液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)課件：液壓動(dòng)力元件的分析、選用與故障排除

液壓動(dòng)力元件的分析、

選用與故障排除任務(wù)一液壓泵分析任務(wù)二齒輪泵分析任務(wù)三葉片泵分析任務(wù)四柱塞泵分析任務(wù)五液壓泵的選用任務(wù)六液壓泵常見(jiàn)故障及其排除方法

知識(shí)目標(biāo):

1.掌握液壓泵的工作原理、主要性能參數(shù)及分類(lèi)。

2.掌握齒輪泵、葉片泵、柱塞泵的工作原理、結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)。

3.掌握液壓泵的選用方法。

4.掌握液壓泵常見(jiàn)故障及其排除方法。

技能目標(biāo):

1.能認(rèn)識(shí)常用的液壓泵:齒輪泵、葉片泵、柱塞泵。

2.能根據(jù)工作條件正確選用液壓泵。

3.能對(duì)液壓泵進(jìn)行分析、拆卸、裝配、調(diào)整、故障排除。

4.在完成上述任務(wù)過(guò)程中,能夠自覺(jué)遵守安全操作規(guī)范。

任務(wù)一液壓泵分析

一、液壓泵的工作原理與特點(diǎn)

1.液壓泵的工作原理

盡管液壓系統(tǒng)中采用的液壓泵形式很多,但都屬于容積式泵,其工作原理可以用圖4－1所示的單柱塞式液壓泵來(lái)說(shuō)明。．

圖4－1單柱塞式液壓泵工作原理圖

2.液壓泵的特點(diǎn)

容積式液壓泵中的油腔處于吸油狀態(tài)時(shí)稱(chēng)為吸油腔,處于輸油狀態(tài)時(shí)稱(chēng)為壓油腔。吸油腔的壓力取決于吸油高度(即液壓泵吸油口至油箱液面的高度)和吸油管路的阻力,吸油

高度過(guò)高或吸油管路阻力太大,會(huì)使吸油腔真空度過(guò)高而影響液壓泵的自吸能力。壓油腔的壓力則取決于外負(fù)載和排油管路的壓力損失,從理論上講排油壓力與液壓泵的流量無(wú)關(guān)。

單柱塞式液壓泵具有一切容積式液壓泵的基本特點(diǎn):

(1)具有若干個(gè)密封且又可以周期性變化的工作容積。液壓泵理論輸出流量與此空間的容積變化量和單位時(shí)間內(nèi)的變化次數(shù)成正比,與其他因素?zé)o關(guān)。但排油壓力會(huì)影響泵的內(nèi)泄漏和油液的壓縮量,從而影響泵的實(shí)際輸出流量,所以液壓泵的實(shí)際輸出流量隨排油壓力的升高而降低。這是容積式液壓泵的一個(gè)重要特性。

(2)油箱內(nèi)液體的絕對(duì)壓力必須恒等于或大于大氣壓力。這是容積式液壓泵能夠吸入油液的外部條件。因此,為保證液壓泵正常吸油,油箱必須與大氣相通,或采用密閉的加壓油箱。

(3)具有相應(yīng)的配流機(jī)構(gòu)將吸油腔和壓油腔隔開(kāi),保證液壓泵有規(guī)律地、連續(xù)地吸油、排油。液壓泵的結(jié)構(gòu)原理不同,其配流機(jī)構(gòu)也不相同,圖4－1中的單向閥5、6就是配流

機(jī)構(gòu)。

二、液壓泵的主要性能參數(shù)

液壓泵的基本性能參數(shù)主要包括液壓泵的壓力、排量、流量、功率和效率等。

1.壓力

(1)工作壓力。液壓泵實(shí)際工作時(shí)的輸出壓力稱(chēng)為工作壓力。工作壓力的大小取決于外負(fù)載的大小和排油管路上的壓力損失,而與液壓泵的流量無(wú)關(guān)。

(2)額定壓力。液壓泵在正常工作條件下,按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的最高壓力稱(chēng)為液壓泵的額定壓力。

(3)峰值壓力。在超過(guò)額定壓力的條件下,根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,允許液壓泵短暫運(yùn)行的最高壓力值,稱(chēng)為液壓泵的峰值壓力。

2.排量和流量

(1)排量V。液壓泵每轉(zhuǎn)一周,由其密封容積幾何尺寸變化計(jì)算而得的排出液體的體積稱(chēng)為液壓泵的排量。排量可調(diào)節(jié)的液壓泵稱(chēng)為變量泵,排量為常數(shù)的液壓泵則稱(chēng)為定量泵。

(2)理論流量qt。在不考慮液壓泵泄漏的情況下,在單位時(shí)間內(nèi)所排出的液體體積的平均值稱(chēng)為理論流量。顯然,如果液壓泵的排量為V,其主軸轉(zhuǎn)速為n,則該液壓泵的理論流量qt為

