液压传动武汉科技大学

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1、液压传动课程教学大纲课程代码：3017课程名称：液压传动适用专业：机械工程及自动化专业、机械电子专业及有关专业课程性质：全日制本科 技术基础课学位课主讲教师：武汉科技大学 机械自动化学院 机械电子系 流体传动及控制研究所 金晓宏副教授总 学 时：40学时课堂讲授34学时，实验教学6学时课程学分： 2 学分预修课程：机械原理、理论力学、电工学和流体力学一.教学目的和要求通过本课程学习，使学生对液压传动的发展概况、基本原理和应用领域有初步了解。通过学习本课程，对主要技术及应用有一定掌握，要求学习后掌握液压传动中常用液压元件的原理与结构、液压系统的基本构成、基本原理、液压系统常见回路的分析方法。能读

2、懂常见工业设备的液压传动系统图；能进行常用的液压传动系统回路设计。通过课程教学，启发学生对液压传动的兴趣，学生能够知道什么时候需要某种合适的液压传动方案用于给定的问题，并能够选择适当的具体实现措施。通过课程实验，培养学生初步的液压实验技能以增强实验动手能力通过全课程学习，培养学生知识创新和技术创新能力。二. 课程的基本内容（一）讲课内容 1. 液压传动基本原理 2. 液压泵和液压马达 2.1 泵马达的基本原理及效率；2.2 齿轮泵及齿轮马达；2.3 叶片泵及叶片马达；2.4 柱塞泵及柱塞马达。3. 液压缸及摆动缸 3.1液压缸的工作原理和分类；3.2液压缸基本参数计算；3.3液压缸的结构；3.

3、4摆动缸。4. 方向控制阀4.1阀口特性与阀芯运动阻力；4.2 单向阀和液控单向阀；4.3 换向阀；4.4 方向阀在换向与锁紧回路中的应用；4.5 液压阀的连接方式。5. 压力控制阀5.1 压力的调节与控制；5.2 溢流阀；5.3 减压阀；5.4 顺序阀；5.5 压力继电器；5.6 压力阀在调压与减压回路中的应用。6. 流量控制阀6.1 节流口的流量特性；6.2 流量负反馈；6.3 节流阀；6.4 调速阀；6.5 其它控制阀：分流阀、插装阀简介、电液比例阀简介、电液伺服阀简介。7. 液压辅件 7.1 油液的污染和过滤器；7.2 密封原理及密封件；7.3 管件及管接头；7.4 蓄能器；7.5 油

4、箱；7.6 热交换器。8. 液压回路 8.1液压基本回路；8.2节流调速回路；8.3容积调速回路。9. 液压系统 9.1典型液压系统实例；9.2液压系统设计初步。（二）实验教学内容实验1 泵马达拆装实验2 液压阀拆装实验3 液压典型系统组装与调试三. 课程的教学要求1. 液压传动基本原理掌握液压传动的基本工作原理2. 液压泵和液压马达 2.1 掌握泵马达的基本原理及效率计算；2.2 了解叶片泵及叶片马达、齿轮泵及齿轮马达的基本结构与工作原理；2.3 掌握柱塞泵及柱塞马达基本结构与工作原理；2.4 掌握分析马达产生输出扭矩的方法。3. 液压缸及摆动缸 3.1 了解液压缸、摆动缸的基本结构、工作原

5、理和分类；3.2 掌握液压缸基本参数计算；4. 方向控制阀 4.1 掌握方向控制阀的位、通、机能概念； 4.2 控制滑阀阀芯动作的五种操作方式； 4.3 掌握常用换向阀中位机能的含义与使用场合； 4.4 液控单向阀的卸压。5. 压力控制阀 5.1 掌握压力调节与控制的原理； 5.2 溢流阀、减压阀、顺序阀的原理与结构； 5.3 溢流阀和减压阀的稳态特性方程、主要参数及其含义。6. 流量控制阀6.1 掌握节流口的流量特性；6.2 掌握流量负反馈原理；6.3 掌握流量控制阀的工作原理节流阀；6.4 了解其它类型控制阀的工作原理。7. 液压辅件 7.1 掌握油液的污染的防治和过滤器的原理；7.2 了

6、解密封件密封原理；7.3 了解管件、管接头、蓄能器、油箱的功用及基本结构。7.4 掌握蓄能器的容积计算。8. 液压回路 8.1 掌握液压基本回路；8.2 了解节流调速回路、容积调速回路的工作原理和主要参数计算。9. 液压系统 9.1 了解典型液压系统实例；9.2 了解液压系统设计初步。四. 课程的重点和难点1. 液压传动基本原理2. 液压泵和液压马达 2.1 泵马达的基本原理及效率计算； 2.2 柱塞泵及柱塞马达基本结构与工作原理；2.3 分析马达产生输出扭矩的方法。3. 液压缸及摆动缸 3.1 液压缸的基本结构;3.2 液压缸基本参数计算。4. 方向控制阀 4.1 位、通、机能概念；4.2

7、控制滑阀阀芯动作的五种操作方式； 4.3 常用换向阀中位机能的含义与使用场合； 4.4 液控单向阀的卸压5. 压力控制阀5.1 压力调节与控制的原理；5.2 溢流阀和减压阀的稳态特性方程、主要参数及其含义。6. 流量控制阀6.1 流量负反馈原理；6.2 调速阀的原理。7. 液压辅件 7.1 油液的污染的防治; 7.2 密封件密封原理。8. 液压回路 8.1 液压基本回路；8.2 节流调速回路工作原理和主要参数计算；8.3 容积调速回路的工作原理和主要参数计算。五. 学时分配讲 课 内 容学时数1. 液压传动基本原理12. 液压泵和液压马达73. 液压缸及摆动缸34. 方向控制阀45. 压力控制

