单作用叶片泵的特点及应用场景

1.结构及工作原理

单作用叶片泵的结构如图2.4.1所示，由驱动轴1、转子2、定子3、叶片4、壳体5和配流盘6等组成。转子2的外表面和定子3的内表面均为圆柱面，定子和转子中心之间有偏心距e。转子上开有均布的向后倾斜的径向滑槽，矩形叶片4安装在转子滑槽内并可灵活伸缩。由于转子和定子间存在偏心距e，当转子旋转时，离心力及叶片底部压力油的液压力会使叶片紧靠在定子内壁，这样在定子、转子、叶片和两侧配流盘及端盖间就形成若干个密闭的工作容腔（通常为奇数个）。当转子旋转方向为逆时针时，在图中右部的各工作容腔逐渐增大，并通过配流盘上的吸油窗口吸油，所以右侧是吸油腔。在图中的左部，叶片被定子内壁逐渐压进槽内，工作容腔逐渐缩小，将油液从配流盘的排油口压出并输送到液压系统中，所以左侧是排油腔。在吸油腔和排油腔之间，有一段封油区，把吸油腔和排油腔隔开。这种叶片泵，转子每转一周，每个工作容腔完成一次吸油和一次排油，因此称为单作用叶片泵。转子不停地旋转，泵就连续不断地完成吸油和排油。

单作用叶片泵是通过位于转子两端的配流盘实现配流的，所以属于端面配流。图2.4.2为单作用叶片泵配流盘的实物图。

图2.4.1　单作用叶片泵结构图

1—驱动轴；2—转子；3—定子；4—叶片；5—壳体；6—配流盘

图2.4.2　单作用叶片泵配流盘实物图

与外啮合齿轮泵类似，这种泵的主轴及轴承受较大的不平衡径向力的作用，所以又称为非平衡式（或非卸荷式）液压泵。

2.排量

图2.4.3　单作用叶片泵排量计算示意图

单作用叶片泵的排量可以用图解法近似求出。图2.4.3为单作用叶片泵排量计算示意图。假定两叶片正好位于过渡区ab位置，此时两叶片间的空间容积最大，为V1。当转子沿图示方向旋转π弧度，转到定子cd位置时，此时两叶片间的空间容积最小，为V2，则两叶片间排出体积为ΔV的油液。当两叶片从cd位置沿图示方向再旋转π弧度回到ab位置时，两叶片间又吸满了体积为ΔV的油液。由此可见，转子旋转一周，两叶片间排出油液的体积为ΔV。当泵有z个叶片时，就排出z个ΔV体积的油液。若将各体积相加，就得到近似为圆柱形的体积，圆柱的大半径为R+e，小半径为R-e。因此，单作用叶片油泵的排量为

式中，R——定子的内径；

e——转子与定子之间的偏心距；

B——定子的宽度。

上述计算中并未考虑叶片的厚度以及叶片的倾角对排量的影响。实际上，单作用叶片泵的叶片底部小油室和工作油腔相通。当叶片处于吸油腔时，它和吸油腔相通，也参与吸油。当叶片处于压油腔时，它和压油腔相通，也向外压油。叶片底部的吸油和排油作用，正好补偿了工作油腔中叶片所占的体积，因此叶片对容积的影响可不考虑。

由式（2.4.1）可知，改变定子和转子之间的偏心距e便可改变泵的排量，所以单作用叶片泵可以做成变量泵。如果使偏心距e的方向改变，在泵轴旋转方向不变的情况下，泵的吸、排油方向互换，所以单作用叶片泵可以做成双向变量泵。

3.限压式变量叶片泵

单作用叶片泵排量的变化，需要依靠外力推动定子移动，改变偏心距e的大小来实现。限压式变量叶片泵就是利用泵的高压油产生的推力来改变偏心距e的大小，实现排量变化和限压的。根据高压油产生推力的方式不同，限压式变量叶片泵可以分为内反馈式和外反馈式两种。下面仅介绍外反馈限压式变量叶片泵。图2.4.4为其结构图。

图2.4.4　外反馈限压式变量叶片泵(www.xing528.com)

1—泵体；2—活塞；3—滑块；4—弹簧

图2.4.5（a）为外反馈限压式变量叶片泵的变量原理图，它能根据出口压力的大小自动调节泵的排量。图中转子1的中心是固定不动的，定子3可沿滑块滚针轴承4左右移动。定子右边有反馈柱塞5，它的油腔与泵的压油腔相通。设反馈柱塞的受压面积为Ax，则当作用在定子上的反馈力pAx小于作用在定子上的弹簧力Fx时，弹簧2把定子推向最右边，此时偏心距为初始偏心矩e0，泵的排量最大。流量调节螺钉6用以调节泵的初始偏心距e0，从而确定泵的初始排量。当泵的出口油压升高，使pAx＞Fx时，反馈活塞的液压作用力克服弹簧预紧力，推动定子左移距离x，使偏心距减小，泵的排量减小，继而输出流量随之减小。压力越高，偏心距越小，输出流量也越小。当压力达到使泵的输出流量全部用于补偿自身泄漏时，泵的对外输出流量为零，泵的输出压力不会再升高，所以这种泵被称为外反馈限压式变量叶片泵。

外反馈限压式变量叶片泵的静态特性曲线见图2.4.5（b）。在泵的排量不发生变化的AB段，随着压力的升高，实际输出流量因泄漏而减少。在变量BC段，泵的实际流量随着压力升高而迅速减小。B点为曲线的拐点，此处的压力主要由弹簧预紧力确定。

限压式变量叶片泵对既要实现快速行程，又要实现保压和工作进给的执行元件来说是一种合适的油源。快速行程需要大的流量，负载压力较低，正好使用其AB段直线部分。保压和工作进给时负载压力升高，需要流量小，正好使用其BC段曲线部分。

图2.4.5　外反馈限压式变量叶片泵

（a）变量原理图；（b）静态特性曲线
1—转子；2—弹簧；3—定子；4—滑块滚针轴承；5—反馈柱塞；6—流量调节螺钉

限压式变量叶片泵与定量叶片泵相比，结构复杂，轮廓尺寸大，做相对运动的部件较多，轴上承受不平衡的径向液压力较大，噪声大，容积效率、机械效率较低，但它能根据负载的大小自动调节排量及流量，在功率使用上较合理，可减少系统发热。对于有快速行程和工作行程要求的液压系统，采用限压式变量叶片泵（与采用双泵供油相比）可以简化系统。

4.单作用叶片泵的相关问题

1）流量脉动问题

单作用叶片泵也存在流量脉动问题。理论分析表明，叶片数越多，流量脉动系数越小。此外，奇数叶片泵的脉动系数比偶数叶片泵的脉动系数小，因此单作用叶片泵的叶片数均为奇数，一般为13片或15片。

2）困油现象及其解决措施

为了保证泵高、低压腔之间的密封，配流盘吸、排油窗口间的密封角略大于两相邻叶片间的夹角，而单作用叶片泵的定子不存在与转子同心的圆弧段，因此当上述被密闭的容腔发生变化时，会产生与齿轮泵相类似的困油现象。通常，通过在配流盘吸、排油窗口边缘开三角卸荷槽的方法来减轻困油现象（如图2.4.2配流盘上的三角槽结构）。

3）叶片沿旋转方向向后倾斜

叶片靠离心力紧贴定子表面，考虑到叶片上还受哥氏力和摩擦力的作用，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中滑出，叶片槽常加工成沿旋转方向向后倾斜一定的角度，一般为20°～30°。

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，是非卸荷式泵，驱动轴及轴承负荷较大，使泵的工作压力和排量的提高均受到限制。