第3章　液壓泵及液壓馬達

3.1　液壓泵概述

在海洋裝備液壓傳動系統中，能源裝置是為整個液壓系統提供能量的，就如同人的心臟為人體各部分輸送血液一樣，在整個液壓系統中起著極其重要的作用。液壓泵就是一種能量轉換裝置，它將驅動電動機的機械能轉換為油液的壓力能，以滿足執行機構驅動外負載的需要^[4]。

3.1.1　液壓泵的基本工作原理

海洋液壓系統中使用的液壓泵，其工作原理幾乎都是一樣的，就是靠液壓密封的工作腔的容積變化來實現吸油和壓油的，因此稱為容積式液壓泵。

容積式液壓泵的工作原理很簡單，以單柱塞式液壓泵為例，就像我們常見的醫用注射器一樣，再配以自動配流裝置即可。如圖3.1所示的就是單柱塞式容積式液壓泵工作原理。柱塞2是靠偏心凸輪1的旋轉而上下移動的，當柱塞下移時，工作腔4容積變大，產生真空，此時，單向閥6關閉，油箱中的油液通過單向閥5被吸入工作腔內；反之，當柱塞上移時，工作腔容積變小，腔內的油液壓力升高，此時，單向閥5關閉，油液便通過單向閥6被輸送到系統當中去，偏心凸輪的連續旋轉使得泵不斷地吸油和壓油。由此可見，液壓泵輸出油液流量的大小取決于工作腔容積的變化量。

由上所述，一個容積式液壓泵必須具備的條件是：

① 具有若干個容積能夠不斷變化的密封工作腔；

② 相應的配流裝置。在上面的例子中，配流是以兩個單向閥的開啟在泵外面實現的，稱為閥式配流；而有的泵本身就帶有配流裝置，如葉片泵的配流盤、柱塞泵的配流軸等，稱為確定式配流。

3.1.2　液壓泵的分類

① 按液壓泵單位時間內輸出油液的體積能否變化分為定量泵和變量泵。

定量泵：單位時間內輸出的油液體積不能變化。

變量泵：單位時間內輸出油液的體積能夠變化。

② 按泵的結構來分主要有：

齒輪泵：分為內嚙合齒輪泵和外嚙合齒輪泵。

葉片泵：分為單作用式葉片泵和雙作用式葉片泵。

柱塞泵：分為徑向柱塞泵和軸向柱塞泵。

螺桿泵：分為單螺桿泵、雙螺桿泵、三螺桿泵和五螺桿泵。

液壓泵按其組成還可以分為單泵和復合泵。

3.1.3　液壓泵的圖形符號

液壓泵的圖形符號見圖3.2。

3.1.4　液壓泵的主要性能參數

（1）液壓泵的壓力

① 工作壓力：是指液壓泵在實際工作時輸出的油液壓力，也就是說要克服外負載所必須建立起來的壓力，可見其大小取決于外負載。

② 額定壓力：是指液壓泵在正常工作狀態下，連續使用中允許達到的最高壓力，一般情況下，就是液壓泵出廠時標牌上所標出的壓力。

（2）液壓泵的排量

海洋液壓泵的排量是指該泵在沒有泄漏的情況下每轉一轉所輸出的油液的體積。它與液壓泵的幾何尺寸有關，用V來表示。

（3）液壓泵的流量

海洋液壓泵的流量分為理論流量、實際流量和額定流量：

① 理論流量是指該泵在沒有泄漏的情況下單位時間內輸出油液的體積，可見，它等于排量和轉速的乘積，即q_t=Vn，流量的單位為m³/s，實際應用中也常用L/min來表示。

② 實際流量q是指泵在單位時間內實際輸出油液的體積，也就是說泵在有壓的情況下存在著油液的泄漏，使實際輸出流量小于理論流量，詳見下面分析。

③ 額定流量是指泵在額定轉速和額定壓力下輸出的流量，即在正常工作條件下按試驗標準規定必須保證的流量。

（4）功率

① 輸入功率　液壓泵的輸入功率就是電動機驅動液壓泵軸的機械功率，它等于輸入轉矩乘以角速度。

P_i=Tω（W）　　 （3.1）

式中　T——液壓泵的輸入轉矩，N·m；

ω——液壓泵的角速度，rad/s。

② 輸出功率　液壓泵的輸出功率就是液壓泵輸出的液壓功率，它等于泵輸出的壓力乘以輸出流量。

P_o=pq（W）　　 （3.2）

式中　p——液壓泵的輸出壓力，Pa；

q——液壓泵的實際輸出流量，m³/s。

如果不考慮損失的話，輸出功率等于輸入功率。但是任何機械在能量轉換過程中都有能量的損失，液壓泵也同樣，由于能量損失的存在，其輸出功率總是小于輸入功率。

（5）效率

液壓泵的效率是由容積效率和機械效率兩部分所組成的。

① 容積效率　液壓泵的容積效率是由容積損失（流量損失）來決定的。容積損失就是指流量上的損失，主要是由泵內高壓引起油液泄漏所造成的，壓力越高，油液的黏度越小，其泄漏量就越大。在液壓傳動中，一般用容積效率η_v來表示容積損失，如果設q_t為液壓泵在沒有泄漏情況下的流量，稱為理論流量；而q為液壓泵的實際輸出流量，則液壓泵的容積效率可表示為：

　　 （3.3）

式中　Δq——液壓泵的流量損失，即泄漏量。

② 機械效率　海洋液壓泵的機械效率是由機械損失所決定的。機械損失是指液壓泵在轉矩上的損失，主要原因是液體因黏性而引起的摩擦轉矩損失及泵內機件相對運動引起的摩擦損失。在液壓傳動中，以機械效率η_m來表示機械損失，設T_t為液壓泵的理論轉矩；而T為液壓泵的實際輸入轉矩，則液壓泵的機械效率可表示為：

　　 （3.4）

式中　ΔT——液壓泵的機械損失。

③ 液壓泵的總效率　液壓泵的總效率等于泵的輸出功率與輸入功率的比值，也等于泵的機械效率和容積效率的乘積，即

　　 （3.5）

一般情況下，在液壓系統設計計算中，常常需要計算液壓泵的輸入功率以確定所需電動機的功率。根據前面的推導，液壓泵的輸入功率可用式（3.6）計算：

　　 （3.6）

3.1.5　液壓泵特性及檢測

海洋液壓泵的性能是衡量液壓泵優劣的技術指標，主要包括液壓泵的壓力-流量特性、泵的容積效率曲線、泵的總效率曲線等。檢測一個液壓泵的性能可用如圖3.3所示系統。

在檢測泵的上述性能中，首先將壓力閥置于額定壓力下，再將節流閥全部打開，使泵的負載為零（此時，由于管路的壓力損失，壓力表的顯示并不是零），在流量計上讀出流量值來。一般情況下，都是以此時的流量（即空載流量）作為理論流量q_t的。然后再逐漸升高壓力值（通過調節節流閥閥口來實現），讀出每次調定壓力（即工作壓力）后的流量值q。根據上述操作得到的數據即可繪出被測泵的壓力-流量曲線，根據公式（3.3）即可算出各調定壓力點的容積效率η_v。如果在輸入軸上測得轉矩及轉速，則可根據公式（3.1）計算出泵的輸入功率P_i，再利用公式（3.2）算出泵的輸出功率P_o，則可將液壓泵的總效率η算出，根據上面的數據繪出如圖3.4所示的泵的特性曲線來。

目前，隨著傳感技術及計算機技術的發展，在液壓檢測方面已廣泛應用計算機輔助檢測技術（CAT）。計算機輔助檢測系統的使用大大提高了檢測精度及效率，尤其是虛擬儀器技術的應用，更是簡化了檢測系統，實現了人工檢測無法實現的檢測項目，使液壓元件性能的檢測更加科學化。

為確保在海水環境中的長時間正常工作，水下液壓系統還采取了一系列的安全措施，主要是設置各種傳感器和報警裝置。

水泄漏傳感器是水下液壓系統中必不可少的傳感器，特別是電動機箱，其絕緣要求很高，即使電動機箱內滲入少量海水，也會使絕緣等級急劇降低，直接影響電動機的正常工作。泵箱內若滲入海水，海水會隨著液壓油循環到液壓系統的各個部分，從而導致液壓元件的腐蝕。閥箱內通常還設置有各種控制電路，一旦海水滲入，電路將無法正常工作。水泄漏傳感器安裝在電動機箱、泵箱及閥箱中，由兩個相距較近的探頭組成，兩個探頭之間加一定的直流電壓，當海水滲入時，探頭間的阻抗急劇下降，利用探頭間的漏電電流即可驅動放大電路，產生報警信號。

壓力補償器是水下液壓系統中的重要元件，壓力補償器的工作狀態能為水下液壓系統的故障診斷和分析提供依據。補償量傳感器就是用來監測壓力補償器工作狀態的傳感器，它通過檢測補償活塞的位置來計算補償量，當系統發生泄漏時，壓力補償器會自動向系統補油；當補償量達到極限時，壓力補償器便失去壓力補償的功能，此時通過補償量傳感器就可以判斷出壓力補償器的狀態，從而為系統的故障診斷和分析提供依據。

水下液壓系統中還設置有壓力傳感器，用于監測系統的工作狀態，通常有低壓傳感器和高壓傳感器。低壓傳感器設置在泵箱內，用于檢測泵箱內的壓力，由于壓力補償作用，泵箱內的壓力與外界海水壓力相等。水下作業設備通常還帶有深度傳感器，用于檢測水下作業深度，深度傳感器顯示的深度應與低壓傳感器顯示的壓力一致，否則極有可能由于系統泄漏過多導致壓力補償器達到最大補償量，從而造成泵箱吸空。為確保水下液壓系統正常工作，應隨時監測低壓傳感器、深度傳感器及補償量傳感器的值，當補償量達到極值或低壓傳感器顯示的壓力與深度傳感器顯示的深度不一致時發出報警，并讓液壓系統停止工作。高壓傳感器設置在液壓泵出口，由于壓力傳感器測量的是絕對壓力，因此水下液壓系統的系統壓力也即液壓泵兩端的壓差是通過高、低壓傳感器的壓力值作差而得到的，由此可以獲得液壓系統的工作狀態。

水下液壓系統雖然工作在溫度較低的海水中，但由于是封閉結構，循環的液壓油較少，且結構緊湊，因此有必要在泵箱中設置油溫傳感器，油溫過高時發出報警。