8、阀56. 流量控制阀等37. 液压辅件38. 液压基本回路49. 液压系统4总学时34六. 实验教学要求实 验 内 容学时数实验1 泵马达拆装2实验2 液压阀拆装2实验3 液压典型系统组装与调试2总 学 时6七. 教材及主要参考书教 材：陈奎生 主编，液压与气压传动，武汉理工大学出版社，2001.08, 第一版。参考书： 1. 李寿刚 编，液压传动，北京理工大学出版社 1994.05 第一版； 2. 黄 宜 章宏甲主编，机床液压传动习题集，机械工业出版社，2000.08，第一版。八.考核1.本课程为考试课程，考核以闭卷笔试为主，考题中应有综合回路或完整的液压系统分析。2.完成实验教学的规定任务

9、后方可参加课程考试。机 械 自 动 化 学 院流体传动及控制研究所2003/06/24修订1 液压传动概述INTRODUCTION TO FLUID POWER TRANSMISSION 1.1 液压传动定义与发展概况1.2 液压传动的工作原理及系统构成1.3 液压传动的优缺点1.4 液压传动的工作介质教学内容： 本章首先介绍液压传动的定义、发展概况，接着讨论液压传动的研究和应用领域，最后简介液压传动工作介质的主要内容和编号。教学重点：1从实例出发，深入浅出对液压传动进行定义；2介绍液压传动的起源与发展过程；3简介液压传动所的优缺点、研究范围与应用领域；4简介液压传动工作介质的主要内容。教学难

10、点：1怎么样理解液压传动；2液压传动作为一门学科有什么意义；教学方法： 课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念。教学要求： 重点掌握液压传动的本质原理，一般了解液压传动的主要研究范围和应用领域。1.1液压传动定义与发展概况1.1.1 液压传动的定义 Definition of Fluid Power Transmission一部完整的机器是由原动机(Prime Mover)、传动机构(Transmission Section)及控制部分(Control Section)、工作机(End-use Device)(含辅助装置)组成。原动机包括电动机、内燃机等。工作机即完成该机器

11、之工作任务的直接工作部分，如剪床的剪刀，车床的刀架、车刀、卡盘等。由于原动机的功率和转速变化范围有限，为了适应工作机的工作力和工作速度变化范围较宽，以及其它操纵性能的要求，在原动机和工作机之间设置了传动机构，其作用是把原动机输出功率经过变换后传递给工作机。传动机构通常分为机械传动(Mechanics)、电气传动(Electrics)和流体传动(Fluid Power)机构。流体传动是以流体为工作介质进行能量转换、传递和控制的传动。它包括液压传动(Hydraulic Power Transmission )、液力传动(Fluid drive)和气压传动(Pneumatics) 。液压传动和液力传

12、动均是以液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式。液压传动主要是利用液体的压力能来传递能量；而液力传动则主要是利用液体的动能来传递能量。由于液压传动有许多突出的优点，因此，它被广泛地应用于机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、轻工、农机、渔业、林业等各方面。同时，也被应用到航天航空、海洋开发、核能工程和地震预测等各个工程技术领域。 1.1.2 液压传动的发展概况液压传动相对于机械传动来说，它是一门新学科，从17世纪中叶帕斯卡提出静压传动原理，18世纪末英国制成第一台水压机算起，液压传动已有23百年的历史，只是由于早期技术水平和生产需求的不足，液压传动技术没有得到普遍地应用

13、。随着科学技术的不断发展，对传动技术的要求越来越高，液压传动技术自身也在不断发展，特别是在第二次世界大战期间及战后，由于军事及建设需求的刺激，液压技术日趋成熟。第二次世界大战前后，成功地将液压传动装置用于舰艇炮塔转向器，其后出现了液压六角车床和磨床，一些通用机床到本世纪30年代才用上了液压传动。第二次世界大战期间，在兵器上采用了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，它大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制订和完善及各类元件的标准化、规格化、系列化而在机械制造，工程机械、农业机械、汽车制造等行业中推广开来。近30年来，由于原子能

14、技术、航空航天技术、控制技术、材料科学、微电子技术等学科的发展，再次将液压技术推向前进，使它发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术，在国民经济的各个部门都得到了应用，如工程机械、数控加工中心、冶金自动线等。采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。1.2 液压传动的工作原理及系统构成 The Principle of Hydraulic Power Transmission System1.2.1 液压传动系统的工作原理 图1.1为磨床工作台液压系统工作原理图。液压泵4（Hydraulic Pump）在电动机(Electric Motor)(图中未画出)的带动

15、下旋转，油液由油箱1(Tank)经过滤器2(Filters)被吸入液压泵，由液压泵输入的压力油通过手动换向阀11(Manually-actuated Directional Control Valve)，节流阀13(Check Valve)、换向阀15(Directional Valve)进入液压缸18(Cylinder)的左腔，推动活塞17(Piston)和工作台19(Work Table)向右移动，液压缸18右腔的油液经换向阀15排回油箱。如果将换向阀15转换成如图1.1(b)所示的状态，则压力油进入液压缸18的右腔，推动活塞17和工作台19向左移动，液压缸18左腔的油液经换向阀15排回油