(3)實(shí)際流量q。液壓泵在某一具體工況下,單位時(shí)間內(nèi)所排出的液體體積稱(chēng)為實(shí)際流量。它等于理論流量qt減去泄漏流量Δq,即

(4)額定流量qn。液壓泵在正常工作條件下,按試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須保證的流量,亦即在額定轉(zhuǎn)速和額定壓力下泵輸出的流量稱(chēng)為額定流量。

3.功率

液壓泵的功率包括輸入功率和輸出功率。

輸入功率Pi:液壓泵的輸入功率是指作用在液壓泵主軸上的機(jī)械功率,當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩為T(mén)i,角速度為ω時(shí),有

輸出功率Po:液壓泵的輸出功率是指液壓泵在工作過(guò)程中的實(shí)際吸、壓油口間的壓差Δp和輸出流量q的乘積,即

式中:Δp為液壓泵吸、壓油口之間的壓差(Pa);q為液壓泵的實(shí)際輸出流量(m3/s)。

在實(shí)際的計(jì)算中,若油箱通大氣,則液壓泵吸、壓油口之間的壓差往往用液壓泵出口壓力p代替。

4.效率

液壓泵的功率損失有容積損失和機(jī)械損失兩部分。

1)液壓泵的容積效率

液壓泵的容積損失用容積效率來(lái)表示。容積損失是指液壓泵流量上的損失,液壓泵的實(shí)際輸出流量總是小于其理論流量,其主要原因是液壓泵內(nèi)部高壓腔泄漏、油液被壓縮以及在吸油過(guò)程中由于吸油阻力太大、油液黏度大、液壓泵轉(zhuǎn)速高等原因而導(dǎo)致油液不能全部充滿(mǎn)密封工作腔。

液壓泵的容積損失用容積效率來(lái)表示,它等于液壓泵的實(shí)際輸出流量q與其理論流量qt之比,即

因此液壓泵的實(shí)際輸出流量q為

式中:V為液壓泵的排量(m3/r);n為液壓泵的轉(zhuǎn)速(r/s)。

液壓泵的作用是將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能即轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速(角速度)轉(zhuǎn)換成液體的壓力能即液體的壓力和流量,若不考慮轉(zhuǎn)換過(guò)程的能量損失,則輸出功率等于輸入功率,也就是它們的理論功率是

式中Tt為泵的理論轉(zhuǎn)矩(N·m)。

2)液壓泵的機(jī)械效率

液壓泵的機(jī)械損失用機(jī)械效率表示。機(jī)械損失是指液壓泵在轉(zhuǎn)矩上的損失。液壓泵的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩Ti(N·m)總是大于理論上所需要的轉(zhuǎn)矩Tt,其主要原因是液壓泵泵體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間因機(jī)械摩擦而引起摩擦轉(zhuǎn)矩?fù)p失以及液體的黏性而引起摩擦損失。液壓泵的機(jī)械損失用機(jī)械效率表示,它等于液壓泵的理論轉(zhuǎn)矩Tt與實(shí)際輸入轉(zhuǎn)矩Ti之比,設(shè)轉(zhuǎn)矩?fù)p失為ΔT,則液壓泵的機(jī)械效率為

3)液壓泵的總效率

液壓泵的總效率是指液壓泵的實(shí)際輸出功率與其輸入功率的比值,即

由式(4－10)可知,液壓泵的總效率等于其容積效率與機(jī)械效率的乘積,所以液壓泵的輸入功率也可寫(xiě)成

液壓泵的各個(gè)參數(shù)和壓力之間的關(guān)系如圖4－2所示。圖4－2液壓泵的特性曲線

三、液壓泵的類(lèi)型

液壓泵的類(lèi)型很多,可按不同的方式進(jìn)行分類(lèi)。液壓泵按結(jié)構(gòu)形狀不同分為齒輪泵、葉片泵和柱塞泵三類(lèi)。按泵排出的流量能否調(diào)節(jié)分為定量泵和變量泵。按泵的排油方向能否改變分為單向泵和雙向泵。

液壓泵的圖形符號(hào)如圖4－3所示。圖4－3液壓泵的圖形符號(hào)

任務(wù)二齒輪泵分析

一、外嚙合齒輪泵1.外嚙合齒輪泵的工作原理外嚙合齒輪泵的工作原理如圖4－4所示,當(dāng)泵的主動(dòng)齒輪按圖示箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí),齒輪泵右側(cè)(吸油腔)齒輪脫開(kāi)嚙合,齒輪的輪齒退出輪谷,使密封容積增大,形成局部真空,油箱中的油液在外界大氣壓的作用下,經(jīng)吸油管路、吸油腔進(jìn)入齒谷。圖4－4外嚙合齒輪泵的工作原理

