溢流泵是一种用于回收液压系统溢流功率并完成溢流阀全部功能的新型液压元件。 液压传动与机械传动相比，是一项比较新的技术，在许多工业部门，如机床、起重运输机械、工程机械以及国防工业等都广泛的使用液压传动系统。通常多数液压系统中都用溢流阀限制系统的最高压力来防止系统过载，不停地将多余的功耗通过溢流阀排出，加之溢流阀的工作特性要求至少保证15%的溢流量，所以系统中有很大一部分功率白白地放丢。因此，出现了一些减少溢流损失的方案，如在系统中加入蓄能元件，使用变量泵等。这些方案中有些因成本高、或结构复杂而不易广泛使用。回收液压系统中溢流的能量、利用此能量提高油泵的进口压力，而不直接消耗机械能。是本发明的根本性质。
溢流泵的工作原理是将不同压力的两股流体相互混合，即溢流阀高速喷出的油液（以下称工作流体）和自油箱中吸入的补充油液（以下称引射流体）混合，并发生能量交换，形成一股压力油（以下称混合流体）后进入主油泵，以提高主油泵的进口压力，减少主油泵电机功耗或直接供油的装置。
图一是溢流泵的工作原理图
1-吸油口;2-溢流泵;3-主泵;
4-控制原件;5-执行元件;6-回油管;
7-开放式油箱;8-系统启动瞬间主泵的自吸油路。
从原理图可看到由溢流泵和主泵组成的一个半开放子系统代替了液压系统的主泵，而并不改变原液压系统的结构。因此对现有的液压系统的改造是十分有利的。
图二为一种先导式溢流泵的结构图，溢流泵地下部是一个先导式溢流阀。图三为已经投入系列生产的一种三级同心的先导式溢流阀。溢流泵的阀和图三所示的阀有很多共同点，在结构上同样可以分为两部分。上部是主滑阀部分，下部是先导调压阀部分。这种阀的特点是利用主滑阀上下两端油的压力差来使主滑阀阀芯移动。油腔g和进油口相通，压力油腔g通过径向孔进入f经环形阻尼e进入阀芯的上腔i，再经阻尼小孔d进入阀芯的下腔j，进入下腔的压力油同时经孔b，孔a作用于先导调压锥阀3上，当系统压力P较低，还不能打开先导调压阀时，锥阀3关闭，没有油液流过环形阻尼e和阻尼小孔d。所以阀芯5两端环面上油压相等。阀芯下端园环面的面积比上端园环面的面积大5%，在阀芯两端所受压力的合力及弹簧4的作用下，使阀芯处在最上端位置，将溢流口（即喷咀）封闭。当系统压力升高到能够打开先导调压阀时，锥阀3就压缩调压弹簧2将油口打开，压力油通过环形阻尼e，阻尼小孔d经锥阀3孔0流回油箱。由于阻尼孔的作用、产生压力降，所以阀芯5下腔j的油压P2小于上腔i的油压P1，当阀芯5两端压力差所产生的作用力超过弹簧4的作用力P簧时，阀芯下降，油腔f中的压力油经溢流口喷出，实现溢流作用。为获得尺寸尽可能小而功能大的元件，目前液压控制已向高压大流量发展，因此，流动着的液体在控制元件上的反馈作用力增强了。反力对控制回路动态稳定性有影响，并且是振动的原因。操纵方向上的反力由两部分组成。连续流动时稳态部分为：P、Q、υS，Cosβ它随流量Q和溢流口中的射流速度υS的增加而增加，此外，当流量随时间改变时将引起惯性力，此力对加速油腔f中的油柱是必要的，它同阻尼长度L成比例。
为了说明反力，可以假定，（图二）中所示的阀用常压P0供油，且控制油无压力的流出，因此，进出油流间之压差是P0。然后得出：
Q＝B·y·P0]]>
式中：B＝μ·π·d·2ρ]]>
μ-流量系数
π、d-控制边长
ρ-液体密度
y-开口宽度
υS＝ (Q)/(π·dμy)
由此得出：
F=ρ (B2)/(π·dμ) P0yρ·L·BP0]]>(dy)/(dt)
令ρ (B2)/(πdμ) P0=K1
ρ·L·BP0]]>＝K2
则：F＝K1yK2(dy)/(dt) ……①
