【導讀】1．液壓與氣動系統(tǒng)的組成及工作原理。液壓與氣壓傳動是利用密閉系統(tǒng)中的受壓液體來傳遞運動和動力的一種傳動方式。本項目要求了解液壓與氣動技術的應用，液壓與氣動技術的發(fā)展概況。液壓與氣壓傳動的應用范圍，液壓與氣動技術的發(fā)展趨勢。液壓傳動相對于機械傳動來說是一門較新的傳動形式。如果從1795年世界上第一臺水壓機誕生算起，液壓傳動已有200多年的歷史。然而液壓傳動的真正推廣使用卻是近50多年的事。我國的液壓工業(yè)開始于20世紀50年代，其產品最初應用于機床和鍛壓設備，后來又用于拖拉機對工程機械。自1964年開始從國外引進液壓元件生產技術，同時自行設計液壓產品以來，我國的液壓元件生產已形成系列，并在各種機械設備上得到了廣泛的應用?？梢钥闯?，液壓傳動技術在我國的應用與發(fā)展已經進入了一個嶄新的歷史階段。采用液壓傳動的程度成為衡量一個國家工業(yè)水平的重要標志。從此例可以看出液壓千斤頂是一個簡單的液壓傳動裝置。

　　

【正文】 角速度，rad/s。 n—主軸轉速，r／s。（2）理論輸出功率Pt 當不考慮液壓泵的容積損失時，其輸出液體所具有的液壓功率，稱為液壓泵的理論輸出功率，其表達式為Pt= (3—4)式中 Pt—理論輸出功率，Kw；p—泵排油口的壓力，MPa；qt—理論流量，mL/min（3）實際輸出功率Po 液壓泵的實際輸出功率是指當考慮液壓泵的容積損失時，液壓泵實際輸出的液壓功率，即液壓泵在工作過程中吸、排油口間的壓差Δp和實際輸出流量qp的乘積,表示為 (3—5)式中 P0—實際輸出功率，Kw；Δp—泵排油口的壓力，MPa；qp—泵輸出的實際流量，mL/min。在實際的計算中，若油箱通大氣，液壓泵吸、排油口的壓力差Δp往往用液壓泵的出口壓力差pp代入。 4）效率液壓泵存在三種能量損失，即容積損失、摩擦損失和壓力損失，分別用容積效率、機械效率和液壓效率表示。其中壓力損失很小，通常忽略不計，液壓效率一般都在0．99以上，可取為1。（1）容積效率 容積效率是表征液壓泵容積損失的性能參數(shù)，它等于泵的實際輸出功率與理論輸出功率之比，也等于泵的實際流量與理論流量之比。 （3－6）式中 Δq—液壓泵的泄漏量，其值為 Δq=qtqp （3—7）液壓泵的容積損失是由于液壓泵內部高壓腔的泄漏、油液的壓縮以及在吸油過程中因吸油阻力太大、油液粘度大以及液壓泵轉速高等原因而導致油液不能全部充滿密封工作腔而產生的。由于液壓泵的泄漏量Δq隨壓力p的增大而增大，導致泵的實際流量q隨p的增大而減小。因此，液壓泵的容積效率隨p的增大而減小，且隨泵的結構類型不同而異。（2）機械效率ηm 機械效率是表征泵的摩擦損失的性能參數(shù)，它等于泵的理論輸出功率與輸入功率之比，也等于液壓泵的理論轉矩與實際輸入轉矩之比，即 （3－8）摩擦損失主要是由于泵體內相對運動部件之間的機械摩擦以及液體的粘度而引起的。（3）總效率η 液壓泵的總效率是指液壓泵的實際輸出功率與其輸入功率的比值，即 （3－9）由式（3—9）可知，液壓泵的總效率等于其容積效率與機械效率的乘積，所以液壓泵的輸入功率也可以寫成 （3—10） 圖3—2(a)所示為液壓泵的功率流程圖，液壓泵的各個參數(shù)與壓力之間的關系如圖3—2(b)所示。3．液壓泵的分類液壓泵的種類很多，可按不同的分類方法分類。圖3—2 液壓泵的功率流程圖及特性曲線按其主要工作構件的形狀分為：齒輪泵、螺桿泵、葉片泵和柱塞泵等；按其流量特點分為：定量泵和變量泵；按排油方向分為：單向泵和雙向泵；按其壓力大小分為：低壓泵、中壓泵、高壓泵和超高壓泵。