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闭式液压系统补油泵研究


第 6 期 ( 总第 163 期) 2010 年 12 月

机械工程与自动化 M ECHA N ICAL  EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N

No. 6 Dec.

文章编号: 16726413( 2010) 06-008303

闭式液压系统补油泵研


桑月仙, 于兰英, 王国志
( 西南交通大学, 四川 成都 610031) 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: T H137. 51   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。
收稿日期: 2010-04-20; 修回日期: 2010-06-18

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: 补充液压泵及液压马达的泄漏 油液; 给控制系统提供压力及液压油; 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; ! 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 c p 为 1. 1 M Pa ~3. 4 M Pa 。马达冲洗溢流阀的压力 p cx 设定 一般低于补油压力0. 6 M Pa ~0. 8 M Pa , 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[ 1] 。 3. 1 闭式液压系统的发热功率计算

作者简介: 桑月仙( 1987-) , 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。

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 机 械 工 程 与 自 动 化                2010 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 1 ( L / min) 及泵的发热功率 P 1 ( kW) 分别为: - 3 q 1= V p np ×10 ×( 1pv

np V p p 1 ×10- 3 ( 1- p m p v ) 。 ………… ( 2) 60 pm 其中: V p 为液压泵的排量, mL / r ; n p 为液压泵的转速, r / m in ; pv 为液压泵的容积效率; pm 为液压泵的机械效 P 1= 率; p 1 为液压泵进出口压力差, M Pa 。

) 。 ……………… ( 1)

1- 液压泵; 2- 补油泵; 3- 补油溢流阀; 4- 压力切断阀; 5- 高压溢流阀; 6- 单向补油阀; 7- 冲洗溢流阀; 8- 回路冲洗阀; 9- 液压马达; 10- 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 液压马达的泄漏量 q 2( L / m in) 及马达发热功率 P 2 ( kW) 分别为: q 2= nm V m ×10
mv - 3

溢流阀时产生的热量。 ( 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 c ( L / m in) 及发热功率 P 4( kW) 的计算公式为: 60V c q c = tc 。 ………………………………… ( 6) q cp cp P 4= 60 。 ………………………………… ( 7) 其中: V c 为控制机构油液体积, L ; tc 为控制行程时间, s; p c p 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 cx ( L / m in) 及 发热功率 P 5 ( kW ) 的计算公式为: q cp - q 1 - q 2 - q c 。 …………………… ( 8) 2 q cx p cx P 5= 60 。 ………………………………… ( 9) 其中: p cx 为冲洗溢流阀压力, M Pa ; q cp 为补油泵出口 q cx = 流量, L / m in。 ( 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 by ( L / min) 及发热功率 P 6 ( kW) 的

×( 1- 3

mv

) 。 …………… ( 3)

nm V m p 2 ×10 ( 1- mm mv ) 。 ……… ( 4) P 2= 60 mv 其中: nm 为液压马达的转速, r/ min; V m 为液压马达 的排量, mL / r ; 达的机械效率;
mv

为液压马达容积效率;

mm

为液压马

p 2 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 3 ( kW ) 为: lv 2 ! ×10- 6 。 ……………… ( 5) 120d 其中: l 为单根管道的长度, m; d 为管道内径, m; v P 3= ( qp + q m ) 为液流平均速度, m/ s; !为液压油密度, kg/ m 3; 际流量, L / min。 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 为 沿程阻力系数; q p 、q m 分别为液压泵、液压马达的实

 2010 年第 6 期             桑月仙, 等: 闭式 液压系统补油泵研究

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计算公式为: q by = q c p - q 1 - q 2- q c - q cx 。 ……………… ( 10) q by p cp 。 ……………………………… ( 11) 60 将式( 8) 代入式( 10) 中可得: P 6= q by = q c x 。 ………………………………… ( 12) 整个液压系统的发热量为: P q = P 1+ P 2 + P 3+ P 4 + P 5 + P 6 。 ……… ( 13) 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 主要由补油泵补入系统的凉油带走, 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 间补入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[ 2] P L 。 L ( kW) 由下式计算: P C! c p ( ? - ? ) ×10 - 3 q 1 2 。 ……………… ( 14) 60 其中: C 为液压油的比热容, kJ/ ( kg ?℃) ; !为液压 PL = 油密度, kg/ m ; ? 为从系统中置换出热油的温度, ℃; 1
3 2 ? 为补油泵补进系统的凉油的温度, ℃。

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( 16) , 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 30 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30 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 V ( L ) 为: V = V 1 + V 2+ # l ×10 + d
2 3

nV cp ×10 。 ……… 2 ……………………………………………… ( 17)

- 3

其中: V 1 为液压泵的充油容积, L ; V 2 为液压马达的 充油容积, L ; n 为补油泵的最高转速, r/ min; V c p 为 补油泵的排量, m L / r。 油箱的散热功率 P g ( kW ) 的计算方法为[ 3] : P g = kA ( ? - ? ) 。 ………………………… ( 18) 2 0 其中: k 为油箱散热系数, W / ( m 2?℃) ; ? 为环境温 0 2 度, ℃; 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, 2004. [ 2]  张士 勇. 闭 式液压 系统内 油温分 析[ J ] . 基建 优化, 2003, 24( 4) : 5354. [ 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, 1999, 16( 3) : 5-6.

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: C! c p ( ? - ? ) ×10- 3 q 1 2 。 ………… ( 15) 60 由于补油泵排量不可知, 即冲洗溢流阀和补油溢 Pq = P L = 流阀的流量不可知, 将式( 7) ~式( 13) 代入式( 15) 可得 出下式:
60( P 1+ P 2 + P 3 ) - ( q1+ q2 + qc ) p cx - ( q1 + q2) p cp qcp = C! ? - ? ) - p c x - p cp ( 1 2



……………………………………………… ( 16) 现有的闭式液压系统补油泵流量计算方法通常忽

Study on Slippage Pump in Closed Hydraulic System
SANG Yuexian, YU Lanying, WANG Guo-zhi
( S out hw es t Jiaot on g U nivers it y, C hen gdu 610031, Ch ina)

Abstract: T hr oug h analyzing the wo rking pr inciple o f a clo sed hydraulic sy st em , this paper intr o duced the impo rt ant r ole o f slippag e pump in closed hy dr aulic sy st em. By a nalyzing the heat ing pow er o f t he sy st em, based on the pr inciple of heat balance, the paper go t t he co mput atio n for mula o f slippag e pump flow . T he result s co nt ribute to t he desig n of slippage pump and o il tank in clo sed hydraulic syster m . Key words: closed hy dr aulic sy st em ; slippage pump ; heat balance


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