盘式轴向柱塞泵,轴向柱塞泵的结构特点如下：（1）滑履结构。在图17-
18、9中，各柱塞以球形头部直接接触斜盘而滑动，柱塞头部与斜盘之间为点接触，因此被称为点接触式轴向柱塞泵。当泵工作时，柱塞头部接触应力大，极易磨损。故一般轴向柱塞泵都在柱塞头部装有滑履。改点接触为面接触，并且各相对运动表面之间通过滑履上小孔引入压力油，实现可靠的润滑，大大降低了相对运动零件表面的磨损。这样，就有利于泵在高压下工作。,（2）中心弹簧机构。柱塞泵要想正常工作，柱塞头部的滑履必须始终紧贴斜盘。在图17-7中采用在每个柱塞底部加一个弹簧的方法，但这种结构随着柱塞的往复运动，弹簧易于疲劳损坏。在图17-9中改用一个中心弹簧3，通过钢球13和回程盘14将滑履压向斜盘，从而使泵具有较好的自吸能力，
19、这种结构中的弹簧只受静载荷，不易疲劳损坏。,（3）缸体端面间隙的自动补偿。由图17-9可见，使缸体紧压配油盘端面的作用力，除弹簧3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，而且随泵工作压力的增大而增大。由于，缸体始终受力紧贴着配油盘，因此，使端面间隙得到了自动补偿，提高了泵的容积效率。,（4）变量机构。在图17-9中采用的是手动变量机构，设置在泵的左侧。当变量时，转动手轮19、丝杆18随之转动，变量活塞17便上下移动，通过轴销16使支承在变量壳体上的斜盘15绕其中心转动，从而改变了斜盘倾角。,17.4.2径向柱塞泵1.径向柱塞泵的工作原理如图17-10所示为径向柱塞
20、泵的工作原理图，泵由转子1、定子2、柱塞3、配油铜套4和配油轴5等主要零件组成，柱塞沿径向均匀分布地安装在转子上。配油铜套和转子紧密配合，并套装在配油轴上，配油轴是固定不动的。转子连同柱塞由电动机带动一起旋转，柱塞靠离心力紧压在定子的内壁面上。,由于定子和转子之间有一偏心距e，所以，当转子按图示方向旋转时，柱塞在上半周内向外伸出，其底部的密封容积逐渐增大，产生局部真空，于是通过固定在配油轴上的窗口a吸油。当柱塞处于下半周时，柱塞底部的密封容积逐渐减小，通过配油轴窗口b把油液压出。转子转一周，每个柱塞各吸、压油一次。若改变定子和转子的偏心距e，则泵的输出流量也改变，即为径向柱塞变量泵；若偏心距e
21、从正值变为负值，则进油口和压油口互换，即为双向径向变量柱塞泵。,图17-10径向柱塞泵的工作原理图,2.径向柱塞泵的排量和流量柱塞的行程为两倍偏心距e，泵的排量为,（17-16）,泵的实际输出流量为,（17-17）,17.5螺杆泵,如图17-11所示是三螺杆泵的结构图。在泵体内安装三根螺杆，中间的主动螺杆是右旋凸螺杆，两侧的从动螺杆是左旋凹螺杆。三螺杆泵的外圆与泵体的对应弧面保持着良好的配合，螺杆的啮合线把主动螺杆和从动螺杆的螺旋槽分割成多个相互隔离的密封工作腔。随着螺杆的转动，密封工作腔可以一个接一个地在左端形成，不断从左向右移动。主动螺杆每转一周，每个密封工作腔便移动一个导程，最左面的密封工作腔容积逐渐增大，则将油吸入；最右面的容积逐渐减小，则将油压出。,图17-11螺杆泵,17.6各类液压泵的性能比较及应用,为比较前述各类液压泵的性能、特点及应用场合，有利于选用，现将有关内容列于表17-2中。,表17-2各类液压泵的主要性能比较及应用,