16、箱。工作台19的移动速度由节流阀13来调节。当节流阀开大时，进入液压缸18的油液增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，工作台的移动速度减小。液压泵4输出的压力油除了进人节流阀13以外，其余的打开溢流阀6(Relief Valve)流回油箱。 如果将手动换向阀9转换成如图1.1(c)所示的状态，液压泵输出的油液经手动换向阀9流回油箱，这时工作台停止运动，液压系统处卸荷(Unload)状态。图1.1 磨床工作台液压传动系统工作原理 1-油箱(Tank)；2-过滤器(Filter)；3,12,14-回油管(Return Line)；4-液压泵(Pump)；5-弹簧(Spring)；6-钢球(S

17、teel Ball)；7-溢流阀(Relief Valve)；8,10-压力油管(Pressure Line)；9-手动换向阀(Manually Actuated Directional Valve)；11,16-换向手柄(Hand Lever)；13-节流阀(Check Valve)；15-换向阀(Directional Valve)；17-活塞(Piston)；18-液压缸(Cylinder)；19-工作台(Work Table)图1.2用图形符号表示的磨床工作台液压系统图l-油箱(Tank)；2-过滤器(Filter)；3-液压泵(Pumps)；4-溢流阀(Relief Valve)；5

18、-手动换向阀(Manually Actuated Directional Valve)；6-节流阀(Check Valve)；7-换向阀(Directional Valve)；8-活塞(Piston)；9-液压缸(Cylinder) 1.2.2液压传动系统的组成 Components of Hydraulic System从上述例子可以看出，液压传动是以液体作为工作介质来进行工作的，一个完整的液压传动系统由以下几部分组成： (1) 液压泵（Hydraulic pump）(动力元件)：是将原动机所输出的机械能转换成液体压力能的元件，其作用是向液压系统提供压力油，液压泵是液压系统的心脏。 (2)

19、执行元件(Actuators)：把液体压力能转换成机械能以驱动工作机构的元件，执行元件包括液压缸和液压马达。 (3) 控制元件(Control components)：包括压力、方向、流量控制阀，是对系统中油液压力、流量、方向进行控制和调节的元件。如换向阀15即属控制元件。 (4) 辅助元件(Ancillary components)：上述三个组成部分以外的其它元件，如管道、管接头、油箱、滤油器等为辅助元件。1.2.3 液压系统的图形符号 Fluid Power Diagram and Symbols图1.1(a) 所示的液压系统图是一种半结构式的工作原理图。它直观性强，容易理解，但难于绘制。

20、在实际工作中，除少数特殊情况外，一般都采用国标GB/T786.193所规定的液压与气动图形符号(参看附录)来绘制，如图1.2所示。图形符号表示元件的功能，而不表示元件的具体结构和参数；反映各元件在油路连接上的相互关系，不反映其空间安装位置；只反映静止位置或初始位置的工作状态，不反映其过渡过程。使用图形符号既便于绘制，又可使液压系统简单明了。1.3 液压传动的优缺点 Advantages and Disadvantages of Fluid Power Transmission1.3.1 液压传动系统的主要优点(Advantages) 液压传动与机械传动、电气传动相比有以下主要优点： (1) 在

21、同等功率情况下，液压执行元件体积小、重量轻、结构紧凑。例如同功率液压马达的重量约只有电动机的1/6左右。 (2) 液压传动的各种元件，可根据需要方便、灵活地来布置； (3) 液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向；(4) 操纵控制方便，可实现大范围的无级调速(调速范围达2000：1)，它还可以在运行的过程中进行调速； (5) 一般采用矿物油为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长； (6) 容易实现直线运动； (7) 既易实现机器的自动化，又易于实现过载保护，当采用电液联合控制甚至计算机控制后，可实现大负载、高精度、远程自动控制。 (8

22、) 液压元件实现了标准化、系列化、通用化，便于设计、制造和使用。1.3.2 液压传动系统的主要缺点(Disadvantages) (1)液压传动不能保证严格的传动比，这是由于液压油的可压缩性和泄漏造成的。 (2)工作性能易受温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。 (3)由于流体流动的阻力损失和泄漏较大，所以效率较低。如果处理不当，泄漏不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。 (4)为了减少泄漏，液压元件在制造精度上要求较高，因此它的造价高，且对油液的污染比较敏感。总的说来，液压传动的优点最突出的，它的一些缺点有的现已大为改善，有的将随着科学技术的发展而进一步得到克服。1.4

23、 液压传动的工作介质 Hydraulic Fluids1.4.1 液压系统对工作介质的要求 Requirement for Hydraulic Fluids液压工作介质一般称为液压油(有部分液压介质已不含油的成份)。液压介质的性能对液压系统的工作状态有很大影响，对液压系统对工作介质的基本要求如下：(l)有适当的粘度(Viscosity)和良好的粘温特性。 粘度是选择工作介质的首要因素。液压油的粘性，对减少间隙的泄漏、保证液压元件的密封性能都起着重要作用。粘度过高，各部件运动阻力增加，温升快，泵的自吸能力下降，同时，管道压力降和功率损失增大。反之，粘度过低会增加系统的泄漏，并使液压油膜支承能力下

24、降，而导致摩擦副间产生摩擦。所以工作介质要有合适的粘度范围，同时在温度、压力变化下和剪切力作用下，油的粘度变化要小。液压介质粘度用运动粘度(kinematic viscosity)表示。在国际单位制中的单位是，而在实用上油的粘度用(cSt，厘斯)表示。（注：厘斯过去用“厘沲”表示，沲读音to。）粘度是液压油(液)划分牌号的依据。按国标GB/T3141-94所规定，液压油产品的牌号用粘度的等级表示，即用该液压油在40时的运动粘度中心值表示。表l.1是常用液压油的新、旧粘度等级牌号的对照(注：82年以前的旧标准是以50时的粘度值作为液压油的粘度等级牌号)。表1.1 常用液压油的牌号和粘度ISO 3

