对叶片泵叶片结构改进的探索

对叶片泵叶片结构改进的探索

胡小东徐强蔺唯君贾东亮

中国地质大学（武汉）机电学院

Explorationabouttheimprovementofthevanepump’svanestructure

HUxiao-dong,XUqiang,LINwei-qun,JIAdong-liang

ChinaUniversityofGeoscience,WuHan430074,China

摘要：本文通过对现有叶片泵磨损状况的分析，提出一种通过增加滚针来使滑动摩擦变为滚动摩擦的想法，并进行一定的定性分析，又根据大多数学者的观点，大胆的将叶片倾角改为零度，提高其加工工艺性。通过改进以期达到大大减小叶片与定子内表面的磨损，使叶片在吸压油区的受力状况得到改善，降低噪声，提高叶片泵的额定工作压力，增加叶片泵的寿命。

关键词：滑动摩擦；滚动摩擦；滚针；径向放置

Abstract:：ThroughanalysisofexistingabrasionsituationofVanePump,thisarticleputsforwardanideaofaddinganeedletoenabletheslidingfrictionintorollingfrictionandalsodosecertaindegreeofqualitativeanalysis.Inaddition,accordingtotheaspectofmostexpertise,thebladeangleischangedtozerobravelyinordertoimproveitsprocessofmachining.Becauseofthischange,theabrasionbetweenbladesandstator’sinnersurfaceislargelydecreased.Thisalsoamelioratestheforceconditionofbladesinsuctionpressureoilarea.Soastoreducethenoiseandincreasetherateworkingpressureandthelifeofvanepumps。

KeyWords：slidingfriction;rollingfriction;needleroller;radiallay

一、问题的提出

叶片泵广泛应用于完成各种中等负载的工作，特别是在金属切削机床液压系统中应用尤其广泛。叶片泵具有结构紧凑，体积小，瞬时流量脉动小，运行平稳，噪声小，容积效率较高，使用寿命长等优点；但是也存在结构复杂,吸油性能差，对油液污染比较敏感等缺点。

双作用叶片泵是通过转子的旋转，工作腔密封容积的改变来实现吸油和排油的。压油腔的压力油主要进入工作系统，还有一部分压力油进入叶片的根部，叶片在离心力和根部油液压力作用下伸出，使叶片与泵定子内表面之间产生作用力。叶片在压油腔时，作用在叶片根部压力油的压力与叶片顶部油液的压力相同。以此作用在叶片定子内表面的力较小。当叶片处在吸油腔时，叶片顶部受到吸油腔的压力，叶片根部受到压油腔的压力，这样叶片顶部与根部之间产生了很大的压力差，定子内表面与叶片之间的作用力也很大，转动时叶片与定子内表面之间产生较大的摩擦力，因而磨损严重，而且工作压力越大，磨损越严重。

叶片泵定子内表面与叶片顶廊的磨损是影响叶片泵寿命、噪声及压力升级的重要因素。因而，如何减小叶片磨损，一直是国内外相关专家研究的重点问题。

二、改进方案

为了减轻这种磨损，国内外许多专家曾作了一系列的研究，并提出了三种较为可行的改进方向：其一是加强材料强度，即选择定子材料、热处理及减少叶片厚度；其二是改进结构形状，如85年日本研究推出的PV2R系列叶片泵，叶片顶廊采用圆弧形状，可提高额定压力，降低噪声，其对圆弧顶廊叶片进行一系列试验，并得出了有意义的结果；其三是合理设计叶片倾角，传统理论认为，叶片槽前倾有利于叶片缩回，叶片槽后倾有利于叶片滑出，但叶片泵叶片倾角的选择关系到叶片与定子及转子的摩擦、磨损及泵的噪声，倾角究竟选择多大最为合理，一直是液压界的研究方向。

从理论上讲，如果双作用叶片泵采用合适的圆弧顶廊，可使叶片与定子间形成动压油膜，从而减少了磨损、降低噪声、增加其寿命。但不管是普通单面后倾型叶片、顶部为圆弧的后倾型叶片、对中圆弧型叶片、高压子母叶片、柱销叶片，其叶片顶端与定子内表面在相对运动的过程中所受的摩擦力均为滑动摩擦。

