第八章 叶片泵

第八章 叶片泵叶片泵具有流量均匀，运转平稳，噪音低，体积小，重量轻等优点。

在机床、工程机械、船舶、压铸及冶金设备中得到广泛的应用。

中低压叶片泵的工作压力一般为8MPa ，中高压叶片泵的工作压力可达25MPa 至32MPa 。

泵的转速范围为600~2500r/min 。

叶片泵对油液的清洁度要求较高。

此外，与齿轮泵相比，叶片泵的制造工艺要求也较高。

叶片泵主要分为单作用（转子每转完成吸、排油各一次）和双作用（转子每转完成吸、排油各二次）两种形式。

双作用叶片泵与单作用式相比，其流量均匀性好，转子体所受的径向液压力基本平衡。

双作用叶片泵都做成定量泵形式，单作用叶片泵一般设计成可以无级调节排量的变量泵。

§8-1 双作用叶片泵的工作原理和流量一、双作用叶片泵工作原理图8-1是双作用叶片泵的工作原理图。

定子的腰圆形表面由二段半径为R 的大圆弧，二段半径为r 的小圆弧以及四段连接大小圆弧的平滑曲线组成。

叶片在转子的叶片槽内可以滑动。

转子、叶片、定子都夹在前后两个配流盘中间。

当转子旋转时，叶片受离心力而紧贴定子内表面，起密封作用，将吸油腔与排油腔隔开。

当转子与叶片从定子内表面的小圆弧区向其大圆弧区移动时，两个油封叶片之间的容积增大，通过配流盘上的配油窗口（吸油槽）吸油；由大圆弧区移向小圆弧区时，通过配流盘上的配油窗口（排油槽）排油。

转子转一周，叶片在槽内往复两次，完成两个吸、排油过程，故称双作用式。

泵转子体中的叶片槽底部通排油腔。

因此在建立排油压力后，处在吸油区的叶片贴紧定子内表面的压紧力为其离心力和叶片底部液压力之和。

在压力还未建立起来的启动时刻，此压紧力仅由离心力产生。

如果离心力不够大，叶片就不能与定子内表面贴紧以形成高，低压腔之间的可靠密封，泵由于吸、排油腔沟通而不能进行正常工作。

这就是叶片泵最低转速不能太低的原因。

双作用叶片泵的两个排油腔及两个吸油腔均为对称布置，故作用在转子上的液压力互相平衡，轴和轴承的寿命较长。

图8-2是配流盘和定子曲线相对位置关系的示意图。

图中的点划线为定子内表面曲线（简称定子曲线），1β和2β分别为大圆弧段及小圆弧段所对应的中心角,1α及2α为在大圆弧区及小圆弧区的吸、排油槽之间的封油角。

吸、排油槽开在转子两侧的配流盘上。

假定泵的叶片数为Z ，为保证吸、排油腔间的密封，应使Z /21πα≥,Z /22πα≥。

为了避免发生困油现象，应使两封油叶片之间的容腔在1α及2α角度范围内移动时（这时，容腔与高、低压腔均不通）。

其容积大小保持不变。

即保证圆弧段的包角11αβ≥;22αβ≥。

图8-2中陪流盘上排油槽端部的三角槽用来减少液压冲击，起消振作用。

若转子顺时针转动，当两相邻叶片间的油腔从吸油区进入大圆弧区时，油腔中的压力保持为低压。

当此油腔转到开始与排油区接通时，高压油流入此密闭容腔并压缩其中的油液，因此压力骤升。

这个过程会发生压力冲击，并因而产生噪声。

为了解决这个问题，一般采用设置上述减振槽的方法，使高、低压油进入密闭容腔时受到节流阻尼，从而减缓了压力冲击现象。

图8-2中的环形槽 通过配流盘背面的沟槽（虚线所示）和排油区接通。

此环形槽的位置与转子的叶片槽底部相对应，以便将高压油引到叶片底部，产生使叶片向外紧贴定子内表面的压紧力。

二、双作用叶片泵的瞬时流量和理论排量由图8-1的双作用叶片泵工作原理图可知：假如叶片为无限薄，当转子在dt 时间内转过ϕd 角度后，叶片泵排出的液体体积为叶片在大圆弧段扫过的体积和叶片在小圆弧段扫过的体积之差。

