液压系统中液压泵与液压马达的选用

刘 强

（河南省安阳钢铁有限股份公司第一炼轧厂，河南安阳 455000）

近年来，随着我国工业化进程的快速发展，液压系统在现代工业生产，特别是自动化生产过程中的地位和作用日渐凸显，也在工程建筑、冶金锻造、国防建设、农业生产中得到了广泛大量应用。完整的液压系统主要包括动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等组成部分，其中，液压泵与液压马达作为重要的动力单元和执行单元，被视为液压系统的核心。

1 液压泵与液压马达基本情况

1.1 液压泵与液压马达概述

液压泵与液压马达从工作原理上看，都是在液压系统中用于能量转换的元件。其中，液压泵是通过电机等动力系统，将电磁能转化为旋转的机械能，进而转化为液压能，以油液的压力和流量的形式驱动液压系统进行工作，为液压系统提供源源不断的动力来源，是液压系统的“心脏”；液压马达是将液压能通过一定机械结构转化为旋转的机械能，以转矩等形式参与对液压系统的负载做功，液压马达不需要电磁能的输入，是液压系统重要的“执行单元”。从构造上看，液压泵与液压马达都是容积式构造，以改变容积变化进行机械能传动工作；从其能量转化原理看，液压泵与液压马达是互为可逆的，在一定环境下可以相互转换工作。

由于工作原理、应用场景等的不同，液压泵与液压马达在结构上也存在一定差异。

（1）结构设计上的不同。通常情况下，液压马达为满足正反转运行的需要，主要采取对称性设计，而液压泵主要是向外输出液压能，主要采取单向结构设计，特殊情况下也有双向结构设计。

（2）对轴承的要求不同。液压马达的转速受液压能调节，启动转矩较大，而且通常需要同时满足低速和高速转动要求，较多采用静压轴承或液动轴承，对于轴承承力的要求较高，液压泵的转速受电能调节，转速相对固定，对轴承承力的要求较低。

（3）吸油与出油机构不同。液压泵通过电机转动将低压油转换为高压油，需要减少吸油阻力以提升工作效率，因此吸油机构口径往往大于出油口径，同时液压泵还要求具有自吸油等功能，而液压马达则没有这些要求。

1.2 液压泵与液压马达分类及应用场景

（1）经过多年的发展演进和不同应用场景的需要，液压泵与液压马达衍生出多种不同的类型，在分类方式上也各有不同。目前液压泵的分类方法主要有4种。

①根据液压能分类，可以将液压泵分为低压泵、中压泵、中高压泵、高压泵、超高压泵等。其中低压泵的工作区间在0～2.5 MPa，中压泵的工作区间在2.5～8.0 MPa，中高压泵的工作区间在8.0～16 MPa，高压泵的工作区间在16～32 MPa，超高压泵可达32 MPa以上。

②根据密封容积结构分类，可分为柱塞式、齿轮式、叶片式液压泵等。其中柱塞式液压泵耐久力较好，容积效率较高，但结构相对复杂、维护维修难度较大，对液压油的质量也有一定要求；叶片式液压泵结构较柱塞式简单，容积效率和适应压力比柱塞式较小，但运转平稳、工作噪音小，适宜对噪音有一定要求的工作环境；齿轮式液压泵结构简单、价格便宜，对液压油要求不高，适宜复杂环境下的工作，但也存在易磨损、易渗透等缺点。

③根据其输出的油液体积是否可以调节分类，分为定量式、变量式液压泵等。

④根据输油方向分类，分为单向式、双向式液压泵等。

（2）液压马达的分类也主要有4种。

①根据马达转速分类，分为低速马达、中速马达、高速马达等。一般低速马达的工作区间低于100 r/min，一般用于矿山、船舶、工程等需要提供较大转矩的机械系统。中速马达的工作区间为100～500 r/min。高速马达工作区间可达500 r/min以上。

②根据其结构分类，同样可分为柱塞式、齿轮式、叶片式马达等。齿轮式马达造价低廉、可提供较高转速，但转矩较小、转速不平稳，一般用于农业机械等对性能要求不严格的机械系统。叶片式马达可以进行高频快速的转向，同时也可以提供较高的转速，但存在易泄露、不稳定等问题。