25、448-92粘度等级GB/T3141-94粘度等级(现牌号)40的运动粘度厘斯83-90年的过渡牌号82年以前相近的旧牌号ISO VG151513.516.5N1510ISO VG222219.824.2N2215ISO VG323228.835.2N3220ISO VG464641.450.6N4630ISO VG686861.274.8N6840ISO VGI001009011ON10060 所有工作介质的粘度都随温度的升高而降低，粘温特性好是指工作介质的粘度随温度变化小，粘温特性通常用粘度指数表示。一般情况下，在高压或者高温条件下工作时，为了获得较高的容积效率，不使油的粘度过低，应采用高

26、牌号液压油；低温时或泵的吸入条件不好时(压力低，阻力大)，应采用低牌号液压油。(2)氧化安定性和剪切安定性好。工作介质与空气接触，特别是在高温、高压下容易氧化、变质。氧化后酸值增加会增强腐蚀性，氧化生成的粘稠状油泥会堵塞滤油器，妨碍部件的动作以及降低系统效率。因此，要求它具有良好的氧化安定性和热安定性。剪切安定性是指工作介质通过液压节流间隙时，要经受剧烈的剪切作用，会使一些聚合型增粘剂高分子断裂，造成粘度永久性下降，在高压、高速时，这种情况尤为严重。为延长使用寿命，要求剪切安定性好。 (3)抗乳化性、抗泡沫性好。工作介质在工作过程中可能混入水或出现凝结水。混有水分的工作介质在泵和其它元件的长期

27、剧烈搅拌下，易形成乳化液，使工作介质水解变质或生成沉淀物，引起工作系统锈蚀和腐蚀，所以要求工作介质有良好的抗乳化性。抗泡沫性是指空气混入工作介质后会产生气泡，混有气泡的介质在液压系统内循环，会产生异常的噪声、振动，所以要求工作介质具有良好的抗泡性和空气释放能力。 (4)闪点、燃点要高，能防火、防爆。(5)有良好的润滑性和防腐蚀性，不腐蚀金属和密封件。(6)对人体无害，成本低。1.4.2 液压介质的种类Types of Hydraulic Fluids 液压传动介质按照GB/T7631.2-87(等效采用ISO 6743/4)进行分类，主要有石油基液压油和难燃液压液两大类。1.4.2.1 石油基

28、液压油 Petroleum-based Fluids(1)L-HL液压油(又名普通液压油)：采用精制矿物油作基础油，加入抗氧、抗腐、抗泡、防锈等添加剂调合而成，是当前我国供需量最大的主品种，用于一般液压系统，但只适于O 以上的工作环境。其牌号有：HL-32、HL-46、HL-68。在其代号L-HL中，L代表润滑剂类，H代表液压油，L代表防锈、抗氧化型，最后的数字代表运动粘度。 (2)L-HM液压油(又名抗磨液压油，M代表抗磨型)：其基础油与普通液压油同，除加有抗氧、防锈剂外，主剂是极压抗磨剂，以减少液压件的磨损。适用于-15以上的高压、高速工程机械和车辆液压系统。其牌号有：HM-32、HM-4

29、6、HM-68、HM-100、HM-150。 (3)L-HG液压油(又名液压-导轨油)：其基础油与普通液压油同，除普通液压油所具有的全部添加剂外，还加有油性剂，用于导轨润滑时有良好的防爬性能。适用于机床液压和导轨润滑合用的系统。 (4)L-HV液压油(又名低温液压油、稠化液压油、高粘度指数液压油)：用深度脱蜡的精制矿物油，加抗氧、抗腐、抗磨、抗泡、防锈、降凝和增粘等添加剂调合而成。其粘温特性好，有较好的润滑性，以保证不发生低速爬行和低速不稳定现象。适用于低温地区的户外高压系统及数控精密机床液压系统。 (5)其它专用液压油：如航空液压油(红油)、炮用液压油、舰用液压油等。1.4.2.2 难燃液压

30、液 Synthetic Fire-resistant Fluids难燃液压液可分为合成型(Synthetics)、油水乳化型(Phosphate esters)和高水基型(High Water Content Fluids)三大类。(1)合成型抗燃工作液 水-乙二醇液(Water-Glycol)(L-HFC液压液)：这种液体含有 3555的水，其余为乙二醇及各种添加剂(增稠剂、抗磨剂、抗腐蚀剂等)。其优点是凝点低(50)，有一定的粘性，而且粘度指数高，抗燃。适用于要求防火的液压系统，使用温度范围为-1865。其缺点是价格高，润滑性差，只能用于中等压力(20MPa以下)。这种液体密度大，所以吸入

31、困难。水-乙二醇液能使许多普通油漆和涂料软化或脱离，可换用环氧树脂或乙烯基涂料。磷酸酯液(Phosphate Esters)(L-HFDR液压液)这种液体的优点是，使用的温度范围宽(-54135)，抗燃性好，抗氧化安定性和润滑性都很好。允许使用现有元件在高压下工作。其缺点是价格昂贵(为液压油的58倍)；有毒性；与多种密封材料(如丁氰橡胶)的相容性很差，而与丁基胶、乙丙胶、氟橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯等均可相容。(2)油水乳化型抗燃工作液(L-HFB、L-HFAE液压液) 油水乳化液是指互不相溶的油和水，使其中的一种液体以极小的液滴均匀地分散在另一种液体中所形成的抗燃液体。分水包油乳化液(Oil-

