容积式泵、马达的工作原理

容积式泵、马达的工作原理

液压泵和液压马达都是液压传动系统中的能量转换元件。液压泵由原动机驱动，把输入的机械能转换成为油液的压力能，再以压力、流量的形式输入到系统中去，它是液压系统的动力源；液压马达则将输入的压力能转换成机械能，以扭矩和转速的形式输送到执行机构做功，是液压传动系统的执行元件。

在液压传动系统中，液压泵和液压马达都是容积式的，依靠容积变化进行工作。图2.1为容积式泵的工作原理简图，凸轮1旋转时，柱塞2在凸轮和弹簧3的作用下，在缸体的柱塞孔内左、右往复移动，缸体与柱塞之间构成了容积可变的密封工作腔4。柱塞向右移动时，工作腔容积变大，产生真空，油液便通过吸油阀5吸入；柱塞2向左移动时，工作腔容积变小，已吸入的油液便通过压油阀6排到系统中去。在工作过程中。吸、排油阀5、6在逻辑上互逆，不会同时开启。由此可见，泵是靠密封工作腔的容积变化进行工作的。

液压马达是实现连续旋转运动的执行元件，从原理上讲，向容积式泵中输入压力油，迫使其转轴转动，就成为液压马达，即容积式泵都可作液压马达使用。但在实际中由于性能及结构对称性等要求不同，一般情况下，液压泵和液压马达不能互换。

液压泵按其在单位时间内所能输出油液体积能否调节而分为定量泵和变量泵两类；按结构形式可以分为齿轮式，叶片式和柱塞式三大类；液压马达也具有相同的形式。

根据工作腔的容积变化而进行吸油和排油是液压泵的共同特点，因而这种泵又称为容积泵。构成容积泵必须具备以下基本条件：

（1）    （1）    结构上能实现具有密封性能的可变工作容积。

（2）    （2）    工作腔能周而复始地增大和减小；当它增大时与吸油口相连，当它减小时与排油口相通。

（3）    （3）    吸油口与排油口不能沟通，即不能同时开启。

从工作过程可以看出，在不考虑油漏的情况下，液压泵在每一工作周期中吸入或排出的油液体积只取决于工作构件的几何尺寸，如柱塞泵的柱塞直径和工作行程。

在不考虑泄漏等影响时，液压泵单位时间排出的油液体积与泵密封容积变化频率成正比，也与泵密封容积的变化量成正比；在不考虑液体的压缩性时，液压泵单位时间排出的液体体积与工作压力无关。

2.1.2 液压泵、马达的基本性能参数

液压泵的基本性能参数主要是指液压泵的压力、排量、流量、功率和效率等。

工作压力：指泵、马达实际工作时的压力，对泵来说，工作压力是指它的输出压力；对马达来讲，则是指它的输入压力。实际工作压力取决于相应的外负载。

额定压力：泵、马达在额定工况条件下按试验标准规定的连续运转的最高压力，超过此值就是过载。

排量：泵、马达的轴每转一周，由其密封容腔几何体积变化所排出、吸入液体的体积，亦即在无泄漏的情况下，其轴转动一周时油液体积的有效变化量。

理论流量：在单位时间内由其密封容腔几何体积变化而排出、吸入的液体体积。泵、马达的流量为其转速与排量的乘积。

额定流量：指在正常工作条件下，按试验标准规定必须保证的流量，亦即在额定转速和额定压力下泵输出的流量。因为泵和马达存在内泄漏，油液具有压缩性，所以额定流量和理论流量是不同的。

功率和效率：液压泵由原动机驱动，输入量是转矩和转速，输出量是液体的压力和流量；如果不考虑液压泵、马达在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，也就是它们的理论功率是：

（2.1）

    式中： , —液压泵、马达的理论转矩(N.m)和转速(r/min)。

   —液压泵、马达的压力(Pa)和流量( )

实际上，液压泵和液压马达在能量转换过程中是有损失的，因此输出功率小于输入功率。两者之间的差值即为功率损失，功率损失可以分为容积损失和机械损失两部分。

容积损失是因泄漏、气穴和油液在高压下压缩等造成的流量损失，对液压泵来说，输出压力增大时，泵实际输出的流量 减小。设泵的流量损失为，则 。而泵的容积损失可用容积效率 来表征     

对液压马达来说，输入液压马达的实际流量 必然大于它的理论流量 即 ，它的容积效率。

       机械损失是指因摩擦而造成的转矩上的损失。对液压泵来说，泵的驱动转矩总是大于其理论上需要的驱动转矩，设转矩损失为 ，理论转矩为，则泵实际输入转矩为 ，用机械效率 来表征泵的机械损失，则      

对于液压马达来说，由于摩擦损失的存在，其实际输出转矩 小于理论转矩 ，它的机械效率 为        

液压泵的总效率 是其输出功率和输入功率之比，由式（2.1），式（2.2），式（2.4）可得

                               液压马达的总效率同样也是其输出功率和输入功率之比，可由式(2.1)、式(2.3)、式(2.5)得到与式(2.6)相同的表达式。这就是说，液压泵或液压马达的总效率都等于各自容积效率和机械效率的乘积。

事实上，液压泵、马达的容积效率和机械效率在总体上与油液的泄漏和摩擦副的摩擦损失有关，而泄漏及摩擦损失则与泵、马达的工作压力、油液粘度、泵和马达转速有关，为了更确切的表达效率与这些原始参数之间的关系，以无因次压力为变量来表示液压泵、马达的效率。图2.2给出了液压泵、马达无因次压力 与效率之间的关系，其中：分别为油液的密度和运动粘度，其余符号意义同前，由图可见，在不同的无因次压力下，液压泵和马达的这些参数值相似但不相同，而在不同的转速和粘度下，液压泵和液压马达的效率值也不同的，可见液压泵、马达的使用转速、工作压力和传动介质均会影响使用效率