可变压力与流量的杠杆-连杆二级增力手动液压泵*

□ 付春梅

常州轻工职业技术学院 江苏常州 213164

手动液压泵是一种使用起来极为简单方便的液压动力源［1］，它能够将手动机械能即时转化为液压能。配套使用油缸以及专用工具，可进行剪切、拆卸、装配等作业。手动液压泵不仅可以与破拆工具等配套使用，还可以与试验装置等其它多种工具配套使用。工程上很多工况均要求手动液压泵在空行程的时候供给低压大流量流体，使执行元件能够快速地到达工作位置；另外还要求在工作行程阶段，能够根据负载的变化，可以自动地转化为供给高压力的小流量流体，这样可以使执行元件获得较大的输出压力［2］。

图1所示为传统的单级压力手动液压泵［3］，它存在的主要技术问题是：空行程阶段流量小，作业效率低。图2所示的杠杆为铰杆二级増力手动液压泵［3］,虽然能够克服这一缺点，但却增加了铰杆与连杆的数量，包括活塞杆在内共含有5个运动构件，造成泵的总体结构复杂，制造工艺性差。基于此，笔者设计了一种利用杠杆-连杆二级増力机构［4］的可变压力与流量的手动液压泵，这种新型手动液压泵的运动构件与传统的手动液压泵一样，只有3个运动构件。

1 可变压力与流量的手动液压泵工作原理

可变压力与流量的手动液压泵工作原理如图3所示，由图可见，杠杆手柄、连杆构成的増力机构与柱塞铰接，柱塞和缸体之间保持良好配合，实现可靠的密封。当向右推动杠杆手柄时，铰接在其上的连杆提起并拖动柱塞向上移动，泵体下边密封容积负压增大，单向阀Ⅰ打开，油箱中的液体油受大气压力的作用，通过吸油管被吸入泵腔，即完成了一次吸油动作，机构位置如图3（b）所示。当用力向左拉动杠杆手柄时，铰接在其上的连杆推动柱塞向下移动，缸体下边的密封容积减小，单向阀Ⅰ关闭，单向阀Ⅱ打开，排出具有一定压力的流体，进入执行装置，压力角α为0时，完成一次压油动作。

▲图1 传统的单级手动液压泵

▲图2 杠杆-铰杆二级増力手动液压泵

▲图3 可变压力与流量的杠杆-连杆二级增力手动液压泵

在完成压油动作后，杠杆与连杆接近竖直共线的瞬间，继续向左拉动杠杆手柄，连杆拖动柱塞向上移动，又完成一次吸油动作，机构处于图3（b）的另一极限位置。当继续用力向右推动杠杆手柄时，连杆推动柱塞向下移动，又完成一次压油动作。

图示机构中的传动角φ与压力角α较大时，是一个行程放大机构；φ与α较小时，是一个力放大机构。利用这一特点，在由图3（b）所示的极限位置处，当开始向左或向右推动杠杆手柄时，人手操纵杠杆使其摆动幅度较大，则φ与α角的变化范围较大，柱塞的运动速度快，满足了工况中的空行程阶段提供低压大流量流体的需要，这时的手动液压泵为低压大流量泵；当达到工作行程阶段时，人手能够感知到压力的提高，便可操纵杠杆使其摆动幅度减小，即φ与α角的变化范围较小，输出力及系统压力相应提高，满足了工况中根据载荷的变化自动转化为供给高压力的小流量流体的需要，此时，手动液压泵便可自动转化为高压力小流量液压泵，输出压力也随之提高［5］。

2 力学计算

2.1 排量计算

柱塞在一个往复行程过程中，图3所示的基于杠杆-连杆二级增力机构的手动液压泵在低压大流量供油时，排量qL为：

式中：d为柱塞的直径；ηv为泵的容积效率，一般可取为0.95；l2为杠杆式压板被动臂的长度；l连杆为连杆上两铰链孔的中心距；αmax为杠杆-连杆机构压力角的最大值；φmax为杠杆-连杆机构传动角的最大值。