32、in-water Emulsions)和油包水乳化液(Water-in-oil Emulsions)两大类。(3)高水基型抗燃工作液(L-HFAS液压液)这种工作液不是油水乳化液。其主体为水，占95，其余5为各种添加剂(抗磨剂、防锈剂、抗腐剂、乳化剂、抗泡剂、极压剂、增粘剂等)。其优点是成本低，抗燃性好，不污染环境。其缺点是粘度低，润滑性差。2 液压泵和液压马达HYDRAULIC PUMPS AND HYDRAULIC MOTORS 2.1 液压泵(Hydraulic Pumps)、马达(Hydraulic Motors)概述2.2 齿轮泵(Gear Pump)2.3 叶片泵(Vane Pum

33、ps)2.4 柱塞泵(Piston Pumps)2.5 液压马达 2.6 液压泵及液压马达的工作特点内容提要：本章主要内容为 液压泵和液压马达的工作原理与性能参数。齿轮式(Gear)、叶片式(Vane)和柱塞式(Piston)液压泵。高速液压马达及低速大扭矩马达。通过本章的学习，要求掌握这几种泵和马达的工作原理（泵是如何吸油、压油和配流的，马达怎样产生转速、转矩）、结构特点、及主要性能特点；了解不同类型的泵马达之间的性能差异及适用范围，为日后正确选用奠定基础。教学内容： 本章首先介绍液压泵和马达的工作原理，接着介绍了齿轮泵及齿轮马达、叶片泵及叶片马达、柱塞泵及柱塞马达的基本结构与工作原理，最后

34、简介几种泵和马达的工作特点。教学重点：1对容积式泵和马达工作原理进行阐述，对容积式泵和马达的效率进行计算；2介绍几种泵和马达：齿轮泵及齿轮马达、叶片泵及叶片马达、柱塞泵及柱塞马达的基本结构、工作原理与效率；3简介几种泵和马达的工作特点、优缺点与应用领域。教学难点： 1泵马达的基本原理及效率计算； 2柱塞泵及柱塞马达基本结构与工作原理； 3分析马达产生输出扭矩的方法。教学方法： 课堂教学为主，充分利用网络课程中的多媒体素材来表示抽象概念，利用泵和马达的拆装实验，了解液压泵和马达的结构及工作原理。教学要求：重点掌握泵马达的基本原理及效率计算，了解叶片泵及叶片马达、齿轮泵及齿轮马达的基本结构与工作原

35、理，掌握柱塞泵及柱塞马达基本结构与工作原理，掌握分析马达产生输出扭矩的方法。2.1 液压泵、马达概述 Introduction of Hydraulic Pumps and Motors2.1.1 容积式泵、马达的工作原理 Basic Principles of Hydraulic Pumps and Motors液压泵和液压马达都是液压传动系统中的能量转换元件。液压泵由原动机驱动，把输入的机械能转换成为油液的压力能，再以压力、流量的形式输入到系统中去，它是液压系统的动力源；液压马达则将输入的压力能转换成机械能，以扭矩和转速的形式输送到执行机构做功，是液压传动系统的执行元件。图2.1容积泵(P

36、ositive Displacement Pumps)的工作原理在液压传动系统中，液压泵和液压马达都是容积式的，依靠容积变化进行工作。图2.1为容积式泵的工作原理简图，凸轮1旋转时，柱塞2在凸轮和弹簧3的作用下，在缸体的柱塞孔内左、右往复移动，缸体与柱塞之间构成了容积可变的密封工作腔4。柱塞向右移动时，工作腔容积变大，产生真空，油液便通过吸油阀5吸入；柱塞2向左移动时，工作腔容积变小，已吸入的油液便通过压油阀6排到系统中去。在工作过程中。吸、排油阀5、6在逻辑上互逆，不会同时开启。由此可见，泵是靠密封工作腔的容积变化进行工作的。液压马达是实现连续旋转运动的执行元件，从原理上讲，向容积式泵中输入

37、压力油，迫使其转轴转动，就成为液压马达，即容积式泵都可作液压马达使用。但在实际中由于性能及结构对称性等要求不同，一般情况下，液压泵和液压马达不能互换。液压泵按其在单位时间内所能输出油液体积能否调节而分为定量泵(Positive Displacement Pumps)和变量泵(Nonpositive Displacement Pumps)两类；按结构形式可以分为齿轮式，叶片式和柱塞式三大类；液压马达也具有相同的形式。根据工作腔的容积变化而进行吸油和排油是液压泵的共同特点，因而这种泵又称为容积泵。构成容积泵必须具备以下基本条件：（1） 结构上能实现具有密封性能的可变工作容积。（2） 工作腔能周而复

38、始地增大和减小；当它增大时与吸油口相连，当它减小时与排油口相通。（3） 吸油口与排油口不能沟通，即不能同时开启。从工作过程可以看出，在不考虑油漏的情况下，液压泵在每一工作周期中吸入或排出的油液体积只取决于工作构件的几何尺寸，如柱塞泵的柱塞直径和工作行程。在不考虑泄漏等影响时，液压泵单位时间排出的油液体积与泵密封容积变化频率成正比，也与泵密封容积的变化量成正比；在不考虑液体的压缩性时，液压泵单位时间排出的液体体积与工作压力无关。 2.1.2 液压泵、马达的基本性能参数 The Performance Parameters of Hydraulic Pumps and Motors液压泵的基本性能

39、参数主要是指液压泵的压力、排量、流量、功率和效率等。工作压力(Operating Pressure)：指泵、马达实际工作时的压力，对泵来说，工作压力是指它的输出压力；对马达来讲，则是指它的输入压力。实际工作压力取决于相应的外负载。 额定压力(Rated Pressure)：泵、马达在额定工况条件下按试验标准规定的连续运转的最高压力，超过此值就是过载。 排量(Displacement)：泵、马达的轴每转一周，由其密封容腔几何体积变化所排出、吸入液体的体积，亦即在无泄漏的情况下，其轴转动一周时油液体积的有效变化量。理论流量(Theoretical Flow Rate)：在单位时间内由其密封容腔几何

