2.3 叶片泵
叶片泵具有流量均匀、运转平稳、噪声低等优点。其主要缺点是自吸性能差，对油液污染敏感，结构较复杂。叶片泵的工作压力一般为8～10MPa，高压叶片泵可达25～32MPa。
叶片泵有单作用式和双作用式两大类。前者主要用作变量泵；后者的输出流量均匀，噪声小，转轴的径向载荷小，寿命长，但变量困难，多用作定量泵。
2.3.1 单作用叶片泵的工作原理
单作用叶片泵主要由配流盘（端盖）、驱动轴、转子、定子、叶片、壳体等零件组成。如图2-14所示为单作用叶片泵的工作原理，定子1的内表面为圆柱形，转子2上均布有转子槽，矩形叶片3安装在转子槽内，并可以在槽内滑动。转子2的中心与定子1的中心之间存在一个偏心距e。当转子1旋转时，叶片3在离心力的作用下贴紧定子1内表面，并在转子槽内做往复运动。当叶片泵形成压力后，处于高压区的叶片3根部还会有压力油，以平衡叶片3顶部的高压油压力。
图2-14 单作用叶片泵的工作原理
1—定子；2—转子；3—叶片；4—低压腔；
5—吸油窗口；6—高压腔；7—排油窗口
两个相邻叶片与定子1的内表面、转子2的外表面以及配流盘间形成了密闭工作容积。当转子按如图2-14所示的逆时针方向旋转时，在下侧的叶片逐渐伸出，相邻两叶片间形成的密闭工作容积逐渐增大，形成局部真空，通过配流盘上的吸油窗口5吸油；在上侧的叶片被定子内表面逐渐压进转子槽内，两相邻叶片间形成的密闭工作容积逐渐减小，将油液从配流盘上的排油窗口7排出。在吸油窗口与排油窗口之间有一个过渡区把吸油腔和压油腔隔开。这种叶片泵的转子每转动一周，相邻叶片间形成的密闭工作容积只完成一次吸油和排油，故称为单作用叶片泵。转子连续地旋转，叶片泵就能实现连续吸油和排油。若在结构上把转子和定子的偏心距e做成可调的，则为变量叶片泵。偏心距e增大，流量就增大；偏心距e减小，流量就减小。在实际应用中单作用叶片泵往往做成变量结构。
单作用叶片泵的优点是结构工艺简单，可以实现各种形式的变量。缺点是转子上作用的液压力不平衡，加剧了轴承的磨损，缩短了使用寿命。因此，单作用叶片泵也称为非卸荷式叶片泵，一般工作压力不大于7MPa。
2.3.2 单作用叶片泵的排量及流量计算
如图2-15所示为单作用叶片泵排量计算简图，可以看出转子转一圈，每个工作腔容积变化为ΔV=V1-V2。于是单作用叶片泵每转排出的油液体积为ΔVz，z为叶片数。由此可得单作用叶片泵的排量近似为
V=2beπD×106 （2-11）
图2-15 单作用叶片泵排量计算简图
式中 b——叶片的宽度，m；
e——定子和转子间的偏心距，m；
D——定子内径，m；
V——泵的排量，mL/r。
2.3.3 单作用叶片泵的变量形式
2.3.3.1 内控式变量叶片泵
如图2-16所示为内控式变量叶片泵的变量原理，如图2-17所示为内控式变量叶片泵实物。内控式变量叶片泵的变量操纵力来自泵本身的输出压力。在图2-16中，定子环5在其顶部滚动轴承的支承下可沿水平方向移动。吸、排油窗口的布置与定子的运动方向存在偏角θ。排油压力对定子环的作用力可分解为垂直分量F1及与水平分量F2。水平分量F2克服调节弹簧的压缩力，形成调节力，推动定子环移动。当水平分量F2小于弹簧预紧力时，偏心距e保持在最大值，受最大流量调节螺钉1的限制，因而叶片泵流量基本不变，只是由于泵自身的内泄漏而略有下降，压力-流量关系如图2-18中的AB线段所示。随泵出口输出压力的增加，调节力F2不断增加；当输出压力达到p2从而使调节力F2大于弹簧预紧力时，弹簧被压缩，定子环5向左移动，偏心e减小，排量开始下降，压力-流量关系如图2-18中的BC线段所示；当工作压力达到最大压力pC时，偏心距达到最小，排量为最小值，此时泵输出的流量用于补充自身的内泄漏量。