2.2 输出压力计算

图1所示的传统手动液压泵的输出压力PH1为：

图2所示杠杆-铰杆二级増力手动液压泵高压小流量供油时的输出压力PH2为：

图3所示杠杆-连杆二级増力手动液压泵类似曲柄摇杆机构，高压小流量供油时的输出压力PH3为：

式中：Fi为人手作用于杠杆上端的力；l1为杠杆手柄所示位置长度；α为连杆机构的压力角；φ为杠杆被动臂-连杆机构的传动角；β为铰链副的当量摩擦角，β=为铰链轴半径，l为连杆上两铰链孔的中心距， μ 为铰链副的摩擦因数，通常取 μ=0.1［6］；η1为杠杆机构的力传递效率，通常取值为 0.97［7］；η2为连杆机构的力传递效率，一般可取0.90。

2.3 计算举例

在传统的手动液压泵中，由式（2）看出，要增大输出压力PH1，必须减小柱塞直径d，这说明传统手动液压泵的柱塞直径越小，泵的输出压力越高。但由于在低压阶段需要大流量的油液，因此无限制地减小d是不现实的。

在图3所示的可变压力与流量的杠杆-连杆二级增力手动液压泵中，可以通过改变机构中的传动角和压力角，便可方便地实现低压大流量到高压小流量的转换。输出力的大小取决于压力角α和传动角φ的变化范围。α与φ变化范围大，推力小，速度快；α与φ变化范围小，推力大，速度慢。例如，取：d=20 mm,l1=500 mm，l2=100 mm，Fi=200 N，αmin=7°，φmin=10°，r=10 mm，由式（4）可计算得出大活塞上的推力PH3≈8.75 MPa。

图1所示的传统手动液压泵和图2所示的杠杆-铰杆二级增力手动液压泵中d、l1与l2取相同参数时，由式（2）和式（3），可分别得出 PH1=2.62 MPa，PH2≈5.63 MPa。

经过上述比较可以得出，该手动液压泵通过利用杠杆-连杆二级增力机构和液压传动技术相结合［6,7］，改变了输出压力与流量，可获得较之图1所示传统手动液压泵3倍多的输出压力，较之图2所示的杠杆-铰杆二级增力手动液压泵1.5倍多的输出压力，作为高压小流量泵时，增力效果明显。

3 结束语

本文所提出的利用机械增力机构与液压传动技术相结合的杠杆-连杆二级増力手动液压泵，既能在空行程的时候快速地供给低压大流量的流体，又能在工作行程的阶段中，根据负载的变化自动转化为供给高压力的小流量流体，在工程上可以作为冲压机、千斤顶以及液压调整器等的液压动力源［5］。本文中的新式手动泵，与图1所示的传统手动液压泵相比较，工作效率明显提高，与图2所示的杠杆-铰杆二级增力手动液压泵相比，由于只有3个运动构件，结构明显简化，并可起到更好地增力效果。相信其将在工程领域中会得到广泛的应用。

［1］ 周新建.超高压手动液压泵 ［J］.机床与液压，2004（9）：131-132.

［2］ 柏青，钟康民.直线电机驱动的复合传动增压装置［J］.机械制造，2007（6）：63-64.

［3］ 付春梅.杠杆-铰杆二级増力手动液压泵［J］.机床与液压,2013（10）:109-111.

［4］ 付春梅.气动肌腱驱动的杠杆-铰杆式二次增力机构［J］.液压与气动，2005（1）:36-37.

［5］ 盛小明，钟康民.带二次增力机构的高压小流量手动液压泵［J］.液压与气动，2008（11）：73-74.

［6］ 林文焕，陈本通.机床夹具设计［M］.北京：国防工业出版社，1987.

［7］ 周峰，倪俊芳.基于无杆活塞气缸与杠杆-双滚轮二次增力机构的复合传动装置［J］.液压与气动，2008（11）：9-10.■