第3章　液压泵及液压马达

3.1　液压泵概述

在海洋装备液压传动系统中，能源装置是为整个液压系统提供能量的，就如同人的心脏为人体各部分输送血液一样，在整个液压系统中起着极其重要的作用。液压泵就是一种能量转换装置，它将驱动电动机的机械能转换为油液的压力能，以满足执行机构驱动外负载的需要^[4]。

3.1.1　液压泵的基本工作原理

海洋液压系统中使用的液压泵，其工作原理几乎都是一样的，就是靠液压密封的工作腔的容积变化来实现吸油和压油的，因此称为容积式液压泵。

容积式液压泵的工作原理很简单，以单柱塞式液压泵为例，就像我们常见的医用注射器一样，再配以自动配流装置即可。如图3.1所示的就是单柱塞式容积式液压泵工作原理。柱塞2是靠偏心凸轮1的旋转而上下移动的，当柱塞下移时，工作腔4容积变大，产生真空，此时，单向阀6关闭，油箱中的油液通过单向阀5被吸入工作腔内；反之，当柱塞上移时，工作腔容积变小，腔内的油液压力升高，此时，单向阀5关闭，油液便通过单向阀6被输送到系统当中去，偏心凸轮的连续旋转使得泵不断地吸油和压油。由此可见，液压泵输出油液流量的大小取决于工作腔容积的变化量。

由上所述，一个容积式液压泵必须具备的条件是：

① 具有若干个容积能够不断变化的密封工作腔；

② 相应的配流装置。在上面的例子中，配流是以两个单向阀的开启在泵外面实现的，称为阀式配流；而有的泵本身就带有配流装置，如叶片泵的配流盘、柱塞泵的配流轴等，称为确定式配流。

3.1.2　液压泵的分类

① 按液压泵单位时间内输出油液的体积能否变化分为定量泵和变量泵。

定量泵：单位时间内输出的油液体积不能变化。

变量泵：单位时间内输出油液的体积能够变化。

② 按泵的结构来分主要有：

齿轮泵：分为内啮合齿轮泵和外啮合齿轮泵。

叶片泵：分为单作用式叶片泵和双作用式叶片泵。

柱塞泵：分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵。

螺杆泵：分为单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵和五螺杆泵。

液压泵按其组成还可以分为单泵和复合泵。

3.1.3　液压泵的图形符号

液压泵的图形符号见图3.2。

3.1.4　液压泵的主要性能参数

（1）液压泵的压力

① 工作压力：是指液压泵在实际工作时输出的油液压力，也就是说要克服外负载所必须建立起来的压力，可见其大小取决于外负载。

② 额定压力：是指液压泵在正常工作状态下，连续使用中允许达到的最高压力，一般情况下，就是液压泵出厂时标牌上所标出的压力。

（2）液压泵的排量

海洋液压泵的排量是指该泵在没有泄漏的情况下每转一转所输出的油液的体积。它与液压泵的几何尺寸有关，用V来表示。

（3）液压泵的流量

海洋液压泵的流量分为理论流量、实际流量和额定流量：

① 理论流量是指该泵在没有泄漏的情况下单位时间内输出油液的体积，可见，它等于排量和转速的乘积，即q_t=Vn，流量的单位为m³/s，实际应用中也常用L/min来表示。

② 实际流量q是指泵在单位时间内实际输出油液的体积，也就是说泵在有压的情况下存在着油液的泄漏，使实际输出流量小于理论流量，详见下面分析。

③ 额定流量是指泵在额定转速和额定压力下输出的流量，即在正常工作条件下按试验标准规定必须保证的流量。

（4）功率

① 输入功率　液压泵的输入功率就是电动机驱动液压泵轴的机械功率，它等于输入转矩乘以角速度。

P_i=Tω（W）　　 （3.1）

式中　T——液压泵的输入转矩，N·m；

ω——液压泵的角速度，rad/s。

② 输出功率　液压泵的输出功率就是液压泵输出的液压功率，它等于泵输出的压力乘以输出流量。

P_o=pq（W）　　 （3.2）

式中　p——液压泵的输出压力，Pa；

q——液压泵的实际输出流量，m³/s。

如果不考虑损失的话，输出功率等于输入功率。但是任何机械在能量转换过程中都有能量的损失，液压泵也同样，由于能量损失的存在，其输出功率总是小于输入功率。

（5）效率

液压泵的效率是由容积效率和机械效率两部分所组成的。

① 容积效率　液压泵的容积效率是由容积损失（流量损失）来决定的。容积损失就是指流量上的损失，主要是由泵内高压引起油液泄漏所造成的，压力越高，油液的黏度越小，其泄漏量就越大。在液压传动中，一般用容积效率η_v来表示容积损失，如果设q_t为液压泵在没有泄漏情况下的流量，称为理论流量；而q为液压泵的实际输出流量，则液压泵的容积效率可表示为：

　　 （3.3）

式中　Δq——液压泵的流量损失，即泄漏量。

② 机械效率　海洋液压泵的机械效率是由机械损失所决定的。机械损失是指液压泵在转矩上的损失，主要原因是液体因黏性而引起的摩擦转矩损失及泵内机件相对运动引起的摩擦损失。在液压传动中，以机械效率η_m来表示机械损失，设T_t为液压泵的理论转矩；而T为液压泵的实际输入转矩，则液压泵的机械效率可表示为：

　　 （3.4）

式中　ΔT——液压泵的机械损失。

③ 液压泵的总效率　液压泵的总效率等于泵的输出功率与输入功率的比值，也等于泵的机械效率和容积效率的乘积，即

　　 （3.5）

一般情况下，在液压系统设计计算中，常常需要计算液压泵的输入功率以确定所需电动机的功率。根据前面的推导，液压泵的输入功率可用式（3.6）计算：

　　 （3.6）

3.1.5　液压泵特性及检测

海洋液压泵的性能是衡量液压泵优劣的技术指标，主要包括液压泵的压力-流量特性、泵的容积效率曲线、泵的总效率曲线等。检测一个液压泵的性能可用如图3.3所示系统。

在检测泵的上述性能中，首先将压力阀置于额定压力下，再将节流阀全部打开，使泵的负载为零（此时，由于管路的压力损失，压力表的显示并不是零），在流量计上读出流量值来。一般情况下，都是以此时的流量（即空载流量）作为理论流量q_t的。然后再逐渐升高压力值（通过调节节流阀阀口来实现），读出每次调定压力（即工作压力）后的流量值q。根据上述操作得到的数据即可绘出被测泵的压力-流量曲线，根据公式（3.3）即可算出各调定压力点的容积效率η_v。如果在输入轴上测得转矩及转速，则可根据公式（3.1）计算出泵的输入功率P_i，再利用公式（3.2）算出泵的输出功率P_o，则可将液压泵的总效率η算出，根据上面的数据绘出如图3.4所示的泵的特性曲线来。

目前，随着传感技术及计算机技术的发展，在液压检测方面已广泛应用计算机辅助检测技术（CAT）。计算机辅助检测系统的使用大大提高了检测精度及效率，尤其是虚拟仪器技术的应用，更是简化了检测系统，实现了人工检测无法实现的检测项目，使液压元件性能的检测更加科学化。

为确保在海水环境中的长时间正常工作，水下液压系统还采取了一系列的安全措施，主要是设置各种传感器和报警装置。

水泄漏传感器是水下液压系统中必不可少的传感器，特别是电动机箱，其绝缘要求很高，即使电动机箱内渗入少量海水，也会使绝缘等级急剧降低，直接影响电动机的正常工作。泵箱内若渗入海水，海水会随着液压油循环到液压系统的各个部分，从而导致液压元件的腐蚀。阀箱内通常还设置有各种控制电路，一旦海水渗入，电路将无法正常工作。水泄漏传感器安装在电动机箱、泵箱及阀箱中，由两个相距较近的探头组成，两个探头之间加一定的直流电压，当海水渗入时，探头间的阻抗急剧下降，利用探头间的漏电电流即可驱动放大电路，产生报警信号。

压力补偿器是水下液压系统中的重要元件，压力补偿器的工作状态能为水下液压系统的故障诊断和分析提供依据。补偿量传感器就是用来监测压力补偿器工作状态的传感器，它通过检测补偿活塞的位置来计算补偿量，当系统发生泄漏时，压力补偿器会自动向系统补油；当补偿量达到极限时，压力补偿器便失去压力补偿的功能，此时通过补偿量传感器就可以判断出压力补偿器的状态，从而为系统的故障诊断和分析提供依据。

水下液压系统中还设置有压力传感器，用于监测系统的工作状态，通常有低压传感器和高压传感器。低压传感器设置在泵箱内，用于检测泵箱内的压力，由于压力补偿作用，泵箱内的压力与外界海水压力相等。水下作业设备通常还带有深度传感器，用于检测水下作业深度，深度传感器显示的深度应与低压传感器显示的压力一致，否则极有可能由于系统泄漏过多导致压力补偿器达到最大补偿量，从而造成泵箱吸空。为确保水下液压系统正常工作，应随时监测低压传感器、深度传感器及补偿量传感器的值，当补偿量达到极值或低压传感器显示的压力与深度传感器显示的深度不一致时发出报警，并让液压系统停止工作。高压传感器设置在液压泵出口，由于压力传感器测量的是绝对压力，因此水下液压系统的系统压力也即液压泵两端的压差是通过高、低压传感器的压力值作差而得到的，由此可以获得液压系统的工作状态。

水下液压系统虽然工作在温度较低的海水中，但由于是封闭结构，循环的液压油较少，且结构紧凑，因此有必要在泵箱中设置油温传感器，油温过高时发出报警。