分析螺旋叶片式液压泵的工作原理和主要性能.论述该泵的吸压油原理、密封工作腔形成和消失过程,对比分析螺旋叶片式液压泵与螺杆泵的性能和结构特点.

在一些精密机床的液压系统中所采用的螺杆泵具有结构简单紧凑、运转平衡、输油均匀、噪声小、容积效率高等优点.但它的主要缺点是螺杆工作面的加工难度大,不易加工高精度的螺杆.螺旋叶片式液压泵恰好克服了上述缺点,且其结构和工作原理与螺杆泵相似,性能也优于螺杆泵,因此在精密机床、设备和仪器的液压系统中有着广阔的前景[1,2].为了提高液压泵的工作效率,从低震动、低噪音和加工工艺性出发,设计一种螺旋叶片式液压泵,分析其结构特点、密封工作腔的形成和消失过程及工作原理,并对其工作性能和密封性等方面与螺杆泵进行对比分析,得到了预期的结果.

1 工作原理

1.1 主要机构要素

螺旋叶片式液压泵的工作部分主要由液压缸、螺旋叶片、转子等3个零部件组成,其结构形状及装配关系如图1所示.

转子的主要工作部分是外圆柱面和在该面上加工的等螺距的矩形单头螺旋槽,其尺寸和形状精度要求均很高,与它相配的也是等螺距、等截面的矩形单头螺旋叶片.其工程材料应具有良好的弹性和耐磨性等.装配时先把螺旋叶片装在转子的螺旋槽中,使螺旋叶片在转子螺旋槽中沿径向出入灵活.再把装好的螺旋叶片转子组合件装入液压缸中,保证螺旋叶片的外表面与液压缸内表面之间接触良好及密封性好.为保证密封性在转子外表面与液压缸表面之间的接触形式应选择线接触.装配后转子轴线与液压缸轴线应保持互相平行,且应有预定的偏移量.

工作时,转子外表面和液压缸内表面及每个等螺距螺旋叶片与液压缸内表面的接触线之间形成密封工作腔(图2),密封工作腔的数量取决于螺旋线的圈数.

1.2 吸压油原理

吸油和压油工作原理如图3所示,内接于液压缸的螺旋叶片以转子轴线为回转中心旋转时,首先右端螺旋线的起始点与液压缸内表面和转子工作面的某一母线及螺旋叶片的螺旋线相接触,形成最初的密封工作腔.

当转子带动螺旋叶片旋转1周时,叶片螺旋面连续向左移动的同时密封工作腔也移动1个螺旋导程.并在右端形成1个新的密封工作腔,如此随着转子的连续旋转,在螺旋叶片式液压泵的右端不断地形成新的密封工作腔,并不断地从右向左移动,到达左端就自行消失.该泵吸油和压油的工作原理是在每个密封工作腔的形成过程中,右端的密封容积逐渐增?和压油口之间的密封层次也越多,密封性就越好.为了减少螺旋叶片和液压缸内表面之间的滑动摩擦损失,最好是液压缸绕其轴线旋转时带动转子一起旋转,这对液压泵的排量和流量均无影响.

1.3 液压泵的排量

螺旋叶片式液压泵的排量就是密封工作腔容积的大小.因为单头螺旋线旋转1周时,密封工作腔也轴向移动1个导程.液压缸和转子同时旋转与密封工作腔的轴向移动无关.因轴向移动与圆周速度成正比.设液压缸的半径为rc,转子的半径为rr,密封工作腔在横截面上的投影面积为s(图4),液压缸内径中心线与转子轴中心线的偏移量为e,螺线叶片的螺旋线导程为h,螺旋升角为k时,泵的排量为q.

泵的实际流量为

其中,n为转速,gv为容积效率.

由式(1),(2)确定密封工作腔的尺寸参数rr、e、k后,排油量也确定.确定转速n和某一工作压力下p的gv后,流量也确定,即瞬间的输油量不变.

2 结构特点

螺旋叶片式液压泵与螺杆泵在基本结构上具有共同点:主要零部件数量少,不采用专门的配油装置,螺旋叶片式液压泵的接触线和螺杆泵的啮合线都起配油作用,工作时密封工作腔的形成和消失过程及吸油和压油原理基本相似.

螺旋叶片式液压泵与螺杆泵相比,具有如下特性.

1)螺旋叶片式液压泵的效率高

螺旋叶片式液压泵的螺旋叶片是一种弹性元件,能保证与液压缸内表面和转子螺旋槽侧面的弹性接触良好,并提高密封工作腔的密封性,所以这种泵的容积效率高.螺旋叶片式液压泵的液压缸通过十字机构与转子同向同转速回转,相对圆周速度为零.它只有螺旋叶片在转子槽内径向低速运动产生的微量摩擦,与螺杆泵工作时螺线面的啮合运动所产生的摩擦相比小很多.因为油泵的密封性要求很高,所以螺杆泵啮合表面的制造精度要求也相应的很高,还有从这2种液压泵密封腔内相对运动的液压油本身而引起的内摩擦等综合考虑,液压缸同转子一起转动的螺旋叶片式液压泵的摩擦效率高.因此,螺旋叶片式液压泵的机械效率高于螺杆泵.

2)震动和噪音小

由上述螺旋叶片式液压泵的结构和工作原理可知,螺旋叶片式液压泵的流量均匀且没有流量脉动,所以工作时产生的震动和噪音均很小,因而多用于负载均匀的精密机床和磨床的液压系统中,能够满足工件的加工精度和工作环境要求.

3)液压泵体积小,小型化发展有利

螺旋叶片式液压泵的液压缸是圆筒形零件,而且要求同螺旋叶片转子一起旋转.因而,驱动它的电机转子轴内可以制成螺旋叶片泵,容易实现液压泵的小型化.

4)主要零部件的加工工艺性较好

构成螺杆泵的主要零部件是泵体和互相啮合的外螺杆和内螺纹,其形状复杂,加工较难,不易加工成精度很高的螺杆泵.而螺旋叶片式液压泵由圆筒形液压缸和带螺线槽的螺杆(即转子)、螺旋叶片组成,与螺杆泵的主要零部件相比形状简单,加工难度较低,加工工艺性也相对较好.

3 结论

螺旋叶片式液压泵具有工作原理简单、密封性能良好、加工精度要求不高、加工成本较低等特点,在精密机床、磨床及设备的液压系统中有着广阔的应用前景,在小型化液压泵的开发应用方面有进一步的开发价值.