可變壓力與流量的杠桿-連桿二級(jí)增力手動(dòng)液壓泵*

□ 付春梅

常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇常州 213164

手動(dòng)液壓泵是一種使用起來(lái)極為簡(jiǎn)單方便的液壓動(dòng)力源［1］，它能夠?qū)⑹謩?dòng)機(jī)械能即時(shí)轉(zhuǎn)化為液壓能。配套使用油缸以及專(zhuān)用工具，可進(jìn)行剪切、拆卸、裝配等作業(yè)。手動(dòng)液壓泵不僅可以與破拆工具等配套使用，還可以與試驗(yàn)裝置等其它多種工具配套使用。工程上很多工況均要求手動(dòng)液壓泵在空行程的時(shí)候供給低壓大流量流體，使執(zhí)行元件能夠快速地到達(dá)工作位置；另外還要求在工作行程階段，能夠根據(jù)負(fù)載的變化，可以自動(dòng)地轉(zhuǎn)化為供給高壓力的小流量流體，這樣可以使執(zhí)行元件獲得較大的輸出壓力［2］。

圖1所示為傳統(tǒng)的單級(jí)壓力手動(dòng)液壓泵［3］，它存在的主要技術(shù)問(wèn)題是：空行程階段流量小，作業(yè)效率低。圖2所示的杠桿為鉸桿二級(jí)増力手動(dòng)液壓泵［3］,雖然能夠克服這一缺點(diǎn)，但卻增加了鉸桿與連桿的數(shù)量，包括活塞桿在內(nèi)共含有5個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，造成泵的總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝性差。基于此，筆者設(shè)計(jì)了一種利用杠桿-連桿二級(jí)増力機(jī)構(gòu)［4］的可變壓力與流量的手動(dòng)液壓泵，這種新型手動(dòng)液壓泵的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與傳統(tǒng)的手動(dòng)液壓泵一樣，只有3個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。

1 可變壓力與流量的手動(dòng)液壓泵工作原理

可變壓力與流量的手動(dòng)液壓泵工作原理如圖3所示，由圖可見(jiàn)，杠桿手柄、連桿構(gòu)成的増力機(jī)構(gòu)與柱塞鉸接，柱塞和缸體之間保持良好配合，實(shí)現(xiàn)可靠的密封。當(dāng)向右推動(dòng)杠桿手柄時(shí)，鉸接在其上的連桿提起并拖動(dòng)柱塞向上移動(dòng)，泵體下邊密封容積負(fù)壓增大，單向閥Ⅰ打開(kāi)，油箱中的液體油受大氣壓力的作用，通過(guò)吸油管被吸入泵腔，即完成了一次吸油動(dòng)作，機(jī)構(gòu)位置如圖3（b）所示。當(dāng)用力向左拉動(dòng)杠桿手柄時(shí)，鉸接在其上的連桿推動(dòng)柱塞向下移動(dòng)，缸體下邊的密封容積減小，單向閥Ⅰ關(guān)閉，單向閥Ⅱ打開(kāi)，排出具有一定壓力的流體，進(jìn)入執(zhí)行裝置，壓力角α為0時(shí)，完成一次壓油動(dòng)作。

▲圖1 傳統(tǒng)的單級(jí)手動(dòng)液壓泵

▲圖2 杠桿-鉸桿二級(jí)増力手動(dòng)液壓泵

▲圖3 可變壓力與流量的杠桿-連桿二級(jí)增力手動(dòng)液壓泵

在完成壓油動(dòng)作后，杠桿與連桿接近豎直共線(xiàn)的瞬間，繼續(xù)向左拉動(dòng)杠桿手柄，連桿拖動(dòng)柱塞向上移動(dòng)，又完成一次吸油動(dòng)作，機(jī)構(gòu)處于圖3（b）的另一極限位置。當(dāng)繼續(xù)用力向右推動(dòng)杠桿手柄時(shí)，連桿推動(dòng)柱塞向下移動(dòng)，又完成一次壓油動(dòng)作。

圖示機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)角φ與壓力角α較大時(shí)，是一個(gè)行程放大機(jī)構(gòu)；φ與α較小時(shí)，是一個(gè)力放大機(jī)構(gòu)。利用這一特點(diǎn)，在由圖3（b）所示的極限位置處，當(dāng)開(kāi)始向左或向右推動(dòng)杠桿手柄時(shí)，人手操縱杠桿使其擺動(dòng)幅度較大，則φ與α角的變化范圍較大，柱塞的運(yùn)動(dòng)速度快，滿(mǎn)足了工況中的空行程階段提供低壓大流量流體的需要，這時(shí)的手動(dòng)液壓泵為低壓大流量泵；當(dāng)達(dá)到工作行程階段時(shí)，人手能夠感知到壓力的提高，便可操縱杠桿使其擺動(dòng)幅度減小，即φ與α角的變化范圍較小，輸出力及系統(tǒng)壓力相應(yīng)提高，滿(mǎn)足了工況中根據(jù)載荷的變化自動(dòng)轉(zhuǎn)化為供給高壓力的小流量流體的需要，此時(shí)，手動(dòng)液壓泵便可自動(dòng)轉(zhuǎn)化為高壓力小流量液壓泵，輸出壓力也隨之提高［5］。

2 力學(xué)計(jì)算

2.1 排量計(jì)算

柱塞在一個(gè)往復(fù)行程過(guò)程中，圖3所示的基于杠桿-連桿二級(jí)增力機(jī)構(gòu)的手動(dòng)液壓泵在低壓大流量供油時(shí)，排量qL為：

