轴向柱塞泵的工作原理及应用

轴向柱塞泵是将多个柱塞配置在一个共同缸体上沿圆周均布的柱塞孔内，并使柱塞轴线和缸体轴线平行或接近平行的一种泵。根据其驱动轴轴线与缸体轴线的位置关系又可以分为直轴式和斜轴式两种。

1.直轴式轴向柱塞泵

直轴式轴向柱塞泵的驱动轴轴线与缸体轴线同轴，它依靠倾斜的斜盘来实现柱塞的轴向往复运动，所以也叫斜盘式轴向柱塞泵。

1）结构及工作原理

如图2.5.1所示，斜盘式轴向柱塞泵主要由驱动轴、斜盘、缸体、柱塞、回程盘、中心弹簧、配流盘、壳体、后盖、轴承、密封件、球铰等零部件组成。斜盘支承在壳体内，斜盘工作面与驱动轴轴线的垂直面成一角度γ，通常为12°～20°。缸体通过花键与驱动轴连接，缸体上有沿圆周方向均布的柱塞孔，柱塞孔内的柱塞与滑靴铰接在一起，在弹簧的作用下通过球铰和回程盘被压紧在斜盘工作面上，同时缸体在中心弹簧的作用下压紧在配流盘上。配流盘上开有两个腰形配流窗口，配流盘的正面与缸体底面紧密配合，并能相对滑动，配流盘的背面通过销钉固定并紧贴在泵的后盖上，两个腰形配流窗口分别与后盖上泵的吸油路和压油路相通。泵的驱动轴贯穿斜盘、缸体和配流盘，支承在壳体和后盖的轴承上。

当驱动轴驱动缸体旋转时，配流盘和斜盘不旋转。由于斜盘和回程盘的作用，迫使柱塞在柱塞孔内做往复直线运动，各柱塞与柱塞孔间的密闭容腔体积便发生增大或减小的变化，通过配流盘上的腰形吸油窗口和排油窗口实现吸、排油。假设泵的旋转方向如图中所示为左旋（面向轴头逆时针），则位于0～π范围内的柱塞被斜盘推入柱塞孔，使柱塞底部的密闭容腔减小，通过配流盘的排油窗口排油；位于π～2π范围内的柱塞向外伸出，底部的密闭容腔增大，通过配流盘的吸油窗口吸油。主轴每转一周，每个柱塞完成一次吸、排油。随着主轴的连续旋转，多个柱塞不断地往复运动进行吸、排油，形成连续的流量输出。

斜盘式轴向柱塞泵的配流方式为端面配流。

图2.5.1中的柱塞泵因其驱动轴贯穿斜盘，从输入端一直通到泵的后盖，且两端均由轴承支承，因此也称为通轴泵。

还有一种泵，其驱动轴不贯穿斜盘，驱动轴一端通过轴承支承在壳体上，另一端则通过花键与缸体连接，缸体通常是通过轴承支承在壳体上，称为非通轴泵，如图2.5.2所示MCY14-1B型定量轴向柱塞泵即为非通轴泵。

图2.5.1　QXB轻型定量轴向柱塞泵

1—驱动轴；2—斜盘；3—回程盘；4—柱塞；5—顶杆；6—缸体；7—后盖；8—配流盘；9，11，12—垫片；10—中心弹簧；13—球铰

图2.5.2　MCY14-1B型定量轴向柱塞泵

1—斜盘；2—回程盘；3—缸体；4—配流盘；5—驱动轴；6—柱塞；7—弹簧；8—滑靴

通轴泵和非通轴泵的工作原理基本相同，其区别主要在于，通轴泵的缸体支承在驱动轴上，因此要求其驱动轴直径要大一点。另外，通轴泵可以做成串联泵，或者由驱动轴带动补油泵。非通轴泵由于其驱动轴只受扭矩作用，不受弯矩，因此其直径可以小一点。非通轴泵由于结构方面的原因，通常不带补油泵。

