闭式液压系统补油泵研究.pdf

第 6期 总第 1 6 3期 2 0 1 0年 1 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NE ERI NG ＆ AUT0MAT1 0N No．6 De c ． 文章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 O 0 6 一 ] 8 3 一 O 3 闭式液压 系统补 油泵研 究 桑 月仙 ，于 兰英 ，王 国志 西 南 交 通大 学 ， 四川 成 都 6 1 0 0 3 1 摘 要 现阶段 闭式液压 系统 已经成为液压 行业的发展趋势之一， 通过分析闭式液压 系统 的原理 ， 阐述 了补油泵 在 闭式液压 系统 中的作用。 通过分析计算系统 的发 热功率， 根据系统的热平衡得 到补油 泵流量 的设计公式， 对 闭式液压 系统 的补油泵及油箱的设 计有指导作用 。 关键词 闭式液压系统；补油泵 ；热平衡 中 图分 类 号 TH1 3 7 ． 5 1 文 献 标 识 码 A 0 引言 液压传动系统按照工作介质的循环方式，可分为 开式系统和闭式系统 。开式系统结构简单 ，但因油箱 内的油液直接与空气接触 ，空气易进入系统 ，导致工 作机构运动不平稳并产生其他不 良后果 。在闭式系统 中，液 压泵输 出的油液 直接进 入执 行元 件 ，执 行元件 的回油与液压泵的吸油管直接相连 ，工作液体在系统 的管路 中进行封闭循环 。其结构紧凑，油液与空气接 触机会少 ，空气不易渗入系统 ，故传动较平稳。闭式 系统 通 常采 用双 向变量 液压泵 ，通过 泵 的变量 改变 主 油路 中液压 油 的流量和 方 向 ，来实现 执行 机构 的变速 和换 向 ， 这种 控制方式 可 以充分 体现液 压传 动的优 点 。 闭式液压 驱动 系统在 工作 中不断有 油液 泄漏 ，为 了补充 这些 泄漏和 消耗 ， 维 持闭式 系统 的正 常工作 ， 必 须给 闭式系统 及时补 充油液 。补 油泵一 般是定 量齿 轮 泵 ，与主泵通 轴驱动 。 1 补油 泵的 作用 图 1为典型闭式液压系统原理图。在闭式液压系 统 中 ，泵 和马达通 过管 道直接 相连 ，通过 改变 泵的变 量改 变主油 路 中液 压油 的流量 和方 向 ，来 实现 马达的 变速 和换 向 ，减少 了 因为换 向引起的 压力波 动 。补 油 泵通过 补油单 向阀 向系统低 压侧 补油 ， 同时补油泵 又 为液压泵排量控制阀提供控制油液。补油泵的流量远 大于 系统 的泄 漏量 ，除 了补 充 系统 泄漏 的油 液外 ，还 要补充因回路冲洗阀打开而失去的部分热油液，其余 油 液全部通 过补油 溢流 阀流经 泵 的壳 体 回到油 箱 。 由此 可见 ，在 闭式液 压系统 中补油 泵 的主要作 用 分为以下 4个方面 ①补充液压泵及液压马达的泄漏 油 液 ；② 给控制 系统提 供压 力及液 压油 ；③维 持主 系 统 回路 的 压力 ，增 加 主泵进 油 口处 压力 ，防止 大流量 时产生气蚀 ，可有效提高泵的转速和防止泵吸空；④ 将 冷油 补进 系统 ，降低 系统油 温 。 2 补 油泵 补油压 力的设 计 由于补 油泵 提供液 压泵 排量控 制 的液 压油 ，所 以 补 油泵 的补油 压力 必须控 制在 一定 范 围内。若补油 压 力 过低 ，在 系统压力 出现 波动 的时候 就容 易 出现控 制 失 压现 象 ，而且 补 油压力 基本 是系统 主油 路低压侧 的 压力 ，若低压侧压力过低 ，就无法打开冲洗溢流阀对 马达壳体进行冲洗；反之 ，若补油压力过高 ，系统需 求功率增加 ，效率降低 ，并且多余的油液要经过补油 溢 流阀流 到泵壳 中，就 会 造成不 必要 的发热 。 控 制 压力并 不需要 太 高 ， 所 以一般补 油压力 P 为 1 ． 1 MP a ～3 ． 4 MP a 。马达 冲洗溢 流 阀的压 力 设定 一 般低于补油压力0 ． 6 MP a～0 ． 8 MP a ，以确保低压 侧压力油能够打开冲洗溢流阀阀 口。 3补 油泵补 油量 的设计 补油 泵 的流量过 大 ， 直接影 响系统 的使用 效率 ； 补 油泵的流量过小，直接影响系统的正常工作并导致系 统过热 系统冷却流量过小 。 