双作用叶片泵：工作原理和应用

（1）双作用叶片泵的工作原理

双作用叶片泵的工作原理如图3.11 所示。它也是由定子、转子、叶片及配流盘（图中未画出）等组成。转子和定子中心重合，定子内表面为曲线，该曲线由两段长半径圆弧（R）、两段短半径圆弧（r）和4 段过渡曲线所组成。当转子转动时，叶片在离心力和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面；由叶片、定子内表面、转子外表面及两侧配流盘间形成若干个密封容积。当转子按图示方向旋转时，处在短半径圆弧上的密封容积经过渡曲线而运动到长半径圆弧的过程中，叶片向外伸出，密封容积增大，实现吸油；再从长半径圆弧经过渡曲线运动到短半径圆弧的过程中，叶片被定子内壁逐渐压进叶片槽内，密封容积变小，实现排油。因而转子每转一周，每个工作容积要完成两次吸油和压油，故称双作用叶片泵。这种叶片泵由于有两个吸油腔和两个压油腔，并且结构上是对称的，故作用在转子上的油液压力相互平衡，因此，双作用叶片泵又称卸荷式叶片泵。为了使径向力完全平衡，密封容积数（即叶片数）应为偶数。

（2）双作用叶片泵的排量和流量计算

双作用叶片泵的排量计算简图如图3.12 所示。转子转一周，两叶片间的容积吸油两次、排油两次。每个密封空间容积变化为M=V1-V2，当叶片数为z 时，转动一周所有叶片的排量为V=2zM，若不计叶片几何厚度，此值正好为环形体积的2 倍，故泵的排量为

式中　R——长半径圆弧的半径；

　　　r——短半径圆弧的半径；

　　　B——叶片宽度。

图3.12　双作用叶片泵排量计算简图

一般在双作用叶片泵中，叶片底部全部接通压力油腔，因而叶片在槽中作往复运动时，叶片槽底部的吸油和压油不能补偿由于叶片厚度所造成的排量减小，为此双作用叶片泵当叶片厚度为b、叶片安放的倾角为θ 时，其排量的精确计算公式为

因此，当双作用叶片泵的转速为n，泵的容积效率为ηV 时，泵的实际输出流量为

双作用叶片泵如不考虑叶片厚度，泵的输出流量是均匀的。但实际叶片是有厚度的，长半径圆弧和短半径圆弧也不可能完全同心，尤其是叶片底部槽与压油腔相通，故泵的输出流量将出现微小的脉动，但其脉动率较其他形式的泵（螺杆泵除外）小得多，并且在叶片数为4 的整数倍时最小。因此，双作用叶片泵的叶片数一般为12 或16 片。

（3）双作用叶片泵的结构特点

1）配流盘

双作用叶片泵的配流盘如图3.13 所示。在盘上有两个吸油窗口和两个压油窗口，窗口之间的弧长为封油区，通常应使封油区对应的中心角α 稍大于或等于两个叶片之间的夹角α1，否则会使吸油腔和压油腔联通，造成泄漏。当两个叶片间密封油液从吸油区过渡到封油区（长半径圆弧处）时，其压力基本上与吸油压力相同，但当转子再继续旋转一个微小角度时，该密封腔突然与压油腔相通，使其中油液压力突然升高，油液的体积突然收缩，压油腔中的油倒流进该腔，使液压泵的瞬时流量突然减小，引起液压泵的流量脉动、压力脉动和噪声。因此，在配流盘的压油窗口靠叶片从封油区进入压油区的一侧开有一个截面形状为三角形的三角槽（又称减振槽），使两叶片之间的油液通过该三角槽提前与压油腔相通，其压力逐渐上升，因而缓减了流量和压力脉动，并降低了噪声。环形槽c 与压油腔相通并与转子叶片槽底部相通，使叶片的底部作用有压力油。

图3.13　配流盘的封油角与减振槽

2）定子内曲线

定子内曲线是由4 段圆弧和4 段过渡曲线组成的。过渡曲线应保证叶片贴紧在定子内表面上，保证叶片在转子槽中径向运动时速度和加速度的变化均匀，使叶片对定子的内表面的冲击尽可能小。

