高压叶片泵的现状及其展望

第６期（总第１９期）２００６年１１月

ＦｌｕｉｄＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ

Ｎｏ．６（ＳｅｒｉａｌＮｏ．１９）

Ｎｏｖ．，２００６

高压叶片泵的现状及其展望

马文澄

（上海丹尼逊液压有限公司

上海

２０００２０）

摘要：该文全面叙述了高压叶片泵的发展史及其应用，对现有七种高压叶片泵（圆弧头叶片式、双叶片式、阶梯叶片式、母子叶片式、弹簧叶片式、柱销叶片式、定比减压阀式）分别论述了特征描述、卸载原理、叶片受力分析及主要优缺点。关键词：液压传动；液压泵；高压叶片泵；结构中图分类号：ＴＨ１３７

文献标识码：Ｂ

文章编号：—————————————（２００６）０６－０００１－００６

ＩＳＳＮ１６７２－８９０４

ＣＮ３１－１９２１／ＴＨ

１引言

１．１应用

高压低能耗是现代工业产品的一大特征———液压传动与控制技术的广泛应用；

高速、高压、低噪声液压泵是新一代机床、船舶、冶金、轻工与工程机械液压系统配套的必需产品；

液压泵是一种将电动机或发动机的旋转机械能转换成容积式流体能的装置，并通过控制元件来实现液压机械的自动化或半自动化；

叶片泵因噪声低、寿命长、压力脉动小、自吸性能较好而优越于齿轮泵（外啮合式）和柱塞泵。１．２发展史

半个世纪前ＶＩＣＫＥＲＳ开创了圆形叶片泵（压力７ＭＰａ、排量７～２００ｍＬ／ｒ、转速６００～１８００ｒ／ｍｉｎ），首先用于机床液压传动。为满足二次大战战舰配套需要，ＶＩＣＫＥＲＳ又发展了方型叶片泵（压力１０．５ＭＰａ）。

上世纪７０～８０年代，美国、德国、日本等相继研制成功了弹簧叶片叶片泵、双叶片叶片泵、母子叶片泵、圆弧头叶片泵、柱销叶片泵和定比减压阀叶片泵等各类中高压叶片泵（压力１６～２１ＭＰａ）。

上世纪末，以ＤＥＮＩＳＯＮ为代表的柱销式高压叶片泵（压力２４～３２ＭＰａ、排量５．８～２６８ｍＬ／ｒ、转速６００～３６００ｒ／ｍｉｎ）进入全球液压产品市场并取得液压界的关注。

高压叶片泵的分类，则是按卸除部分叶片对定子内曲面作用力的不同结构形式来区分。

卸除叶片根部的部分负载，减少叶片对定子内曲面接触比压的不同结构设计，便是各种形式高压叶片泵的类别。２．１接触比压Ｎ

叶片对定子内曲面的接触比压可用下式表示：

Ｎ＝

Δｐ（ｂ０ｔ０）

ｋｇｆ／ｃｍ）ｂ

式中ｂ为叶片接触定子的长度ｃｍ；Δｐ为叶片根部与头部之压力差ｋｇｆ／ｃｍ２；ｂ０为Δｐ作用的叶片长度ｃｍ；ｔ０为Δｐ作用的叶片厚度ｃｍ。

一般可取Ｎ≤２４ｋｇｆ／ｃｍ２．２高压叶片泵的分类

世界上现有七种高压叶片泵：圆弧头叶片式高压叶片泵；双叶片式高压叶片泵；阶梯叶片式高压叶片泵；母子叶片式高压叶片泵；弹簧叶片式高压叶片泵；柱销叶片式高压叶片泵；定比减压阀式高压叶片泵。

