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1、,第二节 液 压 泵,在液压甲板机械和其它液压机械中,液压泵的主要任务就是为液压系统供给足够流量和足够压力的液压油,必要时能改变供油的流向和流量。,液压泵的类型,容积式泵因其能够产生较高的工作油压,且流量受工作压力的影响很小,故适合作液压泵。根据液压系统工作压力的不同,多采用: 螺杆泵 叶片泵 柱塞式油泵 柱塞式变量油泵与普通的往复式柱塞泵在结构上有显著的不同,即为了满足提高转速(减小体积)和供液均匀的要求,采用多作用的回转油缸型式,并取消了泵阀。这种泵设有变向变量机构,以便在转速和转向不变的情况下能够改变油流的方向和流量。 柱塞式变量油泵可依柱塞布置方式的不同而分为径向柱塞式与轴向柱塞式两种
2、,后者又有斜盘泵和斜轴泵两类。,一、径向柱塞式变量泵,1工作原理 径向柱塞式变量泵的工作原理可用右图来说明。图中,外圆6代表支撑在滚动轴承上既能转动又能靠控制机构左右移动的浮动环,中间的圆盘2代表油缸体。在缸体2中,径向地钻有若干油缸孔,内置柱塞1,柱塞顶部带有滑履7,滑履7安装在浮动环6的环形滑轨内,并可沿环形滑轨滑移。,径向柱塞泵的工作原理(续1),缸体2由原动机驱动,带动柱塞、滑履、浮动环一齐绕静止的配油轴5回转。而在配油轴5内沿轴向钻有互不相通的油路4和3。假设原动机驱动缸体作顺时针方向回转,那么, 当浮动环处于中央位置时,如图733(a),由于浮动环与缸体同心,故柱塞在油缸中不产生任
3、何往复运动,这时油泵空转,不产生任何吸排作用,流量为零。,径向柱塞泵的工作原理(续2),如果通过操纵机构将浮动环拉离中央位置,使偏向右侧如图733(b),则吊挂于浮动环滑轨上的柱塞,就会在转过上半周时,不断从油缸中退出,并经油路4吸人油液;而当柱塞转过下半周时,则又会不断压人油缸,将缸内的油液从油路3排出。 径向柱塞式变量泵的流量可用下式表示:,径向柱塞泵的工作原理(续2),式中:d柱塞直径,m; e浮动环的偏心距,m, z柱塞个数, n油泵转速,rmin; 泵的容积效率,一般约为085095。 对尺寸既定的径向柱塞泵而言,当转速恒定时,只要改变浮动环偏心距e的大小和方向,就能改变油泵的流量和
4、吸排方向。 由于柱塞在油缸中作往复运动时的速度是不均匀的,故每个油缸的瞬时流量也就不均匀。柱塞个数越多,液压泵的理论流量越均匀;而且柱塞个数为奇数时,又要比为相邻偶数时更为均匀。因此,单列径向柱塞泵的柱塞个数就常取为7、9、11、13等。,径向柱塞泵柱塞的受力分析,图734示出径向柱塞泵柱塞的受力分析简图。图中O1、O2分别表示缸体和浮动环的中心,作用于柱塞底部的油压力P可分解为从径向压向浮动环的力N和垂直于柱塞中心线的力T。分力N由浮动环产生的法向反作用力N平衡,而分力T会使缸体产生一顺时针方向的转矩 M=Tl=Pltg Nm,径向柱塞泵柱塞的受力分析(续),如果忽略吸油区柱塞所产生的不大的
5、反转矩,则排油区各柱塞产生的上述转矩之和即为液压油对油缸体所产生的总转矩。对油泵来说,它是阻转矩。如果泵不被原动机驱动,而是将压力油从一根油管输人泵中,并使另一根油管向油箱(或低压侧)回油,则液压油对缸体的总转矩就会驱动泵轴回转,从而使它成为一输出转矩的液压马达。,径向柱塞泵柱塞的构造实例,海尔休径向柱塞式变量泵,图735示出海尔休(Hele-Shaw)径向柱塞式变量泵的结构。图中,配油轴5固接在端盖7上,中间钻有孔道3、4。孔道3、4左端与吸排管接头,2、6相通,而其右端则与在配油轴上下两方开出的油孔连通。在配油轴的外侧,套装着底部开孔的缸体15。缸体15支承在两端的球轴承19上,由主轴16
