2.3.1　柱塞泵的工作原理

2.3.1.1　軸向柱塞泵的工作原理

(1)斜盤式軸向柱塞泵

如圖2?42所示為斜盤式軸向柱塞泵工作原理。斜盤式軸向柱塞泵由傳動軸5、斜盤1、柱塞2、泵體3和配油盤4等主要零件組成。傳動軸帶動泵體和柱塞一起旋轉,而斜盤和配油盤是固定不動的。柱塞均布于泵體內,且柱塞頭部靠機械裝置或在低壓油作用下緊壓在斜盤上。斜盤的法線和缸體的軸線交角為斜盤的傾斜角,設該角度為γ。當傳動軸按圖示方向旋轉時,柱塞一方面隨泵體轉動,另一方面還在機械裝置或低壓油的作用下,在泵體內做往復運動。柱塞在其自下而上的半圓周內旋轉時逐漸向外伸出,使泵體內孔和柱塞形成的密封工作容積不斷增加,產生局部真空,從而將油箱中的油液經配油盤上的吸油窗口a吸入;柱塞在其自上而下的半圓周內旋轉時逐漸壓入泵體內,使密封工作容積不斷減小,將油液從配油盤上的壓油窗口b向外壓出。泵體每旋轉一周,每個柱塞往復運動一次,完成吸、壓油各一次。如果改變斜角的大小,就能改變柱塞的行程,也就改變了泵的排量;如果改變斜角的方向,就能改變吸、壓油的方向,此時就成為雙向變量泵。

(2)斜軸式軸向柱塞泵

圖2?43為斜軸式軸向柱塞泵工作原理。這種泵的缸體中心線相對于傳動軸傾斜一個角度,所以稱為斜軸式軸向柱塞泵。當傳動軸5旋轉時,帶動與其相連接的連桿4一起旋轉。連桿便帶動柱塞2和泵體3一同旋轉,同時推動柱塞在泵體中做往復運動,使由柱塞和泵體內孔組成的密封工作容積發生變化,并利用固定不動的平面配油盤1的吸油窗口a和壓油窗口b完成吸油和壓油過程。如果改變泵體的傾斜角γ,就能改變泵的排量;如果改變泵體的傾斜角γ的方向,就能改變吸、壓油的方向,此時就成為雙向變量泵。

(3)軸向柱塞泵的排量和流量計算

根據軸向柱塞泵的柱塞運動規律可求出其排量和流量。如圖2?44所示,設柱塞直徑為d,柱塞數為Z,柱塞中心分布圓直徑為D,斜盤傾角為γ,則柱塞行程h為

h=Dtanγ(2?16)

泵體轉一周時,泵的排量q為

q=d2Zh=d2ZDtanγ(2?17)

泵的實際輸出流量Q_B為

Q_B=d2ZDtanγnη_BV(2?18)

式中　n——泵的轉速;

　　η_BV——泵的容積效率。

下面利用圖2?44來分析軸向柱塞泵的瞬時流量。當泵體轉過角ωt時,柱塞由a轉至b,則柱塞位移量s為

s=a'b'=Oa'-Ob'=tanγ-cos(ωt)tanγ=[1-cos(ωt)]tanγ(2?19)

將上式對時間變量t求導數,得柱塞的瞬時移動速度u為

(2?20)

所以,單個柱塞的瞬時流量Q'為

(2?21)

由式(2?21)可知,單個柱塞的瞬時流量是按正弦規律變化的。因為整個泵的瞬時流量是幾個柱塞(處在壓油區的柱塞)的瞬時輸出流量的總和,所以泵的實際輸出流量也是脈動的。經理論推導,其流量的脈動率δ_Q為

(2?22)

(2?23)

δ_Q與Z的關系如表2?1所示。從表中數值可知,為了減小δ_Q值,首先應采用奇數柱塞,然后盡量選取較多的柱塞。這就是柱塞泵的柱塞數量采用奇數的原因。從結構和工藝考慮,多采用Z=7或Z=9。

