3.3　葉片泵

葉片泵也是一種常見的液壓泵。根據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)分，葉片泵有單作用式和雙作用式兩種。單作用式葉片泵又稱非平衡式泵，一般為變量泵；雙作用式葉片泵也稱平衡式泵，一般是定量泵。

3.3.1　雙作用式葉片泵

（1）工作原理

圖3.8所示雙作用式葉片泵是由定子6、轉(zhuǎn)子3、葉片4、配流盤和泵體1組成的，轉(zhuǎn)子與定子同心安裝，定子的內(nèi)曲線是由兩段長(zhǎng)半徑圓弧、兩段短半徑圓弧及四段過(guò)渡曲線所組成的，共有八段曲線。如圖3.8所示，轉(zhuǎn)子作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，葉片在離心力作用下徑向伸出，其頂部在定子內(nèi)曲線上滑動(dòng)。此時(shí)，由兩葉片、轉(zhuǎn)子外圓、定子內(nèi)曲線及兩側(cè)配油盤所組成的封閉的工作腔的容積在不斷地變化，在經(jīng)過(guò)右上角及左下角的配油窗口處時(shí)，葉片回縮，工作腔容積變小，油液通過(guò)壓油窗口輸出；在經(jīng)過(guò)右下角及左上角的配油窗口處時(shí)，葉片伸出，工作腔容積增加，油液通過(guò)吸油窗口吸入。在每個(gè)吸油口與壓油口之間，有一段封油區(qū)，對(duì)應(yīng)于定子內(nèi)曲線的四段圓弧處。

1—泵體；2—壓油口；3—轉(zhuǎn)子；4—葉片；5—吸油口；6—定子

雙作用式葉片泵每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，每個(gè)工作腔完成吸油兩次和壓油兩次，所以稱其為雙作用式葉片泵，又因?yàn)楸玫膬蓚€(gè)吸油窗口與兩個(gè)壓油窗口是徑向?qū)ΨQ的，作用于轉(zhuǎn)子上的液壓力是平衡的，所以又稱為平衡式葉片泵。

定子曲線是影響雙作用式葉片泵性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，它將影響葉片泵的流量均勻性、噪聲、磨損等問(wèn)題。定子曲線的選擇主要考慮葉片在徑向移動(dòng)時(shí)的速度和加速度應(yīng)當(dāng)均勻變化，避免徑向速度有突變，使得加速度無(wú)限大，引起剛性沖擊；同時(shí)又要保證葉片在做徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉片頂部與定子內(nèi)曲線表面不應(yīng)產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。目前，常用的定子曲線有等加速-等減速曲線、高次曲線和余弦曲線等。

葉片泵在葉片數(shù)Z確定后，由每?jī)蓚€(gè)葉片所夾的工作腔所占的工作空間角度隨之確定（360°/Z），該角度所占區(qū)域應(yīng)在配流盤上吸油口與壓油口之間（封油區(qū)內(nèi)），否則會(huì)造成吸油口與壓油口相通；而定子曲線中四段圓弧所占的工作角度應(yīng)大于封油區(qū)所對(duì)應(yīng)的角度，否則會(huì)產(chǎn)生困油現(xiàn)象。

（2）流量計(jì)算

雙作用式葉片泵的排量計(jì)算是將工作腔最大時(shí)（相對(duì)應(yīng)長(zhǎng)半徑圓弧處）的容積減去工作腔最小時(shí)（相對(duì)應(yīng)短半徑圓弧處）的容積，再乘以工作腔數(shù)的2倍?？紤]到葉片在工作時(shí)所占的厚度，實(shí)際上雙作用式葉片泵的流量可用式（3.10）計(jì)算：

