第六章-液壓動(dòng)力源：油泵

第六章液壓動(dòng)力源：油泵（TheSourceofHydraulicPower:Pumps）

6.1概述（INTRODUCTION）

一個(gè)油泵是液壓系統(tǒng)的心臟，它將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋C(jī)械能是通過像電機(jī)這樣的原動(dòng)機(jī)輸送給油泵的。由于機(jī)械作用，油泵在其進(jìn)油口產(chǎn)生局部真空。油液在大氣壓力的作用下通過進(jìn)油口進(jìn)入油泵內(nèi)部。油泵再推動(dòng)油液進(jìn)入液壓系統(tǒng)。

油泵根據(jù)液壓功率的產(chǎn)生主要分為兩大類：

1.非容積泵：這種類型經(jīng)常用于低壓，大流量的場(chǎng)合。因?yàn)樗鼈儾荒軌虺惺芨邏?，在液壓傳?dòng)中很少使用。通常它們的最高壓力被限制在1.7～2.1MPa。這種類型的油泵一般用于將液體從一個(gè)地方輸送到另一個(gè)地方。

2.容積泵：這種類型普遍用于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。正如其名，一個(gè)容積泵的泵軸每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)就排出一定量的液體進(jìn)入液壓系統(tǒng)。這樣一個(gè)泵能夠克服系統(tǒng)中機(jī)械負(fù)載所產(chǎn)生的壓力以及摩擦引起的流動(dòng)阻尼。這兩個(gè)特點(diǎn)是液壓泵所需要的。這種泵與非容積泵相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

?高壓（可達(dá)到69MPa甚至更高）；

?體積??；

?容積效率高；

?在整個(gè)壓力范圍內(nèi)效率變化??；

?極大的適應(yīng)性（能夠在很寬的壓力范圍和速度范圍下工作）。有三種主要類型的容積泵：齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。許多變化都存在于每一種這些泵的設(shè)計(jì)中。例如，葉片泵和柱塞泵既可是定量的也可以是變量的。一個(gè)定量泵每轉(zhuǎn)所排出的液體量是不能變化的。在一個(gè)變量泵中，通過改變變量泵中零件的物理關(guān)系容積就能被變化。泵內(nèi)容積的這種變化使得油泵的輸出流量發(fā)生改變即使油泵的轉(zhuǎn)速恒定。油泵并不輸出壓力，而是使液體流動(dòng)。流動(dòng)的阻尼決定于液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)的壓力是確定的。例如，容積泵自身有通大氣的輸出油管，油液可以由此輸出，但是沒有高于大氣壓的輸出壓力，因?yàn)榛旧蠜]有流動(dòng)阻尼。然而，如果輸出油管被堵，理論上我們有無窮大的流動(dòng)阻尼。所以，液體無處可流。壓力將為此上升直到一些零件被破壞除非降壓。這就是當(dāng)使用容積泵時(shí)需要溢流閥的原因。當(dāng)壓力達(dá)到一個(gè)設(shè)定值時(shí)，溢流閥將打開使油液回到油箱。因此，溢流閥決定了系統(tǒng)將承受的最高壓力而與負(fù)載阻尼的大小無關(guān)。一些油泵被制成變量、壓力補(bǔ)償型。這種泵被設(shè)計(jì)成系統(tǒng)壓力升高將導(dǎo)致流量減小。最終達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，由于容積為零而輸出流量也為零。這樣防止了壓力升得更高。當(dāng)使用壓力補(bǔ)償油泵時(shí)就不再需要溢流閥了。由油泵提供的壓力能由液壓執(zhí)行元件轉(zhuǎn)換成機(jī)械能而產(chǎn)生有用的功對(duì)外輸出。