实际上，叶片是有厚度的。

在排油区，叶片两端均为高压，它的运动不产生吸排油作用；在吸油区，叶片头部为吸油压力，叶片底部的高压油要用来推动叶片向外伸，所以泵的排出油量应减去这一部分体积Θ。

因此，叶片泵在dt 时间内排出的油液体积为 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=∑=n i i i dt SB v dt r R B dV 122cos )(22θω (8-1)式中 R ——定子曲线大圆弧半径；r ——定子曲线小圆弧半径；B ——叶片宽度；ω——叶片泵转子的转动角速度；S ——叶片厚度；n ——位于一个吸油区内的叶片数；i v ——在吸油区内，叶片伸出叶片槽的径向速度；i θ——在叶片和定子曲线接触处，叶片安置方向和吸油区定子过渡曲线矢径方向的夹角（见图8-3）。

式（8-1）中括号外边的系数Z 是考虑到双作用叶片泵同时有两对叶片起排有作用，它们的运动规律完全一样。

式（8-1）可用瞬时流量形式表示为∑=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=n i i i sh v BS r R B Q 122cos 2)(θω （8-2） 若用i ρ表示定子曲线上的各点到转子中心的距离，ϕ表示泵轴的转角。

则ii i i i d d dt d d d dt d v ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛=ϕρωϕϕρρ 将此式代入式（8-2），可得⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=∑=n i i i sh d d S r R B Q 122cos 2)(θϕρω （8-3） 如近似认为i θ为常数，θθ=i 。

则泵的瞬时流量均匀性仅和吸油区的()∑i d d ϕρ/值有关。

即仅与泵在吸油区的叶片数和此区域定子曲线的形状有关。

双作用叶片泵的理论排量可由图8-1得出： ()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-=---=s s SZ r R r R B r R ZBS r R B q θπθπcos 2cos 2)(222 （8-4） 式中 s θ为在转子外圆上叶片安置方向与径向间的偏角（见图8-3）。