　　 （3.10）

式中　R——定子曲線圓弧的長(zhǎng)半徑；

r——定子曲線圓弧的短半徑；

n——葉片泵的轉(zhuǎn)速；

Z——葉片數(shù)；

B——葉片的寬度；

b——葉片的厚度；

θ——葉片的傾角（考慮到減小葉片頂部與定子曲線接觸點(diǎn)的壓力角，葉片朝旋轉(zhuǎn)方向傾斜一個(gè)角度，一般θ=10°～14°）。

在雙作用式葉片泵中，由于葉片有厚度，其瞬時(shí)流量是不均勻的，再考慮工作腔進(jìn)入壓油區(qū)時(shí)產(chǎn)生的壓力沖擊使油液被壓縮（這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在壓油窗口開設(shè)一個(gè)三角溝槽來(lái)緩解），因此，雙作用式葉片泵的流量出現(xiàn)微小的脈動(dòng)，實(shí)驗(yàn)證明，在葉片數(shù)為4的倍數(shù)時(shí)，流量脈動(dòng)率最小，所以，雙作用式葉片泵的葉片數(shù)一般為12或16片。

（3）雙作用式葉片泵提高壓力的措施

在雙作用式葉片泵中，為了保證葉片和定子內(nèi)表面緊密接觸，一般都采取將葉片根部通入壓力油的方法來(lái)增加壓力。但這也帶來(lái)一個(gè)另外的問(wèn)題，就是壓力使得葉片受力增加，加速了葉片泵定子內(nèi)表面的磨損，影響了葉片泵的壽命，特別是對(duì)于高壓葉片泵更加嚴(yán)重。為減小作用于葉片上的液壓力，常用以下措施：

① 減小作用于葉片根部的油液壓力。可以在泵的壓油腔到葉片根部之間加一個(gè)阻尼孔或安裝一個(gè)減壓閥，以降低進(jìn)入葉片根部的油液壓力。

② 減小葉片根部的受壓面積。可以采用如圖3.9（a）所示的子母葉片，大葉片（母葉片）套在小葉片（子葉片）上可沿徑向自由伸縮，兩葉片中間的油室a通過(guò)油道b、c始終與壓油腔相通，而小葉片根部通過(guò)油道d時(shí)與工作腔相通，母葉片只是受油室a中的油液壓力而壓向定子表面，由于減小了葉片的承壓寬度，因此減小了葉片上的受力；還可以采用如圖3.9（b）所示的階梯葉片，同子母葉片一樣，這種葉片中部的孔與壓油腔始終相通，而葉片根部始終與工作腔相通，由于結(jié)構(gòu)上是階梯形的，因此減小了葉片的承壓厚度，從而減小了葉片上所受的力。

③ 采用雙葉片結(jié)構(gòu)，如圖3.10所示。這種葉片的特點(diǎn)是：在轉(zhuǎn)子的每一個(gè)槽中安裝有一對(duì)葉片，它們之間可以相對(duì)自由滑動(dòng)，但在與定子接觸的位置每個(gè)葉片只是外部一點(diǎn)接觸，形成了一個(gè)封閉的V形儲(chǔ)油空間，壓力油通過(guò)兩葉片中間的通孔進(jìn)入葉片頂部，保證了在泵工作時(shí)使葉片上下的壓力相等，從而減小了葉片所受的力。

3.3.2　單作用式葉片泵

（1）工作原理

單作用式葉片泵的工作原理如圖3.11所示。泵的組成也是由轉(zhuǎn)子1、定子2、葉片3、配流盤和泵體組成的。但是，單作用式葉片泵與雙作用式葉片泵的最大不同在于：?jiǎn)巫饔檬饺~片泵的定子內(nèi)曲線是圓形的，定子與轉(zhuǎn)子的安裝是偏心的。正是由于存在著偏心，因此由葉片、轉(zhuǎn)子、定子和配油盤形成的封閉工作腔在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)工作時(shí)才會(huì)出現(xiàn)容積的變化。如圖3.11所示轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)工作腔從最下端向上通過(guò)右邊區(qū)域時(shí)，容積由小變大，產(chǎn)生真空，通過(guò)配流窗口將油吸入工作腔；而當(dāng)工作腔從最上端向下通過(guò)左邊區(qū)域時(shí)，容積由大變小，油液受壓，從左邊的配流窗口進(jìn)入系統(tǒng)中去。在吸油窗口和壓油窗口之間，有一段封油區(qū)，將吸油腔和壓油腔隔開。

