液壓系統中液壓泵與液壓馬達的選用

1、液壓泵與液壓馬達基本情況

 

1.1液壓泵與液壓馬達概述

液壓泵與液壓馬達從工作原理上看，都是在液壓系統中用于能量轉換的元件。其中，液壓泵是通過電機等動力系統，將電磁能轉化為旋轉的機械能，進而轉化為液壓能，以油液的壓力和流量的形式驅動液壓系統進行工作，為液壓系統提供源源不斷的動力來源，是液壓系統的“心臟”;液壓馬達是將液壓能通過一定機械結構轉化為旋轉的機械能，以轉矩等形式參與對液壓系統的負載做功，液壓馬達不需要電磁能的輸入，是液壓系統重要的“執行單元”。

 

從構造上看，液壓泵與液壓馬達都是容積式構造，以改變容積變化進行機械能傳動工作;從其能量轉化原理看，液壓泵與液壓馬達是互為可逆的，在一定環境下可以相互轉換工作。

 

由于工作原理、應用場景等的不同，液壓泵與液壓馬達在結構上也存在一定差異。

 

(1)結構設計上的不同。通常情況下，液壓馬達為滿足正反轉運行的需要，主要采取對稱性設計，而液壓泵主要是向外輸出液壓能，主要采取單向結構設計，特殊情況下也有雙向結構設計。

 

(2)對軸承的要求不同液壓馬達的轉速受液壓能調節，啟動轉矩較大，而且通常需要同時滿足低速和高速轉動要求，較多采用靜壓軸承或液動軸承，對于軸承承力的要求較高，液壓泵的轉速受電能調節，轉速相對固定，對軸承承力的要求較低。

 

(3)吸油與出油機構不同。液壓泵通過電機轉動將低壓油轉換為高壓油，需要減少吸油阻力以提升工作效率，因此吸油機構口徑往往大于出油口徑，同時液壓泵還要求具有自吸油等功能，而液壓馬達則沒有這些要求。

 

1.2液壓泵與液壓馬達分類及應用場景

(1)經過多年的發展演進和不同應用場景的需要，液壓泵與液壓馬達衍生出多種不同的類型，在分類方式上也各有不同。目前液壓泵的分類方法主要有4種。

 

①根據液壓能分類，可以將液壓泵分為低壓泵、中壓泵、中高壓泵、高壓泵、超高壓泵等。其中低壓泵的工作區間在0~2.5MPa，中壓泵的工作區間在2.5~8.0MPa，中高壓泵的工作區間在8.0~16 MPa，高壓泵的工作區間在16~32 MPa，超高壓泵可達32 MPa以上。

 

②根據密封容積結構分類，可分為柱塞式、齒輪式、葉片式液壓泵等。其中柱塞式液壓泵耐久力較好，容積效率較高，但結構相對復雜、維護維修難度較大，對液壓油的質量也有一定要求;葉片式液壓泵結構較柱塞式簡單，容積效率和適應壓力比柱塞式較小，但運轉平穩、工作噪音小，適宜對噪音有一定要求的工作環境;齒輪式液壓泵結構簡單、價格便宜，對液壓油要求不高，適宜復雜環境下的工作，但也存在易磨損、易滲透等缺點。

 

③根據其輸出的油液體積是否可以調節分類，分為定量式、變量式液壓泵等。

 

④根據輸油方向分類，分為單向式、雙向式液壓泵等。

 

(2)液壓馬達的分類也主要有4種。

 

①根據馬達轉速分類，分為低速馬達、中速馬達、高速馬達等。一般低速馬達的工作區間低于100 R/min，一般用于礦山、船舶、工程等需要提供較大轉矩的機械系統。中速馬達的工作區間為100~500 r/min。高速馬達工作區間可達500 r/min以上。

 

②根據其結構分類，同樣可分為柱塞式、齒輪式、葉片式馬達等。齒輪式馬達造價低廉、可提供較高轉速，但轉矩較小、轉速不平穩，一般用于農業機械等對性能要求不嚴格的機械系統。葉片式馬達可以進行高頻快速的轉向，同時也可以提供較高的轉速，但存在易泄露、不穩定等問題。

 

第三、第四種分類方式與液壓泵相同。

 

1.3液壓泵與液壓馬達的運行原理

不同種類的液壓泵與液壓馬達在運行細節上不盡相同，但大體上有共通性，這里各選擇兩種比較典型的類型分析其運行原理。

 

1.3.1柱塞式和齒輪嚙合式液壓泵運行原理

柱塞式液壓泵是通過柱塞的往復運動，將電磁能產生的機械能轉化為液壓能，主要通過外部電機等原動機帶動下方偏心輪旋轉運動，進而帶動活塞進行往復運動，不斷改變密封缸體的容積大小，容積增大時，內部壓力減小形成真空，液壓油由進油機構吸入;在容積減小時，內部壓力增大，推動液壓油由排油管輸出，由于密封缸口徑較排油管口徑偏大，進而使排油壓力能增大。從其運行原理可以看出，柱塞式液壓泵要求有良好的密封腔體，同時還有協調的配油關系，保證吸油單向閥和配油單向閥不能同時開啟。

 