6、驱动,可绕配油轴5回转。 在缸体15内,沿径向均匀地排列着一列油缸。装入每一个油缸中的柱塞13通过其外端的耳轴12以及套在耳轴12上的滑履11,吊挂在浮动环的环形滑轨中,并可沿滑轨滑移。,海尔休径向柱塞式变量泵(续),浮动环10为两个对合在一起的圆盘,它由球轴承8支承在导架9上,因此,当原动机经轴16带动缸体15绕配油轴5回转时,柱塞13将随之转动,并通过滑履的摩擦力,带动浮动环一起回转。在这种情况下,如通过穿于泵壳之外的拉杆18,拉动导架9、17,使之沿两端盖7和14内的导路,向任意一侧滑移,那么,浮动环10就会与缸体产生偏心,使泵进行吸排工作。 为了防止油泵停用时因压力油倒灌而反转,在海尔
7、休径向柱塞式变量泵的泵轴上需装设防逆转用的棘轮机构,图736即为这种防逆转机构的一例。,图736海尔休泵防逆转机构,径向柱塞泵的特点,(1)配油轴因内部钻孔,并处于悬臂状态,工作时又要承受很大的径向力,故为了保证油轴的强度和刚度,轴的外径就需较粗,兼以油缸呈径向布置,所以泵的径向尺寸和重量也较大。 (2)由于配油轴所受径向力不平衡,它与缸体间的间隙不能太小,而且此间隙因磨损而增大后又无法补偿,再加上密封段又短,故容积效率不是很高;此外,缸体和浮动环都承受着不平衡的径向液压力,也会使轴承负荷增加。所以泵的工作油压越高,则容积效率越低,轴承负荷也越大,故径向柱塞泵的最大工作压力一般多限制在20MP
8、a以内。 (3)轴内钻孔由于受轴的结构和强度的限制,通流面积较小,这样,为了保证泵的正常吸入,防止产生“气穴”现象,吸人流速不能太高,这限制了径向泵的流量和转速(一般不超过1500rrain)。,二、轴向柱塞式变量泵,在液压甲板机械中,特别是转矩较大和需要使用较高油压的场合,径向柱塞泵越来越被轴向柱塞泵所取代。,1斜盘式轴向柱塞泵,(1)工作原理 斜盘式轴向柱塞泵的工作原理如图737所示。泵轴1通过键与缸体3相连,在缸体3、上沿轴向均匀地加工出一圈油缸,各缸中设有柱塞4,靠其作用于底部的油压或用机械的方法,始终贴紧在斜盘5上,而斜盘5则可绕O点偏转,即其轴线相对于泵轴线的倾角夕可以改变。缸体3
9、的左端面抵紧在配油盘2上。配油盘2用定位销与泵体9固定,并在其上开有两个弧形的配油窗口6,以使各相应的油缸分别与泵的吸排管口7和8相沟通。,图7-37 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,当原动机经轴1带动缸体作顺时针方向(从斜盘端看)回转时,如使斜盘处在图示的倾斜方向,那么,当柱塞自下而上转过左半周的过程中,必将从油缸中逐渐退出,使油缸内的封闭容积逐渐增大,经左侧窗口由接口7吸油;而当柱塞自上而下转过右半周时,则又会压人油缸,使缸内容积不断减小,将已吸入的油液经右侧窗口从接口8排出。,斜盘式轴向柱塞泵的流量(1),斜盘式轴向柱塞泵的流量可以用下式表示: 式中:d柱塞直径,
10、m; h柱塞行程,m,ADtg D柱塞中心分布圆直径,m; 斜盘倾角; z柱塞个数, n油泵转速,rrain 油泵的容积效率。当工作油压p20MPa时约为095098,当p20MPa 时,约为092095。,斜盘式轴向柱塞泵的流量(2),由上可知,在泵的结构尺寸和转速一定时,改变斜盘倾角的大小,即可改变泵的流量,而当斜盘的倾斜方向改变时,泵的吸排方向也就改变。当 =0时,则Q=0。 与径向柱塞泵一样,轴向柱塞泵的瞬时流量也是脉动的。轴向柱塞泵的柱塞个数一般多取为7个,流量大时也有取9或11个的。,图738斜盘式轴向柱塞泵的受力分析,作用在柱塞底部的油压力P可分解为垂直于斜盘的力N和垂直于柱塞轴