第三、第四种分类方式与液压泵相同。

1.3 液压泵与液压马达的运行原理

不同种类的液压泵与液压马达在运行细节上不尽相同，但大体上有共通性，这里各选择两种比较典型的类型分析其运行原理。

1.3.1 柱塞式和齿轮啮合式液压泵运行原理

柱塞式液压泵是通过柱塞的往复运动，将电磁能产生的机械能转化为液压能，主要通过外部电机等原动机带动下方偏心轮旋转运动，进而带动活塞进行往复运动，不断改变密封缸体的容积大小，容积增大时，内部压力减小形成真空，液压油由进油机构吸入；在容积减小时，内部压力增大，推动液压油由排油管输出，由于密封缸口径较排油管口径偏大，进而使排油压力能增大。从其运行原理可以看出，柱塞式液压泵要求有良好的密封腔体，同时还有协调的配油关系，保证吸油单向阀和配油单向阀不能同时开启。

齿轮啮合式液压泵则是通过齿轮的旋转啮合实现机械能与压力能转化，结构主体部分由两个相互啮合的齿轮构成，外部罩有壳体构成密闭结构，当齿轮啮合旋转时，吸油口啮合处容积增大导致压力减少，液压油在大气压力作用下进入腔体，同时啮合处齿轮向排油处运动，带动液压油持续向排油处箱体运行，进而向系统持续供油。齿轮啮合式液压泵系统相比柱塞式液压泵具有结构简单、造价低廉、可靠性强等特点，且该系统还能够实现自吸功能，近年来运用较为广泛。

1.3.2 轴向柱塞式和齿轮式液压马达运行原理

液压马达与液压泵的运行原理较为相似，是互为可逆的过程。以轴向柱塞式液压马达为例，其斜盘主体被固定在壳体上，存在固定倾角α，液压油通过配油盘高压进油区进入缸体，推动柱塞向外，当柱塞端子作用在斜盘上时，斜盘对柱塞形成一个反向的作用力F，该力分解为垂直于斜盘的法向力P和垂直于缸体轴的切向力Q，其中，P力将柱塞向内推，将缸体中液压油从配油盘挤出，Q力使柱塞相对缸体产生一定扭矩，且随柱塞位置变化而改变，从而带动马达轴与缸体一起转动。

齿轮式液压马达的结构齿轮啮合式液压泵相似，不同的是其齿轮与负载相连，通过使高压液压油通过齿轮带动齿轮转动，其转速主要取决于液压油的压力。

2 液压泵与液压马达基本参数计算与选用

液压泵与液压马达在数学模型上互为可逆，因而基本参数也大体相同，包括液压泵转子的转速n、液压油的流量q、泵排量Vp、输出功率P0等，各参数之间的转换公式为：

在进行液压系统设计时，主要需要考虑以下性能指标。

2.1 工作压力

即液压泵（马达）油液的高压入口压力Ph，Ph大小主要取决于液压泵（马达）的工作负载，同时需要考虑液压油出入口压力差ΔP，即Ph-Pi。在计算工作压力时，重点是不能超过液压泵（马达）的额定压力，否则易造成过载损伤设备。在实际工作中，为满足工作可靠性，通常要求额定压力大于工作压力25%以上。

2.2 工作流量

液压泵（马达）工作流量q指单位时间内流过液压油的体积。由于存在泄漏等情况，因此实际流量q往往要大于其理论流量qη。在实际工作中，计算液压泵（马达）的工作流量时，最大流量qmax以及泄漏因子k泄漏关系如下：

若流量不足，可能造成液压泵（马达）失压、脱空等情况。

2.3 转矩与输出功率

液压泵（马达）转矩和输出功率代表着其带动负载的能力，其中液压泵（马达）的理论输出转矩为：

液压泵（马达）的机械效率为：

液压泵（马达）的理论输出功率为：

在实际工作中，由于存在机械能的损失，因此其实际转矩与输出功率往往小于理论转矩和输出功率，通过实际验证，柱塞式液压泵（马达）效率在60%～70%之间，叶片式约在60%～75%之间，齿轮式可达80%～85%。