2.齒輪泵的排量與流量

齒輪泵的排量V相當(dāng)于一對(duì)齒輪所有齒谷容積之和,假如齒谷容積大致等于輪齒的體積,那么齒輪泵的排量就等于一個(gè)齒輪的齒谷容積和輪齒體積的總和,即相當(dāng)于以有效齒高和齒寬構(gòu)成的平面所掃過(guò)的環(huán)形體積,即泵排量V(mL/r)為

式中:D為齒輪分度圓直徑(cm),D=mz;h為有效齒高(cm),h=2m;B為齒輪寬度(cm);m為齒輪模數(shù)(cm);z為齒數(shù)。

實(shí)際上,齒谷容積比輪齒體積稍大一些,并且齒數(shù)越少誤差越大,因此在實(shí)際計(jì)算中用3.33~3.50來(lái)代替上式中π值,齒數(shù)少時(shí)取大值。齒輪泵的排量為

由此得齒輪泵的實(shí)際輸出流量為

式中n為齒輪泵的轉(zhuǎn)速(r/s)。

由以上公式可知,在外形、體積相同的情況下,增大模數(shù)m,減小齒數(shù)z,可以增大泵的排量。因此,用于機(jī)床液壓系統(tǒng)的低壓齒輪泵,齒數(shù)一般取13~19;而中高壓齒輪泵,齒數(shù)

一般取6~14。當(dāng)齒數(shù)z<14時(shí),齒輪要進(jìn)行修正。

實(shí)際上,由于齒輪泵在工作過(guò)程中,流量是轉(zhuǎn)角的周期函數(shù),存在流量脈動(dòng),瞬時(shí)流量也是脈動(dòng)的,故式(4－14)所表示的是泵的平均輸出流量。流量脈動(dòng)會(huì)直接影響到系統(tǒng)工作的

平穩(wěn)性,引起壓力脈動(dòng),使管路系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。如果脈動(dòng)頻率與系統(tǒng)的固有頻率一致,還將引起共振,加劇振動(dòng)和噪聲。若用qmax、qmin來(lái)表示最大、最小瞬時(shí)流量,q0表示平均流量,則流量脈動(dòng)率為

3.外嚙合齒輪泵的性能分析

1)困油現(xiàn)象

為了保證齒輪泵的正常工作,結(jié)構(gòu)要求齒輪嚙合的重疊系數(shù)ε>1,ε>1時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩對(duì)輪齒同時(shí)嚙合的情況,即當(dāng)前一對(duì)輪齒未脫開(kāi)嚙合前,后一對(duì)輪齒就開(kāi)始進(jìn)入嚙合。兩對(duì)嚙合的輪齒之間形成一封閉的空間,稱(chēng)為閉死容積,如圖4－5所示。

隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng),這個(gè)閉死容積也在不斷地發(fā)生變化,閉死容積由大變小時(shí)(從圖4－5(a)到圖4－5(b)的過(guò)程),會(huì)使被困油液受擠壓,使壓力急劇上升,油液從縫隙中擠出,導(dǎo)致油液發(fā)熱,并使齒輪軸承受到附加的不平衡負(fù)載作用。而閉死容積由小變大時(shí)(從圖4－5(b)到圖4－5(c)的過(guò)程),又將因無(wú)油液補(bǔ)充而產(chǎn)生吸空,同時(shí)使溶于油中的氣體分離出來(lái),產(chǎn)生氣穴,引起噪聲、振動(dòng)和氣蝕,降低容積效率并造成能量浪費(fèi),這就是齒輪泵的困油現(xiàn)象。消除困油的辦法,通常是在兩側(cè)蓋板上開(kāi)卸荷槽(見(jiàn)圖4－5(d)),使閉死容積縮小時(shí)與

排液腔連通,閉死容積變大時(shí)則與吸液腔相通。

圖4－5困油現(xiàn)象及困油卸荷槽

2)徑向不平衡力

齒輪泵在工作過(guò)程中,作用于齒輪外緣上的液壓力是不相等的。從低壓腔到高壓腔,壓力沿齒輪旋轉(zhuǎn)方向逐漸遞增。這些液體壓力綜合作用的結(jié)果,使齒輪和軸承受到徑向不平衡力的作用,使齒輪和軸承受載。工作壓力越高,徑向不平衡力越大。徑向不平衡力大到一定程度時(shí)使泵軸彎曲。導(dǎo)致齒頂與泵體接觸,加速軸承的磨損,降低軸承使用壽命。

通常采取縮小排液口的辦法來(lái)減小徑向不平衡力,使排液腔的壓力液體僅作用于一個(gè)齒到兩個(gè)齒的范圍內(nèi),同時(shí)增大徑向間隙,使齒頂不和泵體接觸。