11、线的力T。分力N由斜盘产生的法向反力N平衡。而分力T则使缸体受到一倾复力矩,必须由支承缸体的轴承来承受;同时又对缸体产生一定的转矩.,斜盘式轴向柱塞泵的受力分析,如果忽略泵吸油区柱塞所产生的很小的反转矩不计,则油压力对缸体所产生的总转矩,就将是排油区各缸产生的转矩之和。与径向泵一样,如果泵不被原动机所驱动,而是将压力油从一根油管向泵内输入,并让另一根油管回油,则液压油对缸体的转矩即成为驱动泵轴回转的驱动转矩,从而使液压泵变成液压马达。显然,上述情况对斜轴式轴向柱塞泵也同样适用。,图7-39 CYl41型斜盘式轴向柱塞泵,CYl41型轴向柱塞泵的主体部分,传动轴1通过花键与缸体4连接,在缸体4上
12、按轴线方向均匀分布7个油缸,各缸中均装有柱塞20,柱塞的端部与滑履19铰接,滑履靠定心弹簧6通过内套7、钢球A和回程盘8抵压在斜盘16上,定心弹簧的另一端则通过外套5将缸体紧压在配油盘上。斜盘16以其耳轴支承在变量机构的壳体17上。而配油盘3则用定位销固定在泵体2上。这样,如使斜盘处于倾斜位置,则当缸体带动柱塞、滑履和回程盘回转时,柱塞就会在油缸中作往复运动,通过泵体中的两条油路和配油盘上的两个配油口分别进行吸排。如果泵的吸人压力较低,那么吸人行程中就要靠定心弹簧的张力,通过回程盘和滑履将柱塞从油缸中拉出。,CYl41型柱塞泵的主体部分(续1),泵的内部漏泄主要发生在:配油盘与缸体之间、柱塞与
13、缸体之间、滑履与斜盘之间以及滑履与柱塞的球头之间。漏出的油液则从泵体上部的泄油口召用泄油管引回油箱,泵伺服变量机构,CYl41型泵变量机构及其工作原理,采用液压伺服变量机构控制泵的流量和流向。其工作原理如下; 泵的两个吸排腔(图上仅示出一个)通过各自的油路b、c及单向阀18,与差动活塞12下方的油腔d相通,以使泵工作时既可由泵的排出腔向d腔供送压力油,也可由辅泵通过变量机构下端盖中的油孔向d腔供油。这样,如经拉杆9拉动伺服滑阀10,使其向上移动某山距离,使油孔f开启,则差动活塞上方油腔g中的油液就会泄人泵体,于是,差动活塞便会在口腔油压的作用下向上移动,直到油孔f重新被滑阀遮闭时为止。这样,利
14、用差动活塞的上移,通过斜盘背面的销轴就会带动斜盘,使其绕自己的耳轴偏转,改变倾角(最大可达土18土20 ),从而实现流量和流向的改变。,CYl41型泵变量机构及其工作(续),反之,如经拉杆使滑阀下移某一距离,则孔e开启,d腔中的压力油便会进入g腔。使d,g两腔油压相等,但因差动活塞的上部端面大于下部端面,所以活塞在上述油压差的作用下就会下移,直到孔e重新被滑阀遮闭时为止。这时由于斜盘的倾斜方向与前述相反,泵的吸排方向也就随之改变。 油泵的流量的大小可由差动活塞带动拨叉14从刻度盘13上示出。刻度盘共分10格,每格相当于额定流量的10。 当变量机构是由轴向柱塞泵自身供给控制油时,则泵在中位运转时
15、因无压力油可供,这时要使差动活塞离开中位,需靠拉杆9直接拉动。因此,经常需要换向的变量泵控制用油一般都由辅泵供油。,CYl41型泵配油盘的结构,配油盘上两个弧形配油口分别与泵体上的两个吸排油腔相通。盘上靠外面的环槽以外部分是辅助支承面,不起密封作用,但可增加缸体和配油盘的接触面积,以减小比压,减轻磨损。 为了保证柱塞在转过吸排配油口之间的封油区时不致将两个配油口沟通,配油盘上封油区封油角。必须大于油缸配油孔的包角。这样,在油缸配油孔越过封油区时,该油缸就会形成一个封闭空间。该空间的容积随缸体转动仍会变化,故会产生困油现象。在油缸配油孔离开封油区时,则又会因突然接通排油口或吸油口而造成油压突变,