此式说明，流经控制边油液的作用相当于一个弹簧常数为K1的弹簧和一个比例子速度的惯性力，此力以K2为标记（1）。
从（图二）可以看到阀芯向负y方向偏移时，油腔f中的油柱必须向正y方向加速。此加速力的反力作用在抗振隔套1的上端面上由于不作用在活塞上而不会破坏阀的稳定，同时由于阀芯向负y方向偏移，阀芯上腔i的容积增大使通过园环形阻尼的流量瞬时增大，在环形阻尼的作用下，阀芯5上部园环面的油压P1瞬时下降。阀芯下腔j的容积减小，在阻尼小孔b的阻尼作用下油压P2瞬时升高，这时引起一个和阀芯运动方向相反的正阻尼力，这正是我们要求得到的，它使控制滑阀趋向稳定。
溢流泵的上部分是喷射泵部分，这种泵的特点是不直接消耗机械能而提高流体的压力。图二为溢流泵的简图，高速油流经工作喷咀（即溢流阀口），沿β0角向其轴心线喷射，并沿导流锥弧面不断地改变方向，最后汇聚成一股沿其阀芯轴线方向的喷射油流（即工作流体）。其流线形状及流速分布情况如图四，从油箱中吸入的油液（即引射流体）在接受室K中与工作流体发生能量交换，如将引射流体也考虑进去，它的流速分布情况如图五所示。从图中可以看出流束中的速度分布有两个峰顶，速度比较均匀。流速进入混合室L后，混合流体的混合过程加快，速度逐步均匀，压力沿混合室长度方向逐步上升，再经扩散器M减速增压后充入主油泵的进油口或直接向外供油。因此溢流泵可在实现溢流阀的全部功能的同时作为主油泵的前级泵使用或作为大流量泵使用。根据这一原理，任何一种溢流阀经过改进设计和喷射泵适当组合都可以实现本发明，以满足不同性能的需要。图六、图七、分别为直动式溢流泵和差动式溢流泵的下面部分的结构简图，不管任何溢流泵，它的上部结构形式基本相同。
本发明可实现以下功能：
1.可减小油箱容积。
由于本发明可实现半开放液压系统，经油箱循环的油量减小。同时部分溢流能量回收，使系统温升下降，因此当采用本发明时可减小油箱容积。
2.可提高主泵的寿命和容积效率。
由于主泵的进口压力上升，使主泵内部压差减小，可提高主泵的使用寿命和容积效率。
3.可节约主泵电机功率。
由于主泵的进口压力上升，主泵内部压差减小，使主泵的轴功率下降。
4.可实现在系统正常压力状态下的主油泵卸荷。
当系统处在工作状态时，溢流量等于主油泵供油量，这时溢流泵的吸油量为零，主油泵的进口压力可达出口压力的75%左右，主油泵处于卸荷状态，这时液压系统处于正常压力状态，可对指令及时作出反映。
5.可实现高压小流量供油和低压大流量供油的双重功能。
如图八所示，当封闭低压管B，二位四通阀在右端位置（图示位置）时，系统由管A高压小流量向外供油，以适应低速重载工况。
封闭高压管A，二位四通在左端位置时，主油泵排出的全部流量进入溢流泵，和油箱吸入的引射流体混合后以低压大流量由低压管B向系统供油，以适应快速低载工况。
1.目前溢流阀的设计还没有完整的设计计算资料，一般还多是要依靠试验和实践经验来最后确定某些结构尺寸参数的最适当的数据，而设计计算结果往往只是作为参考数据（摘自广州机床研究所编《液压技术》）。本发明的溢流阀部分的大部分结构尺寸参数可参照目前已系列化的同类阀，这里对溢流泵的几个关键问题进行设计分析。
2.溢流泵的许用压力范围为三分之二的额定压力至额定压力段，如额定压力63Ky的泵在使用时的许用压力调整范围为40Ky-63Ky，这是因为不对许用压力调整范围加以限制，就会使溢流阀和喷射泵的匹配发生困难而达不到溢流泵的完善特性。