在设计闭式液压系统时， 要有适当的补油量，使补油泵在每个工况下都有足够 的液压油补进系统，并对系统油液及时冷却口 ] 。 3 ． 1 闭式液压 系统 的发 热功率 计算 收稿 日期 2 0 1 0 - o 4 2 0 ；修 回日期 2 0 1 0 - 0 6 l 8 作 者简介 桑月仙 1 9 8 7 一 ， 女 ， 山东聊城人 ． 在读硕士研究生， 主要研究方向为闭式液压系统设计 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年 第 6期 闭式 液压 系统 的发 热 功 率 主要 由 以下 几 部 分 组 成 。 3 ． 1 ． 1 液压泵 的泄漏 量及泵 的发热功 率 液 压 泵 的 泄 漏量 q I ／ rai n 及 泵 的发 热 功 率 P k W 分别 为 q 1 一 Vp p 1 0 。 1 77 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 其中 为液压泵的排量 ， mI ／ r ； 为液压泵的转速， r ／ rai n ； 为液压 泵 的容积效 率 ； 为液 压泵 的机械效 率 ；△ 户 为 液压泵 进 出 口压力差 ，MP a 。 l 一液压泵 ；2 补油泵 ；3 补油溢流阀 ；4 一压力切断阀 ；5 一高压溢流阀 ； 6 单 向补油阀 ；7 一冲洗溢流阀；8 一回路冲洗阀；9 一液压马达；1 0 一流量控制阀 图 1 典 型闭式液压 系统原理图 3 ． 1 ． 2 液压 马达 的泄漏量 及马达 发热功率 溢 流 阀时产生 的热量 。 液压 马达 的泄 漏量 q 。 I ／ mi n 及 马达发 热功率 P z k W 分 别为 ， 1 O一 。 qz 一 1 ， 。⋯⋯ 4 其 中‰ 为液压马达的转速 ，r ／ rai n ；V 为液压马达 的排量 ， mI ／ r ； ． 为液压 马达容 积效 率 ； ⋯为液 压马 达 的机械 效率 ；△ p 为液 压马达 进 出 口压力差 ， MP a 。 3 ． 1 ． 3 管路损失产生的发热功率 管路损 失产生 的发 热功率 P 。 k W 为 Pa qp 。． ． ． ． ． O O Q O D O O Q O O O 5 其 中 ， 为单 根管 道 的长度 ，m； 为管道 内径 ，r n ； 为 液流平 均速度 ， m／ s ； 10 为液压 油密度 ， k g ／ m。 ； 为 沿程阻力系数 ；g 9 Ⅲ分别为液压泵、液压马达的实 际流量 ，I ／ rai n 。 3 ． 1 ． 4 通过 液压 阀时 的发 热量 闭式 液压 系统 里 的液 压 阀主要 有 回路冲洗 阀 、排 量控制 阀 、补油溢 流 阀、高压 溢 流阀、压力切 断阀等 。 由于高压 溢 流阀及 压力切 断 阀只有在 系统 超过设 定 压 力值 时才 会短 时间 开启 ，所 以系统 中液 压阀损 失 的热 量主要是 液压 油通 过 回路 冲洗 阀、排量控 制 阀、补 油 1 在 液压 泵 的样 本 中 ，可 以查 出控 制机 构的伺 服油液体积，根据伺服油液体积及伺服行程时间可以 计 算 出控 制 机构 需 要 的油 量 。排 量 控 制 阀 的 流量 q I ／ mi n 及发热功率 P k w 的计算公式为 q 一 。⋯ ⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯⋯ 6 r 一 _o⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ O ， P4 一 0⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 7 n ⋯ 其 中 为控制 机构 油液体 积 ， I ； t 为控 制行程 时间 ， s ； 印为补 油液 流 阀压 力 ，MP a 。 2 冲洗溢流 阀通过 的液 压油全 部进 入马达 壳体 ， 对壳体进行冲洗 ，冲洗溢流阀的流量一般选择补油泵 冲 刷壳体油 量 的一半 。