液壓系統(tǒng)中液壓泵與液壓馬達的選用

劉 強

（河南省安陽鋼鐵有限股份公司第一煉軋廠，河南安陽 455000）

近年來，隨著我國工業(yè)化進程的快速發(fā)展，液壓系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，特別是自動化生產(chǎn)過程中的地位和作用日漸凸顯，也在工程建筑、冶金鍛造、國防建設、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛大量應用。完整的液壓系統(tǒng)主要包括動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件等組成部分，其中，液壓泵與液壓馬達作為重要的動力單元和執(zhí)行單元，被視為液壓系統(tǒng)的核心。

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(tǒng)中用于能量轉(zhuǎn)換的元件。其中，液壓泵是通過電機等動力系統(tǒng)，將電磁能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機械能，進而轉(zhuǎn)化為液壓能，以油液的壓力和流量的形式驅(qū)動液壓系統(tǒng)進行工作，為液壓系統(tǒng)提供源源不斷的動力來源，是液壓系統(tǒng)的“心臟”；液壓馬達是將液壓能通過一定機械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機械能，以轉(zhuǎn)矩等形式參與對液壓系統(tǒng)的負載做功，液壓馬達不需要電磁能的輸入，是液壓系統(tǒng)重要的“執(zhí)行單元”。從構(gòu)造上看，液壓泵與液壓馬達都是容積式構(gòu)造，以改變?nèi)莘e變化進行機械能傳動工作；從其能量轉(zhuǎn)化原理看，液壓泵與液壓馬達是互為可逆的，在一定環(huán)境下可以相互轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上也存在一定差異。

（1）結(jié)構(gòu)設計上的不同。通常情況下，液壓馬達為滿足正反轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設計，特殊情況下也有雙向結(jié)構(gòu)設計。

（2）對軸承的要求不同。液壓馬達的轉(zhuǎn)速受液壓能調(diào)節(jié)，啟動轉(zhuǎn)矩較大，而且通常需要同時滿足低速和高速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速受電能調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速相對固定，對軸承承力的要求較低。

（3）吸油與出油機構(gòu)不同。液壓泵通過電機轉(zhuǎn)動將低壓油轉(zhuǎn)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(gòu)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(jīng)過多年的發(fā)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(jù)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(qū)間在0～2.5 MPa，中壓泵的工作區(qū)間在2.5～8.0 MPa，中高壓泵的工作區(qū)間在8.0～16 MPa，高壓泵的工作區(qū)間在16～32 MPa，超高壓泵可達32 MPa以上。

②根據(jù)密封容積結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相對復雜、維護維修難度較大，對液壓油的質(zhì)量也有一定要求；葉片式液壓泵結(jié)構(gòu)較柱塞式簡單，容積效率和適應壓力比柱塞式較小，但運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工作噪音小，適宜對噪音有一定要求的工作環(huán)境；齒輪式液壓泵結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，對液壓油要求不高，適宜復雜環(huán)境下的工作，但也存在易磨損、易滲透等缺點。

③根據(jù)其輸出的油液體積是否可以調(diào)節(jié)分類，分為定量式、變量式液壓泵等。

④根據(jù)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(jù)馬達轉(zhuǎn)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(qū)間低于100 r/min，一般用于礦山、船舶、工程等需要提供較大轉(zhuǎn)矩的機械系統(tǒng)。中速馬達的工作區(qū)間為100～500 r/min。高速馬達工作區(qū)間可達500 r/min以上。

②根據(jù)其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速，但轉(zhuǎn)矩較小、轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)，一般用于農(nóng)業(yè)機械等對性能要求不嚴格的機械系統(tǒng)。葉片式馬達可以進行高頻快速的轉(zhuǎn)向，同時也可以提供較高的轉(zhuǎn)速，但存在易泄露、不穩(wěn)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(jié)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(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)部壓力減小形成真空，液壓油由進油機構(gòu)吸入；在容積減小時，內(nèi)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(xié)調(diào)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(zhuǎn)嚙合實現(xiàn)機械能與壓力能轉(zhuǎn)化，結(jié)構(gòu)主體部分由兩個相互嚙合的齒輪構(gòu)成，外部罩有殼體構(gòu)成密閉結(jié)構(gòu)，當齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)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(xù)向排油處箱體運行，進而向系統(tǒng)持續(xù)供油。齒輪嚙合式液壓泵系統(tǒng)相比柱塞式液壓泵具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、可靠性強等特點，且該系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)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(qū)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(nèi)推，將缸體中液壓油從配油盤擠出，Q力使柱塞相對缸體產(chǎn)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(zhuǎn)動。