40、体积变化而排出、吸入的液体体积。泵、马达的流量为其转速与排量的乘积。额定流量(Rated Flow Rate)：指在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的流量，亦即在额定转速和额定压力下泵输出的流量。因为泵和马达存在内泄漏，油液具有压缩性，所以额定流量和理论流量是不同的。 功率(Power)和效率(Efficiency)：液压泵由原动机驱动，输入量是转矩(Torque)和转速，输出量是液体的压力和流量；如果不考虑液压泵、马达在能量转换过程中的损失，则输出功率(Output Power)等于输入功率(Input Power)，也就是它们的理论功率(Theoretical Power)是： （2

41、.1） 式中：,液压泵、马达的理论转矩(Nm)和转速(r/min)。 液压泵、马达的压力(Pa)和流量()实际上，液压泵和液压马达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。两者之间的差值即为功率损失，功率损失可以分为容积损失(Volumetric Loss)和机械损失(Mechanical Loss)两部分。容积损失是因泄漏、气穴和油液在高压下压缩等造成的流量损失，对液压泵来说，输出压力增大时，泵实际输出的流量减小。设泵的流量损失为，则。而泵的容积损失可用容积效率(Volumetric Efficiency) 来表征 （2.2）对液压马达来说，输入液压马达的实际流量必然大于它的理论

42、流量即，它的容积效率。 （2.3）机械损失是指因摩擦而造成的转矩上的损失。对液压泵来说，泵的驱动转矩总是大于其理论上需要的驱动转矩，设转矩损失为，理论转矩为，则泵实际输入转矩为，用机械效率来表征泵的机械损失，则 (2.4)对于液压马达来说，由于摩擦损失的存在，其实际输出转矩小于理论转矩，它的机械效率为 (2.5)液压泵的总效率是其输出功率和输入功率之比，由式（2.1），式（2.2），式（2.4）可得 (2.6)液压马达的总效率同样也是其输出功率和输入功率之比，可由式(2.1)、式(2.3)、式(2.5)得到与式(2.6)相同的表达式。这就是说，液压泵或液压马达的总效率都等于各自容积效率和机械效

43、率的乘积。事实上，液压泵、马达的容积效率和机械效率在总体上与油液的泄漏和摩擦副的摩擦损失有关，而泄漏及摩擦损失则与泵、马达的工作压力、油液粘度、泵和马达转速有关，为了更确切的表达效率与这些原始参数之间的关系，以无因次压力为变量来表示液压泵、马达的效率。图2.2给出了液压泵、马达无因次压力与效率之间的关系，其中：分别为油液的密度和运动粘度，其余符号意义同前，由图可见，在不同的无因次压力下，液压泵和马达的这些参数值相似但不相同，而在不同的转速和粘度下，液压泵和液压马达的效率值也不同的，可见液压泵、马达的使用转速、工作压力和传动介质均会影响使用效率。 a)液压泵 b)液压马达图2.2 液压泵、马达的

44、特性曲线2.2 齿轮泵 Gear pump1 外啮合齿轮泵的结构及工作原理Operation of the External Gear Pump2 齿轮泵的流量(Flow Rate)和脉动率(Pulsating Rate)3 齿轮泵的结构特点 Construction Character of Gear Pumps4 内啮合齿轮泵 Internal Gear Pumps齿轮泵是一种常用的液压泵，它的主要特点是结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸性好，对油液污染不敏感，工作可靠；其主要缺点是流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调。齿轮泵被广泛地应用于采矿设备，冶金设备，建筑机械，工程

45、机械，农林机械等各个行业。齿轮泵按照其啮合形式的不同，有外啮合和内啮合两种，其中外啮合齿轮泵应用较广，而内啮合齿轮泵(Internal Gear Pump)则多为辅助泵，下面分别介绍。2.2 齿轮泵 Gear pump齿轮泵是一种常用的液压泵，它的主要特点是结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸性好，对油液污染不敏感，工作可靠；其主要缺点是流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调。齿轮泵被广泛地应用于采矿设备，冶金设备，建筑机械，工程机械，农林机械等各个行业。齿轮泵按照其啮合形式的不同，有外啮合和内啮合两种，其中外啮合齿轮泵应用较广，而内啮合齿轮泵(Internal Gear Pump

46、)则多为辅助泵，下面分别介绍。2.2.1 外啮合齿轮泵的结构及工作原理 Operation of the External Gear Pump外啮合齿轮泵的工作原理和结构如图2.3所示。泵主要由主、从动齿轮，驱动轴，泵体及侧板等主要零件构成。泵体内相互啮合的主、从动齿轮2和3与两端盖及泵体一起构成密封工作容积，齿轮的啮合点将左、右两腔隔开，形成了吸、压油腔，当齿轮按图示方向旋转时，右侧吸油腔内的轮齿脱离啮合，密封工作腔容积不断增大，形成部分真空，油液在大气压力作用下从油箱经吸油管进入吸油腔，并被旋转的轮齿带入左侧的压油腔。左侧压油腔内的轮齿不断进入啮合，使密封工作腔容积减小，油液受到挤压被排往