过渡曲线如采用阿基米德螺旋线，则叶片泵的流量理论上没有脉动，但叶片在大小圆弧和过渡曲线的连接点处产生很大的径向加速度，对定子产生冲击，造成连接点处严重磨损，并发出噪声。在连接点处用小圆弧进行修正，可改善这种情况，在较为新式的液压泵中采用“等加速-等减速”曲线。

3）叶片的倾角

叶片在工作过程中，受离心力和叶片根部压力油的作用，使叶片和定子紧密接触。当叶片转至压油区时，定子内表面迫使叶片进入转子叶片槽内，它的工作情况和凸轮相似。叶片与定子内表面接触有一压力角φ，并且大小是变化的，其变化规律与叶片径向速度变化规律相同，即从零逐渐增加到最大，又从最大逐渐减小到零，因而在双作用叶片泵中，将叶片顺着转子回转方向前倾一个θ 角，使压力角减小到φ′，这样就可减小侧向力Fr，使叶片在槽中移动灵活，并可减少磨损，如图3.14 所示。根据双作用叶片泵定子内表面的几何参数，其压力角的最大值φmax≈24°，一般取θ=φmax/2。因此，叶片泵叶片的倾角θ 一般取10°~14°。YB 型叶片泵的叶片相对于转子径向连线前倾13°。

图3.14　叶片的倾角

4）提高双作用叶片泵压力的措施

转子旋转过程中，为保证叶片在离心力的作用下能可靠地甩出，一般双作用叶片泵的叶片底部通压力油。这就使处于吸油区的叶片顶部和底部的液压作用力不平衡，叶片顶部以很大的压紧力抵在定子吸油区的内表面上，使磨损加剧，影响叶片泵的使用寿命，尤其是工作压力较高时，磨损更严重，故吸油区叶片两端压力不平衡，限制了双作用叶片泵工作压力的提高。因此，在高压叶片泵的结构上必须采取措施，使叶片压向定子的作用力减小。常用的措施如下：

①减小作用在叶片底部的油液压力

将泵的压油腔的油通过阻尼槽或内装式小减压阀通到吸油区的叶片底部，使叶片经过吸油腔时，叶片压向定子内表面的作用力不致过大。(www.xing528.com)

②减小叶片底部承受压力油作用的面积

叶片底部受压面积为叶片的宽度和叶片厚度的乘积。因此，减小叶片的实际受力宽度和厚度，就可减小叶片受压面积。常见结构形式如下：

A.子母叶片方式

减小叶片实际受力宽度结构如图3.15（a）所示。这种结构中采用了复合式叶片（也称子母叶片），叶片分成母叶片3 与子叶片4 两部分。通过配流盘使a 腔总是接通压力油，引入母子叶片间的小腔f 内，而母叶片底部g 腔，则借助于油孔6，始终与顶部油液压力相同。这样，无论叶片处在吸油区还是压油区，母叶片顶部和底部的压力油总是基本相等的，当叶片处在吸油腔时，只有f 腔的高压油作用而压向定子内表面，减小了叶片和定子内表面间的作用力。

B.阶梯叶片方式

如图3.15（b）所示为阶梯叶片结构。这里阶梯叶片和阶梯叶片槽之间的油室d 始终和压力油相通，而叶片的底部e 腔和叶片所在腔相通。这样，叶片在d 室内油液压力作用下压向定子表面，因作用面积减小，使其作用力不致太大，但这种结构的工艺性较差。

C.平衡柱塞方式

如图3.15（c）所示，在缩短了的叶片底部专设一个小柱塞5，使叶片外伸的力主要来自作用在这一柱塞底部的排油腔压力内，适当设计该柱塞的作用面积，即可控制叶片在吸油区受到的外推力。

③使叶片顶端和底部的液压作用力平衡

如图3.15（d）所示的泵采用双叶片结构，叶片槽中由两个可作相对滑动的叶片组成，每个叶片都有一棱边与定子内表面接触，在叶片的顶部形成一个油腔a，叶片底部油腔6 始终与压油腔相通，并通过两叶片间的小孔c 与油腔a 相通，因此，使叶片顶端和底部的液压作用力得到平衡。适当选择叶片顶部棱边的宽度，可使叶片对定子表面既有一定的压紧力，又不致使该力过大。为了使叶片运动灵活，要求零件具有较高的制造精度。