齒輪式液壓馬達的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速主要取決于液壓油的壓力。

2 液壓泵與液壓馬達基本參數(shù)計算與選用

液壓泵與液壓馬達在數(shù)學模型上互為可逆，因而基本參數(shù)也大體相同，包括液壓泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n、液壓油的流量q、泵排量Vp、輸出功率P0等，各參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換公式為：

在進行液壓系統(tǒng)設計時，主要需要考慮以下性能指標。

2.1 工作壓力

即液壓泵（馬達）油液的高壓入口壓力Ph，Ph大小主要取決于液壓泵（馬達）的工作負載，同時需要考慮液壓油出入口壓力差ΔP，即Ph-Pi。在計算工作壓力時，重點是不能超過液壓泵（馬達）的額定壓力，否則易造成過載損傷設備。在實際工作中，為滿足工作可靠性，通常要求額定壓力大于工作壓力25%以上。

2.2 工作流量

液壓泵（馬達）工作流量q指單位時間內(nèi)流過液壓油的體積。由于存在泄漏等情況，因此實際流量q往往要大于其理論流量qη。在實際工作中，計算液壓泵（馬達）的工作流量時，最大流量qmax以及泄漏因子k泄漏關系如下：

若流量不足，可能造成液壓泵（馬達）失壓、脫空等情況。

2.3 轉(zhuǎn)矩與輸出功率

液壓泵（馬達）轉(zhuǎn)矩和輸出功率代表著其帶動負載的能力，其中液壓泵（馬達）的理論輸出轉(zhuǎn)矩為：

液壓泵（馬達）的機械效率為：

液壓泵（馬達）的理論輸出功率為：

在實際工作中，由于存在機械能的損失，因此其實際轉(zhuǎn)矩與輸出功率往往小于理論轉(zhuǎn)矩和輸出功率，通過實際驗證，柱塞式液壓泵（馬達）效率在60%～70%之間，葉片式約在60%～75%之間，齒輪式可達80%～85%。

2.4 其他參數(shù)

對于不同類型的液壓泵（馬達），其流量調(diào)節(jié)、自吸能力、制造成本等參數(shù)也有所不同，如表1所示。

表1 液壓泵（馬達）參數(shù)選擇

3 液壓泵與液壓馬達選用中需要注意的問題

3.1 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(zhuǎn)換效率，提升液壓系統(tǒng)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(nèi)工作環(huán)境下宜側(cè)重其機械效率提升，通常選用葉片式液壓泵；室外工作環(huán)境下諸如修路、港口、建筑等小型工程機械系統(tǒng)中，宜側(cè)重其穩(wěn)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(tǒng)，宜側(cè)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(fā)火災的環(huán)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(zhí)行元件的公稱壓力，為確保液壓系統(tǒng)可靠性，液壓泵的額定壓力宜為執(zhí)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(zhí)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(jié)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，以軸向柱塞式液壓泵為例，可按照表2指標綜合考慮，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%。

表2 液壓泵（馬達）容積效率選擇

3.2 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(guī)格，在滿足原動機負載功率的情況下，宜盡量選用較大規(guī)格的液壓馬達，以提升整體效率。

（2）要綜合考量控制介質(zhì)的狀態(tài)，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(lián)的情況下，應關注好馬達功率的分配問題。

（5）應規(guī)范液壓馬達的速度范圍，若馬達轉(zhuǎn)速過低，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子爬行現(xiàn)象影響機械效率，若馬達轉(zhuǎn)速過快，則會出現(xiàn)馬達超載、機械磨損過大等現(xiàn)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(tǒng)，通常還要為液壓馬達設置調(diào)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(qū)動負載偏軸過大，液壓馬達與其驅(qū)動負載間的偏軸度不應超出0.05～0.1 mm，此外，液壓馬達安裝位置不宜過低，應確?；赜涂诟哂诮佑拖?，防范馬達內(nèi)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(nèi)曲線液壓馬達等結(jié)構(gòu)相對復雜的液壓馬達，應避免其背壓降為0。

4 結(jié)束語

液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)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(jù)其運行原理，科學計算其主要性能參數(shù)，同時結(jié)合具體應用場景，在安裝方式、油液性質(zhì)、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(tǒng)的整體運行功率、提升液壓系統(tǒng)工作效率和使用壽命。