服弹簧力推动定子向左移动,随之泵的偏心量减小,泵的输出流量也减小。pB称为泵的限定压力,即泵处于最大流量时所能达到的最高压力,调节调压螺钉10,可改变弹簧的预压缩量x0即可改变pB的大小。
设定子的最大偏心量为e0,偏心量减小时,弹簧的附加压缩量为x,则定子移动后的偏心量e为：
e?e0?x (3-26) 这时，定子上的受力平衡方程式为：
pA?ks?x0?x? (3-27) 将式(3-25)、式(3-26)代入式(3-27)可得：
e?e0?A?p?pB?/ks p?pB (3-28) 式(3-28)表示了泵的工作压力与偏心量的关系,由式可以看出,泵的工作压力愈高,偏心量就愈小,泵的输出流量也就愈小,且当p?ks?e0?x0?/A时,泵的输出流量为零,控制定子移动的作用力是将液压泵出口的压力油引到柱塞上,然后再加到定子上去,这种控制方式称为外反馈式。
2.限压式变量叶片泵的特性曲线
限压式变量叶片泵在工作过程中,当工作压力p小于预先调定的限定压力pc时,液压作用力不能克服弹簧的预紧力,这时定子的偏心距保持最大不变,因此泵的输出流量qA不变,但由于供油压力增大时,泵的泄漏流量q1也增加,所以泵的实际输出流量q也略有减少,如图3-23限压式变量叶片泵的特性曲线中的AB段所示。
图3-23限压式变量叶片泵的特性曲线
调节流量调节螺钉5(见图3-22)可调节最大偏心量(初始偏心量)的大小。从而改变泵的最大输出流量qA，特性曲线AB段上下平移,当泵的供油压力p超过预先调整的压力pB时,液压作用力大于弹簧的预紧力,此时弹簧受压缩定子向偏心量减小的方向移动,使泵的输出流量减小,压力愈高,弹簧压缩量愈大,偏心量愈小,输出流量愈小,其变化规律如特性曲线BC段所示。调节调压弹簧10可改变限定压力pc的大小,这时特性曲线BC段左右平移，而改变调压弹簧的刚度时，可以改变BC段的斜率,弹簧越“软”(ks值越小),BC段越陡,
pmax值越小；反之,弹簧越“硬”(ks值越大),BC段越平坦, pmax值亦越大。当定子和转
子之间的偏心量为零时,系统压力达到最大值,该压力称为截止压力,实际上由于泵的泄漏存在,当偏心量尚未达到零时,泵向系统的输出流量实际已为零。
3.限压式变量叶片泵与双作用叶片泵的区别
(1)在限压式变量叶片泵中,当叶片处于压油区时,叶片底部通压力油,当叶片处于吸油区时,叶片底部通吸油腔,这样,叶片的顶部和底部的液压力基本平衡,这就避免了定量叶片
45
泵在吸油区定子内表面严重磨损的问题。如果在吸油腔叶片底部仍通压力油,叶片顶部就会给定子内表面以较大的摩擦力,以致减弱了压力反馈的作用。
(2)叶片也有倾角,但倾斜方向正好与双作用叶片泵相反,这是因为限压式变量叶片泵的叶片上下压力是平衡的,叶片在吸油区向外运动主要依靠其旋转时的离心惯性作用。根据力学分析,这样的倾斜方向更有利于叶片在离心惯性作用下向外伸出。
(3)限压式变量叶片泵结构复杂,轮廓尺寸大,相对运动的机件多,泄漏较大,轴上承受不平衡的径向液压力,噪声较大,容积效率和机械效率都没有定量叶片泵高;但是,它能按负载压力自动调节流量,在功率使用上较为合理,可减少油液发热。