图3.15　叶片泵高压化措施

1—转子；2—定子；3—母叶片；4—子叶片；5—柱塞

5）双级叶片泵和双联叶片泵

①双级叶片泵

为了要得到较高的工作压力，也可不用高压叶片泵，而用双级叶片泵，双级叶片泵是由两个普通压力的单级叶片泵装在一个泵体内在油路上串接而成的。如果单级泵的压力可达7.0 MPa，双级泵的工作压力就可达14.0 MPa。

双级叶片泵的工作原理如图3.16 所示。两个单级叶片泵的转子装在同一根传动轴上，当传动轴回转时就带动两个转子一起转动。第一级泵经吸油管从油箱吸油，输出的油液就送入第二级泵的吸油口，第二级泵的输出油液经管路向系统输出。

设第一级泵输出压力为p1，第二级泵输出压力为p2。正常工作时p2=2p1。但是，因两个泵的定子内壁曲线和宽度等不可能做得完全一样，故两个单级泵每转一周的容量就不可能完全相等。例如，第二级泵每转一周的容量大于第一级泵，第二级泵的吸油压力（也就是第一级泵的输出压力）就要降低，第二级泵前后压力差就加大，故载荷就增大；反之，第一级泵的载荷就增大。为了平衡两个泵的载荷，在泵体内设有载荷平衡阀。第一级泵和第二级泵的输出油路分别经管路1 和2 通到平衡阀的大端面和小端面，两端面的面积比=2。如第一级泵的流量大于第二级泵时，油液压力就增大，使p1A1 >p2A2，平衡阀被向右推，第一级泵的多余油液从管路1 经阀口流回第一级泵的进油管路，使两个泵的载荷获得平衡；如果第二级泵流量大于第一级泵时，油压p1 就降低，使p1A1 <p2A2，平衡阀被向左推，第二级泵输出的部分油液从管路2经阀口流回第二级泵的进油口而获得平衡，如果两个泵的容量绝对相等时，平衡阀两边的阀口都封闭。

图3.16　双级叶片泵的工作原理

1，2—管路

②双联叶片泵

双联叶片泵是由两个单级叶片泵装在一个泵体内在油路上并联组成。两个叶片泵的转子由同一传动轴带动旋转，有各自独立的出油口，两个泵可以是相等流量的，也可以是不等流量的。

双联叶片泵常用于有快速进给和工作进给要求的机械加工的专用机床中，这时双联泵由一小流量泵和一大流量泵组成，其流量可经组合切换得到3 种不同的流量，适用于那些进给及退回速度相差悬殊的加工设备中。当快速进给时，两个泵同时供油（此时压力较低）；当工作进给时，由小流量泵供油（此时压力较高），此时，大流量泵处于卸荷状态，这与采用一个高压大流量的泵相比，可节省能源，减少油液发热。

6）叶片泵的性能和应用

双作用定量叶片泵的最高工作压力可达28~30 MPa，略低于齿轮泵。单作用变量叶片泵的压力一般不超过17.5 MPa。

叶片泵的排量范围为0.5~4 200 mL/r，常用排量范围略为2.5~300 mL/r。常见变量叶片泵产品排量范围为120 mL/r。

小排量的双作用定量叶片泵的最高转速达8 000~10 000 r/min，但一般产品只有1 500~2 000 r/min，一般低于齿轮泵。常用单作用变量泵的最高转速约为3 000 r/min，但其同时还有最低转速的限制（一般为600~900 r/min），以保证有足够的离心力可靠地甩出叶片。

双作用定量叶片泵在额定工况下的容积效率可超过93%~95%，略低于齿轮泵，但前者机械效率较高，故两者的总效率相差无几。

传统上，叶片泵特别是变量叶片泵多用于固定安装的工矿设备和船舶上，但近年来不少行走机械也装用了高压定量叶片泵。各种金属加工机床广泛应用叶片泵作为液压油源，它们的液压系统一般功率不大（20 kW 以下），工作压力中等（常用2.5~8 MPa），而要求所使用的液压泵输出流量平稳、噪声低和寿命长，这正符合叶片泵的特点。在工程机械、重型车辆、船用甲板机械、航空航天设备上的应用也日渐增多。它们和内齿轮泵一起将成为今后高性能定量液压泵的主流产品。