冲洗溢 流 阀流 量 q I ／ rai n 及 发 热功率 P k w 的计算 公式 为 ％ 一 o⋯⋯ ⋯⋯⋯ ⋯ 8 f n 、 一 P一 一 q c xP c x 5 0 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 9 n ⋯ 其 中 户 为冲洗溢流阀压力，MP a ；q c p 为补油泵出口 流量 ，L／ mi n。 3 补油 泵 的流 量 除了补充 系统 由于泄 漏 的流量 ， 提供控制机构控制油液和冲洗溢流阀的冲洗油液 ，其 余 的油液全部通过补油溢流阀溢流到泵壳体 中。冲洗 溢流阀通过的流量 q I ／ mi n 及发热功率 P e k w 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 6 期 桑月仙 ，等 闭式液压 系统补 油泵研 究 8 5 计算 公式为 q 一 q p -- q1 一 g 2 一 q 一 q 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 0 P6 -- q百 b y Pc p 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 1 将 式 8 代入式 1 0 中可得 q b y q ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 2 整个 液压 系统 的发热量 为 P 一P1 P2 P。 P4 P5 - t - P6 。 ⋯ ⋯ ⋯ 1 3 3 ． 2 补 油泵 流量的计 算 根据对 闭式液 压系统 的分 析 ，补 油泵 补进 系统凉 油 ，热油从 液压泵 、马达 壳体 中进入 冷却 器冷却后 进 入 油箱 。补 进系统 的油量 与系统 置换 出来 的热油油 量 基本 相等 ，系统达 到热平衡 状态 后系 统发热 功率 等于 系统 散热功率 。对整套 系统 进行 分析 ，系统 的发热量 主要由补油泵补人系统的凉油带走 ，尽管系统元件表 面也会散 发一定 的热量 ，但 是相对 于发 热量这 一部分 散热量很 小 ，一 般认 为属可 忽略 因素 。因此 ，单位 时 间补人系 统的凉油 与 系统 内热 油达 到热平衡 时所 吸收 的热量为系统的散热功率 P 。P k w 由下式计算 PL - C p qcp 0 1 - - 0 2 N～ 1 0 -a 。 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 4 其 中c为液压油的比热容 ，k J ／ k g C ；P为液压 油 密度 ， k g ／ m。 ； 0 为从系 统 中置换 出热油 的温度 ， C； 为补 油泵补 进系统 的凉 油 的温度 ， C 。 闭式 液压 系统正 常工作 的必要 条件 是系统 处于 热 平衡状态 ， 即系统的发热功率等于系统的散热功率。 因 此可 以得 到下式 Pq eLCp q c p 0 1 -- O z 1 0-3 。 ⋯⋯⋯⋯ 1 5 由于补 油泵排 量不可 知 ，即冲洗 溢流 阀和补 油溢 流 阀的流量不 可知 ， 将 式 7 ～式 1 3 代 人式 1 5 可 得 出下式 q r P 6 0 P1 P 2 P 3 一 q 1 q 2 q r 户 。一 q 1 q 2 户 C e 一 0 2 一 p n--pc p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 6 现有 的闭式 液压 系统补 油泵 流量计算 方法 通常忽 略补 油泵 补进油 液的发 热 ， 有可 能造成 补油量 不足 、 系 统过 热的情 况 。而本文 在考虑 了补油泵 补进油 液发热 功率 的情况 下得 到了公 式 1 6 ，就可设 计闭 式液压 系 统补 油泵 的必需 流量 ，避免系统 过热情 况 出现 。 4 闭式液 压 系统 油箱 的设计 闭式液 压系统 的散 热量除 散热器外 主要考 虑油箱 散热 。因为 闭式 液压系统 结构 紧凑 ，所 以油箱 在允许 范围内尽量选择较小的容积。油液不仅要在油箱内冷 却 ，更重 要 的是油液 要在 油箱 中停 留足 够的时 间用 以 析 出空气 和杂 质 。