第3章液压泵与液压马达 液压泵与液压马达是液压系统中的能量转换装置。液压泵将原动机输出的机械能转换 成压力能,属于动力元件,其功用是给液压系统提供足够的压力油以驱动系统工作,因此 液压泵的输入参量为机械参量(转矩T和转速n),输出参量为液压参量压力P和流量 而液压马达将输入的液体压力能转换成工作机构所需要的机械能,属于执行元件,常置于 液压系统的输出端,直接或间接驱动负载连续回转而做功。因此,液压马达的输入参量为 液压参量(压力p和流量q),输出参量为机械参量(转矩T和转速n)。 本章介绍几种典型液压泵及液压马达的工作原理、结构特点、性能参数以及应用。 3.1液压泵与液压马达概述 液压泵和液压马达属于容积式液压机械,它们都是利用密封油腔容积的大小变化来工 作的。因此,抓住密封油腔容积是如何构成及如何变化的问题,是理解液压泵和液压马达 的工作原理与结构特点的关键 31.1液压泵的工作原理 图3.1所示为一单柱塞液压泵的工作原理 图中柱塞2装在缸体3中形成一密封油腔容积 a,柱塞在弹簧4的作用下始终压紧在偏心轮 上。当马达驱动偏心轮旋转时,柱塞便在缸体中 作往复运动,使得密封油腔a的容积大小随之发 生周期性的变化。当柱塞外伸,密封油腔a由小 变大,局部形成真空,油箱中的油液在大气压的 作用下,经吸油管顶开吸油单向阀6进入a腔而 实现吸油,此时排油单向阀5在系统管道油液压 力作用下关闭;反之,当柱塞被偏心轮压进缸体 时,密封油腔a由大变小时,a腔中吸满的油液 图3.1单柱塞容积式泵的工作原理 将顶开压油单向阀5流入系统而实现压油,此时1-偏心轮:2一柱塞:3缸体:4—弹簧: 吸油单向阀6关闭。原动机驱动偏心轮不断旋5—排油单向阀:6吸油单向阀:a一密封油腔 转,液压泵就不断地吸油和压油 液压泵排出油液的压力取决于油液流动需要克服的阻力,排出油液的流量取决于密封 腔容积变化的大小和速率。 由此可见,容积式液压泵靠密封油腔容积的变化实现吸油和压油,从而将原动机输入 的机械功率rω(T为输入的转矩,O为输入的角速度)转换成液压功率p(p为输出压力,q
第 3 章 液压泵与液压马达 液压泵与液压马达是液压系统中的能量转换装置。液压泵将原动机输出的机械能转换 成压力能，属于动力元件，其功用是给液压系统提供足够的压力油以驱动系统工作，因此， 液压泵的输入参量为机械参量(转矩 T 和转速 n)，输出参量为液压参量(压力 p 和流量 q)。 而液压马达将输入的液体压力能转换成工作机构所需要的机械能，属于执行元件，常置于 液压系统的输出端，直接或间接驱动负载连续回转而做功。因此，液压马达的输入参量为 液压参量(压力 p 和流量 q)，输出参量为机械参量(转矩 T 和转速 n)。 本章介绍几种典型液压泵及液压马达的工作原理、结构特点、性能参数以及应用。 3.1 液压泵与液压马达概述 液压泵和液压马达属于容积式液压机械，它们都是利用密封油腔容积的大小变化来工 作的。因此，抓住密封油腔容积是如何构成及如何变化的问题，是理解液压泵和液压马达 的工作原理与结构特点的关键。 3.1.1 液压泵的工作原理 图 3.1 所示为一单柱塞液压泵的工作原理， 图中柱塞 2 装在缸体 3 中形成一密封油腔容积 a，柱塞在弹簧 4 的作用下始终压紧在偏心轮 1 上。当马达驱动偏心轮旋转时，柱塞便在缸体中 作往复运动，使得密封油腔 a 的容积大小随之发 生周期性的变化。当柱塞外伸，密封油腔 a 由小 变大，局部形成真空，油箱中的油液在大气压的 作用下，经吸油管顶开吸油单向阀 6 进入 a 腔而 实现吸油，此时排油单向阀 5 在系统管道油液压 力作用下关闭；反之，当柱塞被偏心轮压进缸体 时，密封油腔 a 由大变小时，a 腔中吸满的油液 将顶开压油单向阀 5 流入系统而实现压油，此时 吸油单向阀 6 关闭。