2）排量

在图2.5.1中，假设柱塞的直径为d，柱塞分布圆直径为D，斜盘倾角为γ，则柱塞的行程为s=Dtanγ。当柱塞数为Z时，轴向柱塞泵的排量为

由于柱塞在柱塞孔中的轴向运动速度不是恒定的，而且处在排油区的柱塞的数目也会周期性变化，因此轴向柱塞泵也存在流量脉动问题。根据理论推导，其流量脉动系数随柱塞数的增加而减小，而且奇数个柱塞比偶数个柱塞流量脉动小，故一般常见柱塞泵的柱塞个数为7、9或11个。表2.5.1为柱塞奇、偶数对流量脉动影响的理论分析结果。不过，由于油液的可压缩性及泄漏等因素的影响，柱塞奇、偶数对流量脉动的影响并不像理论推导的那样大。

表2.5.1　流量脉动系数与柱塞奇、偶数的关系

3）斜盘式轴向柱塞泵的变量

由式（2.5.1）可知，在柱塞泵其他结构尺寸都确定的情况下，改变斜盘倾角γ，就可以改变柱塞的行程，从而改变液压泵的排量，所以斜盘式轴向柱塞泵可以做成变量泵。如果改变斜盘的倾斜方向，便可以使吸、排油口互换，即斜盘式轴向柱塞泵可以做成双向变量泵。

轴向柱塞泵的变量机构多种多样，主要可以分为两大类：第一类是由外力或外部信号对变量机构进行直接调节或控制，分为手动、机动、电动、液控和电液比例控制等；第二类是用泵本身的流量、压力、功率等工作参数作为信号，通过改变和控制泵的排量，实现对其流量、压力、功率的反馈控制，实现自动调节，有恒压力、恒流量、恒功率控制等形式。

（1）由外力或外部指令信号调节的变量机构。

①手动变量机构。对于中压小排量的泵，由于其变排量所需要的力不大，可以通过机械结构实现手动直接变量。图2.5.3所示为采用拉臂结构的手动直接变量机构，拉动拉臂可以直接使斜盘产生偏转角，实现变量。图2.5.4所示的国产SCY14-1B型轴向柱塞泵采用的也是手动变量机构。转动手轮1，使螺杆转动，带动活塞3做轴向移动（因导向键的作用，变量活塞只能做轴向移动，不能转动）。通过轴销5使斜盘4绕变量机构壳体上的圆弧导轨面的中心（即钢球中心）旋转，从而使斜盘倾角改变，达到变量的目的。当排量达到要求时，可用锁紧螺母锁紧。这种变量机构结构简单，但操纵不方便，且不易在工作过程中变量，也不易实现远程自动控制变量。

图2.5.3　采用手动直接变量的斜盘式轴向柱塞泵

图2.5.4　SCY14-1B型斜盘式轴向柱塞泵

（a）结构图；（b）实物图
1—手轮；2—螺杆；3—活塞；4—斜盘；5—轴销；6—压盘；7—滑靴；8—柱塞；
9—中间泵体；10—前泵体；11—前轴承；12—配流盘；13—轴；
14—中心弹簧；15—缸体；16—大轴承；17—钢球

②机械伺服液压变量机构。对于多数高压大排量的斜盘式轴向柱塞泵，由于其改变排量所需的力或力矩较大，通常是采用液压伺服变量机构实现的。图2.5.5所示为轴向柱塞泵的液压伺服变量机构，以此机构代替图2.5.4中的手动变量机构，就变成了CCY14-1B型手动液压伺服变量泵，如图2.5.6所示。其变量原理为：操纵油由通道经单向阀6进入变量机构壳体的下腔d，液压力作用在变量活塞4的下端。当与伺服阀阀芯1相连接的拉杆不动时（图示状态），变量活塞4的上腔g处于密闭状态，变量活塞不动，斜盘3停在某一位置上。当使拉杆向下移动，推动阀芯1一起向下移动时，d腔的压力油经通道e进入上腔g。由于变量活塞上端的有效作用面积大于下端的有效作用面积，向下的液压力大于向上的液压力，故变量活塞4也随之向下移动，直到将通道e的油口密闭为止。变量活塞的移动量等于拉杆的位移量。变量活塞向下移动，通过轴销带动斜盘3摆动，斜盘倾角增加，泵的排量随之增加。当拉杆带动伺服阀阀芯向上运动时，阀芯将通道f打开，上腔g通过卸压通道接通壳体而压力变小，变量活塞向上移动，直到阀芯将卸压通道关闭为止。它的移动量也等于拉杆的移动量。这时斜盘也被带动做相应的摆动，使斜盘倾角减小，泵的排量也随之减小。由上述可知，伺服变量机构是通过操作液压伺服阀动作，利用压力油推动变量活塞来实现变量的，故加在拉杆上的力很小，控制灵敏。

上述伺服变量机构实际上是机液位置控制系统，输入信号是控制滑阀的位移y，而操纵阀芯上、下移动的力只需要几N到十几N。工作中不仅实现了力的放大，而且通过位置反馈，能精确地控制排量的变化。这种调节排量的方法比较方便，控制灵敏度也比较高。

图2.5.5　液压伺服变量机构

（a）结构图；（b）液压原理图
1—伺服阀芯；2—铰链；3—斜盘；4—变量活塞；5—壳体；6—单向阀；7—阀套；8—拉杆

图2.5.6　CCY14-1B型变量轴向柱塞泵

（a）外观；（b）结构图；（c）原理图；（d）特性曲线
1—缸体；2—配流盘；3—驱动轴；4—柱塞；5—弹簧；6—滑靴；7—单向阀；8—止推板；9—变量壳体；
10—变量活塞；11—刻度盘；12—销轴；13—伺服活塞；14—拉杆；15—变量头；16—回程盘；17—定心球头；18—外套

③电液比例伺服变量机构。电液比例伺服变量机构主要由比例阀、变量活塞和变量反馈杆组成，使用带比例电磁铁的电子控制，泵的排量调节与输入电磁铁线圈的电流成比例。电液伺服变量轴向柱塞泵如图2.5.7所示。输入电流所产生的电磁力使比例阀产生一个与输入电流成正比的开度，这样就有操纵油通过打开的阀口进入变量活塞腔，变量活塞产生位移，使泵的排量改变，活塞位移通过反馈杆又作用在比例阀另一侧的阀芯弹簧上，使弹簧被压缩，所产生的弹力与比例电磁铁所产生的电磁力相平衡，这样阀芯在新的位置达到平衡，此位置对应泵的一个排量值。随着控制电流的增加，泵的排量增加。输入电流与泵的排量成比例，其输出特性曲线如图2.5.7（d）所示。

图2.5.7　电液伺服变量轴向柱塞泵

（a）实物图；（b）变量机构图；（c）液压系统原理图；（d）特性曲线

这种变量机构可实现双向变量。

（2）自动控制变量机构。

自动控制变量机构即以泵的输出参数为指令实现自动调节的变量机构。前述利用外力或外部指令信号进行调节的变量泵，其调节完成之后的工作即和定量泵相同。如果把泵本身的输出参数（压力、流量、功率）作为变量控制的指令信号反馈到泵的变量调节机构中去，并在其中经检测且与给定信号比较之后，以其偏差量作为控制泵变量的输入信号对泵进行调节，则可以得到预期的压力、流量和功率等工作参数。最常见的是要求泵在工作中保持输出压力、流量或功率恒定不变，形成所谓恒压泵、恒流泵和恒功率泵。图2.5.8～图2.5.10分别为恒压泵、恒流泵和恒功率泵的原理图及压力-流量特性曲线。