3.主阀同心环缝阻尼（图二）的设计对阀的性能的影响表现为环缝面积e阻小，可使稳定性好，但e阻过小，阻尼性过强，会使主阀动作迟缓，动态超调量大。e阻过大不能产生足够大的正阻尼力，使趋向不稳定而出现较大的振动，使压力脉动大。环缝阻尼的大小可按当主油泵全部流量通过溢流泵时阻尼小孔d压力损失的1/3-1/6计算，并经实验确定最适当的参数值。
根据流体在同心环缝中的轴向流动时压降公式：
ΔP＝ (12μLQ)/(πd1δ3)
其中：ΔP＝（1/3～1/6）（P1-P2）
δ＝ 1/2 （d1-d2）
得
δ＝12μLQπd1ΔP]]>……②
P1P2-阀芯上、下端油压。
μ-动力粘度。
d1d2-环缝大小园直径。
Q-当阀全溢流时通过环缝的流量。
L-环缝的轴向长度。
4.阀口（即工作喷咀）分析（图九所示）
根据本发明的要求，阀口形式即要满足溢流阀的需要，又要满足喷射泵中工作喷咀的要求，因此阀口除要有好的密封性、工作性能外，还要有尽可能高的流速系数，在阀口最大开度ymax时使
fⅡ-Ⅱ/fⅠ-Ⅰ＝0.5～0.8……③
fⅠ-Ⅰ-Ⅰ-Ⅰ断面上的通流面积
fⅡ-Ⅱ-Ⅱ-Ⅱ断面上的通流面积阀座环密封面的半锥角β比阀芯密封面的半锥角β0小0.5°～2°以得到性能良好的零密封，提高阀口的接触强度，及有利的喷咀形式，提高流速系数。β的取值范围为43°～47°之间，导流锥园弧面在顶点和阀芯中心线相切，以减少聚流段的撞击损失。
园弧半径：
……④
5.混合室与工作喷咀最佳截面比是溢流泵的定性几何参数，必须给于足够的重视，本发明的工作喷咀（溢流阀口）是一个变径喷咀，喷射系数μ＝0～4。是随溢流量占主油泵供油量的百分比数变化的变量
μ＝GH/GP……⑤
GH+GP＝GC……⑥
其中：GC-主油泵的排量，即混合流体的质量流量。
GP-溢流量即工作流体的质量流量。
GH-溢流泵的自吸流量，即引射流体的质量流量。
最佳截面比计算公式为
（f3/fP1）ont＝-b+b2-4ac2a]]>……⑦
其中：
a＝φ2
b=-〔φ2+(2-φ23)γCγP(1+μ)2-(2φ2-1φ24)γHγPμ2〕]]>
c =(2-φ23)γCγP(1+μ)2]]>
（f3/fP1）ont-最佳截面比。
φ1-工作喷咀的喷咀系数。
φ2-混合室的速度系数。
φ3-扩散器的速度系数。
φ4-混合室入口段的速度系数。
γPγHγC-工作流体，引射流体，混合流体的重度。
在溢流泵中当截面比f3/fP1为最佳截面比（f3/fP1）ont、φ1＝0.95，φ2＝0.975，φ3＝0.9，φ4＝0.925，γP＝γH＝γC时，溢流泵可达到的压力降为：
(△PC)/(△PP) = 1/(1.39(1+μ)2-0.91nμ2) ……⑧
其中：
△PC＝PC-PH
△PP＝PP-PH
∵PH＝0
∴△PC＝PC
△PP＝PP
n＝f3/fP1f8fP1-1]]>……⑨
PC-溢流泵出口压力，即混合流体压力。
PP-溢流泵调定压力即工作流体压力。
PH-油箱进油压力即引射流体压力。
工作喷咀（即阀口）开口面积为
fP1＝πd0ySinβ0……⑩
y-阀芯轴向位移。
d0-阀口直径。
β0-阀芯密封面半锥角。
溢流泵的完善性是由溢流阀的静、动态特性的优劣及喷射泵的效率来衡量的，溢流泵的效率是用混合流体所获得的工作能力与工作流体所供给的工作能力之比来表示。
η＝ (GCPC)/(GPPP) ……(11)
根据公式5～11并选定溢流量数列进行数值计算，先求取在（f3/fP1）ont的条件下的（△PC/△PP）ont及（η）ont并用描点法在直角坐标中画出最佳效率曲线，然后代入不同的f3值进行反复试算，每代入一个f3的值即可试算出一组关于△PC/△PP及η的数据，按试算数据，用描点法在同一直角坐标系中可画出一组效率曲线，采用数值插入法经过几次优选即可确定f3的最佳值，选定f3值的设计程序说明如下：