原动机驱动偏心轮不断旋 转，液压泵就不断地吸油和压油。 液压泵排出油液的压力取决于油液流动需要克服的阻力，排出油液的流量取决于密封 腔容积变化的大小和速率。 由此可见，容积式液压泵靠密封油腔容积的变化实现吸油和压油，从而将原动机输入 的机械功率 Tω (T 为输入的转矩，ω 为输入的角速度)转换成液压功率 pq (p 为输出压力，q 图 3.1 单柱塞容积式泵的工作原理 1—偏心轮；2—柱塞；3—缸体；4—弹簧； 5—排油单向阀；6—吸油单向阀；a—密封油腔
液压传动 为输出流量):单向阀5、6组成配流机构(这里称为阀配流),使吸油和排油过程相互隔开, 从而使系统能随负载建立起相应的压力 这种单柱塞泵是靠密封油腔的容积变化进行工作的,称为容积式泵。构成容积式液压 泵必须具备如下的3个条件: (1)容积式泵必定具有一个或若干个密封油腔 (2)密封油腔的容积能产生由小到大和由大到小的变化,以形成吸油和压油过程 (3)具有相应的配流机构以使吸油和排油过程能各自独立完成。液压泵和液压马达实 现进油、排油的方式称为配流 本章所述的各种液压泵虽然组成密封腔的零件结构各异,配流机构形式也各不相同, 但它们都满足上述3个条件,都属于容积式液压泵。 从原理和能量转换的角度来说,液压泵和液压马达是可逆工作的液压元件,即向液压 泵输入工作液体便可使其变成液压马达而带动负载工作,因此,液压马达同样需要满足液 压泵的上述3个条件,液压马达的工作原理在此不再赘述 必须指出,由于液压泵和液压马达的工作条件不同,对各自的性能要求也不一样,因 此,同类型的液压泵和液压马达尽管结构很相似,但仍存在不少差异,所以实际使用中大 部分液压泵和液压马达不能互相代用(注明可逆的除外)。 312液压泵的主要性能参数 液压泵的性能参数主要有压力、转速、排量、流量、功率、效率和噪声 1.液压泵的压力(常用单位为MPa) 1)额定压力P 在正常工作条件下,按试验标准规定连续运转所允许的最高压力。额定压力值与液压 泵的结构形式及其零部件的强度、工作寿命和容积效率有关。在液压系统中,安全阀的调 定压力要小于液压泵的额定压力。铭牌标注的就是此压力 2)最高允许压力pnx Pmax是指泵短时间内所允许超载使用的极限压力,它受泵本身密封性能和零件强度等 因素的限制。 3)工作压力 液压泵在实际工作时的输出压力,亦即液压泵出口的压力,泵的输出压力由负载决定。 当负载增加,输出压力就增大;负载减小,输出压力就降低 4)吸入压力P 吸入压力指液压泵进口处的压力。自吸式泵的吸入压力低于大气压力,一般用吸入高 度衡量。当液压泵的安装高度太高或吸油阻力过大时,液压泵的进口压力将因低于极限吸 入压力而导致吸油不充分,而在吸油腔产生气穴或气蚀。吸入压力的大小与液压泵的结构 形式有关。 2.液压泵的转速(常用单位为r/min) )额定转速η。在额定压力下,根据试验结果推荐能长时间连续运行并保持较高运行 效率的转速
·64· 液压传动 ·64· 为输出流量)；单向阀 5、6 组成配流机构(这里称为阀配流)，使吸油和排油过程相互隔开， 从而使系统能随负载建立起相应的压力。 这种单柱塞泵是靠密封油腔的容积变化进行工作的，称为容积式泵。构成容积式液压 泵必须具备如下的 3 个条件： (1) 容积式泵必定具有一个或若干个密封油腔； (2) 密封油腔的容积能产生由小到大和由大到小的变化，以形成吸油和压油过程； (3) 具有相应的配流机构以使吸油和排油过程能各自独立完成。液压泵和液压马达实 现进油、排油的方式称为配流。 