47、系统，这就是齿轮泵的吸油和压油过程。在齿轮泵的啮合过程中，啮合点沿啮合线，把吸油区和压油区分开。图2.3 外啮合齿轮泵的工作原理1-泵体(Housing);2.主动齿轮(Driver Gear);3-从动齿轮(Driven Gear)2.2.2 齿轮泵的流量(Flow Rate)和脉动率(Pulsating Rate)外啮合齿轮泵的排量可近似看作是两个啮合齿轮的齿谷容积之和，若假设齿谷容积等于轮齿体积，则当齿轮齿数(Number of Teeth)为，模数为(Modulus of Gear)，节圆直经(Pitch Diameter )为，有效齿高(Effective Height)为，齿宽为时

48、，根据齿轮参数计算公式有，齿轮泵的排量近似为 （2.7）实际上，齿谷容积比轮齿体积稍大一些，并且齿数越少误差越大，因此,在实际计算中用3.333.50来代替上式中p值，齿数少时取大值。齿轮泵的排量为 （2.8）由此得齿轮泵的输出流量(The Output Flow Rate)为（2.9）实际上，由于齿轮泵在工作过程中，排量是转角的周期函数，存在排量脉动，瞬时流量也是脉动的。流量脉动会直接影响到系统工作的平稳性，引起压力脉动，使管路系统产生振动和噪声。如果脉动频率与系统的固有频率一致，还将引起共振，加剧振动和噪声。若用、来表示最大、最小瞬时流量，表示平均流量，则流量脉动率(Flow Pulsat

49、ion Rate)为: （2.10）它是衡量容积式泵流量品质的一个重要指标。在容积式泵中，齿轮泵的流量脉动最大，并且齿数愈少，脉动率愈大，这是外啮合齿轮泵的一个弱点。2.2.3 齿轮泵的结构特点 Construction Character of Gear Pumps如图2.4所示，齿轮泵因受其自身结构的影响，在结构性能上其有以下特征。图2.4 齿轮泵的结构1-壳体(Housing);2.主动齿轮(Driver Gear);3-从动齿轮(Driven Gear);4-前端盖(Front Cover);5-后端盖(Back Cover);6-浮动轴套(Floating Shaft Sleeve)

50、;7-压力盖(Pressure Cover)2.2.3.1 困油的现象 Trapping of Oil齿轮泵要平稳地工作，齿轮啮合时的重叠系数必须大于1，即至少有一对以上的轮齿同时啮合，因此，在工作过程中，就有一部分油液困在两对轮齿啮合时所形成的封闭油腔之内，如图2.5所示，这个密封容积的大小随齿轮转动而变化。图2.5(a)到2.5(b)，密封容积逐渐减小；图2.5(b)到2.5(c)，密封容积逐渐增大；图2.5（c）到2.5（d）密封容积又会减小，如此产生了密封容积周期性的增大减小。受困油液受到挤压而产生瞬间高压，密封容腔的受困油液若无油道与排油口相通，油液将从缝隙中被挤出，导致油液发热，轴

51、承等零件也受到附加冲击载荷的作用；若密封容积增大时，无油液的补充，又会造成局部真空，使溶于油液中的气体分离出来，产生气穴，这就是齿轮泵的困油现象。困油现象使齿轮泵产生强烈的噪声，并引起振动和汽蚀，同时降低泵的容积效率，影响工作的平稳性和使用寿命。消除困油的方法，通常是在两端盖板上开卸槽，见图2.5（d）中的虚线方框。当封闭容积减小时，通过右边的卸菏槽与压油腔相通，而封闭容积增大时，通过左边的卸荷槽与吸油腔通，两卸荷糟的间距必须确保在任何时候都不使吸、排油相通。图2.5 齿轮泵的困油现象及消除措施2.2.3.2 径向不平衡力 Radial Unbalance Force在齿轮泵中，油液作用在轮外

52、缘的压力是不均匀的，从低压腔到高压腔，压力沿齿轮旋转的方向逐齿递增，因此，齿轮和轴受到径向不平衡力的作用，工作压力越高，径向不平衡力越大，径向不平衡力很大时，能使泵轴弯曲，导致齿顶压向定子的低压端，使定子偏磨，同时也加速轴承的磨损，降低轴承使用寿命。为了减小径向不平衡力的影响，常采取缩小压油口的办法，使压油腔的压力仅作用在一个齿到两个齿的范围内，同时，适当增大径向间隙，使齿顶不与定子内表面产生金属接触，并在支撑上多采用滚针轴承或滑动轴承。2.2.3.3 齿轮泵的泄漏通道及端面间隙的自动补偿Leakage Passage and Automatic Compensating of End Fac

53、e Clearance 在液压泵中，运动件间的密封是靠微小间隙密封的，这些微小间隙从运动学上形成摩擦副，同时，高压腔的油液通过间隙向低压腔的泄漏是不可避免的；齿轮泵压油腔的压力油可通过三条途经泄漏到吸油腔去：一是通过齿轮啮合线处的间隙齿侧间隙(Meshing-Teeth Side Clearance)，二是通过泵体定子环内孔和齿顶间的径向间隙齿顶间隙(teeth Tip clearance)，三是通过齿轮两端面和侧板间的间隙端面间隙(Side Plates-end Face Clearance)。在这三类间隙中，端面间隙的泄漏量最大，压力越高，由间隙泄漏的液压油就愈多。因此，为了提高齿轮泵的压

54、力和容积效率，实现齿轮泵的高压化，需要从结构上来取措施，对端面间隙进行自动补偿。通常采用的自动补偿端面间隙装置有：浮动轴套式(Floating Bush Bearing)或弹性侧板式(Elastic Side Plate)两种。，其原理都是引入压力油使轴套或侧板紧贴在齿轮端面上，压力愈高，间隙愈小，可自动补偿端面磨损和减小间隙。齿轮泵的浮动轴套是浮动安装的，轴套外侧的空腔与泵的压油腔相通，当泵工作时，浮动轴套受油压的作用而压向齿轮端面，将齿轮两侧面压紧，从而补偿了端面间隙。2.2.4 内啮合齿轮泵 Internal Gear Pumps内啮合齿轮泵有渐开线齿形(Crescent)和摆线齿形(G