图2-16 内控式变量叶片泵的变量原理
1—最大流量调节螺钉；2—弹簧预
压缩量调节螺钉；3—叶片；
4—转子；5—定子环
图2-17 内控式变量叶片泵实物
图2-18 限压式变量叶片泵特性
增加弹簧的预紧力可使曲线BC右移；减小弹簧刚度，可改变BC段斜率，使其更陡。调节最大流量调节螺钉，可使AB线段上下移动。这种变量泵称为限压式（亦称压力反馈或压力补偿式）泵。
内控式变量叶片泵结构简单，调节容易。但由于配流盘的偏转会使叶片泵的有效排量减少，流量脉动增加，动态调节特性比较差，因而一般仅用于经济型的小规格泵上。对于性能要求比较高的大、中规格的变量叶片泵，大部分采用外控式。
2.3.3.2 外控式变量叶片泵
如图2-19所示为外控式变量叶片泵的剖面图，如图2-20所示为外控式变量叶片泵实物。在图2-19中，定子1在顶部滑块3的约束下实现水平移动。吸、排油腔对称地布置在定子中心线两侧。外来控制压力作用在控制活塞2上，克服弹簧力，推动定子环移动，改变转子的偏心距，调节叶片泵的排量。
图2-19 外控式变量叶片泵的剖面图
1—定子；2—控制活塞；3—滑块
图2-20 外控式变量叶片泵实物
采用不同的液压控制手段及输出参数反馈，可组成不同控制形式的变量叶片泵。
2.3.4 双作用叶片泵的工作原理
如图2-21所示为双作用叶片泵的工作原理。双作用叶片泵主要由配流盘1、驱动轴2、转子3、定子4、叶片5和泵体6等组成，且定子和转子同心。当转子3按图示的逆时针方向转动时，两个相邻叶片与转子的外表面、定子的内表面以及两端的配流盘所围成的封闭容积由于定子内曲线的作用而产生周期性的由大变小及由小变大的变化。转子每转一周，能够实现两次吸油和两次排油，故称双作用叶片泵。双作用叶片泵的两个吸、排油腔对称布置，因此作用在转子上的径向液压力基本平衡，轴及轴承的寿命长。通过合理设计定子内曲线可使泵的输出流量比较均匀，噪声较低。
图2-21 双作用叶片泵的工作原理
1—配流盘；2—驱动轴；3—转子；
4—定子；5—叶片；6—泵体
2.3.5 双作用叶片泵的排量计算
双作用叶片泵的流量计算简图如图2-22所示。V1为吸油后封闭容积内油液的体积，V2为排油后封闭容积内油液的体积，泵转一周完成两次吸油和排油，封闭容积的变化量为
ΔV=2（V1-V2） （2-12）
图2-22 双作用叶片泵的流量计算简图
因此双作用叶片泵的排量为
V=2（V1-V2）z （2-13）
泵的实际输出流量为
qvp=2π（R2-r2）bnηvp （2-14）
式中 b——叶片的宽度，m；
R——定子的长半径，m；
r——定子的短半径，m。
qvp——泵的实际输出流量，m3/s；
ηvp——泵的容积效率，无量纲。
上述计算没有考虑叶片本身厚度对排量的影响。
2.3.6 减小双作用叶片泵叶片顶部与定子内表面磨损的措施
双作用叶片泵转子上的径向液压力基本上是平衡的，因此工作压力的提高对轴承的影响不大。叶片泵工作压力提高的主要限制是叶片和定子内表面的磨损。由于双作用叶片泵内曲线矢径的变化率一般较大，在吸油区叶片外伸的加速度较大，因而加速度惯性力也大。单靠叶片本身的离心力有时不能满足其加速度和叶片运动摩擦力的需要。为此，叶片底部一般都通高压油，以便产生足够的外伸加速度和克服叶片外伸的摩擦力使叶片紧贴定子，但在吸油区叶片底部的液压力大大超过了加速度惯性力的需要，因而造成在低压区叶片和定子内表面的接触压应力过大，磨损加剧（在排油区由于叶片头部和底部均为高压，因而无此问题）。