本章所述的各种液压泵虽然组成密封腔的零件结构各异，配流机构形式也各不相同， 但它们都满足上述 3 个条件，都属于容积式液压泵。 从原理和能量转换的角度来说，液压泵和液压马达是可逆工作的液压元件，即向液压 泵输入工作液体便可使其变成液压马达而带动负载工作，因此，液压马达同样需要满足液 压泵的上述 3 个条件，液压马达的工作原理在此不再赘述。 必须指出，由于液压泵和液压马达的工作条件不同，对各自的性能要求也不一样，因 此，同类型的液压泵和液压马达尽管结构很相似，但仍存在不少差异，所以实际使用中大 部分液压泵和液压马达不能互相代用(注明可逆的除外)。 3.1.2 液压泵的主要性能参数 液压泵的性能参数主要有压力、转速、排量、流量、功率、效率和噪声。 1. 液压泵的压力(常用单位为 MPa) 1) 额定压力 n p 在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转所允许的最高压力。额定压力值与液压 泵的结构形式及其零部件的强度、工作寿命和容积效率有关。在液压系统中，安全阀的调 定压力要小于液压泵的额定压力。铭牌标注的就是此压力。 2) 最高允许压力 pmax pmax 是指泵短时间内所允许超载使用的极限压力，它受泵本身密封性能和零件强度等 因素的限制。 3) 工作压力 p 液压泵在实际工作时的输出压力，亦即液压泵出口的压力，泵的输出压力由负载决定。 当负载增加，输出压力就增大；负载减小，输出压力就降低。 4) 吸入压力 0 p 吸入压力指液压泵进口处的压力。自吸式泵的吸入压力低于大气压力，一般用吸入高 度衡量。当液压泵的安装高度太高或吸油阻力过大时，液压泵的进口压力将因低于极限吸 入压力而导致吸油不充分，而在吸油腔产生气穴或气蚀。吸入压力的大小与液压泵的结构 形式有关。 2. 液压泵的转速(常用单位为 r/min) (1) 额定转速 n。在额定压力下，根据试验结果推荐能长时间连续运行并保持较高运行 效率的转速
第3章液压泵与液压马达 囟(2)最高转速mm在额定压力下,为保证使用寿命和性能所允许的短暂运行的最高转 其值主要与液压泵的结构形式及自吸能力有关 (3)最低转速mm。为保证液压泵可靠工作或运行效率不致过低所允许的最低转速。 3.液压泵的排量及流量 1)排量m/r,常用单位为mL/) 在不考虑泄漏的情况下,液压泵主轴每转一周,所排出的液体的体积称为排量,又称 为理论排量、几何排量 2)理论流量q(m/s,常用单位为L/min 在不考虑泄漏的情况下,液压泵在单位时间内所排出的液体的体积称为理论流量;工 程上又称空载流量。 (3.1) 式中 液压泵额定转速(rmin) 液压泵排量 3)实际流量q 指实际运行时,在不同压力下液压泵所排出的流量。实际流量低于理论流量,其差值 =q-q为液压泵的泄漏量 4)额定流量qa 在额定压力、额定转速下,按试验标准规定必须保证的输出流量。 5)瞬时理论流量φ 由于运动学机理,液压泵的流量往往具有脉动性,液压泵某一瞬间所排的理论流量称 为瞬时理论流量。 6)流量不均匀系数δ 在液压泵的转速一定时,因流量脉动造成的流量不均匀程度 (qs) -(qus) (3.2 4.液压泵的功率 液压泵的输入功率为机械功率,以泵轴上的转矩T和角速度的乘积来表示;液压泵 的输出功率为液压功率,以压力p和流量q的乘积来表示。 1)输入功率P 液压泵的输入功率是马达的输出功率,亦即实际驱动泵轴所需的机械功率 P=oT=2InT 2)输出功率P。 液压泵的输出功率(kW用其实际流量q和出口压力p的乘积表示 P。=p (34) 式中 液压泵的实际流量m3/s) 液压泵的出口压力(Pa) 3)理论功率P 如果液压泵在能量转换过程中没有能量损失,则输入功率与输出功率相等,即为理论
