3.3 叶片泵
叶片泵也是一种常见的液压泵。根据结构来分，叶片泵有单作用式和双作用式两种。单作用式叶片泵又称非平衡式泵，一般为变量泵；双作用式叶片泵也称平衡式泵，一般是定量泵。
3.3.1 双作用式叶片泵
（1）工作原理
图3.8所示双作用式叶片泵是由定子6、转子3、叶片4、配流盘和泵体1组成的，转子与定子同心安装，定子的内曲线是由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧及四段过渡曲线所组成的，共有八段曲线。如图3.8所示，转子作顺时针旋转，叶片在离心力作用下径向伸出，其顶部在定子内曲线上滑动。此时，由两叶片、转子外圆、定子内曲线及两侧配油盘所组成的封闭的工作腔的容积在不断地变化，在经过右上角及左下角的配油窗口处时，叶片回缩，工作腔容积变小，油液通过压油窗口输出；在经过右下角及左上角的配油窗口处时，叶片伸出，工作腔容积增加，油液通过吸油窗口吸入。在每个吸油口与压油口之间，有一段封油区，对应于定子内曲线的四段圆弧处。
图3.8 双作用式叶片泵的工作原理
1—泵体；2—压油口；3—转子；4—叶片；5—吸油口；6—定子
双作用式叶片泵每转一转，每个工作腔完成吸油两次和压油两次，所以称其为双作用式叶片泵，又因为泵的两个吸油窗口与两个压油窗口是径向对称的，作用于转子上的液压力是平衡的，所以又称为平衡式叶片泵。
定子曲线是影响双作用式叶片泵性能的一个关键因素，它将影响叶片泵的流量均匀性、噪声、磨损等问题。定子曲线的选择主要考虑叶片在径向移动时的速度和加速度应当均匀变化，避免径向速度有突变，使得加速度无限大，引起刚性冲击；同时又要保证叶片在做径向运动时，叶片顶部与定子内曲线表面不应产生脱空现象。目前，常用的定子曲线有等加速-等减速曲线、高次曲线和余弦曲线等。
叶片泵在叶片数Z确定后，由每两个叶片所夹的工作腔所占的工作空间角度随之确定（360°/Z），该角度所占区域应在配流盘上吸油口与压油口之间（封油区内），否则会造成吸油口与压油口相通；而定子曲线中四段圆弧所占的工作角度应大于封油区所对应的角度，否则会产生困油现象。
（2）流量计算
双作用式叶片泵的排量计算是将工作腔最大时（相对应长半径圆弧处）的容积减去工作腔最小时（相对应短半径圆弧处）的容积，再乘以工作腔数的2倍。考虑到叶片在工作时所占的厚度，实际上双作用式叶片泵的流量可用式（3.10）计算：
（3.10）
式中 R——定子曲线圆弧的长半径；
r——定子曲线圆弧的短半径；
n——叶片泵的转速；
Z——叶片数；
B——叶片的宽度；
b——叶片的厚度；
θ——叶片的倾角（考虑到减小叶片顶部与定子曲线接触点的压力角，叶片朝旋转方向倾斜一个角度，一般θ=10°～14°）。
在双作用式叶片泵中，由于叶片有厚度，其瞬时流量是不均匀的，再考虑工作腔进入压油区时产生的压力冲击使油液被压缩（这个问题可以通过在压油窗口开设一个三角沟槽来缓解），因此，双作用式叶片泵的流量出现微小的脉动，实验证明，在叶片数为4的倍数时，流量脉动率最小，所以，双作用式叶片泵的叶片数一般为12或16片。
（3）双作用式叶片泵提高压力的措施
在双作用式叶片泵中，为了保证叶片和定子内表面紧密接触，一般都采取将叶片根部通入压力油的方法来增加压力。但这也带来一个另外的问题，就是压力使得叶片受力增加，加速了叶片泵定子内表面的磨损，影响了叶片泵的寿命，特别是对于高压叶片泵更加严重。为减小作用于叶片上的液压力，常用以下措施：
① 减小作用于叶片根部的油液压力。可以在泵的压油腔到叶片根部之间加一个阻尼孔或安装一个减压阀，以降低进入叶片根部的油液压力。
