3.3 叶片泵

叶片泵在机床、工程机械、船舶、压铸及冶金设备中应用十分广泛。和其他液压泵相比较，叶片泵具有结构紧凑、体积小、重量轻、流量均匀、运转平稳、噪声低等优点。但也存在着结构比较复杂、吸油条件苛刻、工作转速有一定的限制、对油液污染比较敏感等缺点。

按照工作原理，叶片泵可分为单作用式和双作用式两种。双作用式与单作用式相比较，径向力是平衡的，受力情况比较好，应用较广。

3.3.1 单作用叶片泵

1.工作原理

由图3-10可知，单作用叶片泵主要由转子2、定子3、叶片4等组成。单作用叶片泵的定子3内表面是一个圆柱面，转子2与定子3间有一偏心距e，两端的配油盘上只开有一个吸油窗口和一个压油窗口。其工作容腔由定子内表面、转子外表面和相邻叶片表面构成。当转子旋转一周时，每个叶片在转子槽内往复移动一次，每相邻两叶片间的密封工作容腔容积发生周期性增大或缩小的变化，容积增大时通过吸油窗口吸油，容积减小时通过压油窗口将油压出。这种泵由于在转子每转一周过程中，每个密封容腔吸、压油各一次，故称为单作用叶片泵；又因转子受不平衡的液压作用力，故又称不平衡式

图3-10 单作用叶片泵工作原理

1—压油口 2—转子 3—定子 4—叶片 5—吸油口

叶片泵。由于轴和轴承上的不平衡负荷较大，因而使这种泵工作压力的提高受到了限制。改变定子和转子间的偏心距e值，可以改变泵的排量，因此单作用叶片泵是变量泵。

2.排量和流量

单作用叶片泵的叶片转到吸油区时，叶片根部与吸油窗口连通，转到压油区时，叶片根部与压油窗口连通。因此，叶片的厚度对排量计算无影响。

如图3-11所示，当单作用叶片泵的转子每转一转时，每两相邻叶片间的密封容积变化量为V₁-V₂。若近似把AB和CD看作是圆心为O₁的圆弧，当定子内径为D时，此两圆弧的半径即分别为和。设转子直径为d，叶片宽度为b，叶片数为z，则有

图3-11 单作用叶片泵排量计算

式中 β———两相邻叶片所夹的中心角，。

将以上两式代入排量公式q=（V₁-V₂）z，并加以整理，即得泵的排量近似表达式为

q=2πbeD （3-15）

泵的实际流量为

Q=2πbeDnη_V （3-16）

上式表明，只要改变叶片泵的偏心距e，即可改变叶片泵的排量，从而调节叶片泵输出流量。

单作用叶片泵的定子内表面和转子外表面都为圆柱面，由于存在偏心距，输出的流量有一定的脉动。其容积变化是不均匀的，因此有流量脉动。理论分析表明，当叶片数为奇数时脉动率较小，而且泵内的叶片数越多，流量脉动率就越小。考虑到上述原因和结构上的限制，一般叶片数为13或15。

3.结构特点

1）为了调节泵的输出流量，须移动定子位置，以改变偏心距e。

2）径向液压作用力不平衡，因此限制了工作压力的提高。

3）存在困油现象。由于定子和转子两圆柱面偏心安置，当相邻两叶片同时在吸、压油窗口之间的密封区内工作时，封闭容腔会产生困油现象。为了消除困油现象带来的危害，通常在配流盘压油窗口边缘开三角形卸荷槽。

4）叶片后倾。单作用叶片泵叶片倾角安装与压油腔无关，主要取决于吸油腔。因为单作用叶片泵在压油区的叶片根部通压力油，而在吸油区的叶片根部不通压力油而与吸油口连通，为了使吸油区的叶片能在离心力的作用下顺利甩出，叶片顺旋转方向采取后倾一个角度安放。通常后倾角为24°。

3.3.2 双作用叶片泵

1.工作原理

图3-12所示为双作用叶片泵的工作原理图。定子的两端装有配油盘，定子3的内表面曲线由两段大半径圆弧、两段小半径圆弧以及四段过渡曲线组成。定子3和转子2的中心重合。在转子2上沿圆周均布开有若干条（一般为12或16条）与径向成一定角度（一般为13°）的叶片槽，槽内装有可自由滑动的叶片。在配油盘上，对应于定子四段过渡曲线的位置开有四个腰形配流窗口，其中两个与泵吸油口4连通的是吸油窗口；另外两个与泵压油口1连通的是压油窗口。当转子2在传动轴带动下转动时，叶片在离心力和底部液压力（叶片槽底部始终与压油腔相通）的作用下压向定子3的内表面，在叶片、转子、定子与配流盘之间构成若干密封工作腔空间。当叶片从小半径曲线段向大半径曲线滑动时，叶片外伸，这时所构成的密封工作腔容积由小变大，形成部分真空，完成吸油，油液经吸油窗口吸入；而当叶片从大半径曲线段向小半径曲线滑动时，叶片缩回，所构成的密封工作腔容积由大变小，其中的油液受到挤压，油液经过压油窗口压出，完成压油。这种叶片泵每转一周，每个密封工作容腔完成吸、压油各两次过程，故这种泵称为双作用叶片泵。同时，由于压油窗口对称布置，泵中两吸油区和两压油区各自对称，使作用在转子上的径向液压力互相是平衡的，所以这种泵又被称为平衡式叶片泵或双作用卸荷式叶片泵。

图3-12 双作用叶片泵的工作原理

1—压油窗口 2—转子 3—定子 4—吸油窗口

2.排量和流量

由图3-13可知，泵轴转一转时，从吸油窗口流向压油窗口的液体体积为大半径为R，小半径为r，宽度为b的圆环的体积。因为是双作用泵，所以双作用叶片泵的排量为

q=2（V₁-V₂）=2π（ R²-r²）b （3-17）

泵的实际输出流量为

Q=qnη_V=2π（R²-r²）bnη_V （3-18）

式中 b———叶片的宽度（m）。

3.结构特点

（1）定子过渡曲线 定子的内表面曲线由四段圆弧和四段过渡曲线组成，如图3-12所示。理想的过渡曲线不仅应使叶片在槽中滑动时的径向速度和加速度变化均匀，而且应使叶片转到过渡曲线和圆弧交接点处的加速度突变不大，以减小冲击和噪声。目前双作用叶片泵一般都使用综合性能较好的等加速、等减速曲线或高次曲线作为过渡曲线。

（2）叶片安放角 如图3-14所示，叶片在压油区工作时，它们均受定子内表面推力的作用不断缩回槽内。

图3-13 双作用叶片泵平均 流量计算原理

图3-14 双作用叶片 泵叶片倾角

当叶片在转子中径向安放时，定子表面对叶片作用力的方向与叶片沿槽滑动的方向所成的压力角β较大，因而叶片在槽内运动时所受到的摩擦力也较大，使叶片滑动困难，容易被卡住甚至折断。为了解决这一问题，减小压力角，叶片不是径向安放的，而是按照转子旋转方向前倾一个角度θ，这时的压力角β′=β-θ。压力角的减小有利于叶片在槽内的滑动，所以双作用叶片泵转子的叶片槽常做成顺旋转方向向前倾斜一个安放角度θ。在叶片前倾安放时，这时叶片泵的转子不允许反转。

上述的叶片安放形式不是绝对的，实践表明，通过配油孔道以后的压力油引入到叶片根部后，作用在叶片根部的压力值小于叶片顶部所受的压油腔压力，因此在压油区推压叶片缩回的力除了定子内表面的推力之外，还有液压力（由顶部压力与根部压力之差引起），所以上述压力角过大使叶片难以缩回的推理就不十分确切。目前，有些叶片泵的叶片径向安放仍能正常工作。

（3）端面间隙的自动补偿 叶片泵同样存在着泄漏问题，特别是端面的泄漏。为了减少端面泄漏，采取的间隙自动补偿措施是将配油盘的外侧与压油腔连通，使配油盘在液压推力作用下压向定子。泵的工作压力愈高，配油盘就会愈加贴紧定子。同时，配油盘在液压力作用下发生变形，亦对转子端面间隙进行自动补偿。

（4）提高工作压力的主要措施 双作用叶片泵转子所承受的径向力是平衡的，因此工作压力的提高不会受到这方面的限制。同时泵采用配油盘对端面间隙进行补偿后，泵在高压下工作也能保持较高的容积效率。双作用叶片泵工作压力的提高，主要受叶片与定子内表面之间磨损的限制。

前面已经提到，为了保证叶片顶部与定子内表面紧密接触，所有叶片的根部都是与压油腔相通的。当叶片处于吸油区时，其根部作用着压油腔的压力，顶部却作用着吸油腔的压力，这一压力差使叶片以很大的力压向定子内表面，加速了定子内表面的磨损。当泵的工作压力提高时，这个问题就更显突出，所以必须在结构上采取措施，使吸油区叶片压向定子的作用力减小。可以采取的措施有多种，下面介绍在高压叶片泵中常用的双叶片结构和子母叶片结构。

（1）双叶片结构 如图3-15所示，在转子2的每一槽内装有两片叶片3，叶片的顶端和两侧面的倒角构成V形通道，使根部压力油经过通道进入顶部（图3-15中未标出通油孔道），这样，叶片顶部和根部压力基本相等，但承压面积并不一样，从而使叶片3压向定子1的作用力不致过大。