由此可見，這種泵轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，吸油、壓油各一次，因此稱為單作用式葉片泵。這種泵的吸油窗口和壓油窗口各一個(gè)，因此存在著徑向不平衡力，所以又稱非平衡式液壓泵。

單作用葉片泵通過(guò)改變轉(zhuǎn)子和定子之間的偏心距就可以改變泵的排量，因此來(lái)改變泵的流量。偏心距的改變可以是人工的，也可以是自動(dòng)調(diào)節(jié)的。常見的變量葉片泵是自動(dòng)調(diào)節(jié)的，自動(dòng)調(diào)節(jié)的變量葉片泵又可分為限壓式和穩(wěn)流量式等。下面僅介紹限壓式變量葉片泵。

（2）限壓式變量泵

限壓式變量泵分為內(nèi)反饋式和外反饋式兩種。內(nèi)反饋式主要是利用單作用式葉片泵所受的徑向不平衡力來(lái)進(jìn)行壓力反饋，從而改變轉(zhuǎn)子與定子之間的偏心距，以達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的；外反饋式主要利用泵輸出的壓力油從外部來(lái)控制定子的移動(dòng)，以達(dá)到改變偏心、調(diào)節(jié)流量的目的。這里只介紹外反饋限壓式變量泵。

圖3.12所示是外反饋限壓式變量葉片泵的工作原理。圖中所示轉(zhuǎn)子1是固定不動(dòng)的，定子3可以左右移動(dòng)。在定子左邊安裝有彈簧2，在右邊安裝有一個(gè)柱塞油缸，它與泵的輸出油路相連。在泵的兩側(cè)面有兩個(gè)配流盤，其配流窗口上下對(duì)稱，當(dāng)泵以圖示的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，在上半部工作腔的容積由大到小，為壓油區(qū)；而在下半部，工作腔的容積由小到大，為吸油區(qū)。

泵開始工作時(shí)，在彈簧力F_s的作用下定子處于最右端，此時(shí)偏心距e最大，泵的輸出流量也最大。調(diào)節(jié)螺釘6用以調(diào)節(jié)定子能夠達(dá)到的最大偏心位置，也就是由它來(lái)決定泵在本次調(diào)節(jié)中的最大流量為多少。當(dāng)液壓泵開始工作后，其輸出壓力升高，通過(guò)油路返回到柱塞油缸的油液壓力也隨之升高，在作用于柱塞上的液壓力小于彈簧力時(shí)，定子不動(dòng)，泵處于最大流量；當(dāng)作用于柱塞上的液壓力大于彈簧力后，定子的平衡被打破，定子開始向左移動(dòng)，于是定子與轉(zhuǎn)子間的偏心距開始減小，從而泵輸出的流量開始減少，直至偏心距為零，此時(shí)，泵輸出流量也為零，不管外負(fù)載再如何增大，泵的輸出壓力也不會(huì)再增高了。因此，這種泵被稱為限壓式變量泵。圖3.13為YBX型外反饋限壓式變量泵的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖。

如圖3.14所示，限壓式變量泵工作時(shí)的壓力-流量特性曲線分為兩段。第一段AB是在泵的輸出油液作用于活塞上的力還沒有達(dá)到彈簧的預(yù)壓緊力時(shí)，定子不動(dòng)，此時(shí)，對(duì)泵的流量的影響只是隨壓力增加而泄漏量增加，相當(dāng)于定量泵。第二段BC出現(xiàn)在泵輸出油液作用于活塞上的力大于彈簧的預(yù)壓緊力后，轉(zhuǎn)子與定子的偏心改變，泵輸出的流量隨著壓力的升高而降低；當(dāng)泵的工作壓力接近于曲線上的C點(diǎn)時(shí)，泵的流量已很小，這時(shí)，壓力已較高，泄漏也較多，當(dāng)泵的輸出流量完全用于補(bǔ)償泄漏時(shí)，泵實(shí)際向外輸出的流量已為零。

