柱塞泵的结构原理

柱塞泵用于高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合，广泛应用于航天航空、军工机械、冶金设备、龙门刨床、拉床、液压机、工程机械等领域。

柱塞泵是依靠柱塞在缸体内做往复运动，使密封工作腔容积产生变化来实现吸油、压油的。

由于柱塞与缸体内孔均为圆柱表面，因此加工方便，配合精度高，密封性能好。同时，柱塞泵主要零件处于受压状态，使材料强度性能得到充分利用，故柱塞泵常做成高压泵。此外，只要改变柱塞的工作行程就能改变泵的排量，易于实现单向或双向变量。

柱塞泵具有压力高、驱动功率大、变量方便、转速高、效率高、结构紧凑、寿命长等优点，容积效率为95％左右，总效率为90％左右。其缺点是结构较为复杂、体积大、质量大、自吸性差，有些零件对材料加工工艺的要求较高、成本较高、要求较高的过滤精度、对使用和维护要求较高。

柱塞泵按柱塞排列方向的不同，分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵。

轴向柱塞泵又分为斜盘式和斜轴式两类。

目前，斜盘式和斜轴式轴向柱塞泵的应用都很广泛。

1．斜盘式轴向柱塞泵的工作原理

如图3－14所示，斜盘式柱塞泵主要由斜盘1、柱塞2、缸体3、配油盘4及变量机构组成。

轴向柱塞泵的柱塞都平行于缸体的中心线，并均匀分布在缸体的圆周上。泵的传动轴中心线与缸体中心线重合，故又称为直轴式轴向柱塞泵。斜盘与缸体间倾斜了一个γ角。柱塞头部在弹簧力的作用下始终紧贴斜盘。

图3－14 斜盘式轴向柱塞泵工作原理

1—斜盘；2—柱塞；3—缸体；4—配油盘；5—传动轴；a、b—吸、压油窗口

当缸体按图示方向旋转时，由于斜盘和弹簧的共同作用，使柱塞产生往复运动，各柱塞和缸体间的密闭容积便发生增大或缩小的变化，通过配油盘上的窗口a吸油，通过窗口b压油。

改变斜盘倾角γ的大小，就能改变柱塞的行程长度，也就改变了泵的排量。

2．斜盘式轴向柱塞泵的结构、特点

轴向柱塞泵由主体部分和变量机构组成，常用CY14－1B型。手动式斜盘式轴向柱塞泵是使用比较广泛的一种，如图3－15所示。

图3－15 手动式斜盘式轴向柱塞泵

1—手轮；2—螺杆；3—变量活塞；4—斜盘；5—销轴；6—压盘；7—滑靴；8—柱塞；9—中间泵体；10—前泵体；

11—前轴承；12—配油盘；13—传动轴；14—中心弹簧；15—缸体；16—圆柱滚子轴承；17—钢球

1）典型主体结构

主体结构主要由斜盘、柱塞、缸体、配油盘和传动轴等组成。

柱塞泵在高速、高压下工作，所以，由滑靴（也称滑履）和斜盘、柱塞和缸体孔、缸体和配油盘所形成的三对摩擦副，是影响柱塞泵工作性能和寿命的主要因素，它们既要保证密封性，又要尽量减少磨损。柱塞泵的容积效率较高，额定压力可达31．5MPa。为减小瞬时理论流量的脉动性，柱塞数为奇数，常取7或9个。

图3－15中左半部分为变量机构，右半部分为主体部分。中间泵体9和前泵体10组成泵的壳体，传动轴13（为悬臂梁）通过花键带动缸体15旋转，使均匀分布在缸体上的七个柱塞8绕传动轴的轴线回转。每个柱塞的头部都装有滑靴7，滑靴与柱塞为球铰连接。中心弹簧14向左的作用力通过内套钢球17和压盘6（回程盘），将滑靴压在斜盘的斜面上，缸体转动时，该作用力使柱塞完成回程吸油的动作。中心弹簧向右的作用力通过外套传至缸体，使缸体压住配油盘12起到密封的作用。柱塞的压油行程则是由斜盘通过滑靴推动的，圆柱滚子轴承16用以承受缸体的径向力，缸体的轴向力则由配油盘承受。配油盘上开有吸、排油窗口，分别与前泵体上的吸、排油口相通。

2）中心弹簧机构

每个柱塞的头部滑靴必须始终紧贴斜盘。每个柱塞底部的弹簧改为缸体轴线的中心弹簧14，泵的自吸能力得到提高，而且弹簧只受静载荷。

3）缸体端面间隙的自动补偿

缸体紧压配油盘端面的作用力，除中心弹簧14的推力外，还有柱塞孔底部台阶面上所受的液压力，液压力较大，而且随工作压力的变化而变化，使端面间隙得到自动补偿，提高了泵的容积效率。

