2.4?柱塞泵

柱塞泵是依靠柱塞在缸體柱塞孔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),使密封容積產(chǎn)生變化來實(shí)現(xiàn)吸、壓油的。與齒輪泵和葉片泵相比,這種泵有許多優(yōu)點(diǎn)。首先,構(gòu)成密封容積的零件為圓柱形的柱塞和缸孔,加工方便,可得到較高的配合精度,密封性能好,在高壓狀態(tài)工作仍有較高的容積效率;第二,只需改變柱塞的工作行程就能改變流量,易于實(shí)現(xiàn)變量;第三,柱塞泵中的主要零件均受壓應(yīng)力作用,材料強(qiáng)度性能可得到充分利用。由于柱塞泵壓力高,結(jié)構(gòu)緊湊,效率高,流量調(diào)節(jié)方便,故在需要高壓、大流量、大功率的系統(tǒng)中和流量需要調(diào)節(jié)的場合,如龍門刨床、拉床、液壓機(jī)、工程機(jī)械、礦山冶金機(jī)械、船舶上得到廣泛的應(yīng)用。

2.4.1　柱塞泵的分類、特點(diǎn)

(1)柱塞泵的分類

柱塞泵可按照多方面的特征進(jìn)行分類,主要有:

①?按動(dòng)力源可分為機(jī)動(dòng)泵和手動(dòng)泵(人力泵)兩大類。

②?在由旋轉(zhuǎn)泵軸輸入動(dòng)力的機(jī)動(dòng)泵中,按缸體與泵軸的相對裝置關(guān)系,可分為軸向柱塞泵和徑向柱塞泵兩類。前者柱塞的運(yùn)動(dòng)方向與泵軸線平行或相交角度不大于45°,后者的柱塞基本上垂直于泵軸運(yùn)動(dòng)。軸向柱塞泵中一般又按驅(qū)動(dòng)方式分為斜盤泵、斜軸泵和旋轉(zhuǎn)斜盤泵三種,徑向柱塞泵則習(xí)慣上按配流裝置進(jìn)一步分類。近年來,還出現(xiàn)了彎曲缸筒的柱塞泵。另一類機(jī)動(dòng)泵是由氣缸或液壓缸驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式柱塞泵,即增壓器。

③?按配流裝置的形式,分為帶間隙密封型配流裝置柱塞泵和帶座閥配流裝置柱塞泵兩種,有的柱塞泵采用兩種配流裝置的組合(吸、排油不同)。

(2)柱塞泵的特點(diǎn)

①?斜盤式軸向柱塞泵特點(diǎn)

a.由于柱塞與缸體內(nèi)孔均為圓柱表面,因此柱塞泵具有加工方便、配合精度高、密封性能好、容積效率高的優(yōu)點(diǎn)。

b.由于柱塞始終處于受壓狀態(tài),能使材料強(qiáng)度性能充分發(fā)揮,所以柱塞泵具有壓力高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

c.只要改變柱塞的工作行程,就能改變泵的排量,所以柱塞泵具有流量調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)。

②?斜軸式軸向柱塞泵特點(diǎn)

a.缸體驅(qū)動(dòng)方式為中心鉸式。優(yōu)點(diǎn)是缸體運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)(與泵軸幾乎是完全同步的),所受側(cè)向力較小,允許很大的擺角(現(xiàn)有產(chǎn)品已達(dá)45°);缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,缸體中間部位要為萬向節(jié)留出較大的空間,尺寸不夠緊湊。

b.無鉸式。泵軸由鉸接在驅(qū)動(dòng)盤端面球窩中的連桿?柱塞副或特別形狀的柱塞交替“撥動(dòng)”缸體旋轉(zhuǎn),不需另加專門的傳動(dòng)部件。此法由于簡單、緊湊,許用的擺角較大(已達(dá)40°),現(xiàn)已成為定量和變量斜軸泵及液壓馬達(dá)的主流結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是缸體角速度有周期性波動(dòng)。

c.錐齒輪式。泵軸經(jīng)設(shè)置在驅(qū)動(dòng)盤和缸體外緣處的一對齒數(shù)相同的錐齒輪驅(qū)動(dòng)缸體旋轉(zhuǎn)。優(yōu)點(diǎn)是缸體角速度與泵軸完全同步,且擺角可做得很大;但它只適用于定量型元件,并由于齒輪傳動(dòng)本身產(chǎn)生的軸向和徑向力,加大了泵軸和缸體軸承的負(fù)荷,同時(shí)外殼尺寸也比較大。

③?徑向柱塞泵的特點(diǎn)　?流量大,工作壓力較高,便于做成多排柱塞形式,軸向尺寸小,抗污染能力較強(qiáng),工作可靠,壽命較長等;缺點(diǎn)是徑向尺寸大,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,運(yùn)動(dòng)副摩擦表面的速度高,最高轉(zhuǎn)速受到限制,配流軸受到很大的徑向力,因此配流軸直徑較大。

2.4.2　工作原理

柱塞泵主要由柱塞?缸筒副、配流裝置和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成,其結(jié)構(gòu)如圖2?19所示。

柱塞泵依靠在圓形(罕有矩形)截面的缸筒內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞,在介于缸蓋和柱塞頂之間形成可變的工作容積,使工作容積中流體介質(zhì)的體積產(chǎn)生變化。同一泵上的柱塞?缸筒副可以有多個(gè),它們一般設(shè)置在公共的缸體中。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)通過某種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng),同時(shí)由配流裝置通過某種位置約束機(jī)構(gòu)、液壓力或其他效應(yīng),使得當(dāng)柱塞缸工作容積擴(kuò)大時(shí)將缸筒與吸油腔接通,縮小時(shí)與排油腔接通,完成由吸油腔向排油腔泵送油液并建立一定壓力的過程。大多數(shù)的柱塞泵在泵軸的一轉(zhuǎn)中,每一柱塞副吸、排油各一次,為單作用泵。雙作用泵和多作用泵十分少見,僅出現(xiàn)在多作用柱塞液壓馬達(dá)處于泵工況時(shí)。

2.4.3　斜盤式軸向柱塞泵

(1)斜盤式軸向柱塞泵的工作原理

斜盤式軸向柱塞泵的工作原理如圖2?20所示。泵由斜盤1、柱塞2、缸體3、配流盤4等零件組成,斜盤1和配流盤4是不動(dòng)的,傳動(dòng)軸5帶動(dòng)缸體3、柱塞2一起轉(zhuǎn)動(dòng),柱塞2靠機(jī)械裝置或在低壓油作用下壓緊在斜盤上。當(dāng)傳動(dòng)軸按圖2?20所示方向旋轉(zhuǎn)時(shí),柱塞2在沿斜盤自下而上回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)逐漸向缸體外伸出,使缸體孔內(nèi)密封工作腔容積不斷增加,產(chǎn)生局部真空,從而將油液經(jīng)配流盤4上的吸油窗口6吸入;柱塞在自上而下回轉(zhuǎn)的半周內(nèi)又逐漸向里推入,使密封工作腔容積不斷減小,將油液從壓油窗口7向外排出。缸體每轉(zhuǎn)一周,每個(gè)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次,完成一次吸油和壓油動(dòng)作。

(2)斜盤式軸向柱塞泵的排量和流量計(jì)算

如圖2?20所示,根據(jù)幾何關(guān)系,斜盤式軸向柱塞泵的排量為

輸出的流量為

式中　?γ?——斜盤傾角;

?D——柱塞孔分布圓直徑;

?d?——柱塞直徑;

???——柱塞數(shù)目。

改變斜盤的傾角γ,就可以改變密封工作容積的有效變化量,實(shí)現(xiàn)泵的變量。柱塞泵的排量是轉(zhuǎn)角的函數(shù),其輸出流量是脈動(dòng)的。就柱塞數(shù)而言,柱塞數(shù)為奇數(shù)時(shí)的脈動(dòng)率比偶數(shù)時(shí)的小,且柱塞數(shù)越多,脈動(dòng)越小,故柱塞泵的柱塞數(shù)一般都為奇數(shù)。從結(jié)構(gòu)工藝性和脈動(dòng)率綜合考慮,常用的柱塞泵的柱塞個(gè)數(shù)是7、9或11。