6.2油泵的工作原理（PUMPINGTHEORY）所有油泵的工作原理都是利用因泵的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而在泵內(nèi)產(chǎn)生局部真空。這樣使得大氣壓將油液從油箱中壓出并進(jìn)入油泵內(nèi)腔。然后油泵將油液從出油管壓出。這種工作狀態(tài)可以由圖中所示的簡單活塞泵來說明。注意這個(gè)泵包含了兩個(gè)單向閥，如下所述：

單向閥1與油泵的進(jìn)油管相連并僅在此處允許油液進(jìn)入油泵。單向閥2與油泵的出油管相連并僅在此處允許油液離開油泵。當(dāng)向左拉動(dòng)活塞時(shí)，在泵腔3內(nèi)產(chǎn)生局部真空，由于封閉了活塞與缸壁間的間隙以防止泵腔4中空氣進(jìn)入泵腔3。如果允許出現(xiàn)空氣流動(dòng)將消除真空。真空將使單向閥2壓緊在其閥座上（低位）并允許大氣壓通過單向閥1將油箱中的油液壓入油泵。推動(dòng)油液的力將使單向閥1離開其閥座而出現(xiàn)流動(dòng)。當(dāng)向右推動(dòng)活塞時(shí)，油液的運(yùn)動(dòng)關(guān)閉進(jìn)油閥1而打開出油閥2。由于活塞移動(dòng)，大量的油液被強(qiáng)行從出油管排入液壓系統(tǒng)。在排油行程中由活塞排出的油液數(shù)量稱為油泵的排量。從簡單活塞泵的工作可以看出油泵為什么不輸出壓力。油泵產(chǎn)生流動(dòng)。壓力是由被液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載的阻尼所引起的。容積泵要能正常工作必須具有以下三個(gè)基本工作條件：

?有周期性的密閉容積變化，密閉容積由小變大時(shí)吸油，由大變小時(shí)排油；

?油箱必須通大氣，這是吸油的必要條件；

?有配流裝置，它保證密閉容積由小變大時(shí)只與吸油管接通；由大變小時(shí)只與排油管相通。

6.3油泵的分類（PUMPCLASSIFICATION）

油泵根據(jù)液壓功率的產(chǎn)生主要分為兩大類：

1.液力或非容積泵：

2.靜液或容積泵：這種類型的泵其泵軸每旋轉(zhuǎn)一圈就排出一定量的油液。其結(jié)果是，在忽略微小內(nèi)泄漏的情況下，油泵對(duì)外輸出油液，油液量總是恒定的并與系統(tǒng)壓力無關(guān)。這使其特別適合于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。然而，如果流動(dòng)阻尼變化非常大以至無窮容積泵必須防止超壓。這種情況在某個(gè)閥被徹底關(guān)閉或油路堵塞時(shí)就會(huì)出現(xiàn)。其原因是容積泵連續(xù)不斷地排出油液（甚至油液無處可流）導(dǎo)致油液受到壓縮而壓力急速上升。溢流閥用來使油泵的油液流回系統(tǒng)的油箱而防止油泵超壓。容積泵可根據(jù)油泵內(nèi)部零件的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行分類。其形式既可是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也可是往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。雖然油泵有各種形式，但主要有三種基本類型：

⑴齒輪泵（僅為定量泵）：

?外嚙合齒輪泵

?內(nèi)嚙合齒輪泵

?羅茨泵

?螺桿泵

⑵葉片泵：

?不平衡葉片泵（定量或變量泵）

?平衡葉片泵（僅為定量泵）

⑶柱塞泵（定量或變量泵）：

?軸向柱塞泵

?徑向柱塞泵此外，葉片泵能設(shè)計(jì)為平衡式或非平衡式。非平衡式具有壓力反饋的性能，可自動(dòng)防止油泵超壓。

6.4油泵特性（PUMPPERFORMANCE）一、主要性能參數(shù)

1.壓力

?工作壓力（pP）：油泵實(shí)際工作時(shí)的輸出壓力，該壓力決定于外負(fù)載的大小和排油管路上的壓力損失，而與泵的流量無關(guān)。

?額定壓力（pn）：油泵在正常工作條件下，按設(shè)計(jì)要求或試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最高壓力。