液壓泵經過組合，可組成雙聯(lián)泵、三聯(lián)泵等。液壓泵的分類情況如下：二、齒 輪 泵齒輪泵是一種應用比效廣泛的液壓泵。它的主要優(yōu)點是：結構簡單、工作可靠、自吸能力強、對油液的污染不敏感。其缺點是：流量和壓力的脈動大、噪聲大和排量不可變。因為齒輪是對稱的旋轉體，所以齒輪泵的允許轉速較高，最高轉速可達3000 r／min左右。根據(jù)工作壓力，齒輪泵分為三大類： MPa，稱為低壓齒輪泵；額定壓力為 16 ～20 MPa，稱為中高壓齒輪泵；額定壓力達32 MPa為高壓齒輪泵。按照齒輪嚙合形式，齒輪泵分為兩大類：外嚙合齒輪泵和內嚙合齒輪泵。1．外嚙合齒輪泵的結構和工作原理圖3—3外嚙合齒輪泵的工作原理圖外嚙合齒輪泵由兩個參數(shù)相同的漸開線齒輪、泵體、端蓋、傳動軸等零件組成。圖3—3所示為外嚙合齒輪泵的工作原理圖。泵體和前后端蓋以及齒輪之間形成了密封工作容腔，并由兩個齒輪的齒面接觸線將左右兩腔隔開，形成了吸排油腔。當齒輪按照圖示方向旋轉時，右側的輪齒逐漸退出嚙合，即主、從動齒輪的輪齒從各自對方的齒谷中退出，密封工作容積增大，形成局部真空,因此油箱里的液體在大氣壓力的推動下進入吸油腔，同時，排油腔輪齒依次進入嚙合，密封工作容積減小，于是左側油液被擠出，輸送到壓力管路中去。當齒輪連續(xù)旋轉時，連續(xù)不斷地有輪齒在右側退出嚙合和在左側進入嚙合，因此齒輪泵也就能連續(xù)地吸油和排油了。2．外嚙合齒輪泵存在的主要問題外嚙合齒輪泵的泄漏、困油和徑向液壓力不平衡是影響齒輪泵性能指標和壽命的三大問題。各種不同齒輪泵的結構特點之所以不同，都因采用了不同結構措施來解決這三大問題所致。1）泄漏外嚙合齒輪泵存在著三個可能產生泄漏的部位：齒輪端面和端蓋間；齒輪齒頂和殼體內孔間以及兩個齒輪的齒面嚙合處。其中對泄漏影響最大的是齒輪端面和端蓋間的軸向間隙，通過軸向間隙的泄漏量可占總泄漏量的75％～80％，因為這里泄漏途徑短，泄漏面積大。軸向間隙過大，泄漏量多，會使容積效率降低；但間隙過小，齒輪端面和端蓋之間的機械摩擦損失增加，會使泵的機械效率降低。因此設計和制造時必須嚴格控制泵的軸向間隙。2）因油現(xiàn)象齒輪泵要平穩(wěn)工作，齒輪嚙合的重疊系數(shù)必須大于1，也就是說要求在一對輪齒即將脫開嚙合前，后面的一對輪齒就要開始嚙合。就在兩對輪齒同時嚙合的這一小段時間內，留在齒間的油液困在兩對輪齒和前后泵蓋所形成的一個密閉空間中，如圖3—4（a）所示，當齒輪繼續(xù)旋轉時，這個空間的容積逐漸減小，直到兩個嚙合點A、B處于節(jié)點兩側的對稱位置時，如圖3—4(b)所示，其封閉容積減至最小。由于油液的可壓縮性很小，當封閉空間的容積減小時，被困的油液受擠壓，壓力急劇上升，油液從零件接合面的縫隙中強行擠出，使齒輪和軸承受到很大的徑向力；當齒輪繼續(xù)旋轉，這個封閉容積又逐漸增大到如圖3—4(c)所示的最大位置，容積增大時又會造成局部真空，使油液中溶解的氣體分離，產生氣穴現(xiàn)象，這些都將使齒輪泵產生強烈的噪聲，這就是齒輪泵的困油現(xiàn)象。圖3—4 困油現(xiàn)象消除困油的方法，通常是在齒輪泵的兩側端蓋上銑兩條卸荷槽（如圖3—4中虛線所示），當封閉容積減小時，使其與壓油腔相通如圖3—4（a）所示；而當封閉容積增大時，使其與吸油腔相通如圖3—4(c)所示。一般的齒輪泵兩卸荷槽是非對稱開設的，往往向吸油腔偏移，兩櫓間的距離必須保證在任何時候都不能使吸油腔和壓油腔相互串通。如對于分度圓壓力角為α＝20176。