双作用叶片泵

引言在广泛应用的各种液压设备中，液压泵是关键性的元件，它们的性能和寿命在很大程度上决定着整个液压系统的工作能力，因此对液压泵的合理选择和正确使用显得格外重要。

即使是使用维护液压设备或从事液压系统的设计、生产，而不是从事液压元件开发、生产的工程技术人员，也有必要深入了解液压泵的结构及性能。

本次设计中主要是从设计双作用叶片泵的方面来进入研究的。

本设计主要从双作用叶片泵的结构、原理、性能以及它的合理使用与维护来进行的，对于叶片泵参数设计的问题也有涉及。

采用了国内通常所称的双作用式。

本设计的内容安排比较单一，只涉及了一种YB型的双作用叶片泵，而且其中的很多数据并不是按顺序来进行设计的，有些事根据网上的实验材料来进行取值的，先介绍的是双作用叶片泵的基本原理，接下来是流量计算，在然后是双作用叶片泵各零件和部件的设计，最后组装成为一个整体的双作用叶片泵。

由于本设计中，能够直接收集到的资料有限，不尽之处在所难免，希望您能指正。

1．双作用叶片泵的概述1．1 工作原理如图1-1所示。

它的作用原理和单作用叶片泵相似，不同之处只在于定子表面是由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和四段过渡曲线八个部分组成，且定子和转子是同心的。

在图示转子顺时针方向旋转的情况下，密封工作腔的容积在左上角和右下角处逐渐增大，为吸油区，在左下角和右上角处逐渐减小，为压油区；吸油区和压油区之间有一段封油区把它们隔开。

这种泵的转子每转一转，每个密封工作腔完成吸油和压油动作各两次，所以称为双作用叶片泵。

泵的两个吸油区和两个压油区是径向对称的，作用在转子上的液压力径向平衡，所以又称为平衡式叶片泵。

定子内表面近似为椭圆柱形,该椭圆形由两段长半径R、两段短半径r和四段过渡曲线所组成。

当转子转动时,叶片在离心力和(建压后)根部压力油的作用下,在转子槽内作径向移动而压向定子内表,由叶片、定子的内表面、转子的外表面和两侧配油盘间形成若干个密封空间,当转子按图示方向旋转时,处在小圆弧上的密封空间经过渡曲线而运动到大圆弧的过程中,叶片外伸,密封空间的容积增大,要吸入油液;再从大圆弧经过渡曲线运动到小圆弧的过程中,叶片被定子内壁逐渐压进槽内,密封空间容积变小,将油液从压油口压出,因而,当转子每转一周,每个工作空间要完成两次吸油和压油,所以称之为双作用叶片泵,这种叶片泵由于有两个吸油腔和两个压油腔,并且各自的中心夹角是对称的,所以作用在转子上的油液压力相互平衡,因此双作用叶片泵又称为卸荷式叶片泵,为了要使径向力完全平衡,密封空间数(即叶片数)应当是双数。

图1-1 双作用叶片泵工作原理Fig 1-1 Double-acting vane pump principle of work1—定子；2—吸油口；3—转子；4—叶片；5—压油口1．2 结构特征归纳上述工作原理，双作用叶片泵主要有以下结构特征：（1）转子与定子同心;（2）定子内表面由两段大圆弧、两段小圆弧和四段过渡曲线组成;（3）圆周上有两个压油腔、两个吸油腔，转子轴和轴承的径向液压作用力基本平衡; （4）所有叶片根部均由压油腔引入高压油，使叶片顶部可靠地与定子内表面密切接触；（5）叶片通常倾斜安放，叶片倾斜方向与转子径向辐射线成倾角θ，但倾斜方向不同于单作用叶片泵，而沿旋转方向前倾，，如图1-1所示，也是用于改善叶片的受力情况。