３圆弧头叶片式高压叶片泵简介

２高压叶片泵的分类

在液压泵零件机械强度足够与液压泵密封性可靠的情况下，叶片泵的高压化取决于叶片与定子这对摩擦副的寿命。

收稿日期：２００６－

０１－１２

３．１典型产品

美国ＥａｔｏｎＶｉｃｋｅｒｓ＼ＰａｒｋｅｒＤｅｎｉｓｏｎ＼大连

双液压件厂生产的Ｖ１０，Ｖ２０＼ＳＤＶ１０，ＳＤＶ２０单、

联系列叶片泵（１７．５ＭＰａ）。

日本Ｙｕｋｅｎ的ＰＶ２Ｒ系列叶片泵（２１ＭＰａ）。德国ＺＦ的动力转向叶片泵（１０．５～１４ＭＰａ）＼大连液压件厂的动力转向叶片泵Ｖ１０Ｆ，Ｖ２０Ｆ（１０．５～１７．５ＭＰａ）。

２２００６年第６期

３．２特征描述

叶片头部呈圆弧轮廓的矩形高速钢叶片，其厚度一般在１．４～２．０ｍｍ。３．３卸载原理

圆弧头叶片改善了叶片与定子内曲面的接触状况，由剪切改成滚压，提高油膜承载能力。

减薄叶片厚度，以增大高速高压下叶片作用于定子内曲面所允许承受的接触比压。一般取Ｎ＝３４ｋｇｆ／ｃｍ。

该结构可提高工作压力至１４～１７．５ＭＰａ。３．４叶片受力分析（见图１）

背地配置在转子槽内；

两叶片相对转子槽侧面的滑动和两叶片相互间的滑动是液压泵内的二对摩擦副。４．３卸载原理

利用两片叶片的三面倒角组成的叶片头部与两侧面的Ｖ形油道，使作用于叶片根部油压同时传递到头部，从而卸除部分对定子内曲面的顶力。

双叶片式结构的顶力为：Ｐ＝Δｐｂ（０ｔ１－ｔ２）＝１／２Δｐｂ０ｔ１

式中，ｔ１为叶片宽度；ｔ２＝１／２ｔ１，Δｐ作用的Ｖ形油道的倒角宽度。

该结构可卸除叶片顶力的一半，故该泵的设计压力较圆形叶片泵（压力７ＭＰａ）提高一倍。４．４叶片受力分析（见图３）

（ａ）吸油区（ｂ）吸排油过渡区图１叶片受力分析

（ｃ）排油区

３．５主要优缺点

结构简单，便于加工，制造成本低；因泵内仅一对滑动摩擦副，液压泵运转性能稳定，噪声低；

受许用接触比压值的限制，该结构液压泵难以大幅度提高其最高工作压力。

（ａ）吸油区（ｂ）吸排油过渡区图３叶片受力分析

（ｃ）排油区

４双叶片式高压叶片泵简介

４．１典型产品

德国ＢｏｓｃｈＲｅｘｒｏｔｈ的Ｖ２系列叶片泵（１７．５ＭＰａ），德国ＢｏｓｃｈＲｅｘｒｏｔｈ＼秦川液压件厂的Ｖ４系列变量叶片泵（１６ＭＰａ）。

该结构是最早投入市场应用的高压叶片泵，其技术归ＰａｒｋｅｒＨａｎｎｉｆｎ所有。４．２特征描述（图２）

两片形状相同的带有三面倒角的叶片，被背靠

４．５主要优缺点

结构简单，加工最简易，制造成本低；因叶片磨损后会减小ｔ２值，从而增加叶片对定子内曲面的顶力，加剧其磨损；

通常，该设计能升高工作压力至１４～１７．５ＭＰａ。

５阶梯叶片式高压叶片泵简介

５．１典型产品

航天飞行器液压系统用高速高压叶片泵（转速可达每分种几万转）。５．２特征描述（图４）

ｔ１

ｔ２

图４阶梯叶片式高压叶片泵

２呈一级阶梯形的矩形叶片与呈一级反向阶梯形的转子槽相匹配；

２００６年１１月马文澄：高压叶片泵的现状及展望３

