第三节_叶片泵与叶片马达

1、第三节 叶片泵与叶片马达 叶片泵和叶片马达具有流量均匀、噪声低、体积 小、重量轻等优点；叶片泵的缺点是：对油液的污 染较敏感，因受叶片甩出力、吸油速度和磨损等因 素的影响，泵的转速范围受到一定的限制，一般在 6002000r/min中使用。中低压叶片泵的压力一般 为8MPa，高压叶片泵的压力可达32MPa。 通常将叶片泵分为单作用叶片泵和双作用叶片 泵两大类。单作用叶片泵是指转子转动一周任意相 邻两叶片所形成的密封工作容腔吸、排由各一次； 双作用叶片泵是指转子转动一周任意相邻两叶片所 形成的密封工作容腔吸、排由各两次。 一、叶片泵的工作原理 单作用叶片泵的工作原理 双作用叶片泵的工作原理 （一

2、）单作用叶片泵的工作原理 134 e 排油口 1-输入轴 2-转子 3-定子 4-叶片 吸油口 2 如图所示的单作用叶片泵工作原理图由输入轴1、 转子2、定子3、叶片4、配流盘（图中虚线表示其 配流窗口）、端盖等零件组成。叶片可在转子槽内 灵活的滑动。叶片多为奇数，以使流量均匀。定子 为圆形，其中心相对于转子中心存在着偏心矩e。 单作用叶片泵通常通过调整定子改变定子与转子之 间的偏心矩，改变泵的排量，从而成为变量泵。 转子、定子和配流盘所形成的密封空间，当输入轴 带动转子高速旋转时，叶片在离心力的作用下从叶 片槽内滑出，其顶部紧贴在定子内表面上滑动，于 是叶片把密封空间分割为许多的密封工作容腔

3、（有 几个叶片就有几个密封工作容腔）。当转子按照图 示方向旋转时，处于转子右侧的叶片在离心力的作 用之下向外伸出，因而处于右半侧的叶片所形成的 密封工作腔增大，产生真空，油箱中的液体在大气 压力的推动之下，经过吸油管路和配流盘右侧的配 流窗口填补真空。这就是单作用叶片泵的吸油过程。 在右半侧密封工作腔吸油的同时，处于转子左半侧 的叶片在定子的强制作用下向叶片槽内缩回，因而 处于左半侧叶片所形成的密封工作腔收缩，迫使其 内的部分液体经排油口进入液压系统。这就是单作 用叶片泵的排油过程。由于叶片在转子上是均部的， 故在任意瞬时吸油腔和排油腔都有叶片所形成的密 封工作腔存在，因此当转子连续旋转时，吸

4、、排有 腔的容积变化也是连续的，泵也就连续的吸入和排 出液体了。 （二）双作用叶片泵的工作原理 12345 1-定子 2-转子 3-叶片 4-传动轴 5-泵体 排油口吸油口 当输入轴带动转子高速旋转时，叶片在离心力和叶 片底部高压油的作用下，紧贴在定子内表面上滑动。 于是叶片把由转子、定子和配流盘（分前、后配流 盘）形成的密封容积分割为多个密封工作腔。叶片 在离心力和底部高压油的作用下，由短半径圆弧通 过过渡曲线向长半径圆弧过渡时，向外伸出。于是 对应于此位置由叶片、转子、定子所包容的工作腔 增大（此工作腔时刻在运动中），形成真空，油箱 中的液体在大气压力的推动之下，经吸油管路和配 流盘上的配

5、流窗口进入密封工作腔。叶片由长半径 圆弧向短半径圆弧过渡时，在定子的强制作用下向 叶片槽内缩回，于是对应于此位置由叶片、转子、 定子所包容的密封工作腔收缩，部分液体被强迫排 入液压系统。 由工作原理图可见转子转动一周，叶片伸缩两次， 任意两叶片所形成的密封工作腔进行了两次吸油和 两次排油，为此这种叶片泵被称为双作用叶片泵。 由于叶片在转子上均布，所以任意瞬时在排油区和 吸油区均有叶片形成的工作腔存在，于是当转子连 续旋转时，排油区容积在连续的收缩，吸油区容积 在连续的膨胀，泵可以连续的吸油和排油。 二.双作用叶片泵的流量计算 瞬时流量计算 平均流量计算 1.瞬时流量计算 由双作用叶片泵的工作原

6、理图可知：假如叶片无限 薄，当叶片在dt时间内转过d（d=dt）角度后， 叶片泵排出的液体体积为叶片在大半径圆弧扫过的 体积和叶片在小半径圆弧扫过的体积之差，即 dtrRBVd)( 22 然而实际上叶片是有厚度的。在排油区，叶片上下 两端均为高压，它的运动不产生吸、排油作用；在 吸油区，叶片的头部为吸油压力，叶片的底部的高 压油要用来推动叶片的伸出，所以泵的排油量应减 去这部分体积。因此叶片泵在dt时间内排出的液体 体积（图3-3-3所示）为 s 短半径圆弧 过渡曲线 长半径圆弧 r R i i s dt SB vdtrRBdV i n i i cos 2)( 1 22 vi叶片在吸油区过渡曲

7、线上的径向速度， dt d v i i 双作用叶片泵的瞬时流量为： ) cos (2)( 1 22 n i i i v BSrRB dt dV Q i n i s dt dBs rRB dt dV Q 1 22 cos 2 )( 由上式可知，只要使 n i i i v BS 1 cos 2 为常数，则双 作用叶片泵的瞬时流量在理论上恒定不变 。 n i i i v BS 1 cos 2 是否为常数由定子过渡曲线和叶片的 个数决定。适当的叶片数与相应的定子过渡曲线的 配合才能保证叶片泵的瞬时流量在理论上为常值。 2.双作用叶片泵的平均流量计算 1）排量 转子转动一周任意相邻两叶片所形成的工作腔均

8、进 行了两次吸油和两次排油，把它们排列起来刚好为 大半径圆弧和小半径圆弧所围的环形圆柱体的体积 的两倍。 )(2 2 2 rRBq 考虑吸油区叶片所占有的容积没有参加工作，双作 用叶片泵的排量为 22 2()2 cos 2 ()() cos Rr qB RrZBS SZ B RrRr 2）双作用叶片泵的平均流量 2()() cos Qqn SZ Bn RrRr 三. 双作用叶片泵的结构 A-A 排油口吸油口 A A 123457 8910 6 1-转子 2-叶片 3-传动轴 4-右配六盘 5-销钉 6-定子 7-左配流盘 8-左泵体 9-右泵体 10-连接螺钉 环形槽c 四. 双作用叶片泵的结

9、构分析 定子低压区的磨损问题 叶片的安放角 定子过渡曲线 （一）定子低压区的磨损问题 在工作中的双作用叶片泵的叶片，当他处在高压区 时，其顶部受高压油压力的作用。为了防止叶片在 高压区脱离定子内表面，保证叶片和定子内表面紧 密接触，叶片的底部往往与排油腔相通（图3-3-4 的槽c为配流盘上开设的环槽，它与排油腔相通， 高压油通过配流盘配流窗口c引入叶片底部）。 当叶片处在吸油区时，叶片的底部仍然与排油腔相 通，而顶部却与吸油腔相通，于是底部和顶部出现 了很大的压力差，这一压差使叶片和定子之间产生 较大的相互作 用力，加速了定子低压区的磨损，影响了泵的使用 寿命。随着泵的工作压力的提高着一问题更

10、加突出。 为此高压叶片泵采取了各种各样的措施，减小叶片 对定子的压紧力，减缓定子低压区的磨损。常用措 施有： 1.双叶片结构 如图所示，在每个叶片槽中安装两个叶片，叶片的 底部不与排油腔相通。两叶片的倒角部分构成从叶 片底部通向头部的V型油道，使作用在叶片底部和 顶部的液压力基本相等。槽内两叶片可以相对滑动， 以保证在任何位置两个叶片的头部都和定子内表面 接触。 低压孔 高压孔 通向叶片插入端的圆弧槽 a b c 2.子母叶片结构 如图3-3-6所示，母叶片3和子叶片4之间的油室e 始终与排油腔相通，而母叶片底部a腔则经转子1上 的孔c和所在的油腔相通。这样当叶片处在吸油区 时，对定子内表面的

11、作用力不会太大。 1 23 4 1-转子 2-定子 3-母叶片 4-子叶片 s b a e B c 3.阶梯叶片结构 如图3-3-7所示 ，排油腔始终同阶梯叶片和阶梯槽 之间的油室b相通，叶片底部通过流道c和a与所在 油腔相通。因此叶片处在吸油区时对定子内表面的 作用力也不会过大。这种结构由于叶片及槽的形状 较复杂，加工工艺性较差。 cb a （二）叶片的安放角 叶片底部通高压油后，保证了叶片与定子内表面的 紧密接触，也保证了叶片在低压区向外伸出。然而 对于处在排油区的叶片，其顶部受到定子内表面的 反作用推力和与滑动方向相反的摩擦力的作用，他 们的合力可分解为沿叶片槽方向的分力和垂直于叶 片的

12、分力。垂直分力在叶片与叶片槽的接触处产生 较大的摩擦力。叶片与定子内表面接触压力角越大， 垂直分力也越大，叶片与叶片槽之间的摩擦力也越 大，由于排油区叶片的底部也受到排油区压力的作 用，所以叶片的向心运动仅由定子对叶片的推力来 完成不可靠。 为了避免接触区压力角过大而造成叶片在槽中滑动 困难或产生摩擦自锁，叶片槽相对转子半径沿旋转 方向前倾角（图3-3-8）以减小压力角，一般取 =1014，YB形双作用叶片泵=13。 (三)定子过渡曲线 常见的定子过渡曲线油以下几种： a. 修正的阿基米德螺线； b. 等加速率等减速率曲线； c. 高次曲线。 1. 阿基米德螺线 阿基米德螺线的数学表达式为 =

13、 r +C 根据边界条件：当=时，=R得积分常数C为 C = (Rr)/ 故 rR r 由上式可推得 rR d d 由于d=dt，所以叶片的径向速度 rR dt d 可见叶片在阿基米德螺线上滑动时，当转子得角速 度为常值时，叶片的径向速度为常值，为此这种 曲线又称为等速运动曲线。 由双作用叶片泵的瞬时流量公式可知，过渡曲线采 用阿基米德螺线，转子旋转时，只要在低压区的叶 片个数为常值，则泵的瞬时流量理论上为常值。即 当叶片数Z为 式中 n自然数（1、2、3）。 此时叶片泵的瞬时理论流量为常值。 ) 1(4nZ 阿基米德螺线的缺陷：由于叶片在阿基米德螺线上 滑动时的径向速度为常数，在圆弧曲线上滑

14、动时的 径向速度为0，所以在过渡曲线与圆弧的连接点上 叶片的径向速度发生了突变（或者说过渡曲线与圆 弧没有公切线），叶片与定子发生硬性冲击。为此， 必须在阿基米德螺线与圆弧曲线的连接点附近对曲 线进行修正。阿基米德螺线近年来应用已经较少了。 2. 等加速率等减速率曲线 为了防止过渡曲线与圆弧曲线在连接点上的硬性冲 击，可以采用等加速率等减速率曲线。等加速率等 减速率曲线由两部分组成，前半部分为等价速率后 半部分为等减速率，且加速度的绝对值相等，这样 可保证与长、短半径圆弧都有公切线。等加速率等 减速率曲线的数学表达式为 当0/2 2 2 )(2 rR r 2 )(4rR d d 22 2 )(

15、4 rR d d 当/2时 2 2 )( )(2 rR R 2 2 )( )(4 rR d d 22 2 )(4 rR d d 等加速率等减速率区县的特点： 1）等加速率等减速率曲线是应用较广泛的一种曲 线，它的优点是在叶片不“脱空”的条件下（不脱 空的条件rL/2(d2/d2)，式中L是叶片的径向 长度，即使离心力大于叶片伸出运动的惯性力）， 可以得到最大的R/r值，这样采用此种曲线在体积 相同时可具有较大的排量 2）只要在低压区的叶片个数为偶常数就可以组合 成 常数 i d d 的情形，可使叶片泵的瞬时流量为 常值。因为定子过渡曲线上的叶片数为偶常数，则 在加速区段和减速区段都有不变且相等

16、的叶片个数 存在，于是加、减速度抵消，其合速度为常值。为 达此目的叶片数应为 Z=4(2n+1)） 式中 n自然数（n=1、2、3） 3）等加速率等减速率曲线的缺点是最大压力较偏 大。 4）由图3-3-9可知加速度在=0、=/2和= 三点发生了突变，造成惯性力的突变，通常这三处 有三条清晰的磨痕这种现象称为“软冲现象”。 3. 高次曲线 采用等加速率邓建速率的双作用叶片泵的噪声主要 来源于叶片和定子内表面的机械噪声。其原因是叶 片按定子曲线给出的轨道进行径向运动时，加速度 的变化将引起惯性力的变化。从震动角度看，这是 一种外界作用于叶片的冲击力。此力正比于三阶导 数d3/dt3(当转子角速度=

17、常数时，d3/dt3与 d3/d3成正比)，反映了运动的助振情况。等加 速率等减速率曲线在与圆弧的两个连接点和过渡曲 线的中点位置，加速度d2/dt2均发生了突变， d3/dt3为无穷大，发生激振。 此时叶片运动的平稳性受到破坏，叶片和定子内表 面发生撞击振动，产生噪声。为此希望定子曲线的 三阶导数的变化小，同时也满足对一阶导数 （d/dt）和二阶导数（d2/dt2）的要求。采用 高次方程曲线可对多个参数进行调整，以满足一定 的边界条件，又满足三阶导数特性及兼顾一、二阶 导数的变化。 适用于低噪声叶片泵定子曲线的高次方程有两种一 种为对称形，相应的方程式为 =C33+ C44+ C55 另一种

18、为非对称形，相应的方程式为 =C33+ C44+ C55+ C66 式中 过渡区定子曲线矢径长； 无因次量，=/； C3、C4、C5、C6考虑边界条件及速度、加速度 和d3/dt3值的 系数。 五 叶片马达 工作原理 结构特点 1 2 3 4 56 7 8 如图236所示为双作用叶片马达的工作原理图。 当叶片1、2、3所形成的工作腔为高压区时，叶片1、 3的单测和叶片2的两侧都受到高压油的作用。叶片 2两侧的作用力大小相等方向相反相互抵消。由于 叶片3处在长半径圆弧，叶片1处在短半径圆弧，所 以叶片3的受力面积（F1）大于叶片1的受力面积 (F2)；作用在叶片1上的液压力的作用点到回转中 心的距离（r1）大于作用在叶片1上的液压力的作 用点到回转中心的距离（r2）。所以 F1r1F2r2 pF1r1pF2r2 即液压力产生的顺时针方向的力矩大于逆时针方向 的力矩。叶片5、6、7形成的高压区产生的力矩与 上述大小相等方向相同，故液压马达的输出力矩M 为 M = 2p（F1r1- F2