通常采取以下方法来降低叶片顶部与定子内表面的接触应力。
（1）采用双叶片结构 如图2-23所示，每个转子叶片槽中放置两个经过倒角的叶片。两叶片的倒角部分构成从叶片底部通向头部的V形通道。因而，作用在叶片V形通道两端的压力相等。合理设计叶片头部的形状，可以控制叶片顶部与定子内表面之间作用力。此法比较适合于大规格的叶片泵。
图2-23 双叶片的结构和形状
（2）子母叶片结构 如图2-24所示，在转子槽中装有母叶片和子叶片。子叶片和母叶片厚度相同，嵌在母叶片中间，两叶片能自由相对滑动。转子上的压力平衡孔使母叶片的头部和底部液压相等。泵的排油压力通过配流盘、转子槽到达子、母叶片之间的中间压力腔。作用在母叶片上的液压力为F=bt（p2-p1）。只要合理选择子叶片宽度b的大小，即可控制吸油区叶片上的液压力。
图2-24 子母叶片的结构原理
（3）阶梯叶片结构 如图2-25所示，叶片做成阶梯状，转子上的叶片槽也具有相应的形状。转子上的中间油腔3和压力油相通，压力平衡油道4使叶片的头部和底部的液压作用力相等。因此降低了叶片的受压面积。这种结构由于叶片及槽的形状较为复杂，加工工艺性差。
图2-25 阶梯叶片的结构原理
1—定子；2—转子；3—中间油腔；4—压力平衡油道
（4）采用弹簧力 除了减小叶片在吸油区的受压面积外，还可以用弹簧力代替吸油区叶片底部的液压力。如图2-26所示，在叶片中设置三根小弹簧，同时由叶片上的小孔把其顶部和底部沟通。因此，叶片上的液压力完全平衡，由弹簧力和离心力使叶片外伸。这种结构的主要缺点是弹簧在工作中频繁交变受压，易引起疲劳损坏。
图2-26 弹簧负载叶片的结构原理
1—定子；2—叶片；3—转子；4—弹簧
2.3.7 单、双作用叶片泵的特点对比
2.3.7.1 单作用叶片泵的特点
（1）存在困油现象 配流盘的吸、排油窗口间的密封角略大于两个相邻叶片间的夹角，而单作用叶片泵的定子不存在与转子同心的圆弧段，因此在吸、排油的过渡区，当两叶片间的密封容积发生变化时，会产生与齿轮泵相类似的困油现象。通常，通过配流盘排油窗口边缘开三角形卸荷槽的方法来消除困油现象。
（2）叶片沿旋转方向向后倾斜 叶片仅靠离心力紧贴定子表面，考虑到叶片上还受摩擦力的作用，为了使叶片所受的合力与叶片的滑动方向一致，保证叶片更容易地从叶片槽滑出，叶片槽常加工成沿旋转方向向后倾斜。
（3）叶片根部的容积不影响泵的流量 由于叶片头部和底部同时处在排油区或吸油区中，所以叶片厚度对泵的流量没有影响。
（4）转子承受径向液压力 单作用叶片泵转子上的径向液压力不平衡，轴承负荷较大，这使泵的工作压力和排量的提高均受到限制。
2.3.7.2 双作用叶片泵的特点
（1）定子过渡曲线 定子内表面的曲线由四段圆弧和四段过渡曲线组成，泵的动力学特性在很大程度上受到过渡曲线的影响。理想的过渡曲线不仅应使叶片在槽中滑动时的径向速度变化均匀，而且应使叶片转到过渡曲线和圆弧段交接点处的加速度突变不大，以减少冲击和噪声，同时还应使泵的瞬时流量的脉动最小。
（2）双作用叶片泵的叶片安放角 双作用叶片泵的叶片在转子槽中不是沿径向安装的，而是朝旋转方向前倾一个角度（该角度为径向与沿叶片安装方向的夹角，称为叶片的安放角），目的是减小对叶片的弯矩，防止叶片折断，减小对叶片槽的卡阻和磨损。
（3）端面间隙的自动补偿 为了提高压力，减小端面泄漏，常采用端面间隙自动补偿措施：将配流盘的外侧与压油腔相通，使配流盘在液压推力作用下压向转子端面。泵的工作压力越高，配流盘就会越贴紧转子，对转子端面间隙进行自动补偿。