可變壓力與流量的杠桿-連桿二級增力手動液壓泵*

□ 付春梅

常州輕工職業技術學院 江蘇常州 213164

手動液壓泵是一種使用起來極為簡單方便的液壓動力源［1］，它能夠將手動機械能即時轉化為液壓能。配套使用油缸以及專用工具，可進行剪切、拆卸、裝配等作業。手動液壓泵不僅可以與破拆工具等配套使用，還可以與試驗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液壓泵在空行程的時候供給低壓大流量流體，使執行元件能夠快速地到達工作位置；另外還要求在工作行程階段，能夠根據負載的變化，可以自動地轉化為供給高壓力的小流量流體，這樣可以使執行元件獲得較大的輸出壓力［2］。

圖1所示為傳統的單級壓力手動液壓泵［3］，它存在的主要技術問題是：空行程階段流量小，作業效率低。圖2所示的杠桿為鉸桿二級増力手動液壓泵［3］,雖然能夠克服這一缺點，但卻增加了鉸桿與連桿的數量，包括活塞桿在內共含有5個運動構件，造成泵的總體結構復雜，制造工藝性差。基于此，筆者設計了一種利用杠桿-連桿二級増力機構［4］的可變壓力與流量的手動液壓泵，這種新型手動液壓泵的運動構件與傳統的手動液壓泵一樣，只有3個運動構件。

1 可變壓力與流量的手動液壓泵工作原理

可變壓力與流量的手動液壓泵工作原理如圖3所示，由圖可見，杠桿手柄、連桿構成的増力機構與柱塞鉸接，柱塞和缸體之間保持良好配合，實現可靠的密封。當向右推動杠桿手柄時，鉸接在其上的連桿提起并拖動柱塞向上移動，泵體下邊密封容積負壓增大，單向閥Ⅰ打開，油箱中的液體油受大氣壓力的作用，通過吸油管被吸入泵腔，即完成了一次吸油動作，機構位置如圖3（b）所示。當用力向左拉動杠桿手柄時，鉸接在其上的連桿推動柱塞向下移動，缸體下邊的密封容積減小，單向閥Ⅰ關閉，單向閥Ⅱ打開，排出具有一定壓力的流體，進入執行裝置，壓力角α為0時，完成一次壓油動作。

▲圖1 傳統的單級手動液壓泵

▲圖2 杠桿-鉸桿二級増力手動液壓泵

▲圖3 可變壓力與流量的杠桿-連桿二級增力手動液壓泵

在完成壓油動作后，杠桿與連桿接近豎直共線的瞬間，繼續向左拉動杠桿手柄，連桿拖動柱塞向上移動，又完成一次吸油動作，機構處于圖3（b）的另一極限位置。當繼續用力向右推動杠桿手柄時，連桿推動柱塞向下移動，又完成一次壓油動作。

圖示機構中的傳動角φ與壓力角α較大時，是一個行程放大機構；φ與α較小時，是一個力放大機構。利用這一特點，在由圖3（b）所示的極限位置處，當開始向左或向右推動杠桿手柄時，人手操縱杠桿使其擺動幅度較大，則φ與α角的變化范圍較大，柱塞的運動速度快，滿足了工況中的空行程階段提供低壓大流量流體的需要，這時的手動液壓泵為低壓大流量泵；當達到工作行程階段時，人手能夠感知到壓力的提高，便可操縱杠桿使其擺動幅度減小，即φ與α角的變化范圍較小，輸出力及系統壓力相應提高，滿足了工況中根據載荷的變化自動轉化為供給高壓力的小流量流體的需要，此時，手動液壓泵便可自動轉化為高壓力小流量液壓泵，輸出壓力也隨之提高［5］。

2 力學計算

2.1 排量計算

柱塞在一個往復行程過程中，圖3所示的基于杠桿-連桿二級增力機構的手動液壓泵在低壓大流量供油時，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為杠桿式壓板被動臂的長度；l連桿為連桿上兩鉸鏈孔的中心距；αmax為杠桿-連桿機構壓力角的最大值；φmax為杠桿-連桿機構傳動角的最大值。

2.2 輸出壓力計算

圖1所示的傳統手動液壓泵的輸出壓力PH1為：

圖2所示杠桿-鉸桿二級増力手動液壓泵高壓小流量供油時的輸出壓力PH2為：

圖3所示杠桿-連桿二級増力手動液壓泵類似曲柄搖桿機構，高壓小流量供油時的輸出壓力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度；α為連桿機構的壓力角；φ為杠桿被動臂-連桿機構的傳動角；β為鉸鏈副的當量摩擦角，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，通常取 μ=0.1［6］；η1為杠桿機構的力傳遞效率，通常取值為 0.97［7］；η2為連桿機構的力傳遞效率，一般可取0.90。

2.3 計算舉例

在傳統的手動液壓泵中，由式（2）看出，要增大輸出壓力PH1，必須減小柱塞直徑d，這說明傳統手動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，因此無限制地減小d是不現實的。

在圖3所示的可變壓力與流量的杠桿-連桿二級增力手動液壓泵中，可以通過改變機構中的傳動角和壓力角，便可方便地實現低壓大流量到高壓小流量的轉換。輸出力的大小取決于壓力角α和傳動角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，Fi=200 N，αmin=7°，φmin=10°，r=10 mm，由式（4）可計算得出大活塞上的推力PH3≈8.75 MPa。

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

經過上述比較可以得出，該手動液壓泵通過利用杠桿-連桿二級增力機構和液壓傳動技術相結合［6,7］，改變了輸出壓力與流量，可獲得較之圖1所示傳統手動液壓泵3倍多的輸出壓力，較之圖2所示的杠桿-鉸桿二級增力手動液壓泵1.5倍多的輸出壓力，作為高壓小流量泵時，增力效果明顯。

3 結束語

本文所提出的利用機械增力機構與液壓傳動技術相結合的杠桿-連桿二級増力手動液壓泵，既能在空行程的時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，根據負載的變化自動轉化為供給高壓力的小流量流體，在工程上可以作為沖壓機、千斤頂以及液壓調整器等的液壓動力源［5］。本文中的新式手動泵，與圖1所示的傳統手動液壓泵相比較，工作效率明顯提高，與圖2所示的杠桿-鉸桿二級增力手動液壓泵相比，由于只有3個運動構件，結構明顯簡化，并可起到更好地增力效果。相信其將在工程領域中會得到廣泛的應用。

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

［2］ 柏青，鐘康民.直線電機驅動的復合傳動增壓裝置［J］.機械制造，2007（6）：63-64.

［3］ 付春梅.杠桿-鉸桿二級増力手動液壓泵［J］.機床與液壓,2013（10）:109-111.

［4］ 付春梅.氣動肌腱驅動的杠桿-鉸桿式二次增力機構［J］.液壓與氣動，2005（1）:36-37.

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

［6］ 林文煥，陳本通.機床夾具設計［M］.北京：國防工業出版社，1987.

［7］ 周峰，倪俊芳.基于無桿活塞氣缸與杠桿-雙滾輪二次增力機構的復合傳動裝置［J］.液壓與氣動，2008（11）：9-10.■