3)泄漏及端面間隙的自動(dòng)補(bǔ)償

外嚙合齒輪泵排液腔的壓力油泄漏到吸液腔中有三條途徑:一是通過(guò)齒輪嚙合處的間隙;二是通過(guò)泵體內(nèi)表面與齒頂圓間的徑向間隙;三是通過(guò)齒輪兩端面和兩側(cè)蓋板間的端面

間隙。在這三條途徑中,通過(guò)端面間隙的泄漏流量最大,占總泄漏流量的70%~80%。泵的壓力越高,產(chǎn)生的泄漏就越大,泵的容積效率就越低,因此,一般齒輪泵只適用于低壓。要提

高齒輪泵的壓力,就必須減小端面泄漏,一般采用齒輪端面間隙自動(dòng)補(bǔ)償?shù)霓k法。

圖4－6所示為端面間隙的自動(dòng)補(bǔ)償原理圖。軸套1和2是浮動(dòng)安裝的,利用通道把泵內(nèi)排油腔的壓力油引到軸套1和2左側(cè)的空腔中,當(dāng)泵工作時(shí),軸套1和2受左側(cè)液壓力的作用而向右移動(dòng),使浮動(dòng)軸套始終緊貼齒輪端面,使齒輪端面與軸套壓緊,從而自動(dòng)補(bǔ)償了端面間隙,使齒輪泵能達(dá)到較高的工作壓力。

目前,彈簧側(cè)板式齒輪泵也是根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)制造的。圖4－6端面間隙的自動(dòng)補(bǔ)償原理圖

4.外嚙合齒輪泵的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用

外嚙合齒輪泵的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,質(zhì)量輕,體積小,工作可靠,成本低以及對(duì)液壓油的污染不太敏感,便于維修,自吸能力強(qiáng),壽命長(zhǎng)。其缺點(diǎn)是流量和壓力脈動(dòng)大,噪聲大,容積效率較低,排量不可調(diào)節(jié)。另外,軸和軸承承受不平衡的徑向力,磨損嚴(yán)重,泄漏大,工作壓力的提高受到限制。

在機(jī)床、工程機(jī)械、航空機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械等系統(tǒng)以及各種補(bǔ)油、潤(rùn)滑和冷卻液壓系統(tǒng)中常用外嚙合齒輪泵作為動(dòng)力源。

二、內(nèi)嚙合齒輪泵

內(nèi)嚙合齒輪泵有漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵和擺線內(nèi)嚙合齒輪泵兩種,如圖4－7所示。圖4－7內(nèi)嚙合齒輪泵

1.漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵

如圖4－7(a)所示,漸開(kāi)線內(nèi)嚙合齒輪泵由小齒輪、內(nèi)齒輪、月牙形隔板等組成。月牙形隔板在內(nèi)齒輪和小齒輪之間,將吸油腔和壓油腔隔開(kāi)。小齒輪為主動(dòng)輪,當(dāng)偏心小齒輪帶動(dòng)內(nèi)齒輪同方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),左半部齒退出嚙合,容積增大,形成局部真空,進(jìn)行吸油。進(jìn)入齒槽的油被帶到排油腔,右半部齒進(jìn)入嚙合,容積減小,從排油口排油。

2.擺線內(nèi)嚙合齒輪泵

擺線內(nèi)嚙合齒輪泵也稱(chēng)擺線轉(zhuǎn)子泵。它主要由一對(duì)互相嚙合的內(nèi)外齒輪所組成,如圖4－7(b)所示。外齒輪為主動(dòng)輪,稱(chēng)為內(nèi)轉(zhuǎn)子,其齒形是一種短幅外擺線的等距曲線。內(nèi)齒輪是從動(dòng)輪,稱(chēng)為外轉(zhuǎn)子,齒形為圓弧曲線。外轉(zhuǎn)子的齒數(shù)比內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)多一個(gè),兩齒輪偏心安裝。當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí),在連心線的左側(cè),各密封工作腔容積隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)逐漸增大,形成局部真空,通過(guò)蓋板上的吸油窗口吸油。在連心線的右側(cè),各密封工作腔容積隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)逐漸減小,通過(guò)配流窗口而排油。

任務(wù)三葉片泵分析

一、單作用葉片泵1.單作用葉片泵的工作原理單作用葉片泵的工作原理如圖4－8所示,它由轉(zhuǎn)子1、定子2、葉片3、配流盤(pán)和端蓋等成。定子內(nèi)表面為圓柱形,定子和轉(zhuǎn)子間有偏心距e,葉片裝在轉(zhuǎn)子槽中,并可在葉片槽內(nèi)滑動(dòng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),由于離心力的作用(處于壓油區(qū)的葉片根部通壓力油),使葉片緊靠在定子內(nèi)壁,這樣在定子、轉(zhuǎn)子、葉片和兩側(cè)配流盤(pán)間就形成若干個(gè)密封的工作容腔。當(dāng)轉(zhuǎn)子

