第3章液壓幫浦
內容提要
本章主要介紹液壓動力元件的幾種典型液壓幫浦（齒輪幫浦、葉片幫浦、柱塞幫浦的工作原理、效能引數、基本結構、效能特點及應用範圍等）。
基本要求、重點和難點
基本要求：掌握齒輪幫浦、葉片幫浦、柱塞幫浦的工作原理、效能引數、結構特點。了解各類幫浦的典型結構及應用範圍。
重點：通過本章學習，要求掌握液壓幫浦的工作原理、功能、效能引數（壓力和流量等）、效能特點及應用範圍。
難點： ①密閉容積的確定（特別是齒輪幫浦）。②容積效率的概念。 ③額定壓力和實際壓力的概念。 ④外反饋限壓式變數葉片幫浦的特性。 ⑤柱塞幫浦的變數機構。
3.1液壓幫浦基本概述
液壓幫浦作為液壓系統的動力元件，將原動機（電動機、柴油機等）輸入的機械能**矩和角速度）轉換為壓力能（壓力和流量）輸出，為執行元件提供壓力油。液壓幫浦.的效能好壞直接影響到液壓系統的工作效能和可靠性，在液壓傳動中占有極其重要的地位。
3.1.1液壓幫浦的工作原理
如圖3-1所示，單柱塞幫浦由偏心輪1、柱塞2、彈簧3、缸體4和單向閥5、6等組成，柱塞與缸體孔之間形成密閉容積。當原動機帶動偏心輪順時針方向旋轉時，柱塞在彈簧力的作用下向下運動，柱塞與缸體孔組成的密閉容積增大，形成真空，油箱中的油液在大氣壓力的作用下經單向閥5進入其內（單向閥6關閉）。這一過程稱為吸油，當偏心輪的幾何中心轉到最下點o1/時，容積增大到極限位置，吸油終止。
吸油過程完成後，偏心輪繼續旋轉，柱塞隨偏心輪向上運動，柱塞與缸體孔組成的密閉容積減小，油液受擠壓經單向閥6排出（單向閥5關閉），這一過程稱為排油，當偏心輪的幾何中心轉到最上點o1//時，容積減小至極限位置，排油終止。偏心輪連續旋轉，柱塞上下往復運動，幫浦在半個週期內吸油、半個週期內排油，在乙個週期內吸排油各一次。
圖3-1 單柱塞幫浦工作原理
1-偏心輪 2-柱塞 3-彈簧 4-缸體 5、6-單向閥 7-油箱
如果記柱塞直徑為，偏心輪偏心距為，則柱塞向上最大行程，排出的油液體積。為單柱塞幫浦每轉一轉所排出的油液體積，通常將其稱為幫浦的排量，它只與幾何尺寸（和）有關。
根據上述分析，液壓幫浦的工作原理可以歸納如下：
1）液壓幫浦必須具有乙個由運動件（柱塞）和非運動件（缸體）所構成的密閉容積，該容積的大小隨運動件的運動發生週期性變化。容積增大時形成真空，油箱的油液在大氣壓作用下進入密閉容積（吸油）；容積減小時油液受擠壓克服管路阻力排出（排油）。因它的吸油和排油均依賴密閉容積的容積變化，因此稱之為容積式幫浦。
2）液壓幫浦的密閉容積增大到極限時，先要與吸油腔隔開，然後才轉為排油；同理，密閉容積減小到極限時，先要與排油腔隔開，然後才轉為吸油。圖3-1所示的幫浦是通過單向閥5和6實現這一要求的，因此稱之為閥式配流。此外，還有配流盤式配流和配流軸式配流等形式。
3）液壓幫浦每轉一轉吸入或排出的油液體積取決於密閉容積的變化量。圖3-1所示幫浦的變化量與柱塞的直徑和行程有關。因單個柱塞幫浦半個週期吸油、半個週期排油，供油不連續，因此不能直接用於工業生產。
通常將柱塞數選為三個以上，且徑向均布，組成如圖3-35所示的液壓幫浦。
4）液壓幫浦吸油的實質是油箱的油液在大氣的作用下進入具有一定真空度的吸油腔。為防止氣蝕，真空度應小於0.05mpa，因此對吸油管路的液流速度及油液提公升高度有一定的限制。
幫浦的吸油腔容積能自動增大的幫浦稱為自吸幫浦。如圖3-1所示的幫浦，若柱塞上部無彈簧，則無自吸能力。
5）液壓幫浦的排油壓力取決於排油管路油液流動所受到的總阻力，即液流的管路損失、元件的壓力損失及需要克服的外負載阻力之和。總阻力越大，排油壓力越高。若排油管路直接接回油箱，則總阻力為零，幫浦排出壓力為零，幫浦的這一工況稱之為解除安裝。