16、发生液压冲击,产生很大的噪声。,图741 配油盘的结构,配油盘的困油现象与消除,为了消除上述弊端,CYl4l型泵的配油盘采用了非对称负重迭型结构;所谓非对称型配油盘,就是指配油盘的中线N-N相对于斜盘中线M-M朝缸体旋转方向偏转了一个角。 此外,在配油盘上还钻有阻尼孔D(有的泵则采用三角形阻尼槽),孔与配油盘相应的配油口相距很近,靠漏泄即相当于与该配油口节流相通。 而所谓负重迭型,就是指封油角。与油缸配油孔的包角之差为0-1 (- = 0, 即属零重迭型;当负重迭角甚小时,也可看作为零重迭型)。,配油盘的困油现象与消除(续),由于采用了这种结构,当油缸的配油孔即将与吸(排)油口断开时,就已开始
17、与间接沟通另一配油口的阻尼孔D重迭,这样即可消除困油现象,又可使油缸中的油液经阻尼孔逐渐地与另一配油口相通,压力变化比较平缓,从而避免了液压冲击,对容积效率影响也不大。 由于这种泵采用了非对称型配油盘,故只能按规定方向单向运转。为了保证配油盘安装位置正确,它与泵体是设有定位销(见图739)。 此外,在配油盘的封油区还设有若干个盲孔E,它可起存油润滑作用,以减轻摩损。,主要零件的静力平衡,油压撑开力Pc,抵消大部分柱塞传给滑履的法向压力N。,柱塞与滑履的结构和受力情况分析,由图742可见,在滑履和柱塞的中心都钻有小孔,它可使压力油经小孔通到柱塞与滑履及滑履与斜盘之间的摩擦面上,从而起到润滑和静压
18、支承作用。设计时只要适当选取滑履底部及其圆盘状小室的尺寸,即可借滑履底部呈圆台形分布的油压撑开力Pc,抵消大部分柱塞传给滑履的法向压力N(N比Pc约大10-15),这样既可大大减小比压,使磨损和功耗减小,又可以使滑履较好地压紧在斜盘上,防止产生过大的漏泄损失,从而使油泵在压力和功率都达到很高的情况下,仍有较好的使用性能和效率。,柱塞与滑履的结构和受力情况分析,除上述外,在配油盘的配油窗口及其两侧的环形密封面上,也存在着横截面呈梯形分布的油液压力。显然,只要密封面的宽度选择适当,则同样可使缸体压紧配油盘的油压力比撑开力稍大一些(约大610),以便既可避免比压过大,造成严重的摩擦损失,同时又可不致
19、使缸体与配油盘间的漏泄过多。,2.斜轴泵轴向柱塞泵,工作原理:当驱动缸体2转动时,柱塞的底腔容积能发生变化,于是,通过配油盘1的相应配油窗口和泵体内的油路,即可完成吸排作用。 斜轴泵与斜盘泵的工作原理虽颇相似,但在结构上却有较大差异,此外,在受力情况方面两者也有所不同。,图7-44 ZXB型斜轴式轴向柱塞泵,图7-44 ZXB型斜轴式轴向柱塞泵,ZXB型斜轴式轴向柱塞泵结构,油缸体11装在后泵体6内的滚动轴承上,靠蝶形弹簧15与配油盘12紧压在一起。 蝶形弹簧的预压缩量,则可通过安装在缸体轴线位置的调节螺杆14加以调节。 后泵体6左端带有两个耳轴,借两个滚动轴承5安装在外壳13上,并可借另外的
20、变量机构控制,绕轴承5的轴线-相对前泵体3左右摆动,以调整油缸体的倾角,从而改变油泵的流量和吸排方向。 传动轴1装在前泵体3内,右端带球窝圆盘。,ZXB型斜轴式轴向柱塞泵结构,在缸体中沿轴向装有7个桩塞10,柱塞10通过连杆7与传动轴1连接。 连杆左端球头借压板4和垫圈、螺钉等与传动轴球窝圆盘铰接,而连杆右端的球头,则通过卡瓦8和销子9与柱塞内孔铰接。 配油盘的两个配油口e, d分别经后泵体内的油道c、连通油泵的两个进、出油口。 从各密封面和润滑部位漏泄到泵壳13中的油液,则经泄油管回油箱。,斜轴泵(与斜盘泵相比)特点,斜轴泵用铰接柱塞球头的方法替代了斜盘泵中的滑履与斜盘,提高了结构的强度和耐
21、冲击性。 泵工作时,因连杆轴线与柱塞轴线之间的夹角不大,故柱塞与缸壁间的侧压力也就比斜盘泵要小得多,所以工作时不仅磨损较小,而且倾角也可加大到2530 (斜盘泵不大于20 ),扩大了流量变动范围。,斜轴泵(与斜盘泵相比)特点,斜轴泵驱动轴不穿过配油盘,可使缸体直径相应减小,漏泄和摩擦损失因而减小,泵的吸人性能也因油缸圆周速度的减小而有所改善。 斜轴泵滤油精度要求低,一般为25m,斜盘泵为1015m。 由于上述优点,致使斜轴泵在液压甲板机械中的应用日趋增多。但这种泵靠摆动缸体来变量,外形尺寸较大;结构和工艺比较复杂,造价也高。,三、变量泵的变量控制方式,变量泵的变量控制机构按控制力是否通过液压放