55、rout)两种，其结构示意可见图2.6。这两种内啮合齿轮泵工作原理和主要特点皆同于外啮合齿轮泵。在渐开线齿形内啮合齿轮泵中，小齿轮和内齿轮之间要装一块月牙隔板，以便把吸油腔和压油腔隔开，如图2.6（a）；摆线齿形啮合齿轮泵又称摆线转子泵，在这种泵中，小齿轮和内齿轮只相差一个齿，因而不需设置隔板，如图2.6（b）。内啮合齿轮泵中的小齿轮是主动轮，大齿轮为从动轮，在工作时大齿轮随小齿轮同向旋转。 图2.6 内啮合齿轮泵1 外齿轮(external gear)，2内齿轮( internal gear)，3隔板(Crescent-shaped Seal)内啮合齿轮泵的结构紧凑，尺寸小，重量轻，运转平稳

56、，噪声低，在高转速工作时有较高的容积效率。但在低速、高压下工作时，压力脉动大，容积效率低，所以一般用于中、低压系统。在闭式系统中，常用这种泵作为补油泵。内啮合齿轮泵的缺点是齿形复杂，加工困难，价格较贵，且不适合高速高压工况。2.3 叶片泵 Vane Pumps1 单作用叶片泵 Single-acting Vane Pumps2 双作用叶片泵 Double-acting Vane Pumps3 单双叶片泵的特点比较 Characteristic Comparison between Single-acting and Double-acting Vane Pumps叶片泵有单作用式和双用式两大类

57、，它输出流量均匀，脉动小，噪声小，但结构较复杂，对油液的污染比较敏感。2.3.1 单作用叶片泵 Single-acting Vane Pumps2.3.1.1 工作原理图2.7为单作用叶片泵的工作原理，泵由转2、定子3、叶片4和配流盘等件组成。定子的内表面是圆柱面，转子和定子中心之间存在着偏心，叶片在转子的槽内可灵活滑动，在转子转动时的离心力以及叶片根部油压力作用下，叶片顶部贴紧在定子内表面上，于是，两相邻叶片、配油盘、定子和转子便形成了一个密封的工作腔。当转子按图示方向旋转时，图右侧的叶片向外伸出，密封工作腔容积逐渐增大，产生真空，油液通过吸油口5、配油盘上的吸油窗口进入密封工作腔；而在图的

58、左侧，叶片往里缩进，密封腔的容积逐渐缩小，密封腔中的油液排往配油盘排油窗口，经排油口1被输送到系统中去。这种泵在转子转一转的过程中，吸油、压油各一次，故称单作用叶片泵。从力学上讲，转子上受有单方向的液压不平衡作用力，故又称非平衡式泵，其轴承负载大。若改变定子和转子间的偏心距的大小，便可改变泵的排量，形成变量叶片泵。图2.7单作用叶片泵工作原理1-压油口(Outlet);2.转子(Rotor);3-定子(Cam Ring);4-叶片(Vane);5-吸油口(Inlet)2.3.1.2 单作用叶片泵的平均流量(Average Flow Rate)计算单作用叶片泵的平均流量可以用图解法近似求出，图2

59、.8为单作用叶片泵平均流量计算原理图。假定两叶片正好位于过渡区位置，此时两叶片间的空间容积为最大，当转子沿图示方向旋转弧度，转到定子位置时，两叶片间排出容积为的油液；当两叶从位置沿图示方向再旋转弧度，回到位置时，两叶片间又吸满了容积为的油液。由此可见，转子旋转一周，两叶片间排出油液容积为。当泵有个叶片时。就排出块与相等的油液容积，若将各块容积加起来，就可以近似为环形体积，环形的大半经为，环形的小半径为，因此，单作用叶片油泵的理论排量为 2.11单作用叶片泵的流量为 2.12图2.8单作用叶片泵的流量计算原理o1-转子中心(Rotor Center)；r-转子半径(Rotor Radius)；

60、o2-定子中心(Cam ring)； R-定子半径(Cam Ring Radius)； e-偏心距(Eccentricity)； B-转子宽度单作用叶片泵的叶片底部小油室和工作油腔相通。当叶片处于吸油腔时，它和吸油腔相通，也参加吸油，当叶片处于压油腔时，它和压油腔相通，也向外压油，叶片底部的吸油和排油作用，正好补偿了工作油腔中叶片所占的体积，因此叶片对容积的影响可不考虑。2.3.1.3 单作用叶片泵和变量原理 Principle of Varying Displacement就变量叶片泵的变量工作原理来分,有内反馈式(Internal Feedback)和外反馈式(External Feedb

61、ack)两种。（1） 限压式内反馈变量叶片泵 Pressure-compensated Internal Feedback Variable Displacement Vane Pump内反馈式变量泵操纵力来自泵本身的排油压力，内反馈式变量叶片泵配流盘的吸，排油窗口的布置如图2.9。由于存在偏角，排油压力对定子环的作用力可以分解为垂直于轴线的分力F1及与之平行的调节分力F2，调节分力F2与调节弹簧的压缩恢复力、定子运动的摩擦力及定子运动的惯性力相平衡。定子相对于转子的偏心距、泵的排量大小可由力的相对平衡来决定，变量特性曲线如图2.10所示。图2.9 变量原理图2.10变量特特性曲线1-最大流量调节螺钉(Maximu