2.4 柱塞泵
柱塞泵是依靠柱塞在缸体柱塞孔内往复运动,使密封容积产生变化来实现吸、压油的。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,在高压状态工作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。
2.4.1 柱塞泵的分类、特点
(1)柱塞泵的分类
柱塞泵可按照多方面的特征进行分类,主要有:
① 按动力源可分为机动泵和手动泵(人力泵)两大类。
② 在由旋转泵轴输入动力的机动泵中,按缸体与泵轴的相对装置关系,可分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两类。前者柱塞的运动方向与泵轴线平行或相交角度不大于45°,后者的柱塞基本上垂直于泵轴运动。轴向柱塞泵中一般又按驱动方式分为斜盘泵、斜轴泵和旋转斜盘泵三种,径向柱塞泵则习惯上按配流装置进一步分类。近年来,还出现了弯曲缸筒的柱塞泵。另一类机动泵是由气缸或液压缸驱动的往复式柱塞泵,即增压器。
③ 按配流装置的形式,分为带间隙密封型配流装置柱塞泵和带座阀配流装置柱塞泵两种,有的柱塞泵采用两种配流装置的组合(吸、排油不同)。
(2)柱塞泵的特点
① 斜盘式轴向柱塞泵特点
a.由于柱塞与缸体内孔均为圆柱表面,因此柱塞泵具有加工方便、配合精度高、密封性能好、容积效率高的优点。
b.由于柱塞始终处于受压状态,能使材料强度性能充分发挥,所以柱塞泵具有压力高、结构紧凑等优点。
c.只要改变柱塞的工作行程,就能改变泵的排量,所以柱塞泵具有流量调节方便的优点。
② 斜轴式轴向柱塞泵特点
a.缸体驱动方式为中心铰式。优点是缸体运转平稳(与泵轴几乎是完全同步的),所受侧向力较小,允许很大的摆角(现有产品已达45°);缺点是结构复杂,缸体中间部位要为万向节留出较大的空间,尺寸不够紧凑。
b.无铰式。泵轴由铰接在驱动盘端面球窝中的连杆⁃柱塞副或特别形状的柱塞交替“拨动”缸体旋转,不需另加专门的传动部件。此法由于简单、紧凑,许用的摆角较大(已达40°),现已成为定量和变量斜轴泵及液压马达的主流结构。缺点是缸体角速度有周期性波动。
c.锥齿轮式。泵轴经设置在驱动盘和缸体外缘处的一对齿数相同的锥齿轮驱动缸体旋转。优点是缸体角速度与泵轴完全同步,且摆角可做得很大;但它只适用于定量型元件,并由于齿轮传动本身产生的轴向和径向力,加大了泵轴和缸体轴承的负荷,同时外壳尺寸也比较大。
③ 径向柱塞泵的特点 流量大,工作压力较高,便于做成多排柱塞形式,轴向尺寸小,抗污染能力较强,工作可靠,寿命较长等;缺点是径向尺寸大,结构较复杂,运动副摩擦表面的速度高,最高转速受到限制,配流轴受到很大的径向力,因此配流轴直径较大。
2.4.2 工作原理
柱塞泵主要由柱塞⁃缸筒副、配流装置和驱动机构等组成,其结构如图2⁃19所示。
图2⁃19 柱塞泵的结构
1—柱塞;2—缸筒;3—驱动装置;4—配流装置;5—吸油口;6—排油口
柱塞泵依靠在圆形(罕有矩形)截面的缸筒内作往复运动的柱塞,在介于缸盖和柱塞顶之间形成可变的工作容积,使工作容积中流体介质的体积产生变化。同一泵上的柱塞⁃缸筒副可以有多个,它们一般设置在公共的缸体中。旋转运动的电动机通过某种驱动机构使柱塞作往复运动,同时由配流装置通过某种位置约束机构、液压力或其他效应,使得当柱塞缸工作容积扩大时将缸筒与吸油腔接通,缩小时与排油腔接通,完成由吸油腔向排油腔泵送油液并建立一定压力的过程。大多数的柱塞泵在泵轴的一转中,每一柱塞副吸、排油各一次,为单作用泵。双作用泵和多作用泵十分少见,仅出现在多作用柱塞液压马达处于泵工况时。