22、大来区分,有直接变量(如海尔休泵)和伺服变量(如CYl41)之分。 按变量机构控制信号的形式,又有手控、机控、电控、液控等多种。 按变量泵的流量特性来看,普通变量泵的流量特性即容积式泵流量特性一随着泵工作压力的升高,输出流量因漏泄增加而略有降低,除此之外,根据工作需要,还设计了各种自动变量泵,如限压式、恒功率式、恒压式、恒流量式等。,1限压式变量泵,限压式变量泵在工作压力低时全流量工作,当工作压力超过整定值时流量迅速降低,可限制泵的工作压力过高。,图745 带压力补偿器的限压式斜盘泵,带压力补偿器的限压式斜盘泵,这种泵的斜盘倾角由轴线与传动轴1平行的变量柱塞8来控制。当油泵的排压较小时,因不能
23、克服弹簧6的张力,故压力补偿器的阀芯7保持原位,变量柱塞8右侧油腔中的油液即经阀芯7、泄油管道口泄入泵壳之内,因此,斜盘复位弹簧9就会将斜盘推到最大流量的位置。但当排出油压升高到超过压力补偿弹簧6的整定值时,则阀芯7就会上移,使泵排出的压力油液通到变量柱塞右但0的油腔中,克服弹簧9的张力,使斜盘向流量减少的方向偏转。,带压力补偿器的限压式斜盘泵,这样,如果排出压力p再升高,泵的流量Q就会迅速减小,这可使排出压力保持在一定范围内,成为限压式变量泵。限压式变量泵的p-O特性曲线ABCD已在图中示出。显然,转动调节螺栓5,增大弹簧6的张力,即可调节限压数值,使特性曲线上的B点向B”点移动;相反,调松
24、弹簧6,则B点就会向B方向移动。至于BD的斜率,则取决于弹簧9的刚度。显然,如果将弹簧9的刚度做的足够软,则又可构成恒压式变量泵。,带压力补偿器的限压式斜盘泵(续),上述泵因传动轴穿过斜盘,支承在两端的轴承2和4上,故又称通轴式斜盘泵。与前述非通轴式斜盘泵相比,通轴式可省去支承缸体的大型滚柱轴承,这有利于降低成本和延长轴承使用寿命;但传动轴必须具有较大的刚度,缸体或配油盘也需要设计成浮动的形式,或使传动轴与缸体用鼓形花键连接,以适应传动轴在工作中可能产生的微小变形。,2恒功率变量泵,泵的自动变量机构还可设计成使流量Q随排出油压p的变化,近似地符合pQ常数的恒功率型式。 这种泵通常是使感受工作油
25、压的变量控制元件与两个弹簧相平衡,并使其中一个弹簧在变量控制元件的位移量增大到一定的数值后再参予工作,这样,即可使泵的p-Q特性曲线如图746中的折线ABCD所示。,恒功率变量泵(续),当排出油压增加到PA,平衡弹簧之一就开始压缩,使流量按AB线所示那样随排压的升高而降低,当油压进一步增大到PB以后,由于两个弹簧同时田7-46 恒功率变量泵的特性曲续参加了工作,亦即又增加了一个弹簧张力,于是泵的流量也会按图中BC线所示那样随压力的升高而降低;直至油压超过知后,泵的流量即因受到限位螺钉的限制不再降低,如图中CD线所示。整个折线ABCD与等功率曲线(双曲线)HK大致相近。,3不同控制方式的变量泵,目前,液压泵厂常以同样的液压泵配换少数几个控制元件即可得到不同的控制方式。图747即示出A4V型伺服变量泵的5种变量控制方式的液压原理图。要改变控制方式只需更换导阀9等少数几个控制元件即可。 图748示出带有辅泵(内齿轮泵)的A4VEL型通轴式斜盘泵及安全、补油阀和电磁比例伺服控制元件。,图 例(1),图 例(2),图 例(3),
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