?最高允許壓力（pmax）：按設(shè)計(jì)要求或試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，超過額定壓力允許短暫運(yùn)行的最高壓力。

2.排量和流量

?排量（qP）：油泵軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的幾何容積變化量，相當(dāng)于不考慮泄漏和壓縮性影響時(shí)泵每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)排出的液體體積。

?理論流量（幾何流量）（QT）：單位時(shí)間內(nèi)理論上油泵可排出的液體體積（未考慮泄漏和壓縮性的影響），它等于泵的排量和轉(zhuǎn)速的乘積：

QT

（L/min）＝qP（mL/r）·n（r/min）（6－1）試驗(yàn)時(shí)常將零壓下測(cè)得的流量視為理論流量。

?實(shí)際流量（QP）：油泵工作時(shí)實(shí)際排出的流量，它等于理論流量減去泄漏和壓縮等損失后的流量，即QP

＝QT－Ql。

?額定流量（Qn）：油泵在正常工作條件下，按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（如在額定壓力和額定轉(zhuǎn)速下）必須保證輸出的流量。

3.功率和效率

?理論功率（PT）：

圖中所示為油泵的能量轉(zhuǎn)換圖。泵將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能而輸出，輸入能量的形式為轉(zhuǎn)矩Mi和角速度ω，輸出能量的形式為壓力pP和流量QP。若不考慮泵在能量轉(zhuǎn)換中的損失，則輸入功率和輸出功率應(yīng)彼此相等，這個(gè)功率稱為理論功率PT：（6－2）實(shí)際上，油泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在著容積損失和摩擦損失等，所以其輸出功率肯定小于實(shí)際輸入功率

?容積損失和容積效率（ηvP）：

油泵因泄漏、壓縮等原因產(chǎn)生的流量損失Ql稱為容積損失，泵經(jīng)容積損失后輸出的液壓功率與理論功率之比稱為容積效率，即：（6－3）

?機(jī)械損失和機(jī)械效率（ηmP）：

油泵內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)件間產(chǎn)生機(jī)械摩擦損失，所造成的轉(zhuǎn)矩?fù)p失稱為機(jī)械損失。泵的理論轉(zhuǎn)矩與泵的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩之比稱為機(jī)械效率。令泵的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩為Mi，則：（6－4）由式（6－2）可知泵的理論轉(zhuǎn)矩為：由式（6－4）可得泵的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩為：（6－5）

由于ηmP＜1，故Mi＞MT。即油泵的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩Mi總是大于泵的理論轉(zhuǎn)矩MT。

?總效率（ηP）：油泵實(shí)際輸出功率與實(shí)際輸入功率之比稱為泵的總效率。令泵的實(shí)際輸出功率為Po＝ΔpP·QP，實(shí)際輸入功率為Pi＝2πnMi＝2πnMT/ηmP，故泵的總效率為：（6－6）由上式可知油泵的總效率等于泵的容積效率和機(jī)械效率的乘積，所以泵的實(shí)際輸入功率（即原動(dòng)機(jī)功率）可直接按下式計(jì)算：（6－7）二、職能符號(hào)

6.5

齒輪泵（GEARPUMP）一、外嚙合齒輪泵

1.結(jié)構(gòu)：見右上圖。

2.工作原理：

右下圖表示了外嚙合齒輪泵的工作原理，兩個(gè)嚙合齒輪的各齒間槽帶動(dòng)油液形成流動(dòng)。其中一個(gè)齒輪與驅(qū)動(dòng)軸相連并最終與原動(dòng)機(jī)相連。另一個(gè)齒輪被與其嚙合的驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)。各齒間槽、泵體和端蓋這三者間形成油腔。吸油腔在齒輪退出嚙合的一側(cè)，這一側(cè)容積的增大使油液壓力下降至大氣壓以下。由于油箱與大氣相通，油箱中的油液在大氣壓的作用下進(jìn)入因容積增大而產(chǎn)生的空隙中。排油腔在齒輪進(jìn)入嚙合的一側(cè)，這一側(cè)嚙合齒間的容積減小。如果油泵有可靠的內(nèi)部密封防止泄漏，油液就能完全從出油口排出。