图2.5.8　恒压泵控制原理图及其压力-流量特性曲线

（a）恒压控制原理图；（b）压力-流量特性曲线

图2.5.9　恒流泵控制原理图及其压力-流量特性曲线

（a）原理图；（b）压力-流量特性曲线

图2.5.10　恒功率泵控制原理图及其压力-流量特性曲线

（a）原理图；（b）压力-流量特性曲线
1—功率匹配阀；2—电液比例阀；3—梭阀；4—变量控制活塞

4）斜盘式轴向柱塞泵的关键摩擦副

斜盘式轴向柱塞泵有三对关键摩擦副，如图2.5.11所示，分别为滑靴与斜盘工作面之间的滑靴副、柱塞与柱塞孔之间的柱塞副以及配流盘与缸体底面之间的配流副。由于组成这些摩擦副的关键零件均处于高相对运动速度、高接触比压的摩擦工况，它们的摩擦、磨损及密封状况直接影响泵的容积效率、机械效率、额定压力及使用寿命。(www.xing528.com)

为了获得较好的摩擦副工作特性，通常从材料、结构设计、加工和热处理工艺等多方面采取措施予以保证。

图2.5.11　斜盘式轴向柱塞的摩擦副

1—驱动轴；2—轴头油封；3—滚子轴承；4—半轴承；5—斜盘；6—回程盘；7—滑靴；8—柱塞；9—缸体；10—配流盘；11—后盖；12—缸体中心弹簧；13—碟形弹簧；14—球铰

（1）滑靴副

滑靴是为了减小柱塞端部与斜盘之间直接接触的高应力而增加的零件。滑靴的材料通常为铜合金，滑靴底面与斜盘表面之间形成滑靴副。滑靴上的球窝与柱塞上的球头通过滚压包球工艺铰接，以便两者之间能灵活转动。滑靴的底面有油室和密封带，根据其具体结构不同，通常分为静压支承式和剩余压紧力式两种，如图2.5.12所示为静压支承式滑靴。柱塞腔中的高压油液可经柱塞和滑靴中间的小油孔通至滑靴底部的油室，在滑靴与斜盘的接触平面间，形成液体静压推力支承，使柱塞和斜盘之间变为有润滑的面接触，从而减小滑靴与斜盘的摩擦及磨损，使泵的工作压力大幅提高。图2.5.13所示为剩余压紧力式滑靴，滑靴底面增加了内外辅助支承带和泄油槽、通油槽等结构。

图2.5.12　静压支承式滑靴结构

1—静压支承油室；2—固定阻尼孔；3—滑靴；4—柱塞

图2.5.13　剩余压紧力式滑靴结构

1—外辅助支承；2—泄油槽；3—密封带；4—内辅助支承；5—通油孔；6—通油槽

对于高压柱塞泵，为了提高滑靴的强度，滑靴有时也采用合金钢材料，其连接的方式如图2.5.14所示。

图2.5.14　采用钢滑靴的滑靴柱塞组件连接形式

（a）球头做在滑靴上；（b）带预紧装置的滑靴柱塞组件
1，4—滑靴；2，5—柱塞；3—油槽；6—预紧装置

（2）柱塞副

如图2.5.15所示，柱塞圆柱面与缸体上的柱塞孔壁面之间形成柱塞副，二者之间有较高的挤压应力和高速相对滑动。柱塞和缸体的材料通常都为合金钢，为了改善其摩擦特性，通常在柱塞孔内嵌入铜合金衬套，或浇铸一层铜合金。对于小排量中低压的柱塞泵，有时也用铜合金材料做缸体。为了减小柱塞的质量以减小惯性力，柱塞通常为空芯结构（图2.5.16）。对于某些高压泵，为了减小闭死容积，在柱塞芯部填充低密度材料，如图2.5.16（b）所示。

图2.5.15　柱塞副示意图

图2.5.16　柱塞结构示意图

（a）开设环形槽的空芯柱塞；（b）填充轻质塑料的空芯柱塞

（3）配流副

缸体底面和配流盘工作面形成配流副。常见的配流副的结构形式有两种，即球面配流副和平面配流副，如图2.5.17所示。球面配流副具有很好的自回位功能，但加工需要专用设备，精度要求高，维修不方便。

图2.5.17　配流副示意图

（a）球面配流副；（b）平面配流副

配流盘的材料通常为合金钢，缸体底部烧结或浇铸铜合金，形成双金属摩擦副。为了改善缸体与配流盘之间由于高低压区偏载导致的缸体倾覆情况，通常采取缸体浮动式结构，即缸体在弹簧及液压力的作用下悬浮在配流盘上，与配流盘保持适当的剩余压紧力。