第 3 章 液压泵与液压马达 ·65· ·65· (2) 最高转速 nmax。在额定压力下，为保证使用寿命和性能所允许的短暂运行的最高转 速。其值主要与液压泵的结构形式及自吸能力有关。 (3) 最低转速 nmin。为保证液压泵可靠工作或运行效率不致过低所允许的最低转速。 3. 液压泵的排量及流量 1) 排量 V(m3 /r，常用单位为 mL/r) 在不考虑泄漏的情况下，液压泵主轴每转一周，所排出的液体的体积称为排量，又称 为理论排量、几何排量。 2) 理论流量 t q (m3 /s，常用单位为 L/min) 在不考虑泄漏的情况下，液压泵在单位时间内所排出的液体的体积称为理论流量；工 程上又称空载流量。 t q = nV (3.1) 式中 n——液压泵额定转速(r/min)； V——液压泵排量。 3) 实际流量 q 指实际运行时，在不同压力下液压泵所排出的流量。实际流量低于理论流量，其差值 ql＝ t q ―q 为液压泵的泄漏量。 4) 额定流量 qn 在额定压力、额定转速下，按试验标准规定必须保证的输出流量。 5) 瞬时理论流量 qtsh 由于运动学机理，液压泵的流量往往具有脉动性，液压泵某一瞬间所排的理论流量称 为瞬时理论流量。 6) 流量不均匀系数 q δ 在液压泵的转速一定时，因流量脉动造成的流量不均匀程度。 tsh max tsh min q t () () q q q δ − = (3.2) 4. 液压泵的功率 液压泵的输入功率为机械功率，以泵轴上的转矩 T 和角速度ω 的乘积来表示；液压泵 的输出功率为液压功率，以压力 p 和流量 q 的乘积来表示。 1) 输入功率 Pi 液压泵的输入功率是马达的输出功率，亦即实际驱动泵轴所需的机械功率 i P = = ωT n 2π T (3.3) 2) 输出功率 Po 液压泵的输出功率(kW)用其实际流量 q 和出口压力 p 的乘积表示 Po＝pq (3.4) 式中 q——液压泵的实际流量(m3 /s)； p——液压泵的出口压力(Pa)。 3) 理论功率 Pt 如果液压泵在能量转换过程中没有能量损失，则输入功率与输出功率相等，即为理论
液压传动 功率,用P1表示 P=pq 2InT 式中T——液压泵的理论转矩。 5.液压泵的效率 实际上,液压泵在能量转换过程中是有损失的,因此输出功率小于输入功率,两者之 差即为功率损失。液压泵的功率损失有机械损失和容积损失,因摩擦而产生的损失是机械 损失,因泄漏而产生的损失是容积损失。功率损失用效率来描述。 1)机械效率n 液体在泵内流动时,液体黏性会引起转矩损失,泵内零件相对运动时,机械摩擦也会 引起转矩损失。机械效率η是泵所需要的理论转矩T与实际转矩T之比,即 2)容积效率几 在转速一定的条件下,液压泵的实际流量与理论流量之比定义为泵的容积效率,即 q=1 式中q一液压泵的泄漏量。 在液压泵结构形式、几何尺寸确定后,泄漏量q1的大小主要取决于泵的出口压力,与 液压泵的转速(对定量泵)或排量(对变量泵)无多大关系。因此液压泵在低转速或小排量下工 作时,其容积效率将会很低,以致无法正常工作, 由于泵内相对运动零件之间间隙很小,泄漏油液的流态是层流,所以泄漏量q和泵的 工作压力p是线性关系,即 hp 式中k一泵的泄漏系数 k,p 3)总效率n 液压泵的输出功率与输入功率之比。 少P四==pnmn=们 (3.10) p. 2nT 2InT/nm 2InT 液压泵的总效率η在数值上等于容积效率和机械效率 P 的乘积。液压泵的总效率、容积效率和机械效率可以通过实100 验测得。 液压泵的容积效率刃、机械效率7m、总效率、理 论流量φ、实际流量q和实际输入功率P与工作压力p的关 系曲线如图32所示。它是液压泵在特定的介质、转速和油 温等条件下通过实验得出的。 由图32可知,液压泵在零压时的流量即为q1。由于泵图32液压泵的性能曲线