3.存在的幾個(gè)問題：

⑴泄漏

?徑向泄漏：通過齒輪外圓與泵體配合處徑向間隙的泄漏；

?嚙合區(qū)泄漏：通過兩個(gè)齒輪嚙合區(qū)處的泄漏；

?軸向泄漏：通過齒輪端面與端蓋間軸向間隙的泄漏。在以上三種泄漏中，對(duì)泄漏影響最大的是軸向泄漏，約占總泄漏量的80％。普通齒輪泵采用控制軸向間隙的方法來控制軸向泄漏。

⑵流量脈動(dòng)

齒輪嚙合過程中，壓油腔的密封容積變化率不是固定不變的，因此齒輪泵的瞬時(shí)流量是脈動(dòng)的。

⑶不平衡徑向力

齒輪泵的一側(cè)吸油，另一側(cè)壓油。壓油腔的油經(jīng)徑向間隙逐漸滲漏到吸油腔，其壓力逐漸減小，所以作用在齒輪外圓上的壓力是分級(jí)逐步降低的。這樣，齒輪軸和軸承上都受到一個(gè)不平衡徑向力。油壓越高，其值越大。軸承的壽命往往成為提高其使用壓力的制約因素?？刹扇p小排油口尺寸和增大吸油口尺寸；適當(dāng)放大齒輪與泵體配合的齒頂間隙等。

⑷困油為使傳動(dòng)平穩(wěn)，齒輪嚙合系數(shù)必須大于1，即在一對(duì)輪齒完全退出嚙合前，另一對(duì)輪齒已進(jìn)入嚙合。在兩對(duì)輪齒同時(shí)嚙合的這段時(shí)間內(nèi)，留在齒間的油液就困在兩對(duì)輪齒形成的一個(gè)密閉的空間內(nèi)，形成一個(gè)“閉死容積”，見右圖。隨著齒輪的旋轉(zhuǎn),閉死容積由大變小,到圖a）位置時(shí)容積最小，再繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這一容積又由小變大，到圖b）時(shí)恢復(fù)到最大。這樣將會(huì)在“閉死容積”中形成很大的壓力變化。這種現(xiàn)象稱為困油現(xiàn)象。消除和減小齒輪泵困油現(xiàn)象的措施是在前后端蓋上開設(shè)卸荷槽，其位置如圖中虛線所示。

4.特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，抗污染能力強(qiáng)，自吸性好，耐沖擊，慣性小。但壓力提高受限，流量脈動(dòng)、壓力脈動(dòng)和噪音大。二、內(nèi)嚙合齒輪泵

1.結(jié)構(gòu)與工作原理：見圖。

2.特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕，并且由于齒輪轉(zhuǎn)向相同，相對(duì)滑動(dòng)速度小，磨損小，使用壽命長。流量脈動(dòng)、壓力脈動(dòng)和噪音小。但齒形復(fù)雜，加工精度要求高，成本略高于外嚙合齒輪泵。

6.6

葉片泵（VANEPUMP）

葉片泵有兩類，雙作用葉片泵（平衡葉片泵）和單作用葉片泵（不平衡葉片泵）。雙作用葉片泵只能做成定量泵，而單作用葉片泵一般是變量泵。一、雙作用葉片泵

1.結(jié)構(gòu)：見下圖。

2.工作原理：見圖。

3.特點(diǎn)

徑向力平衡，無困油現(xiàn)象。流量均勻，脈動(dòng)小。沖擊和噪音小。但自吸性和抗污染能力差。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。多用于中高壓系統(tǒng)。二、單作用葉片泵