式中：d為柱塞的直徑；ηv為泵的容積效率，一般可取為0.95；l2為杠桿式壓板被動(dòng)臂的長(zhǎng)度；l連桿為連桿上兩鉸鏈孔的中心距；αmax為杠桿-連桿機(jī)構(gòu)壓力角的最大值；φmax為杠桿-連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角的最大值。

2.2 輸出壓力計(jì)算

圖1所示的傳統(tǒng)手動(dòng)液壓泵的輸出壓力PH1為：

圖2所示杠桿-鉸桿二級(jí)増力手動(dòng)液壓泵高壓小流量供油時(shí)的輸出壓力PH2為：

圖3所示杠桿-連桿二級(jí)増力手動(dòng)液壓泵類(lèi)似曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，高壓小流量供油時(shí)的輸出壓力PH3為：

式中：Fi為人手作用于杠桿上端的力；l1為杠桿手柄所示位置長(zhǎng)度；α為連桿機(jī)構(gòu)的壓力角；φ為杠桿被動(dòng)臂-連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角；β為鉸鏈副的當(dāng)量摩擦角，β=為鉸鏈軸半徑，l為連桿上兩鉸鏈孔的中心距， μ 為鉸鏈副的摩擦因數(shù)，通常取 μ=0.1［6］；η1為杠桿機(jī)構(gòu)的力傳遞效率，通常取值為 0.97［7］；η2為連桿機(jī)構(gòu)的力傳遞效率，一般可取0.90。

2.3 計(jì)算舉例

在傳統(tǒng)的手動(dòng)液壓泵中，由式（2）看出，要增大輸出壓力PH1，必須減小柱塞直徑d，這說(shuō)明傳統(tǒng)手動(dòng)液壓泵的柱塞直徑越小，泵的輸出壓力越高。但由于在低壓階段需要大流量的油液，因此無(wú)限制地減小d是不現(xiàn)實(shí)的。

在圖3所示的可變壓力與流量的杠桿-連桿二級(jí)增力手動(dòng)液壓泵中，可以通過(guò)改變機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)角和壓力角，便可方便地實(shí)現(xiàn)低壓大流量到高壓小流量的轉(zhuǎn)換。輸出力的大小取決于壓力角α和傳動(dòng)角φ的變化范圍。α與φ變化范圍大，推力小，速度快；α與φ變化范圍小，推力大，速度慢。例如，取：d=20 mm,l1=500 mm，l2=100 mm，F(xiàn)i=200 N，αmin=7°，φmin=10°，r=10 mm，由式（4）可計(jì)算得出大活塞上的推力PH3≈8.75 MPa。

圖1所示的傳統(tǒng)手動(dòng)液壓泵和圖2所示的杠桿-鉸桿二級(jí)增力手動(dòng)液壓泵中d、l1與l2取相同參數(shù)時(shí)，由式（2）和式（3），可分別得出 PH1=2.62 MPa，PH2≈5.63 MPa。

經(jīng)過(guò)上述比較可以得出，該手動(dòng)液壓泵通過(guò)利用杠桿-連桿二級(jí)增力機(jī)構(gòu)和液壓傳動(dòng)技術(shù)相結(jié)合［6,7］，改變了輸出壓力與流量，可獲得較之圖1所示傳統(tǒng)手動(dòng)液壓泵3倍多的輸出壓力，較之圖2所示的杠桿-鉸桿二級(jí)增力手動(dòng)液壓泵1.5倍多的輸出壓力，作為高壓小流量泵時(shí)，增力效果明顯。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的利用機(jī)械增力機(jī)構(gòu)與液壓傳動(dòng)技術(shù)相結(jié)合的杠桿-連桿二級(jí)増力手動(dòng)液壓泵，既能在空行程的時(shí)候快速地供給低壓大流量的流體，又能在工作行程的階段中，根據(jù)負(fù)載的變化自動(dòng)轉(zhuǎn)化為供給高壓力的小流量流體，在工程上可以作為沖壓機(jī)、千斤頂以及液壓調(diào)整器等的液壓動(dòng)力源［5］。本文中的新式手動(dòng)泵，與圖1所示的傳統(tǒng)手動(dòng)液壓泵相比較，工作效率明顯提高，與圖2所示的杠桿-鉸桿二級(jí)增力手動(dòng)液壓泵相比，由于只有3個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)明顯簡(jiǎn)化，并可起到更好地增力效果。相信其將在工程領(lǐng)域中會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

［1］ 周新建.超高壓手動(dòng)液壓泵 ［J］.機(jī)床與液壓，2004（9）：131-132.

［2］ 柏青，鐘康民.直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的復(fù)合傳動(dòng)增壓裝置［J］.機(jī)械制造，2007（6）：63-64.

［3］ 付春梅.杠桿-鉸桿二級(jí)増力手動(dòng)液壓泵［J］.機(jī)床與液壓,2013（10）:109-111.

［4］ 付春梅.氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)的杠桿-鉸桿式二次增力機(jī)構(gòu)［J］.液壓與氣動(dòng)，2005（1）:36-37.

［5］ 盛小明，鐘康民.帶二次增力機(jī)構(gòu)的高壓小流量手動(dòng)液壓泵［J］.液壓與氣動(dòng)，2008（11）：73-74.

［6］ 林文煥，陳本通.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1987.

［7］ 周峰，倪俊芳.基于無(wú)桿活塞氣缸與杠桿-雙滾輪二次增力機(jī)構(gòu)的復(fù)合傳動(dòng)裝置［J］.液壓與氣動(dòng)，2008（11）：9-10.■