2.4 其他参数

对于不同类型的液压泵（马达），其流量调节、自吸能力、制造成本等参数也有所不同，如表1所示。

表1 液压泵（马达）参数选择

3 液压泵与液压马达选用中需要注意的问题

3.1 液压泵需关注的问题

选用液压泵需要综合考量应用场景、液压泵类型、额定压力等各方面因素，有效降低原动机的输入功率，提高机械能转换效率，提升液压系统的可靠性与耐久性。

（1）在液压泵类型的选用上，重点看应用场景，在室内工作环境下宜侧重其机械效率提升，通常选用叶片式液压泵；室外工作环境下诸如修路、港口、建筑等小型工程机械系统中，宜侧重其稳定性提升，通常选择齿轮式液压泵；对于锻压设备、冶金设备等大功率机械液压系统，宜侧重其耐久性，通常选用柱塞式液压泵。

（2）在液压油的选用上，重点看液压工况和使用条件，如温度范围、湿度等，特别是对于易引发火灾的环境，应考虑选用磷酸酯等难燃或抗燃的液压油。

（3）在液压泵的额定压力和流量选择上，要求其额定压力必须高于执行元件的公称压力，为确保液压系统可靠性，液压泵的额定压力宜为执行元件（如液压缸）公称压力的1.5倍以上；其额定流量需高于瞬时运动执行元件所需的流量之和最大值，考虑到存在液压油泄露、溢流阀或节流阀分流等情况，液压泵的额定流量宜为最大流量的1.2倍以上。

（4）在液压泵的容积效率选择上，液压泵在使用一段时间后，其容积效率将会一定程度降低，以轴向柱塞式液压泵为例，可按照表2指标综合考虑，其中若选用变量泵，各项指标可以比同等排量的定量泵低1%。

表2 液压泵（马达）容积效率选择

3.2 液压马达需关注的问题

需要重点关注以下几点：

（1）要合理选用液压马达的规格，在满足原动机负载功率的情况下，宜尽量选用较大规格的液压马达，以提升整体效率。

（2）要综合考量控制介质的状态，比如液压油的温度、粘度、润滑性等，防止在温度过低或过高等极端情况下启动液压马达，造成元件损伤。

（3）要适当加装马达的传动装置，不宜将马达与负载元件直连，防止马达轴体受轴向或径向力过大而损坏。

（4）应充分平衡马达的压力与流量，特别是在两台或多台马达并联的情况下，应关注好马达功率的分配问题。

（5）应规范液压马达的速度范围，若马达转速过低，会出现转子爬行现象影响机械效率，若马达转速过快，则会出现马达超载、机械磨损过大等现象，同时，液压马达也不宜长时间保持低压、低速运行。

（6）应设计好马达回路，防止马达密封缸体真空压过大，需为液压马达设计好补油回路，对于用于起重式机械或者行走式机械液压系统，通常还要为液压马达设置调速回路，对需长时间制动的液压马达，应为其设计独立的制动回路，并尽量避免液压马达与其他减速装置同时运行。

（7）在安装液压马达时，要确保安装机架的刚度与强度，防止液压马达与驱动负载偏轴过大，液压马达与其驱动负载间的偏轴度不应超出0.05～0.1 mm，此外，液压马达安装位置不宜过低，应确保回油口高于接油箱，防范马达内壳体压力过大。液压马达也不宜与接油箱直连，造成马达背压过低，特别是对于如多作用内曲线液压马达等结构相对复杂的液压马达，应避免其背压降为0。

4 结束语

液压系统的系统构成较为复杂，作为其核心元件，合理选型液压泵与液压马达至关重要，宜根据其运行原理，科学计算其主要性能参数，同时结合具体应用场景，在安装方式、油液性质、油液流量、管路布设等方面进行合理选型和设计，以降低液压系统的整体运行功率、提升液压系统工作效率和使用寿命。