个与配油盘排油沟槽相通的台阶油室。

５．３

卸载原理

利用叶片与转子槽台阶间的狭窄压力油室的油，来卸载叶片作用于定子内曲面的顶力；

阶梯叶片式结构的顶力为：Ｐ＝Δｐｂ０ｔ２

式中，ｔ２＝１／ｎｔ１，Δｐ作用的狭窄压力油室厚度，ｔ１为叶片厚度。

该液压泵设计的最高压力较圆形叶片泵提高ｔ１／ｔ２倍。

５．４叶片受力分析（见图５）

滑配合，厚度与母叶片相同。

６．３卸载原理

位于转子槽内作相对滑动的母子叶片，其两者间凹槽所包络的压力油室内，始终存在着一个与配油盘排油沟槽相通的油压，卸除了部分叶片作用于定子内曲面的顶力。母子叶片式结构的顶力为：

Ｐ＝Δｐｂ０ｔ１

式中，ｂ０为子叶片长度。

在母子叶片结构中，一般取ｂ０＝（１／３～１／４）ｂ１，ｂ１

为母叶长度。则该液压泵设计的理论压力较圆形叶片泵可提高３～４倍。６．４叶片受力分析（见图７）

（ａ）吸油区（ｂ）吸排油过渡区图５叶片受力分析

（ｃ）排油区

（ａ）吸油区

（ｂ）吸排油过渡区图７叶片受力分析

（ｃ）排油区

５．５主要优缺点

具有良好的性能稳定性，外形尺寸小，重量轻；

因叶片与转子的阶梯平面间是滑动配合，需要很高的形状与位置精度，相应要求提供很高的机械加工水平；

但该结构未能向市场提供商品化产品。

６母子叶片式高压叶片泵简介

６．５主要优缺点

Ｖｉｃｋｅｒｓ母子叶片泵运转性能稳定，噪声较低，是较早在国内获得应用的一种高压叶片泵；

该结构的转子、叶片与双金属配油盘零件加工工艺较复杂，生产成本较高；

该泵的泵体定位在配油盘上，其连接刚性较差。

６．１典型产品

美国ＥａｔｏｎＶｉｃｋｅｒｓ／南京金城集团叶片泵分厂／广东广液实业股份有限公司生产的Ｖ系列叶片泵（１７．５ＭＰａ）与ＶＱ系列叶片泵（２１ＭＰａ）；日本东京计器的ＳＱＰＳ系列叶片泵（１７．５ＭＰａ）。美国ＳｐｅｒｒｙＶｉｃｋｅｒｓ的专利技术。６．２特征描述（图６）

ｂ１

７弹簧叶片式高压叶片泵简介

７．１典型产品

美国Ａｂｅｘ－Ｄｅｎｉｓｏｎ的ＴＭＢ，ＴＭＣ系列叶片泵（１４ＭＰａ）。７．２特征描述（图８）

图８弹簧叶片式高压叶片泵

ｂ０

图６母子叶片式高压叶片泵

矩形大叶片称母叶片，其下端有一个小的矩形

矩形叶片的顶面与两侧面为弧形凹槽。叶片下

部一般有３个放置圆柱螺旋弹簧的座孔，３个圆柱螺旋弹簧放置在叶片下部的座孔内。

４２００６年第６期

该结构是用弹簧力来实现叶片对定子内表面接触比压的控制。弹簧叶片因其顶部与两侧的凹槽组成的环形油路，使叶片始终处于径向或轴向的液力平衡状态。叶片对定子内表面的顶力，无论是在吸油区、吸－排油区都是弹簧力加离心力。选择合适的弹簧回弹特性，便能有效降低接触比压，从而实现高压化。

７．４叶片受力分析（见图９）

８．３卸载原理

位于转子柱销孔内往复运动的柱销，是被转子两侧面各３个小孔引进柱销孔底部的油压所顶出，该两侧小孔与配油盘侧面的排油沟槽相接通，从而利用柱销顶力卸荷了叶片作用于定子内曲面的顶力。