限压式变量叶片泵对既要实现快速行程,又要实现工作进给(慢速移动)的执行元件来说是一种合适的油源：快速行程需要大的流量,负载压力较低,正好使用特性曲线的AB段,工作进给时负载压力升高,需要流量减少,正好使用其特性曲线的BC段,因而合理调整拐点压力pB是使用该泵的关键。目前这种泵被广泛用于要求执行元件有快速、慢速和保压阶段的中低压系统中,有利于节能和简化回路。
第四节 柱塞泵
柱塞泵是靠柱塞在缸体中作往复运动造成密封容积的变化来实现吸油与压油的液压泵，与齿轮泵和叶片泵相比，这种泵有许多优点。首先，构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和缸孔，加工方便，可得到较高的配合精度，密封性能好，在高压工作时仍有较高的容积效率；第二，只需改变柱塞的工作行程就能改变流量，易于实现变量；第三，柱塞泵中的主要零件均受压应力作用，材料强度性能可得到充分利用。由于柱塞泵压力高，结构紧凑，效率高，流量调节方便，故在需要高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合，如龙门刨床、拉床、液压机、工程机械、矿山冶金机械、船舶上得到广泛的应用。柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类。
一、径向柱塞泵
1.径向柱塞泵的工作原理
图3-24 径向柱塞泵的工作原理
1—柱塞 2—缸体 3—衬套 4—定子 5—配油轴
径向柱塞泵的工作原理如图3-24所示，柱塞1径向排列装在缸体2中，缸体由原动机带动连同柱塞1一起旋转，所以缸体2一般称为转子，柱塞1在离心力的（或在低压油）作用下抵紧定子4的内壁，当转子按图示方向回转时，由于定子和转子之间有偏心距e，柱塞
46
绕经上半周时向外伸出，柱塞底部的容积逐渐增大，形成部分真空，因此便经过衬套3（衬套3是压紧在转子内，并和转子一起回转）上的油孔从配油孔5和吸油口b吸油；当柱塞转到下半周时，定子内壁将柱塞向里推，柱塞底部的容积逐渐减小，向配油轴的压油口c压油，当转子回转一周时，每个柱塞底部的密封容积完成一次吸压油，转子连续运转，即完成压吸油工作。配油轴固定不动，油液从配油轴上半部的两个孔a流入，从下半部两个油孔d压出，为了进行配油，配油轴在和衬套3接触的一段加工出上下两个缺口，形成吸油口b和压油口c，留下的部分形成封油区。封油区的宽度应能封住衬套上的吸压油孔，以防吸油口和压油口相连通，但尺寸也不能大得太多，以免产生困油现象。 2.径向柱塞泵的排量和流量计算：
当转子和定子之间的偏心距为e时，柱塞在缸体孔中的行程为2e，设柱塞个数为z，直径为d时，泵的排量为：
? V?d22ez (3-29)
4
设泵的转数为n，容积效率为?V，则泵的实际输出流量为：
q??4d2ezn?V?2?2dezn?V (3-30)
2
二、轴向柱塞泵
1.轴向柱塞泵的工作原理
轴向柱塞泵是将多个柱塞配置在一个共同缸体的圆周上,并使柱塞中心线和缸体中心线平行的一种泵。轴向柱塞泵有两种形式,直轴式(斜盘式)和斜轴式(摆缸式),如图3-25所示为直轴式轴向柱塞泵的工作原理,这种泵主体由缸体1、配油盘2、柱塞3和斜盘4组成。柱塞沿圆周均匀分布在缸体内。斜盘轴线与缸体轴线倾斜一角度,柱塞靠机械装置或在低压油作用下压紧在斜盘上(图中为弹簧),配油盘2和斜盘4固定不转,当原动机通过传动轴使缸体转动时,由于斜盘的作用,迫使柱塞在缸体内作往复运动,并通过配油盘的配油窗口进行吸油和压油。如图3-25中所示回转方向,当缸体转角在π～2π范围内,柱塞向外伸出,柱塞底部缸孔的密封工作容积增大,通过配油盘的吸油窗口吸油；在0～π范围内,柱塞被斜盘推入缸体,使缸孔容积减小,通过配油盘的压油窗口压油。缸体每转一周,每个柱塞各完成吸、压油一次,如改变斜盘倾角,就能改变柱塞行程的长度,即改变液压泵的排量,改变斜盘倾角方向,就能改变吸油和压油的方向,即成为双向变量泵。