1.結(jié)構(gòu)：見圖。

2.工作原理：見圖。設(shè)調(diào)壓彈簧剛度為k，彈簧預(yù)壓縮量為x0，則彈簧預(yù)緊力Fs＝kx0

，而作用于定子徑向合力F的水平分力Fx＝pAx。

如果泵的工作壓力為調(diào)定壓力pB，則有pBAx＝kx0，并得到：

（6－8）

當(dāng)由負(fù)載形成的油泵工作壓力小于調(diào)定壓力pB，即Fx＜Fs時(shí)，定子始終被彈簧力壓緊在流量調(diào)節(jié)螺釘上，使偏心距保持最大值emax，此時(shí)泵的排量最大，相當(dāng)于定量泵的工況。當(dāng)泵的工作壓力p大于調(diào)定壓力pB后，定子將壓縮調(diào)壓彈簧而左移Δx距離，達(dá)到新的力平衡點(diǎn)為止，使偏心距e隨之減小，從而使泵的排量降低，此時(shí)的力平衡關(guān)系為：

pAx＝k（x0+Δx）＝pBAx+kΔx

在此新的平衡位置下，定子的偏心距e為：（6－9）

3.壓力流量特性見圖。限壓式變量葉片泵的最大輸出功率發(fā)生在拐點(diǎn)處，因此在選配限壓式變量葉片泵的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：（6－10）

6.7

柱塞泵（PISTONPUMP）

柱塞泵是根據(jù)原理往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞縮回進(jìn)缸內(nèi)時(shí)能夠吸油，伸出時(shí)能夠排油的原理來工作的?；締栴}是怎樣讓一組柱塞產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)。柱塞泵有兩種基本類型。一種是軸向式，所有柱塞均與缸體軸線平行。軸向柱塞泵既可是斜軸式也可是斜盤式。第二種類型的柱塞泵是徑向式，其柱塞在缸體中呈徑向排列。一、軸向柱塞泵

1.結(jié)構(gòu)

2.工作原理

3.特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，工作可靠，耐沖擊。結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊，徑向尺寸小和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。易于變量，密封性好，容積效率高，轉(zhuǎn)速和壓力高。但成本高。二、徑向柱塞泵

1.結(jié)構(gòu)：

2.工作原理：

3.特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，工作可靠，耐沖擊。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，徑向尺寸大和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，磨損大，限制了轉(zhuǎn)速和壓力的提高。效率較低。

6.8油泵的選用（PUMPSELECTION）

油泵的選用需考慮整套液壓系統(tǒng)在實(shí)際使用中的各種條件。其中包括所需流量，工作速度，額定壓力，操作性能，安全性，維修保養(yǎng)，成本和噪聲。選擇油泵依據(jù)以下的順序進(jìn)行：

?選擇與負(fù)載相適應(yīng)的執(zhí)行元件（液壓缸或馬達(dá)）。

?確定所需的流量。這包括驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件帶動(dòng)負(fù)載在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)移動(dòng)特定的距離所需的流量計(jì)算。式中QP－液壓泵所需的實(shí)際流量（L/min）；

K－考慮補(bǔ)償泄漏和溢流損失的系數(shù)，一般取K＝1.1～1.3；∑Qmax－系統(tǒng)中同時(shí)工作的執(zhí)行元件所需的最大流量之和（L/min）。

?選擇系統(tǒng)壓力。這與執(zhí)行元件的尺寸和系統(tǒng)外負(fù)載所產(chǎn)生的阻力大小，以及系統(tǒng)管路中的壓力損失之和有關(guān)。并且這也涉及到油泵輸出總功率的大小。式中pP－油泵的工作壓力（MPa）；

pmax－系統(tǒng)中執(zhí)行元件所需的最高工作壓力（MPa）；∑Δp－系統(tǒng)管路的壓