② 减小叶片根部的受压面积。可以采用如图3.9（a）所示的子母叶片，大叶片（母叶片）套在小叶片（子叶片）上可沿径向自由伸缩，两叶片中间的油室a通过油道b、c始终与压油腔相通，而小叶片根部通过油道d时与工作腔相通，母叶片只是受油室a中的油液压力而压向定子表面，由于减小了叶片的承压宽度，因此减小了叶片上的受力；还可以采用如图3.9（b）所示的阶梯叶片，同子母叶片一样，这种叶片中部的孔与压油腔始终相通，而叶片根部始终与工作腔相通，由于结构上是阶梯形的，因此减小了叶片的承压厚度，从而减小了叶片上所受的力。
图3.9 特殊叶片结构
1—转子；2—定子；3—大叶片；4—小叶片
③ 采用双叶片结构，如图3.10所示。这种叶片的特点是：在转子的每一个槽中安装有一对叶片，它们之间可以相对自由滑动，但在与定子接触的位置每个叶片只是外部一点接触，形成了一个封闭的V形储油空间，压力油通过两叶片中间的通孔进入叶片顶部，保证了在泵工作时使叶片上下的压力相等，从而减小了叶片所受的力。
图3.10 双叶片结构
1—叶片；2—转子；3—定子
3.3.2 单作用式叶片泵
（1）工作原理
单作用式叶片泵的工作原理如图3.11所示。泵的组成也是由转子1、定子2、叶片3、配流盘和泵体组成的。但是，单作用式叶片泵与双作用式叶片泵的最大不同在于：单作用式叶片泵的定子内曲线是圆形的，定子与转子的安装是偏心的。正是由于存在着偏心，因此由叶片、转子、定子和配油盘形成的封闭工作腔在转子旋转工作时才会出现容积的变化。如图3.11所示转子逆时针旋转时，当工作腔从最下端向上通过右边区域时，容积由小变大，产生真空，通过配流窗口将油吸入工作腔；而当工作腔从最上端向下通过左边区域时，容积由大变小，油液受压，从左边的配流窗口进入系统中去。在吸油窗口和压油窗口之间，有一段封油区，将吸油腔和压油腔隔开。
图3.11 单作用式叶片泵工作原理
1—转子；2—定子；3—叶片
由此可见，这种泵转子每转一转，吸油、压油各一次，因此称为单作用式叶片泵。这种泵的吸油窗口和压油窗口各一个，因此存在着径向不平衡力，所以又称非平衡式液压泵。
单作用叶片泵通过改变转子和定子之间的偏心距就可以改变泵的排量，因此来改变泵的流量。偏心距的改变可以是人工的，也可以是自动调节的。常见的变量叶片泵是自动调节的，自动调节的变量叶片泵又可分为限压式和稳流量式等。下面仅介绍限压式变量叶片泵。
（2）限压式变量泵
限压式变量泵分为内反馈式和外反馈式两种。内反馈式主要是利用单作用式叶片泵所受的径向不平衡力来进行压力反馈，从而改变转子与定子之间的偏心距，以达到调节流量的目的；外反馈式主要利用泵输出的压力油从外部来控制定子的移动，以达到改变偏心、调节流量的目的。这里只介绍外反馈限压式变量泵。
图3.12所示是外反馈限压式变量叶片泵的工作原理。图中所示转子1是固定不动的，定子3可以左右移动。在定子左边安装有弹簧2，在右边安装有一个柱塞油缸，它与泵的输出油路相连。在泵的两侧面有两个配流盘，其配流窗口上下对称，当泵以图示的逆时针旋转时，在上半部工作腔的容积由大到小，为压油区；而在下半部，工作腔的容积由小到大，为吸油区。
图3.12 外反馈限压式变量叶片泵工作原理图
1—转子；2—弹簧；3—定子；4—滑动支撑；5—柱塞；6—调节螺钉
泵开始工作时，在弹簧力Fs的作用下定子处于最右端，此时偏心距e最大，泵的输出流量也最大。调节螺钉6用以调节定子能够达到的最大偏心位置，也就是由它来决定泵在本次调节中的最大流量为多少。当液压泵开始工作后，其输出压力升高，通过油路返回到柱塞油缸的油液压力也随之升高，在作用于柱塞上的液压力小于弹簧力时，定子不动，泵处于最大流量；当作用于柱塞上的液压力大于弹簧力后，定子的平衡被打破，定子开始向左移动，于是定子与转子间的偏心距开始减小，从而泵输出的流量开始减少，直至偏心距为零，此时，泵输出流量也为零，不管外负载再如何增大，泵的输出压力也不会再增高了。因此，这种泵被称为限压式变量泵。图3.13为YBX型外反馈限压式变量泵的实际结构图。