图3-25轴向柱塞泵的工作原理
1—缸体 2—配油盘 3—柱塞 4—斜盘 5—传动轴 6—弹簧
斜轴式轴向柱塞泵的缸体轴线相对传动轴轴线成一倾角,传动轴端部用万向铰链、连杆与缸体中的每个柱塞相联结,当传动轴转动时,通过万向铰链、连杆使柱塞和缸体一起转动,
47
并迫使柱塞在缸体中作往复运动,借助配油盘进行吸油和压油。这类泵的优点是变量范围大,泵的强度较高,但和上述直轴式相比,其结构较复杂,外形尺寸和重量均较大。
轴向柱塞泵的优点是:结构紧凑、径向尺寸小,惯性小,容积效率高,目前最高压力可达40.0MPa,甚至更高,一般用于工程机械、压力机等高压系统中,但其轴向尺寸较大,轴向作用力也较大,结构比较复杂。
2.轴向柱塞泵的排量和流量计算
见图3-25,柱塞的直径为d,柱塞分布圆直径为D,斜盘倾角为?时,柱塞的行程为
s?Dtan?,所以当柱塞数为z时,轴向柱塞泵的排量为：
V??d2Dtan?z/4 (3-31) 设泵的转数为n,容积效率为?V则泵的实际输出流量为：
V??d2Dtan?zn?V/4 (3-32) 实际上,由于柱塞在缸体孔中运动的速度不是恒速的,因而输出流量是有脉动的,当柱塞数为奇数时,脉动较小,且柱塞数多脉动也较小,因而一般常用的柱塞泵的柱塞个数为7、9或11。
3.轴向柱塞泵的结构特点
(1)典型结构。图3-26所示为一种直轴式轴向柱塞泵的结构。柱塞9的球状头部装在滑靴12内，以缸体5作为支撑的定心弹簧3通过钢球20推压回程压板14，回程压板和柱塞滑靴一同转动。在排油过程中借助斜盘15推动柱塞作轴向运动；在吸油时依靠回程压板、钢球和弹簧组成的回程装置将滑靴紧紧压在斜盘表面上滑动,使泵具有自吸能力。在滑靴与斜盘相接触的部分有一油室,它通过柱塞中间的小孔与缸体中的工作腔相连,压力油进入油室后在滑靴与斜盘的接触面间形成了一层油膜,起着静压支承的作用,使滑靴作用在斜盘上的力大大减小,因而磨损也减小。传动轴8通过左边的花键带动缸体5旋转,由于滑靴12贴紧在斜盘表面上,柱塞在随缸体旋转的同时在缸体中作往复运动。缸体中柱塞底部的密封工作容积是通过配油盘6与泵的进出口相通的。随着传动轴的转动,液压泵就连续地吸油和排油。
(2)变量机构。由式(3-32)可知,若要改变轴向柱塞泵的输出流量,只要改变斜盘的倾角,即可改变轴向柱塞泵的排量和输出流量,下面介绍常用的轴向柱塞泵的手动变量和伺服变量机构的工作原理。
①手动变量机构。如图3-26所示,转动手轮18，使丝杠17转动，带动变量柱塞16作轴向移动(因导向键的作用,变量柱塞只能作轴向移动，不能转动)。通过销轴13使斜盘15绕变量机构壳体上的圆弧导轨面的中心(即钢球中心)旋转。从而使斜盘倾角改变,达到变量的目的。当流量达到要求时,可用锁紧螺母19锁紧。这种变量机构结构简单,但操纵不轻便,且不能在工作过程中变量。
48