柱销作用于叶片的顶力为：Ｐ＝Δｐπｒ２

式中，ｒ为柱销半径。

柱销式叶片的顶力可卸载至１／ｉ倍：

πｒ２Δｐπｒ２

ｉ＝＝

ｂ１ｔ１Δｐｂ１ｔ１

（ａ）吸油区（ｂ）吸排油过渡区图９叶片受力分析

（ｃ）排油区

１／２４。一般取ｉ＝１／１５～

８．４叶片受力分析（见图１１）

７．５主要优缺点

具有在各种低转速场合下能启动的最大优点，工作转速范围宽达６０～２０００ｒ／ｍｉｎ。弹簧叶片式结构的泵既可作液压泵用，也可作液压马达使用。该结构泵因受弹簧质量与回弹特性的限制，现已退出高速高压叶片泵的竞争行列。

（ａ）吸油区（ｂ）吸排油过渡区图１１叶片受力分析

（ｃ）排油区

８柱销叶片式高压叶片泵简介

８．１典型产品

美国ＰａｒｋｅｒＤｅｎｉｓｏｎＴ６／Ｔ７系列叶片泵（Ｔ６２８ＭＰａ，Ｔ７３２ＭＰａ）；美国ＥａｔｏｎＶｉｃｋｅｒｓＶＭＱ系列叶片泵（３１ＭＰａ）；印度ＶｅｌｊａｎＨｙｄｒａｉｒＬｔｄ的Ｔ６系列叶片泵；意大利Ａｔｏｓ／榆次液压件厂ＰＦＥ系列叶片泵（３０ＭＰａ）；意大利ＡｔｏｓＰＶＬ变量叶片泵（１５ＭＰａ）。８．２特征描述（图１０）

８．５主要优缺点

运转性能稳定，可靠性好，使用寿命长；

最具有工业化生产条件与广泛应用的高压低噪声叶片泵；

是目前世界上供应的最高压力（３２ＭＰａ）、最高转速（３６００ｒ／ｍｉｎ）、最低噪声（６３ｄＢ（Ａ）、ｎ＝１５００ｒ／ｍｉｎｐ＝３２ＭＰａ）和排量范围最广（５．８～２６８ｍＬ／ｒ）的高压叶片泵。

９定比减压阀式高压叶片泵简介

９．１典型产品

日本ＹＵＫＥＮＰＶ１１Ｒ型叶片泵（４０ＭＰａ，４．６～１２．３ｍＬ／ｒ）９．２特征描述（图１２）

图１０柱销叶片式高压叶片泵

矩形叶片的顶面与两侧面为弧形凹槽，叶片头

部以双唇口与定子内曲面接触。叶片的下端被柱销顶住，叶片数与柱销数相等。转子槽底部设有一个

图１２定比减压阀式高压叶片泵

液压泵端盖上组合有一个定比减压阀。定比减

２００６年１１月马文澄：高压叶片泵的现状及展望５

部）的配油盘侧面的腰形油槽相连通。

９．３卸载原理（图１３）

图１３卸载原理

利用定比减压阀来控制叶片根部压力，使其在吸油区间时为吸入压力，在吸入排出区间时为定比压力，在排出区间时则为液压泵输出压力。

定比减压阀采用２：１的减压比，减压阀小滑塞面积为大滑塞面积的１／２，即无论液压泵的输出压力被如何改变，都能对叶片根部油压实现定比减压，达到卸荷作用于定子内曲面顶力的目的；