图3.13 YBX型外反馈限压式变量泵
1—调节螺钉；2—弹簧；3—泵体；4—转子；5—定子；6—滑块；
7—泵轴；8—叶片；9—柱塞；10—最大偏心调节螺钉
如图3.14所示，限压式变量泵工作时的压力-流量特性曲线分为两段。第一段AB是在泵的输出油液作用于活塞上的力还没有达到弹簧的预压紧力时，定子不动，此时，对泵的流量的影响只是随压力增加而泄漏量增加，相当于定量泵。第二段BC出现在泵输出油液作用于活塞上的力大于弹簧的预压紧力后，转子与定子的偏心改变，泵输出的流量随着压力的升高而降低；当泵的工作压力接近于曲线上的C点时，泵的流量已很小，这时，压力已较高，泄漏也较多，当泵的输出流量完全用于补偿泄漏时，泵实际向外输出的流量已为零。
图3.14 限压式变量泵特性曲线
调节图3.13中所示的最大偏心调节螺钉10，即可以改变泵的最大流量，这时曲线AB段上下平移；通过调节螺钉1，即可调整弹簧预压紧力Fs的大小，这时曲线BC段左右平移；如果改变调节弹簧的刚度，则可以改变曲线BC段的斜率。
从上面讨论可以看出，限压式变量泵特别适用于工作机构有快、慢速进给要求的情况，例如组合机床的动力滑台等。此时，当需要有一个快速进给运动时，所需流量最大，正好应用曲线的AB段；当转为工作进给时，负载较大，速度不高，所需的流量也较小，正好应用曲线的BC段。这样，可以节省功率损耗，减少油液发热，与其他回路相比较，简化了液压系统。
3.3.3 双联叶片泵
（1）双级叶片泵
为得到更高的压力，可以采用两个普通压力的单级叶片泵装在一个泵体内，由油路的串联而组成如图3.15所示的双级叶片泵。在这种泵中，两个单级叶片泵的转子装在同一根传动轴上，随着传动轴一起旋转，第一级泵经吸油管直接从油箱中吸油，输出的油液就送到第二级泵的吸油口，第二级泵的输出油液经管路送到工作系统。设第一级泵输出的油液压力为p1，第二级泵输出的压力为p2，该泵正常工作时，应使p1=0.5p2。为了使在泵体内的两个泵的载荷平衡，在两泵中间装有载荷平衡阀，其面积比为1∶2，工作时，当第一级泵的流量大于第二级泵时，油压p1就会增加，推动平衡阀左移，第一级泵输出的多余的油液就会流回吸油口；同理，当第二级泵的流量大于第一级泵时，会使平衡阀右移，第二级泵输出的多余的油液流回第二级泵的吸油口。这样，使两个泵的载荷达到平衡。
图3.15 双级叶片泵系统
1—载荷平衡阀（活塞面积比1∶2）；2，3—叶片泵内部组件
（2）双联叶片泵
这种泵是将两个相互独立的泵并联装在一个泵体内，各自有自己的输出油口，该泵适用于机床上需要不同流量的场合，其两泵的流量可以相同，也可以不相同，这种泵常用于如图3.16所示的双泵系统中。
图3.16 采用复合泵的双泵供油系统
1—溢流阀；2—单向阀；3—小流量泵组件；4—大流量泵组件；5—轴；6—卸荷阀
目前，不少的厂家已将由这种泵组成的双泵系统及控制阀做成一体，其结构可参见图3.16，这种组合也称为复合泵。复合泵具有结构紧凑、回路简单等特点，可广泛应用于机床等行业。
3.3.4 叶片泵的优缺点
叶片泵具有输出流量均匀、运转平稳、噪声小等优点，特别适用于工作机械的中高压系统中，因此，在机床、工程机械、船舶、压铸及冶金设备中得到广泛的应用。但是，叶片泵的结构复杂，吸油特性不太好，对油液的污染也比较敏感。