5）斜盘式轴向柱塞泵的困油现象

为了保证配流盘吸油窗口和排油窗口之间的可靠隔离，缸体柱塞孔窗口所对应的中心角应比吸油窗口和排油窗口之间的过渡区所对应的中心角小。这样就会出现在过渡区域密闭容腔变大或变小时与两边油口都不沟通的情况，即困油现象。其解决措施与叶片泵类似，也是在配流盘上开减振三角槽或类似减振结构，如图2.5.18中的配流盘所示。由图2.5.18（b）可以看出，设置减振槽后，困油现象大为改善。

图2.5.18　困油现象及配流盘上的减振槽

（a）无减振槽的配流盘；（b）有减振槽的配流盘

6）斜盘式轴向柱塞泵的特点

与齿轮泵和叶片泵相比，斜盘式轴向柱塞泵有许多优点：

（1）构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和柱塞孔，加工方便，可得到较高的配合精度，密封性能好，在高压条件下工作仍有较高的容积效率；

（2）结构紧凑，径向尺寸小，质量轻，转动惯量小，只需改变斜盘倾角就能改变排量，易于实现变量；

（3）主要零件均受压应力作用，材料强度性能可得到充分利用。

由于柱塞泵压力高，结构紧凑，效率高，流量调节方便，故在需要高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的机械设备中应用广泛。

2.斜轴式轴向柱塞泵

缸体轴线与驱动轴轴线成一定夹角的轴向柱塞泵称为斜轴式轴向柱塞泵。从泵的外形看，轴是斜的或是弯的，因此也叫弯轴泵。

1）结构和工作原理

图2.5.19为斜轴式轴向柱塞泵的结构图。该泵由主轴、轴承组、连杆柱塞组件、缸体、壳体、配流盘、后盖、中心轴、弹簧等组成。缸体轴线与主轴轴线成一夹角γ，主轴端部的驱动盘用万向铰链、连杆与缸体中的每个柱塞相连接。

当主轴转动时，通过万向铰链、连杆使柱塞和缸体一起转动，并迫使柱塞在柱塞孔中做往复运动，使柱塞孔底部的密闭容腔不断发生增大和减小的变化，通过配流盘上的窗口实现吸油和排油。

图2.5.19　A2F型斜轴式定量轴向柱塞泵

1—主轴；2—轴承组；3—连杆柱塞组件；4—缸体；5—壳体；6—配流盘；7—后盖；8—中心轴；9—弹簧

2）排量

在图2.5.19中，当柱塞数为Z，柱塞直径为d，柱塞孔分布圆直径为D时，泵的排量为

图中所示为定量泵，其主轴和缸体间的夹角通常在25°～45°。与斜盘式轴向柱塞泵相比，这种泵具有更高的功率密度。

由式（2.5.2）可知，通过改变夹角γ可以改变泵的排量，所以斜轴泵也可以做成变量泵。由于主轴与原动机连接，无法改变角度，所以斜轴式变量泵是通过以中心轴球铰为球心，使缸体摆动来实现夹角γ改变的，所以又称为摆缸泵，如图2.5.20所示。缸体摆动的角度范围为0°～25°。由于结构方面的限制，这种泵很少做成双向变量泵。

3）斜轴式轴向柱塞泵的特点

与斜盘式柱塞泵类似，斜轴式柱塞泵也存在缸体与柱塞、缸体与配流盘等重要的摩擦副。另外，由于由液压力产生的轴向和径向力大部分被主轴及轴承组承受，斜轴式定量泵缸体所受的不平衡径向力较小，故结构强度较高，可以有较高的设计参数。斜轴式变量泵主轴和缸体轴线的夹角γ较大，变量范围较大，但同时需要较大的内部空间使缸体摆动，所以其外形尺寸和质量均较大，变量系统的响应也较斜盘式变量泵慢。