、模數(shù)為m的標準漸開線齒輪a＝ m，當卸荷槽為非對稱時，在壓油腔一側必須保證卸荷槽與兩齒輪中心連線間的距離b＞，另一方面為保證卸荷槽暢通，須保證槽寬 c＞ m，槽深 h＞，如圖3—5所示。圖3—5 非對稱卸荷槽尺寸3．徑向力不平衡問題齒輪泵運轉經驗表明，軸承承受不平衡的徑向力是造成軸承磨損，影響齒輪泵壽命的主要原因。圖3—6 齒輪徑向液壓力分布及齒輪受力分析齒輪泵工作時，因排液腔的壓力大于吸液腔的壓力，從排液腔到吸液腔，齒輪頂圓圓周徑向液壓力是線性階梯式變化的，徑向液壓力分布如圖3—6所示。這個徑向液壓力對主、從動齒輪的作用合力用Fy、Fy/表示，齒輪泵的工作壓力愈大，這個合力也愈大。此外，齒輪嚙合過程中，沿嚙合線方向傳遞嚙合力為Fh、Fh/，因此，作用在主、被動齒輪軸承上的徑向力是液壓力和嚙合力的合力F和F/。從圖中可看出，由于從動齒輪所受嚙合力與主動齒輪的嚙合力相反，且與徑向液壓力方向大體一致，所以從動齒輪軸承所受徑向力的合力要比主動齒輪所受合力F大得多，這就是在使用中從動齒輪較主動齒輪軸承磨損得快的原因。主動齒輪和從動齒輪所受徑向合力F和F/，可分別用下面經驗公式計算 F＝ （3－11） F/＝ （3—12）式中F—主動齒輪所受徑向合力，N；F/－從動齒輪所受徑向合力，N；p一齒輪泵的工作壓力，MPa；D—齒頂圓直徑，cm；B－齒輪寬度，cm。由上式可知，對于中、高壓齒輪泵，其軸承負載是非常大的。因而，齒輪泵的使用期限幾乎取決于軸承的使用期限，要延長齒輪泵的壽命、減少機械磨損，必須減小徑向不平衡力的影響，為此，在結構上可采取如下措施：（1）縮小排液口尺寸 使高壓油液作用在齒輪上的面積縮小，從而減小齒輪上的徑向液壓力；（2）適當增大徑向間隙，增大齒頂圓與泵體內孔的間隙（～ mm）。即使齒輪在壓力作用下，只有靠近吸液腔的l～2個齒范圍內的泵殼與齒頂保持較小的間隙，而其余大部分區(qū)間齒頂與泵殼保持較大間隙，使該區(qū)間內的液壓力基本上等于液壓泵出口壓力值，從而使大部分徑向液壓力得到平衡。 理論研究表明，外嚙合齒輪泵齒數(shù)愈少，脈動率就愈大，其值最高可達20％以上，內嚙合齒輪泵的流量脈動率要小得多。 圖3—7 端面間隙補償原理4．高壓齒輪泵的特點高壓齒輪泵與低壓齒輪泵的工作原理是相同的，但為了使其具有較高的工作壓力，高壓齒輪泵一般在結構上都采用端面間隙自動補償裝置減小端面泄漏，從而保證泵在較大范圍內有較高的效率。其補償原理如圖3—7所示，泵內壓油腔的壓力油經專門的通道引到浮動軸套的外側，產生液壓作用力，這個力須稍大于齒輪端面作用在軸套內側的力，使軸套始終自動貼緊齒輪端面，從而減小了泵內通過端面的泄漏，提高了壓力。并在結構上采取一定措 施使軸承有較高的壽命。5．內嚙合齒輪泵簡介內嚙合齒輪泵有漸開線齒輪泵和擺線齒輪泵（又名轉子泵）兩種，如圖3—8所示。它們的工作原理和主要特點與外嚙合齒輪泵基本相同。在漸開線齒形的內嚙合齒輪泵中，小齒輪和內齒輪之間要裝一塊月牙形的隔板，以便把吸油腔和壓油腔隔開，如圖3—8（a）所示。在擺線齒形的內嚙合齒輪泵中，小齒輪和內齒輪只相差一個齒，因而不須設置隔板，如圖3—8(b)所示。內嚙合齒輪泵中的小齒輪為主動輪。圖3—8 內嚙合齒輪泵內嚙合齒輪泵結構緊湊，尺寸小，質量輕，由于齒輪轉向相同，相對滑動速度小，磨損小，使用壽命長，流量脈動遠小于外嚙合齒輪泵，因而壓力脈動和噪聲都較??；內嚙合齒輪泵允許使用高轉速，因為高轉速下的離心力能使油液更好地充入密封工作腔，可獲得較高的容積效率。擺線內嚙合齒輪泵排量大，結構更簡單，而且由于嚙合的重疊系數(shù)大，傳動平穩(wěn)，吸油條件更好。內嚙合齒輪泵的缺點是齒形復雜，加工精度要求高，需要專門的制造設備，造價較貴，隨著工業(yè)技術的發(fā)展，它的應用將會越來越廣泛。三、葉 片 泵葉片泵的結構較齒輪泵復雜，但其工作壓力較高、流量脈動小、工作平穩(wěn)、噪聲較小、壽命較長，所以被廣泛應用于機械制造中的專用機床、自動線等中低壓液壓系統(tǒng)中。但其結構復雜，吸油特性不太好，對油液的污染也比較敏感。根據(jù)各密封工作容積在轉子旋轉一周吸、排液次數(shù)的不同，葉片泵分為兩類，即完成一次吸、排油液的單作用葉片泵和完成兩次吸、排油液的雙作用葉片泵，單作用葉片泵多用于變量泵，雙作用葉片泵均為定量泵，結構經改進的高壓葉片泵最大工作壓力可達 ～ MPa。圖3－9 單作用葉片泵的工作原理圖1—轉子；2—定子；3—葉片1．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3—9所示，它由轉子定子葉片3和端蓋等組成。定子具有圓柱形內表面，定子和轉子間有偏心距e,葉片裝在轉子槽中，并可在槽內滑動，當轉子回轉時，由于離心力的作用，使葉片緊靠在定子內壁，這樣在定子、轉子、葉片和兩側配油盤間形成若干個密封的工作空間。當轉子按圖示的方向回轉時，在圖的右部，葉片逐漸伸出，葉片間的工作空間向逐漸增大，從吸油口吸油，這是吸油腔。在圖的左部，葉片被定子內壁逐漸壓進葉片槽內，工作空間逐漸縮小，將油液從壓油口壓出，這就是壓油腔。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。這種葉片泵轉子每轉一周，每個工作空間完成一次吸油和壓油，因此稱為單作用葉片泵。轉子不停地旋轉，泵就不斷地吸液和排液。2）單作用葉片泵的結構特點（1）轉子中心與定子中心存在偏心距e，改變定子和轉子之間的偏心便可改變流量。偏心反向時，吸油壓油方向也相反。（2）存在困油現(xiàn)象。為了防止吸、排油腔的溝通，配流盤的吸、排油窗口間密封角略大于兩相鄰葉片間的夾角。當上述被封閉的容積發(fā)生變化時，會產生困油現(xiàn)象。單作用葉片泵的困油現(xiàn)象不十分嚴重，通過在配流盤排油窗口邊緣開三角槽的方法可以消除困油現(xiàn)象。（3）處在壓油腔的葉片頂部受有壓力油的作用，要把葉片推入轉子槽內。為了使葉片頂部可靠地和定子內表面相接觸，壓油腔一側的葉片底部要通過特殊的溝槽和壓油腔相通。吸油腔一側的葉片底部要和吸油腔相通，葉片僅靠離心力的作用頂在定于內表面上。（4）葉片沿著旋轉方向后傾安裝。由上述③可知葉片僅靠離心力即可緊貼定子表面?？紤]到葉片上所受的哥氏慣性力、葉片與定子間的摩擦力及葉片的離心力的合力盡量與槽的傾斜方向一致，以免側向分力影響葉片的伸出，所以轉子槽是后傾的。（5）轉子承受徑向力。單作用葉片泵轉子上的徑向液壓力不平衡，軸承負荷較大，泵的工作壓力的提高受到限制。圖3—10 雙作用葉片泵的工作原理圖1—轉子；2—定子；3—葉片2．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3－10所示，它是由轉子定子葉片3和配油盤（圖中未畫出）等組成。轉子和定子中心重合，定子內表面近似為橢圓柱形，該橢圓形由兩段大圓弧、兩段小圓弧和四段過渡曲線所組成。當轉子轉動時，葉片在離心力和根部壓力油（建壓后）的作用下，在轉子槽內向外移動而壓向定子內表面，由葉片、定子的內表面、轉子的外表面和兩側配油盤間就形成若干個密封