本文试图从改变摩擦机理出发，在转子顶端加一滚针，变滑动摩擦为滚动摩擦，以减小叶片顶端与定子内表面的磨损，从而更好的减小振动，降低噪声。

另外，我国设计制造的叶片泵转子叶片槽都设计了倾角，定量叶片泵叶片前倾13°，变量叶片泵叶片后倾20°～30°。定量叶片泵叶片前倾后，叶片在压油区的受力情况得以改善，但在吸油区的受力情况更加恶劣。许多学者经过论证，在过渡曲线为等加速等减速时，叶片倾角取零度时，叶片在吸压油区的平均受力状况会更好，对大多数学者已经论证的叶片倾角改为零度后，其叶片在吸压油区的受力状况将得到改善。

因此，本文设计方案大胆的将叶片顶端的滚针设计与叶片槽径向设计相结合，采用合理化的结构参数和符合要求的材料，以期达到在叶片槽径向设计时使叶片在整个运行过程中有良好的受力状况。改后其整体结构如右图：

三、可行性探索

针对上述创新设计，现做如下相关可行性分析。以径向叶片结构为基础，在叶片顶端开一个圆弧槽，装上一个与只有间隙配合的滚针，让泵在运转过程中通过滚针滚动所受滚动摩擦来代替现有叶片与顶子之间的滑动摩擦，以减小摩擦。其结构如下图所示：

说明：主视图中滚针圆柱顶端母线高出叶片顶端，以保证滚针在滚动过程中与叶片不脱离。

当然，以上只是理论上的假设，对于上述改进结构，真正实现以滚动摩擦代替滑动摩擦，还必须解决以下问题：一是滚针能否实现有效滚动；二是增加滚针后能否有效减小摩擦；三是此改进结构是否会造成严重漏油。先针对这些问题，对此创新方案的可行性进行进一步分析论证。

现对上述三个问题作以下定性分析，由滚针轴承的工作原理：在保持架的作用下，滚针和轴承内外圈保持接触，并且相对于内圈有一个固定的位置，内圈在轴的带动下旋转，从而带动滚针旋转。如果叶片泵在采用本文所提出的改进方案后，利用相对运动，将转子固定，而定子旋转，滚针在叶片底部高压油的作用下，紧压在定子内表面，又由于滚针和叶片凹槽是间隙配合，在运转的过程中会有吸压油区和端面泄漏的油液进入其中形成动压油膜，使滚针和叶片间形成液体动力润滑，滚针和叶片凹槽间的摩擦也很小。这样在定子转动的情况下，每个滚针相对固定在某个位置，从而使滚针实现滚动。使滚针和定子内表面的滑动摩擦变为滚动摩擦，滚针和叶片凹槽之间形成动压油膜，从而是摩擦状况大大减小。由于滚针与定子内表面之间为线接触，单面后倾叶片与定子内表面也为线接触，滚针长度可以设计成等于叶片宽度，这样就不存在在改进后增大了泄露的问题。

四、结语

以上分析论证表明，上述结构改进方案，具有相当的可行性。通过以上结构上的改进，以期达到减小叶片与定子内表面的磨损，使叶片在吸压油区的受力状况得到改善，并降低噪声，提高叶片泵的额定工作压力，增加叶片泵的使用寿命，使叶片泵有更加良好的综合性能。

参考文献：

何存兴、张铁华主编：《液压传动与气压传动》；华中科技大学出版社；

杜夹林主编：《液压传动与气动技术》；北京大学出版社；

黄安贻、董起顺主编：《液压传动与气压传动》；西南交通大学出版社；

雷方平.叶片泵的常见故障及机理分析.2008;考试周刊;

李少年,那焱青,王峥嵘,那成烈,梁金梅.高压叶片泵的三种类型叶片受力分析.2006年1月;西华大学学报·自然科学版;