(3)斜盤式軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

①?典型結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)　?如圖2?21所示為斜盤式軸向柱塞泵,它由主體部分和變量機(jī)構(gòu)兩大部分組成。

a.主體部分。傳動(dòng)軸9與缸體6通過花鍵連接而驅(qū)動(dòng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng),均勻分布在缸體上的柱塞7繞傳動(dòng)軸的軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)柱塞的球頭與滑靴5鉸接,定心彈簧8通過內(nèi)套、鋼球、回程盤11將滑靴緊緊壓在斜盤2上,由于斜盤的法線方向與傳動(dòng)軸的軸線方向有一夾角,當(dāng)缸體旋轉(zhuǎn)時(shí),柱塞沿缸體上的柱塞孔作相對往復(fù)運(yùn)動(dòng),通過配流盤10完成吸、排油。與此同時(shí),定心彈簧反方向的作用力又將缸體壓在配流盤上,起預(yù)緊密封作用。由于滑靴和配流盤均采用靜壓支承結(jié)構(gòu),因此具有較高的性能參數(shù)。

b.變量機(jī)構(gòu)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變量手輪15時(shí),通過絲杠14帶動(dòng)變量活塞13沿變量殼體上下運(yùn)動(dòng),活塞通過撥叉12使斜盤及變量頭組件繞其自身的旋轉(zhuǎn)中心擺動(dòng),改變斜盤的法線方向與傳動(dòng)軸方向的夾角,從而達(dá)到變量的目的。

為保證缸體緊壓配流盤端面,預(yù)密封的推力除機(jī)械裝置或彈簧作用力外,還有柱塞孔底部臺階面上的液壓力,它比彈簧力大得多,而且隨泵的工作壓力增大而增大,從而端面間隙得到了自動(dòng)補(bǔ)償。

②?變量機(jī)構(gòu)　?軸向柱塞泵常用變量機(jī)構(gòu)有手動(dòng)變量和伺服變量機(jī)構(gòu)。在斜盤式軸向柱塞泵中,通過改變斜盤的傾角大小就可調(diào)節(jié)泵的排量,變量機(jī)構(gòu)的形式有多種,這里以手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)和手動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)為例來說明其工作原理。

a.手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)。圖2?22所示為斜盤式軸向柱塞泵常用的手動(dòng)變量機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)動(dòng)變量手輪1,使絲杠3轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)變量活塞4做軸向移動(dòng),通過撥叉5使斜盤6繞變量機(jī)構(gòu)殼體上的圓弧導(dǎo)軌面的中心旋轉(zhuǎn),從而使斜盤傾角改變,達(dá)到變量的目的。當(dāng)流量達(dá)到要求時(shí),可用鎖緊螺母2鎖緊。這種變量機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,但操作費(fèi)力,且不能在工作過程中變量。

b.手動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)。圖2?23所示為斜盤式軸向柱塞泵的手動(dòng)伺服變量機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由殼體(缸筒)1、變量活塞2和伺服閥芯3組成。變量活塞2兼作伺服閥的閥體,其中心與閥芯相配合,并有c、d和e三個(gè)孔道分別連通缸筒1的下腔a、上腔b和油箱。泵上的斜盤4通過撥叉機(jī)構(gòu)與變量活塞2下端鉸接,可利用變量活塞2的上下移動(dòng)來改變斜盤傾角。當(dāng)用手柄使伺服閥芯3向下移動(dòng)時(shí),孔道c上的閥口打開,經(jīng)a腔引入的壓力油p經(jīng)孔道c通向b腔,活塞因上腔有效面積大于下腔有效面積而向下移動(dòng),其移動(dòng)又會(huì)使伺服閥上的閥口關(guān)閉,最終使活塞2停止運(yùn)動(dòng);同理,當(dāng)手柄使伺服閥芯3向上移動(dòng)時(shí),孔道d上的閥口打開,b和e接通油箱,活塞2在a腔壓力油的作用下向上移動(dòng),并在該閥口關(guān)閉時(shí)自行停止運(yùn)動(dòng)。可見,活塞2與閥芯3是隨動(dòng)關(guān)系,用較小的力驅(qū)動(dòng)閥芯,就可以調(diào)節(jié)斜盤傾角。

2.4.4　斜軸式軸向柱塞泵

圖2?24為斜軸式軸向柱塞泵的工作原理。當(dāng)傳動(dòng)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過連桿4和柱塞2與缸體3接觸帶動(dòng)缸體3轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí),柱塞2在缸體3的柱塞孔中往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)吸壓油。斜軸式軸向柱塞泵的傳動(dòng)軸中心線與缸體中心線傾斜一個(gè)角度γ,改變?chǔ)玫拇笮?即可改變泵的排量。

與斜盤式軸向柱塞泵相比,斜軸式軸向柱塞泵由于缸體所受的不平衡力較小,故結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高,可以有較高的設(shè)計(jì)參數(shù),其缸體曲線與驅(qū)動(dòng)軸的夾角較大,故變量范圍較大,但由于其外形尺寸較大,結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。

在變量形式上,斜盤式軸向柱塞泵依靠斜盤擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)變量,斜軸式軸向柱塞泵依靠擺缸實(shí)現(xiàn)變量,有較大的慣性,故其變量系統(tǒng)反應(yīng)較慢。

2.4.5　徑向柱塞泵

(1)徑向柱塞泵的工作原理

如圖2?25為徑向柱塞泵的工作原理。柱塞1徑向排列安裝在轉(zhuǎn)子2中,轉(zhuǎn)子2由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)連同柱塞1一起旋轉(zhuǎn)。

柱塞1在離心力和機(jī)械回程力作用下,其頭部頂緊定子4的內(nèi)壁,當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖示方向回轉(zhuǎn)時(shí),由于定子4和轉(zhuǎn)子2之間有偏距e,柱塞繞經(jīng)上半周時(shí)向外伸出,柱塞底部的容積逐漸增大,形成部分真空,經(jīng)襯套3(襯套3壓緊在轉(zhuǎn)子內(nèi),并和轉(zhuǎn)子一起回轉(zhuǎn))上的油孔從配流軸5和吸油口b吸油。當(dāng)柱塞轉(zhuǎn)至下半周時(shí),定子4的內(nèi)壁將柱塞向里推入,柱塞底部的容積逐漸減小,向配流軸5的壓油口c壓油。當(dāng)轉(zhuǎn)子2回轉(zhuǎn)一周時(shí),每個(gè)柱塞底部的密封容積完成一次吸壓油,轉(zhuǎn)子2連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),即完成吸、壓油工作。配流軸固定不動(dòng),油液從配流軸上半部的兩個(gè)孔a流入,從下半部的兩個(gè)油孔d壓出。

為進(jìn)行配油,在配流軸5和襯套3接觸的一段上加工出上下兩個(gè)缺口,形成吸油口b和壓油口c,余下的部分形成封油區(qū)。封油區(qū)的寬度應(yīng)能封住襯套上的吸壓油孔,以防吸油口和壓油口相連通,但尺寸也不能過大,以免產(chǎn)生困油現(xiàn)象。

當(dāng)移動(dòng)定子4,改變偏距e時(shí),泵的排量就發(fā)生改變。當(dāng)偏距e從正值變?yōu)樨?fù)值時(shí),泵的吸、排油口互換,因此,徑向泵可以是單向泵也可以是雙向泵。

徑向柱塞泵的徑向尺寸大,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,自吸能力差,且配流軸受到徑向不平衡液壓力的作用,易磨損,這限制了徑向柱塞泵壓力和速度的提高。

(2)徑向柱塞泵的排量和流量計(jì)算

徑向柱塞泵的排量和流量按下述方法計(jì)算,泵的平均排量為

泵的輸出流量為

式中?　d——柱塞直徑;

??——柱塞數(shù)。