·66· 液压传动 ·66· 功率，用 Pt表示 tt t P = = pq n 2π T (3.5) 式中 Tt——液压泵的理论转矩。 5. 液压泵的效率 实际上，液压泵在能量转换过程中是有损失的，因此输出功率小于输入功率，两者之 差即为功率损失。液压泵的功率损失有机械损失和容积损失，因摩擦而产生的损失是机械 损失，因泄漏而产生的损失是容积损失。功率损失用效率来描述。 1) 机械效率η m 液体在泵内流动时，液体黏性会引起转矩损失，泵内零件相对运动时，机械摩擦也会 引起转矩损失。机械效率η m 是泵所需要的理论转矩 Tt与实际转矩 T 之比，即 t m T T η = (3.6) 2) 容积效率η V 在转速一定的条件下，液压泵的实际流量与理论流量之比定义为泵的容积效率，即 l l V t t 1 1 q q q q q nV η = =− =− (3.7) 式中 1 q —液压泵的泄漏量。 在液压泵结构形式、几何尺寸确定后，泄漏量 1 q 的大小主要取决于泵的出口压力，与 液压泵的转速(对定量泵)或排量(对变量泵)无多大关系。因此液压泵在低转速或小排量下工 作时，其容积效率将会很低，以致无法正常工作。 由于泵内相对运动零件之间间隙很小，泄漏油液的流态是层流，所以泄漏量 1 q 和泵的 工作压力 p 是线性关系，即 1 q ＝kl p (3.8) 式中 kl—泵的泄漏系数。 因此 l V 1 k p Vn η = − (3.9) 3) 总效率η 液压泵的输出功率与输入功率之比。 o tV t Vm Vm i tm t 2π 2π / 2π P pq pq pq p nT nT nT η η ηη ηη η == = = = (3.10) 液压泵的总效率η 在数值上等于容积效率和机械效率 的乘积。液压泵的总效率、容积效率和机械效率可以通过实 验测得。 液压泵的容积效率ηpv 、机械效率ηpm 、总效率ηp 、理 论流量 qt、实际流量 q 和实际输入功率 Pi与工作压力 p 的关 系曲线如图 3.2 所示。它是液压泵在特定的介质、转速和油 温等条件下通过实验得出的。 由图 3.2 可知，液压泵在零压时的流量即为 t q 。由于泵 图 3.2 液压泵的性能曲线
第3章液压泵与液压马达 的泄漏量随压力升高而增大,所以泵的容积效率7及实际流量q随泵的工作压力的升高而 降低,压力为零时的容积效率nv=100%,这时的实际流量q可以视为理论流量q。总效率 开始随压力p的增大很快上升,接近液压泵的额定压力时总效率n最大,达到最大值后 又逐步降低。由容积效率和总效率这两条曲线的变化,可以看出机械效率的变化情况:泵 在低压时,机械摩擦损失在总损失中所占的比重较大,其机械效率7m很低。随着工作压力 的提高,机械效率很快上升。在达到某一值后,机械效率大致保持不变,从而表现出总效 率曲线几乎和容积效率曲线平行下降的变化规律。 6.液压泵的噪声 液压泵的噪声通常用分贝(dB)衡量,液压泵的噪声产生的原因主要包括:流量脉动、 液流冲击、零部件的振动和摩擦,以及液压冲击等, 【例3.1】已知中高压齿轮泵CBG2040的排量为40.6mLr,该泵在1450r/min转速 10MPa压力工况下工作,泵的容积效率n=0.95,总效率刀=0.9,求驱动该泵所需马达 的功率Pp和泵的输出功率Pp? 