叶片泵的结构较齿轮泵复杂,但其工作压力较高,且流量脉动小,工作平稳,噪声较小,寿命较长,故被广泛应用于专业机床、自动线等中低压液压系统中。叶片泵分单作用叶片泵(变量泵,最大工作压力为 7.0 MPa)和双作用叶片泵(定量泵,最大工作压力为 7.0 MPa)。
如图 3.12 所示为是单作用叶片泵的工作原理。定子的内表面是一个圆柱形孔,转子 1 和定子 2 有偏心距e。在配流盘上开有两个腰形的配流窗口,其中一个与吸油口相通,为吸油窗口a;另一个与压油口相通,为压油窗口b。叶片 3 在转子的槽内可灵活滑动。当转子由轴带动按图示方向旋转时,叶片在离心力的作用下,随转子转动的同时,向外伸出,叶片顶部紧贴在定子内表面上,于是两相邻叶片、配油盘、定子和转子间便形成了一个个密封的工作腔。右侧的叶片向外伸出,密封工作腔容积逐渐增大,产生真空,于是通过吸油口和配油盘上窗口a将油吸入。而在图的左侧叶片往里缩进,密封工作腔容积逐渐缩小,密封腔中的油液经配油盘另一窗口b和压油口 1 被压出而输出到系统中。这种泵在转子转一转过程中吸油、压油各一次,故称单作用式叶片泵。因这种泵的转子受有单向的径向不平衡力,故称非平衡式叶片泵。如改变定子和转子之间的偏心距,便可改变泵的排量而成为变量泵。
图 3.12 单作用叶片泵的工作原理
1—转子;2—定子;3—叶片
当叶片泵的转速为n、泵的容积效率为η V 时,理论流量和实际流量分别为
q t = Vn = 4πReBn
q = q t η V = 4πReBnη V
①叶片后倾。
②转子上受有不平衡径向力,压力增大,不平衡力增大,不宜用于高压。
③均为变量泵结构。
单作用叶片泵的流量是有脉动的。理论分析表明,泵内叶片数越多,流量脉动率越小。奇数叶片泵的脉动率比偶数叶片泵的脉动率小。因此,单作用的叶片数均为奇数,一般为 13 或15 片。
双作用叶片泵的工作原理如图 3.13 所示。它由定子 1、转子 2、叶片 3 及配油盘(图中未画出)等组成。
图 3.13 双作用叶片泵的工作原理
1—定子;2—转子;3—叶片
转子和定子中心重合,定子内表面近似为椭圆柱形。该椭圆形由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和 4 段过渡曲线所组成。当转子转动时,叶片在离心力和(建压后)根部压力油的作用下,在转子槽内向外移动而压向定子内表面,由叶片、定子的内表面、转子的外表面和两侧配油盘间就形成若干个密封空间。当转子按图示方向顺时针旋转时,处在小圆弧上的密封空间经过渡曲线而运动到大圆弧的过程中,叶片外伸,密封空间的容积增大,要吸入油液;再从大圆弧经过渡曲线运动到小圆弧的过程中,叶片被定于内壁逐渐压过槽内,密封空间容积变小,将油液从压油口压出。因此,转子每转一周,每个工作空间要完成两次吸油和压油,称为双作用叶片泵。这种叶片泵由于有两个吸油腔和两个压油腔,并且各自的中心夹角是对称的,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,密封空间数(即叶片数)应是双数。
由于转子在转一周的过程中,每个密封空间完成两次吸油和压油。因此,当定子的大圆弧半径为R、小圆弧半径为r、定子宽度为B、两叶片间的夹角为弧度β = 2π/z时,每个密封容积排出的油液体积为半径为R和r、扇形角为β、厚度为B的两扇形体积之差的 2 倍。在不考虑叶片的厚度和倾角影响时,双作用叶片泵的排量为
①叶片倾角。沿旋转方向前倾 10° ~ 14°,以减小压力角。
②叶片底部通以压力油,防止压油区叶片内滑。
③转子径向负荷对称,轴承寿命长。
④防止压力跳变,配油盘上开有三角槽(眉毛槽),同时避免困油。
⑤双作用泵不能改变排量,只作定量泵用。
限压式变量叶片泵是单作用叶片泵。根据前面介绍的单作用叶片泵的工作原理,改变定子和转子间的偏心距e,就能改变泵的输出流量。限压式变量叶片泵能借助输出压力大小自动改变偏心距e的大小来改变输出流量。当压力低于某一可调节的限定压力时,泵的输出流量最大;当压力高于限定压力时,随着压力的增加,泵的输出流量线性地减少。其工作原理如图 3.14 所示。其中,1 为转子,在转子槽中装有叶片,2 为定子,3 为配油盘上的吸油窗口,8 为压油窗口,9 为调压弹簧,10 为调压螺钉,4 为柱塞,5 为螺钉。泵的出口经通道 7 与柱塞缸 6相通。在泵未运转时,定子在调压弹簧9 的作用下,紧靠柱塞4,并使柱塞4 靠在螺钉5 上。这时,定子和转子有一偏心量e 0 。调节螺钉 5 的位置,便可改变e 0 。
图 3.14 CB-B齿轮泵的结构
1—转子;2—定子;3—吸油窗口;4—柱塞;5—螺钉;6—柱塞缸;7—通道;8—压油管口;9—调压弹簧;10—调压螺钉
当泵的出口压力p较低时,则作用在柱塞 4 上的液压力也较小。若此液压力小于上端的弹簧作用力,当柱塞的面积为A、调压弹簧的刚度为k s 、预压缩量为x 0 时,有
p A < k s x 0
此时,定子相对于转子的偏心量最大,输出流量最大。随着外负载的增大,液压泵的出口压力P也将随之提高。当压力升至与弹簧力相平衡的控制压力时,有
p B = k s x 0
当压力进一步升高,就有p A > k s x 0 ,这时若不考虑定子移动时的摩擦力,液压作用力就要克服弹簧力推动定子向上移动,随之泵的偏心量减小,泵的输出流量也减小。 p B 称为泵的限定压力,即泵处于最大流量时所能达到的最高限定压力,调节调压螺钉 10,可改变弹簧的预压缩量x 0 ,即可改变p B 的大小。设定子的最大偏心量为e 0 ,偏心量减小时,弹簧的附加压缩量为x,则定子移动后的偏心量e为
e = e 0 - x 0
定子的受力平衡方程式为
p A = k s (x 0 + x)
可知,泵的工作压力越高,偏心量越小,泵的输出流量也越小。
如图 3.15 所示为限压式变量叶片泵的特性曲线。
图 3.15 限压式变量叶片泵的特性曲线
AB段:工作压力p < p B ,输出流量q A 不变,但供油压力增大,泄漏流量q 1 也增加,故实际流量q减少。
BC段:工作压力p > p B ,弹簧压缩量增大,偏心量减少,泵的输出流量减少。当定子的偏心量e = 0,则p C = p max ,此时的压力为截止压力。调节弹簧的刚度k s ,可改变BC段的斜率。