2.4.3 斜盘式轴向柱塞泵
(1)斜盘式轴向柱塞泵的工作原理
斜盘式轴向柱塞泵的工作原理如图2⁃20所示。泵由斜盘1、柱塞2、缸体3、配流盘4等零件组成,斜盘1和配流盘4是不动的,传动轴5带动缸体3、柱塞2一起转动,柱塞2靠机械装置或在低压油作用下压紧在斜盘上。当传动轴按图2⁃20所示方向旋转时,柱塞2在沿斜盘自下而上回转的半周内逐渐向缸体外伸出,使缸体孔内密封工作腔容积不断增加,产生局部真空,从而将油液经配流盘4上的吸油窗口6吸入;柱塞在自上而下回转的半周内又逐渐向里推入,使密封工作腔容积不断减小,将油液从压油窗口7向外排出。缸体每转一周,每个柱塞往复运动一次,完成一次吸油和压油动作。
图2⁃20 斜盘式轴向柱塞泵的工作原理
1—斜盘;2—柱塞;3—缸体;4—配流盘;5—传动轴;6—吸油窗口;7—压油窗口
(2)斜盘式轴向柱塞泵的排量和流量计算
如图2⁃20所示,根据几何关系,斜盘式轴向柱塞泵的排量为
(2⁃13)
输出的流量为
(2⁃14)
式中 γ ——斜盘倾角;
D——柱塞孔分布圆直径;
d ——柱塞直径;
——柱塞数目。
改变斜盘的倾角γ,就可以改变密封工作容积的有效变化量,实现泵的变量。柱塞泵的排量是转角的函数,其输出流量是脉动的。就柱塞数而言,柱塞数为奇数时的脉动率比偶数时的小,且柱塞数越多,脉动越小,故柱塞泵的柱塞数一般都为奇数。从结构工艺性和脉动率综合考虑,常用的柱塞泵的柱塞个数是7、9或11。
(3)斜盘式轴向柱塞泵的结构和特点
① 典型结构和特点 如图2⁃21所示为斜盘式轴向柱塞泵,它由主体部分和变量机构两大部分组成。
a.主体部分。传动轴9与缸体6通过花键连接而驱动缸体转动,均匀分布在缸体上的柱塞7绕传动轴的轴线作旋转运动。每个柱塞的球头与滑靴5铰接,定心弹簧8通过内套、钢球、回程盘11将滑靴紧紧压在斜盘2上,由于斜盘的法线方向与传动轴的轴线方向有一夹角,当缸体旋转时,柱塞沿缸体上的柱塞孔作相对往复运动,通过配流盘10完成吸、排油。与此同时,定心弹簧反方向的作用力又将缸体压在配流盘上,起预紧密封作用。由于滑靴和配流盘均采用静压支承结构,因此具有较高的性能参数。
b.变量机构。当旋转变量手轮15时,通过丝杠14带动变量活塞13沿变量壳体上下运动,活塞通过拨叉12使斜盘及变量头组件绕其自身的旋转中心摆动,改变斜盘的法线方向与传动轴方向的夹角,从而达到变量的目的。
图2⁃21 斜盘式轴向塞泵结构
1—泵体;2—斜盘;3—压盘;4—缸体外大轴承;5—滑靴;6—缸体;7—柱塞;8—弹簧;9—传动轴;10—配油盘;11—回程盘;12—拨叉;13—变量活塞;14一丝杠;15—转动手轮
为保证缸体紧压配流盘端面,预密封的推力除机械装置或弹簧作用力外,还有柱塞孔底部台阶面上的液压力,它比弹簧力大得多,而且随泵的工作压力增大而增大,从而端面间隙得到了自动补偿。
② 变量机构 轴向柱塞泵常用变量机构有手动变量和伺服变量机构。在斜盘式轴向柱塞泵中,通过改变斜盘的倾角大小就可调节泵的排量,变量机构的形式有多种,这里以手动变量机构和手动伺服变量机构为例来说明其工作原理。
a.手动变量机构。图2⁃22所示为斜盘式轴向柱塞泵常用的手动变量机构。转动变量手轮1,使丝杠3转动,带动变量活塞4做轴向移动,通过拨叉5使斜盘6绕变量机构壳体上的圆弧导轨面的中心旋转,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2锁紧。这种变量机构结构简单,但操作费力,且不能在工作过程中变量。