1．3 用途双作用叶片泵的突出优点在于径向作用力平衡，卸除了转子轴和轴承的径向负荷，因此获得广泛应用。

但由于结构上很难实现排量变化，故多为定量泵。

当转速一定时，泵的输出流量一定，不能调节变化。

平衡式叶片泵存在的另一问题是，吸油区各叶片根部与顶部的液压作用力不平衡，叶片顶部作用着吸油腔的低压，而根部承受着压油腔的高压，叶片顶部与定子内表面的接触压力较大，容易造成定子内表面的不均匀磨损，所以工作压力一般限制在7.0Mpa以下。

如果采用特殊的结构措施解决上述问题，工作压力可以提高到17.5~28.0Mpa。

2．双作用叶片泵的结构以及各零部件参数的确定2．1叶片的设计从工艺和转子强度着眼，希望叶片数取少为好，满足密封的最少叶片数是6；叶片数增加，可使过渡角α增大，叶片不“脱空”的R r值可以增大过流面积改善吸入性能又可使理论流量加大，但流量增大要受到叶片排挤的限制，故要选取适当；叶片数与定子曲线适当匹配可使瞬时几何流量均匀，下面就这一问题加以分析。

2．1．1 叶片数的确定不同于单作用叶片泵，双作用叶片泵的叶片数为偶数，定子曲线为“圆修”的阿基米德螺线此种曲线时，因为“圆修”角d ϕ比较小，在大部分范围内d d ρϕ=C （常数），所以只要吸油区过渡段上的叶片数为常数即可保证瞬时流量均匀。

因密封的最小叶片数Z=6，故过渡区的叶片数14Z m n =-= 式中 n ──自然数。

故Z=4（n+1）等加速和正弦加速曲线修正时，02(0~)2r c S C Z R παγ=-由于d d ρϕ曲线在加速区和减速区分别成为中心对称，所以只要过渡区上的叶片数为偶数时，即可保证()id d ρϕ∑等于常数，使流量均匀。

即 124Z n -= 式中 n ──自然数。

故Z=4（2n+1）即Z=12﹑20……等，双作用叶片泵的瞬时流量是脉动的，所以当叶片数为4的倍数时脉动率小。

为此，双作用叶片泵的叶片数一般都取12或16。

这样可使流量均匀，因20以上数字太大，故在此次设计中，选用叶片数为Z=12b）实线为等加速修正曲线，点划线为正弦加速修正曲线图2-1 叶片数Z与ε的匹配Fig2-1 Number of leaves Z and εmatcha）1013Zε==过渡区叶片的ddρϕ值b）1415Zε==过渡区叶片的ddρϕ值2．1．2 叶片的厚度叶片的厚度在最大压力下（一般为额定压力的1.25倍），应有足够的强度和刚度，在强度和工艺条件允许的情况下应尽力减薄，使叶片底端面积减小，以减小叶片对定子的压紧力。

根据工艺条件，一般取S=（1.8~2.5）mm取值 S=2mm对于采用特殊叶片结构的高性能叶片泵，S 还取决于叶片压紧机构的需要。

2．1．3 叶片安放角s θ和径向高度L叶片前倾后，在进入压油区时，过流断面逐渐增大，还能起到油压的缓冲作用，这对改善叶片和转子体承受动载荷的状态是有一定好处的叶片前倾便于压回，叶片后倾便于抛出。

双作用叶片泵叶片前倾，防止了吸油区出现的叶片卡死情况，副作用是吸油区叶片受力情况变坏。

双作用定量叶片泵定子曲线是由四段不同半径的圆弧（R 、r ）与四条过渡曲线组成等加速曲线，在过渡曲线上及过渡曲线与圆弧的交接处，定子曲线给叶片的约束反力变化大，容易卡死，故而采取了叶片前倾。

图上叶片与OB 线间的夹角θ即为倾片倾角，NN 线是B 点的法线，叶片与法线间的角度γ为叶片在过渡曲线上的压力角，OB 与NN 线间的夹角β为向心线的压力角，由于压力角ψ是变数，为使过渡区各点受力比较均匀，可取 s θ=max 12ψ=10°为使叶片在转子槽内运动灵活以避免卡死，叶片留在槽内的最小高度，不应小于叶片的径向高度L 的23。