1.确定溢流量数列：
20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
并记入表格。
2.根据公式：（5）（6）代入溢流量数列，计算一组μ值及GPGHGC值记入表格对应位置。
3.根据公式：（7）计算不同μ值时的（f3/fP1）ont记入表格对应位置。
4.根据公式：（8）计算出一组（△PC/△PP）ont记入表格对应位置。
5.根据公式：（8）计算出一组△PC记入表格对应位置。
6.根据公式（11）计算出一组（η）ont记入对应位置。
7.用描点法再在直角坐标系中画出μ-（η）ont曲线。
8.根据公式（10），在额定压力值和许用下限压力值时分别计算fP1的数值，记入表格对应位置。
9.根据公式（9）在额定压力值和许用下限压力值时分别计算n值。
10.代入选定的f3值，计算出一组f3/fP1，记入表格对应位置。
11.根据公式（8）计算出一组△PC/△PP及一组△PC值记入表格相应位置。
12.根据公式（11）计算不同μ值时的η记入表格相应位置。
13.用描点法在同一直角坐标系中画出μ-η曲线。
如μ-η曲线不能靠近最佳效率曲线时，用数值插入法重新选定f3进行10°～13°的试算过程，以求得最佳参数。
6.溢流泵轴向尺寸的确定
1、轴向尺寸LC1的确定
LC1的计算公式为：
μ≤0.5时，LC1＝(0.083+0.76μ-0.29)]]>(d1)/(2B)
μ＞0.5时，LC1＝ (0.37+μ)/(4.4B) d1
d1-工作喷咀的出口直径。
B-实验常数 B＝0.16。
可根据μ值进行数值计算并结合混合室的截面直径选取，一般可取值LC1＝0.7～1.5d3。
d3-混合室直径。
混合室入口段长度L混合室长度LK和扩散器长度可按标准喷射泵公式求得。
7、溢流泵的效率
溢流泵的效率曲线如图十所示，是二条二次曲线，在溢流量20%时为25%左右在全溢流时效率为75%左右。
通过上面分析可以看出，本发明在完成原溢流阀的全部功能的同时，可较好的回收溢流功率，提高主油泵的寿命，减小液压系统体积，并可和主泵共同实现双压双流量供油，这是过去的任何一种液压元件无法比拟的。同时具有结构简单，能使主泵高压卸荷，可以在各种压力和流量的系统中广泛使用的特点。因此，本发明可望在机床、起重运输机械，工程机械及国防工业等方面做出贡献。
本发明的附图说明：
一、图一为溢流泵工作原理图
1.吸油口 5.执行原件
2.溢流泵 6.回油管
3.主泵 7.开放式油箱
4.控制原件 8.系统启动瞬间主泵的自吸油路
二、图二为一种先导式溢流泵结构图
1.抗振隔套
2.调压弹簧
3.调压锥阀
4.弹簧 8.系统启动瞬间自吸油管
5.阀芯 9.阀口板
6.滤油器 10.混流喷射管
7.阀体
三、图三为先导式溢流阀
四、图四a为工作流体流线图，b为工作流体流速分布图。
五、图五为流体在混合室中的流速分布情况吸压力曲线图。
六、图六为直动式溢流泵下面部分的结构简图
（1）调压盖 （4）阀芯
（2）调压弹簧 （5）抗振隔套
（3）阀体 （6）阀口板
七、图七为差动式溢流泵下面部分的结构简图
（1）调压盖 （4）调压弹簧
（2）阀体 （5）抗振隔套
（3）阀芯 （6）阀口板
八、图八为实现高压小流量和低压大流量供油双重功能的系统简图。
（1）开放式油箱 （4）两位四通阀
（2）滤油器 （5）单向阀
（3）溢流泵 （6）主油泵
九、图九为阀口分析简图
十、图十为溢流泵的效率曲线图