b.手动伺服变量机构。图2⁃23所示为斜盘式轴向柱塞泵的手动伺服变量机构。该机构由壳体(缸筒)1、变量活塞2和伺服阀芯3组成。变量活塞2兼作伺服阀的阀体,其中心与阀芯相配合,并有c、d和e三个孔道分别连通缸筒1的下腔a、上腔b和油箱。泵上的斜盘4通过拨叉机构与变量活塞2下端铰接,可利用变量活塞2的上下移动来改变斜盘倾角。当用手柄使伺服阀芯3向下移动时,孔道c上的阀口打开,经a腔引入的压力油p经孔道c通向b腔,活塞因上腔有效面积大于下腔有效面积而向下移动,其移动又会使伺服阀上的阀口关闭,最终使活塞2停止运动;同理,当手柄使伺服阀芯3向上移动时,孔道d上的阀口打开,b和e接通油箱,活塞2在a腔压力油的作用下向上移动,并在该阀口关闭时自行停止运动。可见,活塞2与阀芯3是随动关系,用较小的力驱动阀芯,就可以调节斜盘倾角。
图2⁃22 手动变量机构
1—变量手轮;2—锁紧螺母;3—丝杠;4—变量活塞;5—拨叉;6—斜盘
图2⁃23 手动伺服变量机构
1—壳体(缸筒);2—变量活塞;3—伺服阀芯,4—斜盘;5—拨叉
2.4.4 斜轴式轴向柱塞泵
图2⁃24为斜轴式轴向柱塞泵的工作原理。当传动轴5转动时,通过连杆4和柱塞2与缸体3接触带动缸体3转动。同时,柱塞2在缸体3的柱塞孔中往复运动,实现吸压油。斜轴式轴向柱塞泵的传动轴中心线与缸体中心线倾斜一个角度γ,改变γ的大小,即可改变泵的排量。
与斜盘式轴向柱塞泵相比,斜轴式轴向柱塞泵由于缸体所受的不平衡力较小,故结构强度较高,可以有较高的设计参数,其缸体曲线与驱动轴的夹角较大,故变量范围较大,但由于其外形尺寸较大,结构也较复杂。
图2⁃24 斜轴式轴向柱塞泵工作原理
1—配流盘;2—柱塞;3—缸体;4—连杆;5—传动轴
在变量形式上,斜盘式轴向柱塞泵依靠斜盘摆动实现变量,斜轴式轴向柱塞泵依靠摆缸实现变量,有较大的惯性,故其变量系统反应较慢。
2.4.5 径向柱塞泵
(1)径向柱塞泵的工作原理
如图2⁃25为径向柱塞泵的工作原理。柱塞1径向排列安装在转子2中,转子2由原动机带动连同柱塞1一起旋转。
图2⁃25 径向柱塞泵工作原理
1—柱塞;2—转子;3—衬套;4—定子;5—配流轴
柱塞1在离心力和机械回程力作用下,其头部顶紧定子4的内壁,当转子按图示方向回转时,由于定子4和转子2之间有偏距e,柱塞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,经衬套3(衬套3压紧在转子内,并和转子一起回转)上的油孔从配流轴5和吸油口b吸油。当柱塞转至下半周时,定子4的内壁将柱塞向里推入,柱塞底部的容积逐渐减小,向配流轴5的压油口c压油。当转子2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2连续运转,即完成吸、压油工作。配流轴固定不动,油液从配流轴上半部的两个孔a流入,从下半部的两个油孔d压出。
为进行配油,在配流轴5和衬套3接触的一段上加工出上下两个缺口,形成吸油口b和压油口c,余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,但尺寸也不能过大,以免产生困油现象。
当移动定子4,改变偏距e时,泵的排量就发生改变。当偏距e从正值变为负值时,泵的吸、排油口互换,因此,径向泵可以是单向泵也可以是双向泵。
径向柱塞泵的径向尺寸大,结构比较复杂,自吸能力差,且配流轴受到径向不平衡液压力的作用,易磨损,这限制了径向柱塞泵压力和速度的提高。
(2)径向柱塞泵的排量和流量计算
径向柱塞泵的排量和流量按下述方法计算,泵的平均排量为
(2⁃15)
泵的输出流量为
(2⁃16)
式中 d——柱塞直径;
——柱塞数。