按圖示的方向旋轉(zhuǎn)時(shí),在圖4－8右部,葉片逐漸伸出,葉片間的工作容腔逐漸增大,從吸油口吸油,這是吸油腔。在圖4－8左部,葉片被定子內(nèi)壁逐漸壓進(jìn)葉片槽內(nèi),工作容腔逐漸縮小,將油液從壓油口壓出,這是壓油腔。在吸油腔和壓油腔之間,有一段封油區(qū),把吸油腔和壓油腔隔開(kāi)。這種葉片泵的轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周,每個(gè)工作容腔完成一次吸油和壓油,因此稱(chēng)為單作用葉片泵。轉(zhuǎn)子不停地旋轉(zhuǎn),泵就不斷地吸油和排油。圖4－8單作用葉片泵的工作原理圖4－9單作用葉片泵排量計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.單作用葉片泵的特點(diǎn)

單作用葉片泵的特點(diǎn)如下:

(1)改變定子和轉(zhuǎn)子之間的偏心距便可改變流量。偏心反向時(shí),吸油、壓油方向也相反。

(2)處在壓油腔的葉片頂部受到壓力油的作用,該作用要把葉片推入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)。為了使葉片頂部可靠地和定子內(nèi)表面相接觸,壓油腔一側(cè)的葉片底部要通過(guò)特殊的溝槽和壓油腔相通。吸油腔一側(cè)的葉片底部與吸油腔相通,這里的葉片僅靠離心力的作用頂在定子內(nèi)表

面上。

°

(3)由于轉(zhuǎn)子受到不平衡的徑向液壓作用力,所以這種泵一般不宜用于高壓。

(4)為了更有利于葉片在慣性力作用下向外伸出,葉片有一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的傾斜角,稱(chēng)后傾角,一般為24。

二、雙作用葉片泵

1.雙作用葉片泵的工作原理

雙作用葉片泵的工作原理如圖4－10所示,它也是由轉(zhuǎn)子1、定子2、葉片3和配流盤(pán)4等組成的。轉(zhuǎn)子和定子中心重合,定子內(nèi)表面近似為橢圓柱形,該橢圓形由兩段長(zhǎng)半徑R、兩段短半徑r和四段過(guò)渡曲線所組成。圖4－10雙作用葉片泵的工作原理

2.雙作用葉片泵的排量和流量

雙作用葉片泵的排量計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4－11所示。由于轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中,每個(gè)密封空間完成兩次吸油和壓油,所以當(dāng)定子的大圓弧半徑為R、小圓弧半徑為r、定子寬度為B及兩葉片間的夾角β=2π/z時(shí),每個(gè)密封容積排出的油液體積為半徑為R和r、扇形角為β厚度為B的兩扇形體積之差的兩倍,因而在不考慮葉片的厚度和傾角時(shí),雙作用葉片泵的排量V'(mL/r)為圖4－11雙作用葉片泵排量計(jì)算簡(jiǎn)圖

一般在雙作用葉片泵中,葉片底部全部接通壓力油腔,因而葉片在槽中作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),葉片槽底部的吸油和壓油不能補(bǔ)償由于葉片厚度所造成的排量減小,為此雙作用葉片泵當(dāng)葉片厚度為b、葉片安放的傾角為θ時(shí)的排量為

所以當(dāng)雙作用葉片泵的轉(zhuǎn)速為n,泵的容積效率為η

V時(shí),泵的理論流量和實(shí)際輸出流量分別為

3.雙作用葉片泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)配流盤(pán)

雙作用葉片泵的配流盤(pán)如圖4－12所示。在配流盤(pán)上有兩個(gè)吸油窗口2、4和兩個(gè)壓油窗口1、3,窗口之間為封油區(qū),通常應(yīng)使封油區(qū)對(duì)應(yīng)的中心角β稍大于或等于兩個(gè)葉片之間的夾角,否則會(huì)使吸油腔和壓油腔連通,造成泄漏。圖4－12雙作用葉片泵的配流盤(pán)

2)定子曲線

定子曲線是由四段圓弧和四段過(guò)渡曲線組成的。過(guò)渡曲線應(yīng)保證葉片貼緊在定子內(nèi)表面上,以保證葉片在轉(zhuǎn)子槽中徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)速度和加速度的變化均勻,使葉片對(duì)定子的內(nèi)表面的沖擊盡可能小。

過(guò)渡曲線如采用阿基米德螺旋線,則葉片泵的流量理論上沒(méi)有脈動(dòng),可是葉片在大、小圓弧和過(guò)渡曲線的連接點(diǎn)處產(chǎn)生很大的徑向加速度,對(duì)定子產(chǎn)生沖擊,造成連接點(diǎn)處嚴(yán)重磨損,并發(fā)生噪聲。在連接點(diǎn)處用小圓弧進(jìn)行修正,可以改善這種情況,在較為新式的泵中采用“等加速—等減速”曲線。

3)葉片的傾角

雙作用葉片泵的葉片在轉(zhuǎn)子中不是徑向安裝的,而是傾斜了一個(gè)角度,也就是葉片頂部按轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)方向往前傾斜。葉片需要傾斜一個(gè)角度的原因可通過(guò)圖4－13進(jìn)行分析。當(dāng)葉片在壓油腔工作時(shí),定子內(nèi)表面將葉片推向中心,它的工作情況與凸輪相似,這時(shí)作用力方向和轉(zhuǎn)子半徑方向的夾角是β。對(duì)于一般的雙作用葉片泵來(lái)說(shuō),定子曲線升程較大,β角也較大。如果葉片在轉(zhuǎn)子中徑向安裝,這時(shí)壓力角(作用力方向和葉片移動(dòng)方向的夾角)就是β。圖4－13雙作用葉片泵的傾斜角

4.提高雙作用葉片泵壓力的措施

由于一般雙作用葉片泵的葉片底部通壓力油,就使得處于吸油區(qū)的葉片頂部和底部的液壓作用力不平衡,葉片頂部以很大的壓緊力抵在定子吸油區(qū)的內(nèi)表面上,使磨損加劇,影響葉片泵的使用壽命,尤其是工作壓力較高時(shí),磨損更嚴(yán)重,因此吸油區(qū)葉片兩端壓力不平衡,限制了雙作用葉片泵工作壓力的提高。所以在高壓葉片泵的結(jié)構(gòu)上必須采取措施,使葉片壓向定子的作用力減小。常用的措施有:

(1)減小作用在葉片底部的油液壓力。將泵的壓油腔的油通過(guò)阻尼槽或內(nèi)裝式小減壓閥通到吸油區(qū)的葉片底部,使葉片經(jīng)過(guò)吸油腔時(shí)壓向定子內(nèi)表面的作用力不致過(guò)大。

(2)減小葉片底部承受壓力油作用的面積。葉片底部受壓面積為葉片的寬度和葉片厚度的乘積,因此減小葉片的實(shí)際受力寬度和厚度,就可減小葉片受壓面積。

減小葉片實(shí)際受力寬度結(jié)構(gòu)如圖4－14(a)所示,這種結(jié)構(gòu)中采用了復(fù)合式葉片(也稱(chēng)子母葉片),葉片分成母葉片1與子葉片2兩部分。通過(guò)配流盤(pán)使K腔總是接通壓力油,引入子母葉片間的小腔c內(nèi),而母葉片底部L腔則借助于虛線所示的油孔,始終與頂部油液壓力相同。這樣,無(wú)論葉片處在吸油區(qū)還是壓油區(qū),母葉片頂部和底部的壓力油總是相等的。當(dāng)葉片處在吸油腔時(shí),只有c腔的高壓油作用而壓向定子內(nèi)表面,減小了葉片和定子內(nèi)表面間的作用力。

圖4－14(b)所示為階梯片結(jié)構(gòu),在這里,階梯葉片和階梯葉片槽之間的油室d始終和壓力油相通,而葉片的底部和所在腔相通。這樣,葉片在油室d內(nèi)油液壓力作用下壓向定子表面,由于作用面積減小,使其作用力不致太大,但這種結(jié)構(gòu)的工藝性較差。

圖4－14減小葉片作用面積的高壓葉片泵葉片結(jié)構(gòu)

(3)使葉片頂端和底部的液壓作用力平衡。圖4－15(a)所示的泵采用雙葉片結(jié)構(gòu),葉片槽中有兩個(gè)可以作相對(duì)滑動(dòng)的葉片1和2,每個(gè)葉片都有一棱邊與定子內(nèi)表面接觸,在葉片的頂部形成一個(gè)油腔a,葉片底部油腔b始終與壓油腔相通,并通過(guò)兩葉片間的小孔c與油腔a相連通,因而使葉片頂端和底部的液壓作用力得到平衡。適當(dāng)選擇葉片頂部棱邊的寬度,可以使葉片對(duì)定子表面既有一定的壓緊力,又不致使該力過(guò)大。為了使葉片運(yùn)動(dòng)靈活,對(duì)零件的制造精度將提出較高的要求。

圖4－15(b)所示為葉片裝彈簧的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)葉片1較厚,頂部與底部有孔相通,葉片底部的油液是由葉片頂部經(jīng)葉片的孔引入的,因此葉片上、下油腔油液的作用力基本平

衡,為使葉片緊貼定子內(nèi)表面,保證密封,在葉片根部裝有彈簧。圖4－15葉片液壓力平衡的高壓葉片泵葉片結(jié)構(gòu)

三、限壓式變量葉片泵

單作用葉片泵的變量方法有手調(diào)和自調(diào)兩種。自調(diào)變量泵又根據(jù)其工作特性的不同分為限壓式、恒壓式和恒流量式三類(lèi),其中以限壓式應(yīng)用較多。

限壓式變量葉片泵是利用泵排油壓力的反饋?zhàn)饔脤?shí)現(xiàn)變量的,它有外反饋和內(nèi)反饋兩種形式,下面分別說(shuō)明它們的工作原理和特性。

1.外反饋式變量葉片泵的工作原理

如圖4－16所示,轉(zhuǎn)子2的中心O1是固定的,定子3可以左右移動(dòng),其中心為O2。在限壓彈簧5的作用下,定子被推向左端,使定子中心O2和轉(zhuǎn)子中心O1之間有一初始偏心量e0。它決定了泵的最大流量qmax。定子左側(cè)裝有反饋液壓缸6,其左腔與泵出口相通。在泵工作過(guò)程中,液壓缸活塞對(duì)定子施加向右的反饋力pA(A為活塞有效作用面積)。圖4－16外反饋式變量葉片泵的工作原理．

2.內(nèi)反饋式變量葉片泵的工作原理

內(nèi)反饋式變量葉片泵的工作原理與外反饋式相似,但泵的偏心距的改變不是依靠外反饋液壓缸,而是依靠?jī)?nèi)反饋液壓力的直接作用。內(nèi)反饋式變量葉片泵配流盤(pán)的吸、壓油窗口布置如圖4－17所示。圖4－17內(nèi)反饋式變量葉片泵的工作原理

3.限壓式變量葉片泵的流量壓力特性

限壓式變量葉片泵的流量壓力特性曲線如圖4－18所示。曲線表示泵工作時(shí)流量隨壓力變化的關(guān)系。當(dāng)泵的工作壓力小于pB時(shí),其特性相當(dāng)于定量泵,用線段AB表示,線段AB

和水平線的差值Δq為泄漏量。圖4－18限壓式變量葉片泵的流量壓力特性曲線

如圖4－16、4－17所示,泵的最大流量由螺釘1(稱(chēng)最大流量調(diào)節(jié)螺釘)調(diào)節(jié),它可改變A點(diǎn)的位置,使AB線段上下平移。泵的限定壓力由螺釘4(稱(chēng)限定壓力調(diào)節(jié)螺釘)調(diào)節(jié),它

可改變B點(diǎn)的位置,使BC線段左右平移。若改變彈簧剛度k,則可改變BC線段的斜率。

限壓式變量葉片泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜,輪廓尺寸大,相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)件多,泄漏較大,但是它能按照負(fù)載壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)流量,在功率使用上較為合理,常用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要有快慢速的機(jī)床液壓系統(tǒng),有利于節(jié)能和簡(jiǎn)化油路。

任務(wù)四柱塞泵分析

一、徑向柱塞泵

1.徑向柱塞泵的工作原理

徑向柱塞泵的工作原理如圖4－19所示。

圖4－19徑向柱塞泵的工作原理圖

2.徑向柱塞泵的排量和流量

當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子之間的偏心距為e時(shí),柱塞在缸體孔中的行程為2e,設(shè)柱塞個(gè)數(shù)為z,直徑為d,則泵的排量為

設(shè)泵的轉(zhuǎn)數(shù)為n,容積效率為ηV,則泵的實(shí)際輸出流量為

二、軸向柱塞泵

軸向柱塞泵是將多個(gè)柱塞安裝在一個(gè)共同缸體的圓周上,并使柱塞中心線和缸體中心線平行的一種泵。軸向柱塞泵有兩種形式,斜盤(pán)式(直軸式)和斜軸式(擺缸式)。

1.斜盤(pán)式軸向柱塞泵

1)斜盤(pán)式軸向柱塞泵的工作原理

軸向柱塞泵的柱塞都沿缸體軸向布置,并均勻分布在缸體的圓周上。

斜盤(pán)式軸向柱塞泵的工作原理如圖4－20所示。它主要由斜盤(pán)1、柱塞3、缸體2、配流盤(pán)4等所組成。圖4－20斜盤(pán)式軸向柱塞泵的工作原理

2)斜盤(pán)式軸向柱塞泵的排量和流量

若柱塞數(shù)目為z,柱塞直徑為d,柱塞孔的分布圓直徑為D,斜盤(pán)傾角為γ(見(jiàn)圖4－21),當(dāng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)時(shí),泵的排量為

由式(4－26)可以看出,如果改變斜盤(pán)傾角γ的大小,就能改變柱塞的行程長(zhǎng)度,也就改變了泵的排量。如果改變斜盤(pán)傾角的方向,就能改變吸、壓油方向,這時(shí)柱塞泵就成為雙向

變量軸向柱塞泵。

泵輸出的實(shí)際流量為圖4－21軸向柱塞泵的流量計(jì)算

不同柱塞數(shù)目的柱塞泵,其輸出流量的脈動(dòng)率σ是不同的。具體脈動(dòng)率σ如表4－1所示。

由表4－1可以看出,柱塞數(shù)較多并為奇數(shù)時(shí),脈動(dòng)率σ較小,故柱塞泵的柱塞數(shù)一般都為奇數(shù)。從結(jié)構(gòu)和工藝性考慮,常取z=7或z=9。此時(shí),其脈動(dòng)率遠(yuǎn)小于外嚙合齒輪泵。

3)斜盤(pán)式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖4－22是目前使用比較廣泛的一種斜盤(pán)式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)圖。圖4－22手動(dòng)變量斜盤(pán)式軸向柱塞泵

(1)滑履結(jié)構(gòu)。

在圖4－20中,各柱塞以球形頭部直接接觸斜盤(pán)而滑動(dòng),柱塞頭部與斜盤(pán)之間為點(diǎn)接觸。泵工作時(shí),柱塞頭部接觸應(yīng)力大,極易磨損,故一般軸向柱塞泵都在柱塞頭部裝一滑履7(見(jiàn)圖4－22),滑履的底平面與斜盤(pán)4接觸,而柱塞頭部與滑履則為球面接觸,并加以鉚合,使柱塞和滑履既不會(huì)脫落,又可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣改點(diǎn)接觸為面接觸,并且各相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間通過(guò)小孔引入壓力油,實(shí)現(xiàn)可靠的潤(rùn)滑方法,極大地降低了相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件表面的磨損。這樣,就大大提高了泵的工作壓力。

(2)中心彈簧機(jī)構(gòu)。

柱塞頭部的滑履必須始終緊貼斜盤(pán)才能正常工作。圖4－20中是在每個(gè)柱塞底部加一個(gè)彈簧。但這種結(jié)構(gòu)中,隨著柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),彈簧易于疲勞損壞。圖4－22中改用一個(gè)中心彈簧14,通過(guò)鋼球17和壓盤(pán)6將滑履壓向斜盤(pán)并帶動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng),從而使泵具有較好的自吸能力。這種結(jié)構(gòu)中的彈簧只受靜載荷,不易疲勞損壞。

(3)變量機(jī)構(gòu)。

在變量軸向柱塞泵中均設(shè)有專(zhuān)門(mén)的變量機(jī)構(gòu),用來(lái)改變斜盤(pán)傾角γ的大小,從而調(diào)節(jié)泵的排量。軸向柱塞泵的變量方式有多種,有手動(dòng)變量、伺服變量、恒功率變量、恒壓變量等。

圖4－22中是一手動(dòng)變量機(jī)構(gòu),設(shè)置在泵的左側(cè)。變量時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)手輪1,螺桿2隨之轉(zhuǎn)動(dòng),因?qū)蜴I的作用,變量活塞3便上下移動(dòng),通過(guò)銷(xiāo)5使支承在變量殼體上的斜盤(pán)4繞其中心轉(zhuǎn)動(dòng),從而改變了斜盤(pán)傾角γ。手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但操縱力較大,通常只能在停機(jī)或泵壓較低的情況下才能實(shí)現(xiàn)變量。

(4)通軸與非通軸結(jié)構(gòu)。

斜盤(pán)式軸向柱塞泵有通軸與非通軸兩種結(jié)構(gòu)形式。圖4－22所示的泵是一種非通軸型軸向柱塞泵。非通軸型泵的主要缺點(diǎn)之一是要采用大型滾柱軸承來(lái)承受斜盤(pán)施加給缸體的徑向力,軸承壽命較低,轉(zhuǎn)速受到限制,且噪聲大,成本高。圖4－23通軸型軸向柱塞泵

2.斜軸式軸向柱塞泵

斜軸式軸向柱塞泵的工作原理如圖4－24所示。法蘭傳動(dòng)軸1與缸體4的軸線傾斜了一個(gè)角度γ,故稱(chēng)為斜軸式泵。連桿兩端為球頭,一端鉸接于柱塞上,另一端與法蘭軸形成球

鉸,它既是連接件又是傳動(dòng)件,利用連桿的錐體部分與柱塞內(nèi)的接觸帶動(dòng)缸體旋轉(zhuǎn)。配流盤(pán)固定不動(dòng),中心軸6起支承缸體的作用。圖4－24斜軸式軸