6）組成液壓幫浦密閉容積的零件，有的是固定件，有的是運動件。它們之間存在相對運動，因此必須存在間隙（圖3-1為柱塞與缸體孔之間的環形縫隙）。當密閉容積為排油時，壓力油將經此間隙向外洩露、使實際排出的油液體積減小，其減少的油液體積稱為幫浦的容積損失。
7）為了保證液壓幫浦的正常工作，幫浦內完成吸、壓油的密閉容積在吸油與壓油之間相互轉換時，將瞬間存在乙個既不與吸油腔相通、又不與壓油腔相通的閉死的容積。若此閉死容積在轉移的過程中大小發生變化，則容積減小時，因液體受擠壓而使壓力提高；容積增大時又會因無液體補充而使壓力降低。必須注意的是，如果閉死容積的減小是發生在該容積離開壓油腔之後，則壓力將高於壓油腔的壓力，這樣會導致週期性的壓力衝擊，同時高壓液體會通過運動副之間的間隙擠出，導致油液發熱；如果閉死容積的增大是發生在該容積剛離開吸油腔之後，則會使閉死容積的真空度增大，以致引起氣蝕和雜訊。
這種因存在閉死容積大小發生變化而導致的壓力衝擊、氣蝕、雜訊等危害液壓幫浦的效能和壽命的現象，稱為液壓幫浦的困油現象，在設計與製造液壓幫浦時應竭力消除與避免。
3.1.2液壓幫浦的效能引數和特性曲線
1．液壓幫浦的壓力
1）吸入壓力幫浦進口處的壓力，自吸幫浦的吸入壓力低於大氣壓力。
2）工作壓力液壓幫浦工作時的出口壓力，其大小取決於負載。
3）額定壓力在正常工作條件下，按試驗標準連續運轉的最高壓力。
除此之外還有最高允許壓力，是指幫浦短時間內所允許超載使用的極限壓力，它受幫浦本身密閉效能和零件強度等因素的限制。
由於液壓傳動的用途不同，液壓系統所需的壓力也不同，為了便於液壓元件的設計、生產和使用，將壓力分為幾個等級，列表於3-1。
表3-1壓力分級
2．液壓幫浦的排量和流量
1）排量v
液壓幫浦每轉一轉理論上應排出的油液體積，稱之為幫浦的排量，又稱理論排量或幾何排量，記為v，常用單位為cm3/r。排量的大小決定於幫浦的幾何尺寸。
2）流量
液壓幫浦的流量又分為平均理論流量、實際流量、瞬時理論流量。
①平均理論流量qt 液壓幫浦在單位時間內理論上排出的油液體積，它正比於幫浦的排量v和轉速n，即qt=nv。常用的單位為m3/s和l/min。
②實際流量q 液壓幫浦在單位時間內實際排出的油液體積。在幫浦的出口壓力不等於零時，因存在洩漏流量q，因此實際流量q小於理論流量qt，即q=qt-q 。
需要指出：當幫浦的出口壓力等於零或進出口壓力差等於零時，幫浦的洩漏q =0，即q=qt。工業生產或實驗中將此時的流量等同於理論流量。
③瞬時理論流量qsh 液壓幫浦任一瞬時理論輸出的流量。一般液壓幫浦的瞬時理論流量是波動的，即qsh≠qt 。
④額定流量qs 液壓幫浦在額定壓力、額定轉速下允許連續執行的流量。
3．液壓幫浦的功率和效率
1）輸入功率pr 驅動液壓幫浦軸的機械功率為幫浦的輸入功率，若記輸入轉矩為t；角速度為ω，則pr=tω。
2）輸出功率p 液壓幫浦輸出的液壓功率，即平均實際輸出流量q和工作壓力p的乘積為輸出功率，p=pq 。
3）容積效率ηv
液壓幫浦的實際流量q與理論流量qt的比值稱為液壓幫浦的容積效率，可表示3-1）
由於幫浦內機件間的間隙很小，洩漏油液的流態可以看作為層流，所以洩漏量和幫浦的輸
出壓力成正比。即
3-2）
式中為洩漏係數
因此有3-3）
上式表明：幫浦的輸出壓力越高，洩漏係數越大，轉速越低，則幫浦的容積效率也越低
4）機械效率ηm 驅動液壓幫浦的理論轉矩tt 與實際轉矩t的比值稱為液壓幫浦的機械效率，可表示為ηm=tt/t 。
