2.3.1　柱塞泵的工作原理

2.3.1.1　轴向柱塞泵的工作原理

(1)斜盘式轴向柱塞泵

如图2⁃42所示为斜盘式轴向柱塞泵工作原理。斜盘式轴向柱塞泵由传动轴5、斜盘1、柱塞2、泵体3和配油盘4等主要零件组成。传动轴带动泵体和柱塞一起旋转,而斜盘和配油盘是固定不动的。柱塞均布于泵体内,且柱塞头部靠机械装置或在低压油作用下紧压在斜盘上。斜盘的法线和缸体的轴线交角为斜盘的倾斜角,设该角度为γ。当传动轴按图示方向旋转时,柱塞一方面随泵体转动,另一方面还在机械装置或低压油的作用下,在泵体内做往复运动。柱塞在其自下而上的半圆周内旋转时逐渐向外伸出,使泵体内孔和柱塞形成的密封工作容积不断增加,产生局部真空,从而将油箱中的油液经配油盘上的吸油窗口a吸入;柱塞在其自上而下的半圆周内旋转时逐渐压入泵体内,使密封工作容积不断减小,将油液从配油盘上的压油窗口b向外压出。泵体每旋转一周,每个柱塞往复运动一次,完成吸、压油各一次。如果改变斜角的大小,就能改变柱塞的行程,也就改变了泵的排量;如果改变斜角的方向,就能改变吸、压油的方向,此时就成为双向变量泵。

(2)斜轴式轴向柱塞泵

图2⁃43为斜轴式轴向柱塞泵工作原理。这种泵的缸体中心线相对于传动轴倾斜一个角度,所以称为斜轴式轴向柱塞泵。当传动轴5旋转时,带动与其相连接的连杆4一起旋转。连杆便带动柱塞2和泵体3一同旋转,同时推动柱塞在泵体中做往复运动,使由柱塞和泵体内孔组成的密封工作容积发生变化,并利用固定不动的平面配油盘1的吸油窗口a和压油窗口b完成吸油和压油过程。如果改变泵体的倾斜角γ,就能改变泵的排量;如果改变泵体的倾斜角γ的方向,就能改变吸、压油的方向,此时就成为双向变量泵。

(3)轴向柱塞泵的排量和流量计算

根据轴向柱塞泵的柱塞运动规律可求出其排量和流量。如图2⁃44所示,设柱塞直径为d,柱塞数为Z,柱塞中心分布圆直径为D,斜盘倾角为γ,则柱塞行程h为

h=Dtanγ(2⁃16)

泵体转一周时,泵的排量q为

q=d2Zh=d2ZDtanγ(2⁃17)

泵的实际输出流量Q_B为

Q_B=d2ZDtanγnη_BV(2⁃18)

式中　n——泵的转速;

　　η_BV——泵的容积效率。

下面利用图2⁃44来分析轴向柱塞泵的瞬时流量。当泵体转过角ωt时,柱塞由a转至b,则柱塞位移量s为

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

将上式对时间变量t求导数,得柱塞的瞬时移动速度u为

(2⁃20)

所以,单个柱塞的瞬时流量Q'为

(2⁃21)

由式(2⁃21)可知,单个柱塞的瞬时流量是按正弦规律变化的。因为整个泵的瞬时流量是几个柱塞(处在压油区的柱塞)的瞬时输出流量的总和,所以泵的实际输出流量也是脉动的。经理论推导,其流量的脉动率δ_Q为

(2⁃22)

(2⁃23)

δ_Q与Z的关系如表2⁃1所示。从表中数值可知,为了减小δ_Q值,首先应采用奇数柱塞,然后尽量选取较多的柱塞。这就是柱塞泵的柱塞数量采用奇数的原因。从结构和工艺考虑,多采用Z=7或Z=9。

2.3.1.2　径向柱塞泵的工作原理

柱塞相对于传动轴轴线径向布置的柱塞泵称为径向柱塞泵。径向柱塞泵的工作原理:通过柱塞的径向位移,改变柱塞封闭容积的大小进行吸油和排油。按其配油方式(吸油和排油)的不同,径向柱塞泵又可分为配油轴式和配油阀式两种结构形式。

(1)配油轴式径向柱塞泵

配油轴式径向柱塞泵的结构及工作原理如图2⁃45所示。在转子3上径向均匀分布着数个柱塞孔,孔中装有柱塞1,靠离心力的作用(有些结构是靠弹簧或低压补油的作用)使柱塞1的头部顶在定子2的内壁上;转子3的中心与定子2的中心之间有一个偏心距e。在固定不动的配油轴5上,相对于柱塞孔的部位有上下两个相互隔开的配油腔,该配油腔又分别通过所在部位的两个轴向孔与泵的吸、排油口连通。当传动轴带动转子3转动时,由于定子2和转子3间有偏心距e,所以柱塞1在随转子3转动时,又在柱塞孔内做往复运动。当转子3顺时针转动时,柱塞1绕经上半周时向外伸出,柱塞腔的容积逐渐增大,通过配油衬套4上的油口从轴向孔吸油;当柱塞转到下半周时,定子内壁将柱塞向里推,柱塞底部的工作容积逐渐减小,通过配油轴5向外排油。

移动定子,改变偏心距e就可改变泵的排量,当移动定子使偏心距从正值变为负值时,泵的吸、排油口就互相调换,因此径向柱塞泵可以是单向变量泵,也可以是双向变量泵。为了使流量脉动尽可能小,通常采用奇数柱塞。为了增加流量,径向柱塞泵有时将缸体沿轴线方向加宽,将柱塞做成多排形式的,对于排数为i的多排形式的径向柱塞泵,其排量和流量分别为单排径向柱塞泵排量和流量的i倍。

(2)配油阀式径向柱塞泵

配油阀式径向柱塞泵的工作原理如图2⁃46所示。柱塞2在弹簧3的作用下始终紧贴偏心轮1(和主轴做成一体),偏心轮每转一周,柱塞就完成一个往复行程。当柱塞向下运动时,柱塞缸6的容积增大,形成真空,将进油阀5打开,从油箱吸油,此时压油阀因压力作用而关闭;当柱塞向上运动时,柱塞缸6的容积减小,油压升高,油液冲开压油阀4进入工作系统,此时进油阀5因油压作用而关闭。这样偏心轮不停地旋转,泵也就不停地吸油和排油。

这种泵采用阀式配油,没有相对滑动的配合面,柱塞受侧向力也较小,因此对油的过滤要求低,工作压力比较高,一般可达20~40MPa。而且耐冲击,使用可靠,不易出故障,维修方便。采用阀式配油密封可靠,因而容积效率可达95%以上。但泵的吸、排油对于柱塞的运动有一定的滞后,泵转速愈高时滞后现象愈严重,导致泵的容积效率急剧降低,特别是进油阀,为减小吸油阻力,弹簧往往比较软,滞后更为严重。因此这种泵的额定转速不高,另外这种泵变量困难,外形尺寸和重量都较大。

径向柱塞泵的排量可参照轴向柱塞泵和单作用叶片泵的计算方法计算。

泵的排量为

V_p=πd2ezk(2⁃24)

泵的实际流量公式为

q_p=πd2ezkn_pη_pV(2⁃25)

式中　V_p——配油阀式径向柱塞泵的排量,m3/r;

　　q_p——配油阀式径向柱塞泵的实际流量,m3/s;

　　d——柱塞直径,m;

　　z——单排柱塞数;

　　e——偏心距,m;

　　k——缸体内柱塞排数。