調(diào)節(jié)圖3.13中所示的最大偏心調(diào)節(jié)螺釘10，即可以改變泵的最大流量，這時(shí)曲線AB段上下平移；通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘1，即可調(diào)整彈簧預(yù)壓緊力F_s的大小，這時(shí)曲線BC段左右平移；如果改變調(diào)節(jié)彈簧的剛度，則可以改變曲線BC段的斜率。

從上面討論可以看出，限壓式變量泵特別適用于工作機(jī)構(gòu)有快、慢速進(jìn)給要求的情況，例如組合機(jī)床的動(dòng)力滑臺(tái)等。此時(shí)，當(dāng)需要有一個(gè)快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，所需流量最大，正好應(yīng)用曲線的AB段；當(dāng)轉(zhuǎn)為工作進(jìn)給時(shí)，負(fù)載較大，速度不高，所需的流量也較小，正好應(yīng)用曲線的BC段。這樣，可以節(jié)省功率損耗，減少油液發(fā)熱，與其他回路相比較，簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)。

3.3.3　雙聯(lián)葉片泵

（1）雙級(jí)葉片泵

為得到更高的壓力，可以采用兩個(gè)普通壓力的單級(jí)葉片泵裝在一個(gè)泵體內(nèi)，由油路的串聯(lián)而組成如圖3.15所示的雙級(jí)葉片泵。在這種泵中，兩個(gè)單級(jí)葉片泵的轉(zhuǎn)子裝在同一根傳動(dòng)軸上，隨著傳動(dòng)軸一起旋轉(zhuǎn)，第一級(jí)泵經(jīng)吸油管直接從油箱中吸油，輸出的油液就送到第二級(jí)泵的吸油口，第二級(jí)泵的輸出油液經(jīng)管路送到工作系統(tǒng)。設(shè)第一級(jí)泵輸出的油液壓力為p₁，第二級(jí)泵輸出的壓力為p₂，該泵正常工作時(shí)，應(yīng)使p₁=0.5p₂。為了使在泵體內(nèi)的兩個(gè)泵的載荷平衡，在兩泵中間裝有載荷平衡閥，其面積比為1∶2，工作時(shí)，當(dāng)?shù)谝患?jí)泵的流量大于第二級(jí)泵時(shí)，油壓p₁就會(huì)增加，推動(dòng)平衡閥左移，第一級(jí)泵輸出的多余的油液就會(huì)流回吸油口；同理，當(dāng)?shù)诙?jí)泵的流量大于第一級(jí)泵時(shí)，會(huì)使平衡閥右移，第二級(jí)泵輸出的多余的油液流回第二級(jí)泵的吸油口。這樣，使兩個(gè)泵的載荷達(dá)到平衡。

（2）雙聯(lián)葉片泵

這種泵是將兩個(gè)相互獨(dú)立的泵并聯(lián)裝在一個(gè)泵體內(nèi)，各自有自己的輸出油口，該泵適用于機(jī)床上需要不同流量的場(chǎng)合，其兩泵的流量可以相同，也可以不相同，這種泵常用于如圖3.16所示的雙泵系統(tǒng)中。

目前，不少的廠家已將由這種泵組成的雙泵系統(tǒng)及控制閥做成一體，其結(jié)構(gòu)可參見圖3.16，這種組合也稱為復(fù)合泵。復(fù)合泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、回路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于機(jī)床等行業(yè)。

3.3.4　葉片泵的優(yōu)缺點(diǎn)

葉片泵具有輸出流量均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于工作機(jī)械的中高壓系統(tǒng)中，因此，在機(jī)床、工程機(jī)械、船舶、壓鑄及冶金設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。但是，葉片泵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，吸油特性不太好，對(duì)油液的污染也比較敏感。