配油盘侧面上设有二次增压区，其一区间与二区间各自与减压阀的输入口和输出口相通，即进入第一增压区间（吸入排出区域）的压力总是ｐ／２（１０

，进入第二增压区间（吸入排出区ＭＰａ或２０ＭＰａ）

域）的压力总是ｐ（２０ＭＰａ或４０ＭＰａ）；

该结构在保持叶片作用于定子内曲面的接触比压在允许值范围内时，液压泵最高压力是原来的２倍。

９．４叶片受力分析（见图１４）

图１４叶片受力分析

９．５主要优缺点

该设计是日本自主开发的超高压叶片泵，较早应用于油压机；

该结构的径向尺寸较大，适用于小排量高压叶片泵；

定比减压阀本身性能的波动，将直接影响液压泵的压力脉动、噪声与使用寿命。

１０叶片泵高压化的一般特征

１０．１一般特征

各类高压叶片泵在结构设计方面的某些共同之处，例如：组合泵芯与压力补偿配油盘，材料、热处理与表面处理技术，细齿渐开线花键，螺栓锁紧力矩等。

１０．２组合泵芯

双作用叶片泵使用寿命较齿轮泵长，在液压系统洁净情况下，一般可达５０００～１００００ｈ。

为方便用户在使用现场维修液压泵，通常把易损零件：定子、转子、叶片、配油盘等组合成一个独立泵芯，直接对损坏的泵快速更换；

不同排量的组合泵芯也可以作为独立商品在市场上出售。

１０．３压力补偿侧板

浮动式压力补偿侧板是叶片泵高压化的必备特征，其通常的含义是：

（１）依靠油压来压紧配油盘、定子与泵体（泵芯螺钉仅用作液压泵启动）；

（２）压力侧板在高压作用下会向转子方向产

，以减小轴向间隙，生微量弹性变形（约０．００５ｍｍ）

减少平面泄漏，获得较高容积效率；

液压泵紧固螺栓拉伸（３）当系统油压升高，

时，泵芯在油压推动下会相应游动，以补偿其拉伸量，确保配油盘压紧定子，使液压泵运行正常。

浮动式压力补偿侧板的工作可靠条件是：ｐ压／ｐ推≥１．２５式中，ｐ压为泵内压紧配油盘的油压力；ｐ推为组装件内推开定子与配油盘的油压力。１０．４材料、热处理与表面处理

高压叶片泵的材料、热处理与表面处理技术的选择和应用，是着重于满足泵内的三对摩擦副的抗疲劳强度、抗咬合性、高耐磨性与刚性等要求。

三对摩擦副是：

叶片顶部与定子内曲面摩擦副；

叶片二平面与转子槽两侧面摩擦副；配油盘侧面与叶片、转子两侧面摩擦副。（１）叶片

叶片头部与定子内曲面摩擦副是长期处于２００℃～３００℃的高温状态，要求材料不得产生退火；

高速钢叶片具有高耐磨性，为世界各国普遍采用的叶片材料；

高速钢叶片淬火后需经三次回火，硬度ＨＲＣ６１～６５。

（２）定子

６２００６年第６期

滚道与滚柱的摩擦，材料常采用真空重融轴承钢；（ＧＣｒ１５、ＧＣｒ１５ＳｉＭｎ）

定子淬火后的硬度ＨＲＣ５８～６２，略低于叶片；定子材料也有采用Ｃｒ１２ＭｏＶ模具钢，硬度ＨＲＣ５４～５８4

动力转向叶片泵通常采用合金铸铁或粉末冶金的定子，其硬度为ＨＲＣ５４～５８；

ＰａｒｋｅｒＤｅｎｉｓｏｎＴ６／Ｔ７泵的定子内曲面采用微润滑耐磨涂层技术（英国表面处理专利技术）来减少其初始磨损。（３）转子

要求能承受由频繁高低压冲击引起的疲劳破坏，以及能抵挡叶片对转子槽两侧面的强力摩擦；

通常选用冲击指数较大的优质低碳合金钢（１２ＣｒＮｉ３、２０ＣｒＮｉＭｏ），热处理为渗碳、淬火，使其心部有韧性表面则具有一定深度的淬硬层（一般心部硬度ＨＲＣ２６～３８，表面硬度ＨＲＣ５６～６０）。（４）配油盘

吸入与压出配油盘的侧面与转子两侧面的摩擦，要求其具有较好抗咬合性与刚性；

青铜与钢板复合的双金属配油盘，具有最良好的抗咬合性与刚度，但加工复杂，成本较高（ＶＱ泵、Ｖ４泵）。

高强度灰铸铁配油盘（ＨＴ３００）表面采用锰基磷酸脂涂层处理，因成本底，加工方便，现已获得广泛应用（Ｔ６／Ｔ７、ＰＶ２Ｒ、Ｖ１０、Ｖ２０泵等）。１０．５渐开线花键与拧紧力矩（１）渐开线花键