5）總效率η 液壓幫浦的輸出功率p與輸入功率pr之比為總效率，即
3-4）
一台效能良好的液壓幫浦應要求其總效率最高，而不僅僅是容積效率最高。
4．液壓幫浦的轉速
1）額定轉速ns 在額定壓力下，能連續長時間正常運轉的最高轉速，稱為液壓幫浦的額定轉速。
2）最高轉速nmax 在額定壓力下，超過額定轉速允許短時間執行的最高轉速。
3）最低轉速nmin 正常運轉所允許的液壓幫浦的最低轉速。
4）轉速範圍最低轉速與最高轉速之間的轉速為液壓幫浦工作的轉速範圍。
5．液壓幫浦的特性曲線
液壓幫浦的效能常用如圖3-2所示的效能曲線表示，曲線的橫座標為液壓幫浦的工作壓力p，縱座標為液壓幫浦的容積效率ηv（或實際流量q），機械效率ηm，總效率η和輸入功率pr。它是液壓幫浦在特定的介質、轉速和油溫下通過實驗做出的。
圖3-2 液壓幫浦的效能曲線
由圖示效能曲線可看出：液壓幫浦的容積效率ηv（或實際流量q）隨幫浦的工作壓力公升高而降低，壓力為零時容積效率ηv =100% ，實際流量等於理論流量。液壓幫浦的總效率η隨幫浦的工作壓力公升高而公升高，接近液壓幫浦的額定壓力時總效率η最高。
對某些工作轉速在一定範圍的液壓幫浦或排量可變的液壓幫浦，為了揭示液壓幫浦整個工作範圍的全效能特性，一般用圖3-3所示的通用特性曲線表示。曲線的橫座標為幫浦的工作壓力p，縱座標為幫浦的流量q、轉速n或排量v，圖中繪製有幫浦的等效率曲線ηi，等功率曲線pri。
圖3-3 液壓幫浦的通用特性曲線
3.1.3 液壓幫浦的分類
液壓幫浦按主要運動構件的形狀和運動方式分為齒輪幫浦、葉片幫浦、柱塞幫浦、螺桿幫浦。其中：齒輪幫浦又分為外嚙合齒輪幫浦和內嚙合齒輪幫浦；葉片幫浦分為雙作用葉片幫浦、單作用葉片幫浦和凸輪轉子葉片幫浦；柱塞幫浦分為徑向柱塞幫浦和軸向柱塞幫浦；螺桿幫浦分為單螺桿幫浦、雙螺桿幫浦和三螺桿幫浦。
液壓幫浦按排量能否改變分為定量幫浦和變數幫浦，其中變數幫浦可以是單作用葉片幫浦、徑向柱塞幫浦、軸向柱塞幫浦。
液壓幫浦按進、出油口的方向是否可變分為單向幫浦和雙向幫浦，其中單向定量幫浦和單向變數幫浦只能乙個方向旋轉；雙向定量幫浦可以通過變換進、出油口來改變幫浦的轉向；雙向變數幫浦不僅可以通過操縱變數機構變換進、出油口來改變幫浦的轉向，而且可以改變幫浦的排量（或流量）。顯然，雙向幫浦具有對稱的結構，而單向幫浦是針對某一轉向設計的，為非對稱結構。
3.1.4 液壓幫浦的圖形符號
液壓幫浦的圖形符號如圖3-4所示。
abcd）
圖3-4 液壓幫浦的圖形符號
（a）單向定量液壓幫浦 （b）單項變數液壓幫浦
（c）雙向定量液壓幫浦 （d）雙向變數液壓幫浦
3.2 齒輪幫浦
齒輪幫浦是液壓系統中常用的液壓幫浦，在結構上可分為外嚙合式和內嚙合式兩類。
3.2.1 外嚙合齒輪幫浦
1．工作原理
如圖3-5所示為外嚙合齒輪幫浦的工作原理。在幫浦的殼體內有一對外嚙合齒輪，齒輪兩側有端蓋罩住（圖3-5中未示出）。殼體、端蓋和齒輪的各個齒槽組成了許多密閉工作腔。
當齒輪按圖3-5所示方向旋轉時，右側吸油腔由於相互嚙合的輪齒逐漸脫開，密閉工作腔容積逐漸增大，形成區域性真空，油箱中的油液被吸進來，將齒槽充滿，並隨著齒輪旋轉，把油液帶到左側壓油腔去。在壓油區一側，由於輪齒在這裡逐漸進入嚙合，密閉工作腔容積不斷減小，油液被擠出去。吸油區和壓油區是由相互嚙合的輪齒以及幫浦體分隔開的。
第三章計畫
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禮儀第三章
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