图2-2 叶片的安放角Fig2-2 Leaf blade's imposition angle2．2 定子的设计定子作为双作用叶片泵的一个部件，它的作用是很重要的，叶片泵的性能、寿命和效果都主要是由它决定的，定子表面是由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和四段过渡曲线八个部分组成，从外表来看，它的外面是一个正圆，而里面是一个不规则的孔，且定子和转子是同心的。

下面就从它的八部分来进行设计。

2．2．1 小半径与工作角定子的小半径是叶片收缩时候的区段，在这区段里由于叶片的收缩，正好是一个吸油和排油的分水段，当转子按图示方向旋转时,处在小圆弧上的密封空间经过渡曲线而运动到大圆弧的过程中,叶片外伸,密封空间的容积增大,要吸入油液;再从大圆弧经过渡曲线运动到小圆弧的过程中,叶片被定子内壁逐渐压进槽内,密封空间容积变小,将油液从压油口压出。

定子小半径的确定如下：r=z r +（0.5 ~1）mm=50mm式中 rz ──转子半径。

小半径r 的圆弧段的范围角2β≧2zπ=34°2．2．2 定子大半径与范围角定子大半径R 增大可使排量显著增加，其最大值受叶片不“脱空”条件和压力角限制。

设计中可取Rr =1.06 1.15取 R=55mm也可以根据流量来计算：222[()]cos t v v R rQ Q Bn R r ZS ηπηθ-==--展开并移项后，可得出关于R 的一元二次方程，其有意义的根为2b R a -=式中a=cos πθb=-SZc=2()cos 2vQrSZ r Bn πθη-+s θθ=B ──转子轴向宽度（m ）；Z ──叶片数；Q ──实际（额定）流量3(/)m s ；v η──容积效率；S ──叶片厚度(m);n ──泵的转速（rps ）。

一般大半径为R 的圆弧段范围角，为1β=2z π+（6°~8°）=36°2．2．3 过渡段由于大圆弧和小圆弧的半径不同而又共圆心，所以两者之间的连续需要曲线来进行连接，而这段曲线就是过渡段。

对过渡段的曲线修正方法有很多种，例如阿基米德螺线修正，等加（减）速修正、正余弦修正和高次型曲线修正等。

大小圆弧之间过渡曲线的形状和性质决定了叶片的运动状态，对泵的性能和寿命影响很大，所以定子曲线问题也就是大小圆弧之间连接过渡曲线的问题。

过渡段夹于大小圆弧之间，它的范围也是有大小圆弧段的范围角决定的，过渡段范围角大小如下：121[()]2απββ=--=89° 2．3 转子的设计2．3．1 转子半径转子作为与轴的连接部分，主要是力的承受着，叶片镶嵌在转子里，它承载着叶片，带动叶片做旋转运动，叶片同时在其中做伸缩运动，转子半径由花键轴颈0d 和叶片高度L 根据槽根部的强度确定，0d 取值为49mm ，转子半径确定为z r =（0.9~1）0d =49mm2．3．2 转子轴向宽度转子﹑叶片和定子都有一个共同的轴向宽度B ，B 增加可减少端面泄漏的比例，使容积效率增加，但B 增加会加大油窗孔的过流速度，转子轴向宽度B 与流量成正比。

在系列设计中，确定径向尺寸后，取不同的宽度B ，可获得一组排量规格不同的泵。

对于径向尺寸相同的泵，B 增大会使配油窗口的过流速度增大，流动阻力增大。

据统计资料可略取B=（0.45~1）r=0.5r=25mm式中 r ──定子小半径。

最终经验算油窗口的流速不要超过6~9m/s ，确定B 值。

2．4 配油盘的设计2．4．1 配油盘的封油角配油盘是泵的配油机构，从图3.17中可以看出，在配油盘的压油窗口上开有一个三角槽，它的作用主要是用来减小泵的流量脉动和压力脉动。