解:(1)求泵的输出功率Pp 液压泵的实际输出流量q 9=qm=pnn=406×103×1450×095L/min=55927L/min 则液压泵的输出功率为 10×106×55.927×10355927 P= PPp 60×10 6-9.2lkW (2)求马达的功率Pp 马达功率即泵的输入功率为 =P=9321 =10.357kW ne 查马达手册,应选配功率为1kW的马达。 313液压马达的主要性能参数 1.液压马达的压力 液压马达的额定压力、最高压力、工作压力的定义同液压泵。其差别是指液压马达的 进口压力,而液压马达的出口压力则称为背压。为保证液压马达运转的平稳性,一般取液 压马达的背压为05MPa~MPa 2.液压马达的排量、流量 液压马达的排量、理论流量、实际流量、额定流量及泄漏量的定义与液压泵类似,所不 同的是指进入液压马达的液体体积,且实际流量q大于理论流量qn,即qM-qm=q 3.液压马达的转速和容积效率 液压马达在其排量一定时,其理论转速m取决于进入马达的流量q,即
第 3 章 液压泵与液压马达 ·67· ·67· 的泄漏量随压力升高而增大，所以泵的容积效率ηpv 及实际流量 q 随泵的工作压力的升高而 降低，压力为零时的容积效率ηpv =100%，这时的实际流量 q 可以视为理论流量 t q 。总效率 ηp 开始随压力 p 的增大很快上升，接近液压泵的额定压力时总效率ηp最大，达到最大值后， 又逐步降低。由容积效率和总效率这两条曲线的变化，可以看出机械效率的变化情况：泵 在低压时，机械摩擦损失在总损失中所占的比重较大，其机械效率ηpm 很低。随着工作压力 的提高，机械效率很快上升。在达到某一值后，机械效率大致保持不变，从而表现出总效 率曲线几乎和容积效率曲线平行下降的变化规律。 6. 液压泵的噪声 液压泵的噪声通常用分贝(dB)衡量，液压泵的噪声产生的原因主要包括：流量脉动、 液流冲击、零部件的振动和摩擦，以及液压冲击等。 【例 3.1】 已知中高压齿轮泵 CBG2040 的排量为 40.6mL/r，该泵在 1450r/min 转速、 10MPa 压力工况下工作，泵的容积效率ηpv ＝0.95，总效率ηp ＝0.9，求驱动该泵所需马达 的功率 PPi和泵的输出功率 PPo？ 解：(1) 求泵的输出功率 PPo 液压泵的实际输出流量 P q P t pv P P pv q q Vn == = η η 3 40.6 10 1450 0.95L / min 55.927L / min − ×× × = 则液压泵的输出功率为 6 3 Po P P 3 10 10 55.927 10 55.927 9.321kW 60 10 6 P pq − ×× × == = = × (2) 求马达的功率 PPi 马达功率即泵的输入功率为 Po Pi P 9.321 10.357kW 0.9 P P η == = 查马达手册，应选配功率为 11kW 的马达。 3.1.3 液压马达的主要性能参数 1. 液压马达的压力 液压马达的额定压力、最高压力、工作压力的定义同液压泵。其差别是指液压马达的 进口压力，而液压马达的出口压力则称为背压。为保证液压马达运转的平稳性，一般取液 压马达的背压为 0.5MPa～1MPa。 2. 液压马达的排量、流量 液压马达的排量、理论流量、实际流量、额定流量及泄漏量的定义与液压泵类似，所不 同的是指进入液压马达的液体体积，且实际流量 Mq 大于理论流量 Mt q ，即 Mq ― Mt q ＝ l q 。 3. 液压马达的转速和容积效率 液压马达在其排量一定时，其理论转速 nt取决于进入马达的流量 Mq ，即 M t M q n V = (3.11)