齒輪嚙合式液壓泵則是通過齒輪的旋轉嚙合實現機械能與壓力能轉化，結構主體部分由兩個相互嚙合的齒輪構成，外部罩有殼體構成密閉結構，當齒輪嚙合旋轉時，吸油口嚙合處容積增大導致壓力減少，液壓油在大氣壓力作用下進入腔體，同時嚙合處齒輪向排油處運動，帶動液壓油持續向排油處箱體運行，進而向系統持續供油。齒輪嚙合式液壓泵系統相比柱塞式液壓泵具有結構簡單、造價低廉、可靠性強等特點，且該系統還能夠實現自吸功能，近年來運用較為廣泛。

 

1.3.2軸向柱塞式和齒輪式液壓馬達運行原理

液壓馬達與液壓泵的運行原理較為相似，是互為可逆的過程。以軸向柱塞式液壓馬達為例，其斜盤主體被固定在殼體上，存在固定傾角α，液壓油通過配油盤高壓進油區進入缸體，推動柱塞向外，當柱塞端子作用在斜盤上時，斜盤對柱塞形成一個反向的作用力F，該力分解為垂直于斜盤的法向力P和垂直于缸體軸的切向力Q，其中，P力將柱塞向內推，將缸體中液壓油從配油盤擠出，Q力使柱塞相對缸體產生一定扭矩，且隨柱塞位置變化而改變，從而帶動馬達軸與缸體一起轉動。

 

齒輪式液壓馬達的結構齒輪嚙合式液壓泵相似，不同的是其齒輪與負載相連，通過使高壓液壓油通過齒輪帶動齒輪轉動，其轉速主要取決于液壓油的壓力。

 

2、液壓泵與液壓馬達選用中需要注意的問題

 

2.1液壓泵需關注的問題

選用液壓泵需要綜合考量應用場景、液壓泵類型、額定壓力等各方面因素，有效降低原動機的輸入功率，提高機械能轉換效率，提升液壓系統的可靠性與耐久性。

 

(1)在液壓泵類型的選用上，重點看應用場景，在室內工作環境下宜側重其機械效率提升，通常選用葉片式液壓泵;室外工作環境下諸如修路、港口、建筑等小型工程機械系統中，宜側重其穩定性提升，通常選擇齒輪式液壓泵;對于鍛壓設備、冶金設備等大功率機械液壓系統，宜側重其耐久性，通常選用柱塞式液壓泵。

 

(2)在液壓油的選用上，重點看液壓工況和使用條件，如溫度范圍、濕度等，特別是對于易引發火災的環境，應考慮選用磷酸酯等難燃或抗燃的液壓油。

 

(3)在液壓泵的額定壓力和流量選擇上，要求其額定壓力必須高于執行元件的公稱壓力，為確保液壓系統可靠性，液壓泵的額定壓力宜為執行元件(如液壓缸)公稱壓力的1.5倍以上;其額定流量需高于瞬時運動執行元件所需的流量之和最大值，考慮到存在液壓油泄露、溢流閥或節流閥分流等情況，液壓泵的額定流量宜為最大流量的1.2倍以上。

 

(4)在液壓泵的容積效率選擇上，液壓泵在使用一段時間后，其容積效率將會一定程度降低，其中若選用變量泵，各項指標可以比同等排量的定量泵低1%。

 

2.2液壓馬達需關注的問題

 

需要重點關注以下幾點：

(1)要合理選用液壓馬達的規格，在滿足原動機負載功率的情況下，宜盡量選用較大規格的液壓馬達以提升整體效率、

 

(2)要綜合考量控制介質的狀態，比如液壓油的溫度、粘度、潤滑性等，防止在溫度過低或過高等極端情況下啟動液壓馬達，造成元件損傷。

 

(3)要適當加裝馬達的傳動裝置，不宜將馬達與負載元件直連，防止馬達軸體受軸向或徑向力過大而損壞。

 

(4)應充分平衡馬達的壓力與流量，特別是在兩臺或多臺馬達并聯的情況下，應關注好馬達功率的分配問題。

 

(5)應規范液壓馬達的速度范圍，若馬達轉速過低，會出現轉子爬行現象影響機械效率，若馬達轉速過快，則會出現馬達超載、機械磨損過大等現象，同時，液壓馬達也不宜長時間保持低壓、低速運行。

 

(6)應設計好馬達回路，防止馬達密封缸體真空壓過大，需為液壓馬達設計好補油回路，對于用于起重式機械或者行走式機械液壓系統，通常還要為液壓馬達設置調速回路，對需長時間制動的液壓馬達，應為其設計獨立的制動回路，并盡量避免液壓馬達與其他減速裝置同時運行。

 

(7)在安裝液壓馬達時，要確保安裝機架的剛度與強度，防止液壓馬達與驅動負載偏軸過大，液壓馬達與其驅動負載間的偏軸度不應超出0.0 5~0.1mm。

 

此外，液壓馬達安裝位置不宜過低，應確保回油口高于接油箱，防范馬達內殼體壓力過大。液壓馬達也不宜與接油箱直連，造成馬達背壓過低，特別是對于如多作用內曲線液壓馬達等結構相對復雜的液壓馬達，應避免其背壓降為0。

 

液壓系統的系統構成較為復雜，作為其核心元件，合理選型液壓泵與液壓馬達至關重要，宜根據其運行原理，科學計算其主要性能參數，同時結合具體應用場景，在安裝方式、油液性質、油液流量、管路布設等方面進行合理選型和設計，以降低液壓系統的整體運行功率、提升液壓系統工作效率和使用壽命。
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