（2）子母叶片结构子母叶片又称复合叶片，如图3-16所示。母叶片2的根部L腔经转子4上的油孔始终和顶部油腔相通，而子叶片3和母叶片2之间的小腔C通过配油盘经K槽总是接通压力油。当叶片在吸油区工作时，推动母叶片2压向定子4的力仅为小腔C的油压力，此力不大，但能使叶片与定子接触良好，保证密封。

图3-15 双叶片结构

1—定子 2—转子 3—叶片

图3-16 子母叶片结构

1—定子 2—母叶片 3—子叶片 4—转子

3.3.3 限压式变量叶片泵

单作用叶片泵的变量方法有手动调节和自动调节两种。自动调节变量泵又根据其工作特性的不同，可分为限压式、恒压式和恒流量式三类，其中以限压式应用最多。

限压式变量叶片泵是利用泵排油压力的反馈作用来实现变量的，它有内反馈和外反馈两种形式，下面分别说明它们的工作原理和特性。

1.外反馈式变量叶片泵的工作原理

如图3-17所示，转子6的中心O₁是固定的，定子5可以左右移动，在调压弹簧3的作用下，定子5被推向左端，使定子中心O₂和转子中心O₁之间有一初始偏心量e₀。它决定了泵的最大流量Q_max。定子5的左侧装有反馈液压缸2，其油腔与泵出口相通。在泵工作过程中，液压缸2的活塞对定子5施加向右的反馈力pA（A为液压缸2活塞的有效作用面积）。若泵的工作压力达到p_B值时，定子所受的液压力与弹簧力相平衡，有p_BA=kx₀（k为弹簧刚度，x₀为弹簧的预压缩量），这里p_B称为泵的限定压力，也称拐点压力。当泵的工作压力p<p_B时，pA<kx₀，定子不动，最大偏心距e₀保持不变，泵的流量也维持最大值Q_max；当泵的工作压力p>p_B时，pA>kx₀。限压弹簧被压缩，定子右移，偏心距减小，泵的流量也随之迅速减小。

图3-17 外反馈限压式变量叶片泵工作原理

1—流量调节螺钉 2—反馈液压缸 3—调压弹簧 4—调压螺钉 5—定子 6—转子

2.内反馈变量叶片泵的工作原理

内反馈变量叶片泵的工作原理与外反馈式相似，但是，泵的偏心距的改变不是依靠外反馈液压缸，而是依靠内反馈液压力的直接作用。内反馈式变量叶片泵配油盘的吸、压油窗口布置如图3-18所示，由于存在偏角θ，压油区的压力油对定子4的作用力F在平行于转子、定子中心连线O₁O₂的方向有一分力F_x。随着液压泵工作压力p的升高，F_x也增大。当F_x大于调压弹簧2的预紧力kx₀时，定子4就向右移动，减小了定子和转子的偏心距，从而使流量相应变小。

3.限压式变量叶片泵的流量压力特性

限压式变量叶片泵的流量压力特性曲线如图3-19所示。曲线表示泵工作时流量随压力变化的关系。当泵的工作压力小于p_B时，其流量变化用斜线表示，它和水平线（理论流量Q_t）的差值ΔQ为泄漏量。此阶段的变量泵相当于一个定量泵，AB称定量段曲线。B点为特性曲线的拐点，其对应的压力p_B就是调定压力，它表示泵在原始偏心距e₀时可达到的最大工作压力。当泵的工作压力超过p_B以后，限压弹簧被压缩，偏心距被减小，流量随压力增加而急剧减小，其变化情况用变量段曲线BC表示。C点所对应的压力p_C为极限压力（又称截止压力）。

图3-18 内反馈变量叶片泵工作原理

1—流量调节螺钉 2—调压弹簧 3—调压螺钉 4—定子 5—转子

图3-19 限压式变量叶片泵特性曲线

对于内反馈变量叶片泵，如图3-18所示，其最大流量由最大流量调节螺钉1调节，它可改变限压式变量叶片泵特性曲线中A点的位置，使AB线段上下平移。泵的调定压力由调压螺钉3调节，它可改变特性曲线中B点的位置，使BC线段左右平移。若改变弹簧刚度k，则可改变BC线段的斜率。为得到较好的动作灵敏度，可配置不同的弹簧，以满足实际需要。

限压式变量叶片泵的特点是：

1）流量可以自动地改变来适应负载的实际需要，有利于系统节省能量；

2）可降低系统的工作温度，延长液压油液和密封圈的使用寿命；

3）在系统中可以使用较小的油箱，可不用溢流阀或单向阀，从而简化液压传动系统。

限压式变量叶片泵常用于执行机构需要有快慢速要求的液压传动系统中。