叶片泵转子与轴的定位、传动形式有三种：整体式连轴转子；转子与轴以内孔定位，平键传动；转子与轴以花键定位，花键传动。

连轴转子和以转子孔定位的转子具有较高的定心精度，被单作用变量叶片泵所采用。

渐开线花键具有自动定心、各齿承载均匀、减少运转中附加轴向不平衡力和确保轴的有效输出扭矩的特点。高压叶片泵常用渐开线花键为：

ＳＡＥ１级精度、平齿根、齿形定心、３０°或４５°压力角。

渐开线花键轴的常用材料为高强度中碳合金钢（４２ＣｒＭｏ、４０Ｃｒ、３８ＣｒＭｏＡ１），经调质和花键表面淬火处理或轴整体氮化处理。

（２）拧紧力矩

高压叶片泵左右泵体紧固螺栓拧紧力矩的规定，可确保液压泵的工作可靠性，防止其结合面渗油和液压泵振动噪声。

高压叶片泵紧固螺栓一般可选用１０．９级高强度螺栓，采用４０Ｃｒ、３５ＣｒＭｏ合金钢材料。

１１市场竞争

１１．１挑战

中排量内啮合齿轮泵因噪声低、体积小、重量

６４轻而挑战着高压叶片泵的市场占有率。〔对３２～

ｍＬ／ｒ，１５００ｒ／ｍｉｎ，０．１ＭＰａ＼５５～５８ｄＢ（Ａ），１６ＭＰａ＼６１～６４ｄＢ（Ａ），３０ＭＰａ＼６２～６６ｄＢ（Ａ）的内啮合齿轮泵〕

具有多种变量形式的轴向变量柱塞泵与电液比例阀的组合，能有效降低液压系统的高压节流损失，已被迅猛发展起来的新颖电液式液压机械配套。

数字式负载敏感型轴向变量柱塞泵与变频调速电机的匹配，因能最大限度地节省电能消耗和液能消耗，以及减少客户的使用与维护费用，现正在赢得新一代电动－液压式液压机械的宠爱。１１．２迎战

ＰａｒｋｅｒＤｅｎｉｓｏｎ的Ｔ７Ｂ系列小排量高压叶片泵已达到内啮合齿轮泵的低噪声水平，并赢得市场的欢迎。〔对５．８～２８ｍＬ／ｒ，１５００ｒ／ｍｉｎ，０．１ＭＰａ＼５５ｄＢ（Ａ），１６ＭＰａ＼６０ｄＢ（Ａ），３２ＭＰａ＼６３ｄＢ（Ａ）的Ｔ７Ｂ泵〕

ＥａｔｏｎＶｉｃｋｅｒｓＶＭＱ１３５与ＶＭＱ１４５系列大排量高压叶片泵的噪声已低于同排量的内啮合齿轮泵。〔大于９０ｍＬ／ｒ，１５００ｒ／ｍｉｎ，０．１ＭＰａ＼６３～６４ｄＢ（Ａ），１６ＭＰａ＼６５～６７ｄＢ（Ａ），２４ＭＰａ＼６７～６９ｄＢ（Ａ）的ＶＭＱ泵〕

大排量高压叶片泵与双联型高压叶片泵是叶片泵与其他类型液压泵竞争的一大优势，努力降低高压叶片泵噪声，则是争夺液压泵市场的关键。

为了竞争电－液式液压机械的液压泵配套市场，研制高压变量叶片泵替代变量轴向柱塞泵，则是叶片泵行业同仁们的又一使命（现变量叶片泵最高压力１６ＭＰａ）。

ＳｔａｔｕｓＱｕｏａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅＶａｎｅＰｕｍｐｓ