第三节叶片泵和叶片马达.docx

第三节叶片泵和叶片马达.docx

《第三节叶片泵和叶片马达.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三节叶片泵和叶片马达.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第三节叶片泵和叶片马达

第三节叶片泵和叶片马达

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600～2000r/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

（一）单作用叶片泵的工作原理

图3-3-1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。

图3-3-1

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（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、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

图3-3-2所示的双作用叶片泵工作原理图由定子1、转子2、叶片3、传动轴4和配流盘等零件组成。

定子内表面由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和四段过渡曲线共八段曲线组成。

定子上的圆弧与转子同心，四条过渡曲线分别与配流盘上的四个配流窗口相对应。

图3-3-2

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

1.瞬时流量计算

由图3-3-2的双作用叶片泵的工作原理图可知：

假如叶片无限薄，当叶片在dt时间内转过dφ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。

然而实际上叶片是有厚度的。

在排油区，叶片两端均为高压，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

式中vi—叶片在过渡曲线上的径向速度，

；

双作用叶片泵的瞬时流量为：

图3-3-3

由上式可知，只要使

为常数，则双作用叶片泵的瞬时流量在理论上恒定不变。

是否为常数由定子过渡曲线和叶片的个数决定。

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。

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

2）双作用叶片泵的平均流量

三.双作用叶片泵的结构

图3-3-4为YB型双作用叶片泵的结构图。

泵的壳体分成左泵体8和右泵体9两部分，用四个螺钉连成一体。

左泵体内装有左右配流盘7、4，以及定子6。

左右配六盘压紧在定子的两个侧面上，有圆柱销使这三件固定在泵体8内，并保证了配六盘上吸、排油窗口位置与应的定子内控的过渡曲线（工作曲线）对准。

在左右配六盘与定子所组成的密封空间内有转子1，在转子上均匀的开有12条狭槽（小流量泵为10条狭槽），槽内装有叶片2，叶片与槽的配合间隙通常为0.01～0.02mm，因此叶片可在槽内滑动，转子通过内花键与传动轴3相连，传动轴的两端分别支撑在滚针轴承和滚珠轴承上。

工作时传动轴带动转子旋转。

图3-3-4

四.双作用叶片泵的结构分析

（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，其顶部首高压油压力的作用。

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，他与排油腔相通，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，而定部却与吸油腔相通，于是底部和顶部出现了很大的压力差，这一压差使叶片以很大地力压向定子内表面，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3-3-5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。

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，耳目叶片底部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，对定子内表面的作用力不会太大。

图3-3-5

图3-3-6

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示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。

图3-3-7

（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分力（图3—40）。

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部可靠。

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θ角（图3-3-8）以减小压力角，一般取θ=10°～14°，YB形双作用叶片泵θ=13°。

图3-3-8

现代理论从三个方面否定了上述叶片会发生摩擦自锁地分析：

1.一般双作用叶片泵的额定转速均在1500r/min以上，叶片在定子低压区所受到的侧向力与在高压区所受到的侧向力的方向是相反的，因此叶片在低压区和高压区侧向运动的方向是相反的，又由于双作用叶片泵转子每转吸、排油两次，故叶片侧向往复运动的次数达3000/min。

如此高的频率时叶片产生了高频震荡，由于高频的自动对中作用，使叶片与叶片槽之间不会发生干摩擦，叶片也不会在叶片槽中卡住。

2.在金属壁面与液体之间，存在着某种边界层。

与金属层直接接触的液体分子，由于分子力的作用而与金属表面粘附的相当牢，并且排列得很规则，在这分子层的外面又排列着另一层液体分子，这样一直深入液体相当一段距离，形成了边界层。

离固体壁面越远分子的排列越紊乱，分子间的结合力越小。

当叶片在侧向力的作用下向叶片槽壁面趋近时，需要逐渐将间隙中的液体挤出去。

由于间隙很小，且越靠近壁面时分子层的结合力越大，趋近的速度也越来越慢。

由于双作用叶片泵的叶片相对于叶片槽作高速往复运动，还未等叶片与金属表面接触，已经从其表面上滑过，所以叶片不会发生摩擦自锁。

3.引入叶片底部油液为叶片通过配流盘配流窗口以后的油液，其压力略小于排油腔的油液压力。

转速越高此差值越明显。

因此，在排油区推动叶片向心运动的除了定子内表面以外，还有液压力，这样叶片不会发生摩擦自锁。

许多叶片泵叶片径向布置仍能正常工作，证明上述分析的正确性。

（一）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

ρ=r+Cφ

根据边界条件：

当φ=α时，ρ=R得几分常数C为

C=（R－r）/α

故

式中ρ——叶片的矢径；

r——小圆弧半径；

φ——转子转角；

R——大圆弧半径；

α——过渡曲线范围角。

由上式可推得

由于dφ=ωdt，所以叶片的径向速度

可见叶片在阿基米德螺线上滑动时，当转子得角速度ω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……）。

时叶片泵的瞬时理论流量为常值。

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≤φ≤α/2

当α/2≤φ≤α时

图3-3-9为等加速等减速率过渡曲线图

图3-3-9

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r－L/2＞（d2ρ/dφ2），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。

此外，只要在低压区的叶片个数为偶常数就可以组合成

的情形（在加速区段和减速区段都有不变且相等的叶片个数存在，于是加、减速度抵消，其合速度为常值，此时叶片数应为Z=4（2n+1）），使叶片泵的瞬时流量为常值。

等加速率等减速率曲线的缺点是最大压力较偏大（压力角为

）。

由图3—31可知加速度在φ=0、φ=α/2和φ=α三点发生了突变，因而在这三个点造成“软冲现象”。

通常在三个软冲点处由三条清晰的磨痕。

3.高次曲线

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d3ρ/dt3（当转子角速度ω=常数时，d3ρ/dt3与d3ρ/dφ3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d2ρ/dt2均发生了突变，d3ρ/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（dρ/dt）和二阶导数（d2ρ/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

ρ=C3θ3+C4θ4+C5θ5

另一种为非对称形，相应的方程式为

ρ=C3θ3+C4θ4+C5θ5+C6θ6

式中ρ——过渡区定子曲线矢径长；

　　　θ——无因次量，θ=φ/α；

C3、C4、C5、C6——考虑边界条件及速度、加速度和d3ρ/dt3值的

系数。

另外双作用叶片泵配流盘的四个配流窗口大小相同、高压腔与高压腔和低压腔与低压腔相对转子对称布置，并且采用偶数均布叶片，因而在任意瞬时转子所受液压径向力时平衡的，为此这种叶片泵由被称为卸荷式叶片泵。

高压叶片泵常采用浮动配流盘，自动补偿端面间隙，提高容积效率。

五.单作用叶片泵的工作原理和结构特点

1.单作用叶片泵的工作原理

如图3-3-10所示为单作用叶片泵的工作原理图。

泵由转子、定子、叶片、配流盘和泵体等零件组成。

为了提高流量的均匀性，叶片数多为奇数。

定子为圆形，其中心相对转子中心存在偏心距e。

单作用叶片泵在工作时可通过调节偏心来改变排量，从而成为变量泵。

图3-3-10

转子在原动机的带动下高速旋转时，叶片在离心力和叶片根部高压油的推动之下，其顶部紧贴在定子内表面上滑动，于是转子定子和配流盘所形成的密封空间，被叶片分割成许多的密封工作腔。

当转子按照图示方向旋转时，在转子中心和定子中心连线的右侧，叶片向外伸出，处在右侧的工作腔增大，油箱中的液体在大气压力的推动之下，经过吸油管路、配流盘上的吸油窗口，进入工作腔，这就是泵的吸油过程。

在转子中心和定子中心连线的左侧，叶片在定子的强制作用下向叶片槽内缩回，处在左侧的工作腔收缩，容纳不了原有体积的液体，左侧工作腔中的部分液体被迫经配流盘的排油窗口、泵的排油口进入液压系统，这就是泵的排油过程。

由于在转子上均布着多个叶片，所以在任意瞬时右侧的吸油区和左侧的排油区都有叶片所形成的工作腔存在，于是当转子连续旋转时右侧容积连续的膨胀，左侧容积连续收缩，泵连续的吸入和排出液体。

4.单作用叶片泵的结构

单作用叶片泵又称变量叶片泵，它的变量形式很多，有手动变量，压力补偿变量，双向液压变量，以及恒流量变量等。

图3-3-11

图3-3-11为“内反馈变量叶片泵的工作原理，由于压油口的对称轴线相对oy轴偏斜一个角度α，由压对定子内表面的作用力N会产生一个水平分力N2作用在弹簧上，因N2与油压力成正比，随着油压上升，N2上升。

当N2超过弹簧的条顶压力后，弹簧被压缩，定子与转子的偏心矩e随之减小，泵的排量减小图3—34b为这种泵的压力、流量特性曲线。

改变弹簧的压缩量，就可以改变pb的数值，改变弹簧的刚度可以改变BC的斜率。

由于从泵的内部直接控制泵的排量的变化，所以称为：

“内反馈式”。

5.单作用叶片更的结构特点

在工作原理上和结构上单作用叶片泵与双作用叶片泵比较有如下特点：

1）转子中心与定子中心存在偏心矩e，单作用叶片泵通常使偏心矩可调，从而成为变量泵。

2）存在困油现象为了防止吸排油腔的沟通，配流盘的吸、排油窗口间的密封角大于相邻叶片的夹角。

当上述被封闭的容积发生变化时，会产生困油现象。

单作用叶片泵的困油现象部很严重，通过在配流盘的边缘开三角槽的方法可以消除困油现象。

有时还利用困油时封闭容积的被压缩过程，当困油容积中的液体由于被压缩而上升至接近额定压力时，接通排油腔，由于减小了接通排油腔瞬间的压差，所以降低了液压冲击和噪声。

3）片根部在排油区通高压油，在吸油区通低压油图。

这个措施解决了双作用叶片泵定子低压区的磨损问题。

4）叶片顺转向后倾（图3—35）。

由于采用了措施3叶片仅靠离心力亭子表面。

考虑叶片槽的方向应与叶片所受的哥氏力、叶片于定子间的摩擦力及叶片的离心力的合力方向一致，以免影响叶片在低压区的伸出。

5）转子承受径向力。

由于转子的一侧时高压腔一侧为低压腔，转子所受径向力是不平衡的，使得轴承负荷较大，泵的额定压力的提高收到了限制。

六.叶片马达

1.工作原理

如图2—36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

F1r1＞F2r2

pF1r1＞pF2r2

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-F2r2）

图3-3-12

当液压马达的高、低压油口对换，则图3—36的高、低压工作腔对换，叶片马达反向旋转。

2.叶片马达的结构特点

双作用叶片马达的结构如图3—37所示。

其结构特点如下：

图3—37叶片马达结构

1）马达叶片用扭力弹簧（又称燕式弹簧）将其推出，以避免气动式高低压串通。

弹簧5由销4固定。

2）叶片安放角θ=0；叶片顶端对称倒角，以适应正反转的要求。

3）叶片底部通高压油，将叶片压向定子内表面，以保证可靠的密封。

为了保证变换进出油口时，叶片的根部始终通高压油，用了一组特殊作用的单向阀（如图3—37下方示意图是其工作原理）。