一 般设计 油液最少 要在 油箱 内停 留 3 0 S 。所 以油 箱里 的油液 在充 满液压 系统 后至 少要 留 有可 以供 补油泵 3 0 s 吸油 的油量 。 只要确 定 了液压泵及 液压 马达 的型号 ，就可 以通 过查找液压泵及马达的样本得知泵及马达壳体充油容 积 ，而管道 中的油液体 积根据 管道 的长度 和半径 即可 算 出 。因此 ，闭式 液压 系统 油箱 的最 小容积 I 为 】 。 十 丁 c d。 1 0 。 。 ⋯ ⋯ ⋯ 厶 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 17 其中 为液压泵的充油容积 ，I ；V。 为液压马达的 充油容积，L；， z 为补油泵的最高转速 ，r ／ rai n ；V 为 补 油泵 的排量 ，mI ／ r 。 油箱 的散 热功率 尸 k w 的计 算方 法为 _ 3 ] 尸 k A z ～0 0 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 8 其 中 k为油箱散热系数 ， w／ m C ； 0 。 为环境温 度 ， C；A 为油箱有效散热面积 ，m 。 参考文献 [ 1 ] 王文斌 ， 林 忠钦． 机械设计手册 [ M] ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． ． [ 2 ] 张士勇． 闭式液 压系统 内油 温分析 E J ] ． 基建 优化 ， 2 0 0 3 ， 2 4 4 5 3 5 4 ． [ 3 3 张志友． 闭式液 压系统 内油温 的测算 [ J ] ． 筑路 机械 与施 工 机 械 化 ， 1 9 9 9 ， 1 6 3 5 6 ． S t u d y o n S l i pp a g e Pu m p i n Cl o s e d Hy dr a u l i c S y s t e m S ANG Yue x i a n， YU La n y i ng， W ANG Gu o z h i S o u t h we s t J ia o t o n g Uni v e r s i t y．Ch e n g d u 6 l 0 0 3 1．Ch i n a Ab s t r a c t Th r o u g h a n a l y z i n g t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f a c l o s e d h y d r a u l i c s y s t e m ， t h i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e i mp o r t a n t r o l e o f s l i p p a g e p ump i n c l o s e d hyd r au l i c s y s t e m． By a n al yz i n g t h e he a t i n g p owe r o f t he s ys t e m ，b a s e d o n t he pr i n c i pl e of h e at ba l a n c e，t he p a pe r g ot t he c o mput a t i o n f or mul a o f s l i ppa g e pu mp f l o w． The r e s u l t s c o nt r i but e t O t he d e s i gn o f s l i pp a ge pu mp a nd o i l t an k i n c l o s e d h yd r a ul i c s y s t e r m． Ke y wo r dsc l o s e d hy dr au l i c s y s t e m ； s l i ppa g e pu m p； he a t ba l a nc e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m