2.3.1.2　徑向柱塞泵的工作原理

柱塞相對于傳動軸軸線徑向布置的柱塞泵稱為徑向柱塞泵。徑向柱塞泵的工作原理:通過柱塞的徑向位移,改變柱塞封閉容積的大小進行吸油和排油。按其配油方式(吸油和排油)的不同,徑向柱塞泵又可分為配油軸式和配油閥式兩種結構形式。

(1)配油軸式徑向柱塞泵

配油軸式徑向柱塞泵的結構及工作原理如圖2?45所示。在轉子3上徑向均勻分布著數個柱塞孔,孔中裝有柱塞1,靠離心力的作用(有些結構是靠彈簧或低壓補油的作用)使柱塞1的頭部頂在定子2的內壁上;轉子3的中心與定子2的中心之間有一個偏心距e。在固定不動的配油軸5上,相對于柱塞孔的部位有上下兩個相互隔開的配油腔,該配油腔又分別通過所在部位的兩個軸向孔與泵的吸、排油口連通。當傳動軸帶動轉子3轉動時,由于定子2和轉子3間有偏心距e,所以柱塞1在隨轉子3轉動時,又在柱塞孔內做往復運動。當轉子3順時針轉動時,柱塞1繞經上半周時向外伸出,柱塞腔的容積逐漸增大,通過配油襯套4上的油口從軸向孔吸油;當柱塞轉到下半周時,定子內壁將柱塞向里推,柱塞底部的工作容積逐漸減小,通過配油軸5向外排油。

移動定子,改變偏心距e就可改變泵的排量,當移動定子使偏心距從正值變為負值時,泵的吸、排油口就互相調換,因此徑向柱塞泵可以是單向變量泵,也可以是雙向變量泵。為了使流量脈動盡可能小,通常采用奇數柱塞。為了增加流量,徑向柱塞泵有時將缸體沿軸線方向加寬,將柱塞做成多排形式的,對于排數為i的多排形式的徑向柱塞泵,其排量和流量分別為單排徑向柱塞泵排量和流量的i倍。

(2)配油閥式徑向柱塞泵

配油閥式徑向柱塞泵的工作原理如圖2?46所示。柱塞2在彈簧3的作用下始終緊貼偏心輪1(和主軸做成一體),偏心輪每轉一周,柱塞就完成一個往復行程。當柱塞向下運動時,柱塞缸6的容積增大,形成真空,將進油閥5打開,從油箱吸油,此時壓油閥因壓力作用而關閉;當柱塞向上運動時,柱塞缸6的容積減小,油壓升高,油液沖開壓油閥4進入工作系統,此時進油閥5因油壓作用而關閉。這樣偏心輪不停地旋轉,泵也就不停地吸油和排油。

這種泵采用閥式配油,沒有相對滑動的配合面,柱塞受側向力也較小,因此對油的過濾要求低,工作壓力比較高,一般可達20~40MPa。而且耐沖擊,使用可靠,不易出故障,維修方便。采用閥式配油密封可靠,因而容積效率可達95%以上。但泵的吸、排油對于柱塞的運動有一定的滯后,泵轉速愈高時滯后現象愈嚴重,導致泵的容積效率急劇降低,特別是進油閥,為減小吸油阻力,彈簧往往比較軟,滯后更為嚴重。因此這種泵的額定轉速不高,另外這種泵變量困難,外形尺寸和重量都較大。

徑向柱塞泵的排量可參照軸向柱塞泵和單作用葉片泵的計算方法計算。

泵的排量為

V_p=πd2ezk(2?24)

泵的實際流量公式為

q_p=πd2ezkn_pη_pV(2?25)

式中　V_p——配油閥式徑向柱塞泵的排量,m3/r;

　　q_p——配油閥式徑向柱塞泵的實際流量,m3/s;

　　d——柱塞直徑,m;

　　z——單排柱塞數;

　　e——偏心距,m;

　　k——缸體內柱塞排數。