§ 8-2 双作用叶片泵的定子曲线及叶片数双作用叶片泵的定子曲线（即定子内表面曲线）对叶片泵的流量均匀性、吸入性能和寿命有很大影响。

定子曲线由两段半径为R 的大圆弧、两段半件为r 的小圆弧以及四段过渡曲线组成。

一、定子曲线的要求（一）过渡曲线四条过渡曲线是对称的。

为了保证工作平稳和输出流量均匀，过渡曲线应满足下列要求：1. 使叶片不发生脱空转子旋转时，叶片在转子槽中作径向滑动，叶片头部应紧贴在过渡曲线上。

叶片作径向滑动的加速度大小与过渡曲线的形状有关。

在叶片泵刚启动，尚未建立起油压的时候，叶片根部没有液压压紧力。

此时若叶片径向运动的向心惯性力大于随转子旋转时的离心力，叶片就会与定子内表面脱离，称为脱空。

以后，当叶片重新和定子内表面接触时，就会发生撞击、产生噪声、降低寿命。

故即使叶片短时间脱空也不允许。

图8-4表示了四分之一的定子曲线。

过渡曲线的范围对应于中心角a 。

从小圆弧的终点为起点计算转角ϕ。

在ϕ角从0变到a 的范围内，过渡曲线的矢径从r =ρ变到R =ρ。

当叶片头部在过渡曲线上向外滑动时。

如前所述，其径向速度ϕρωd d v /=。

径向加速度为222ϕρωd d dt dv a == （8-5） 保证叶片不脱空的条件是叶片做圆周运动的离心力大于其沿叶片槽滑动的向心惯性力。

即式中 m ——叶片的质量；ρ——叶片与过渡曲线接触点的矢径；L ——叶片的长度。

或者L d d 2122-<ρϕρ （8-6） 式（8-6）为在吸油过渡曲线区叶片不脱空的条件。

在排油过渡曲线区，叶片相对于转子叶片槽作向心运动。

其速度变化的规律是从零值增至最大值，然后再减小到零值。

此时，向心运动减速度的惯性力必须小于离心力。

否则也要出现脱空现象。

在排油区不脱空的条件同样可用式（8-6）来表示。

由于双作用叶片泵的四条过渡曲线是对称的，因此若满足吸油过渡曲线区叶片不脱空的条件，则排油区的不脱空条件同样得到满足。

2. 减小冲击、噪声和磨损叶片经过定子曲线的圆弧部分与过渡曲线的连接处，以及沿过渡曲线滑行时，希望径向速度和加速度的变化尽可能小，不应发生突变，以免产生冲击和噪声。

径向速度的突变将使径向加速度为无穷大，这种现象称为“硬冲”。

在排油过渡曲线区的“硬冲”会使定子内表面对叶片的推力为无穷大（实际上，由于叶片与定子表面的弹性变形，此值为一个相当大的数）。

因而产生撞击。

径向加速度在数值上有限的突变，称为“软冲”。

“软冲”使叶片和定子内表面的压紧力产生突变。

过大的“软冲”也是不希望的。

3．使泵排出流量均匀由式（8-3）可见，为了使泵的瞬时流量均匀，叶片数和定子曲线形状的选择应使吸油区过渡曲线上所有叶片径向速度之和()∑i d d ϕρ/在整个运行过程（即不同转角ϕ时）等于或接近常数。

（二）圆弧区段从式（8-4）可以看到，增大定子曲线的大、小圆弧半径之差()r R -可以增加泵的排量。

但是增大()r R -值受到以下条件的制约：1. 叶片和转子体强度的制约()r R -值越大，则叶片伸出转子体的部分越长，液压力产生的弯曲力矩越大，因而叶片受力恶化、转子体强度下降。

2. 叶片对定子不脱空的条件的制约为保证叶片不脱空，必须满足式（8-6）。

在确定过渡曲线区叶片速度变化规律时，值22/ϕρd d 与过渡曲线始点和终点的矢径差值()r R -及其对应的中心角a 大小有关。

()r R -值越大，则22/ϕρd d 值也越大，不利于保证条件式（8-6）。

当然，22/ϕρd d 值还与过渡曲线上的叶片径向运动速度变化规律有关。

计算分析表明，当叶片径向移动按等加速、等减速规律变化时，为了满足式（8-6），可以允许选用较大的()r R /值，因而可得到较大的()r R -值，产生较大排量。

这就是过渡曲线广泛采用等加速、等减速曲线的主要原因。

二、定子过渡曲线及其特点过渡曲线有以下几种：1） 修正的阿基米德螺线2） 正弦加速曲线3） 等加速等减速曲线4） 高次曲线（一）阿基米德螺线按照数学定义，阿基米德螺线的矢径和转角微分ϕρd d /为常数。

因此，当转子以等角速度ω旋转时，如果过渡曲线为阿基米德螺线，叶片相对转子的径向运动速度i v 就等于常数。

只要保持过渡曲线中叶片数不变，便可使式（8-3）中的()∑i d d ϕρ/为恒值，瞬时流量可近似地为常值。

图8-5表示了阿基米德螺线为过渡曲线时，(ϕρd d /)及(22/ϕρd d )值随ϕ角的变化规律。

叶片在定子圆弧段滑动时的ϕρd d /=0。

因此，圆弧曲线与阿基米德螺线的交接点处的()ϕρd d 值产生突变。

在这一瞬间, (22/ϕρd d )值为无穷大(如图8-5a 所示）。

这便发生“硬冲”或脱空。

为了防止发生“硬冲”和脱空，可在曲线的圆弧段和阿基米德螺线的交接处进行某种修正（如图8-5b所示）。

经修正后，避免了“硬冲”。

但是，叶片在过渡曲线的大部分区段做径向匀速运动，而在一个范围内，其径向速度从零升到某一值，故加速度的变化量及最大加速度都较大。

为了使叶片不脱空，只能将r R /值限止得较小。

故目前这种过渡曲线已很少应用。