4）滑靴

为了减小滑靴与斜盘的滑动摩擦和接触应力，采用了静压支承结构。柱塞滑靴静压支承的结构如图3－16所示，在柱塞的中心有轴向阻尼小孔d0，柱塞压油时产生的压力油有一小部分通过小孔d0引至滑靴端面的油室h，使h处及其附近接触面间形成油膜而起到静压支承作用，压紧力F与油膜静压力FN之比在1．05～1．10较合适，建立厚度δ为0．01～0．03mm的强固油膜，使摩擦、磨损和发热情况大为改善，同时，滑靴与斜盘采用特殊耐磨材料。

图3－16 柱塞滑靴及静压支承的结构

5）配油盘

配油盘是液压泵的关键零件，易烧损，其结构如图3－17所示。盘上的两个弧形透槽是为缸体配油的吸、排油配油窗口1。

图3－17 配油盘的结构

1—吸、排油窗口；2—薄连片；3—阻尼孔；4—盲孔；5—均压槽；6—圆环平面；7—润滑小孔

为了增强配油盘的结构刚性，每槽的中部保留薄连片2。两配油窗口之间的过渡处有两个直径为1mm的点眼坑形的阻尼孔3（减振槽），与对应的吸、排油窗口相通（通过泵体上开挖的细小油槽），减少和消除吸、压油转换时柱塞孔中油液因压力突变引起的困油现象和压力冲击。过渡区还有5个直径为1．5～2mm、深度为2～3mm的盲孔4（减振孔），用以储油润滑。配油盘外缘附近有环槽，称为均压槽5，可以使配油盘上各点受到的液压力保持均衡，以减少磨损。均压槽外侧的圆环平面6给缸体提供辅助支承，并开有小孔7提供强制润滑防烧（区分销孔）。柱塞上也有均压槽。

6）变量机构

在变量轴向柱塞泵中均设有专门的变量机构，用来改变斜盘倾角的大小以调节泵的排量。轴向柱塞泵的变量方式有手动、伺服、压力补偿、定级变量多种。

（1）手动变量机构 如图3－15所示，手动变量机构设置在泵的左侧。变量时，转动手轮1，螺杆2随之转动，变量活塞3便上下移动，通过销轴5使支承在变量壳体上的斜盘4绕其中心摆动，从而改变了斜盘倾角γ。

手动变量机构的结构简单，但手动操纵力较大，通常只能在停机或泵压较低的情况下才能实现变量。

（2）伺服变量机构 伺服变量机构采用机液伺服系统的原理。变量活塞对于壳体来说是活塞，对伺服阀来说是阀体。活塞跟踪拉杆移动而变量，且移动距离相同，相当于是一个液压放大器。

操纵拉杆的力可以采用手动机构、机械（凸轮、杠杆）机构、气缸、液压缸和可逆电机等各种方式，操纵力只需10N左右。伺服变量泵适用于闭式油路液压系统和频繁变量的开式油路系统。

3．斜盘式轴向柱塞泵的排量计算

如图3－18所示，若柱塞转角θ从0°到180°的行程长度为L，则L＝Dtanγ，D为柱塞孔的分布圆直径，γ为斜盘倾角，柱塞数目为z，柱塞直径为d。

图3－18 轴向柱塞泵的流量

当缸体转动一转时，每个柱塞的排量为，则整个柱塞泵的排量公式为

为减小瞬时流量的脉动性，柱塞数为奇数，常取7或9个。

4．通轴式斜盘轴向柱塞泵修复实例

某柱塞泵型号为A11V25LRD/10R－NPD＋PPE2G3－3X/0292007/M9，为德国REXROTH公司的产品，是一种恒功率、变量的轴支承缸体的通轴式斜盘轴向柱塞泵，共有9个柱塞，如图3－19所示。

图3－19 轴支承缸体的通轴式斜盘轴向柱塞泵

1—传动轴；2—轴承；3—斜盘；4—滑靴；5—柱塞；6—缸体；7—中心弹簧；

8—配油盘；9—轴承；10—球铰；11—回程盘

1）滑靴损坏

滑靴损坏主要是因为柱塞泵回程时，柱塞球头部分与滑靴间相互作用力过大造成的。

修复措施包括如下几点。

（1）将柱塞泵的柱塞由实心改为空心。

（2）在柱塞上加工5个压力卸荷槽（见图3－20）。为避免因油液过脏引起的划伤和油膜破坏引起的烧伤，在活塞上加工有5个卸荷槽，当活塞往复运动时，卸荷槽内始终充满油液，即使柱塞发生倾斜，也能实现静压平衡。在柱塞上加工若干个卸荷槽，可使柱塞圆周上的力区域平衡，从而消除液压卡紧力。

图3－20 改造后的柱塞结构

（3）由于滑靴与柱塞球头是铆合的，为了提高拉脱强度，将滑靴收口部位局部加厚，如图3－21所示。要求滑靴球面位置度为0．005mm，与柱塞球头铆合时径向间隙不大于0．001mm，与柱塞球头接触面积不小于70％。

图3－21 改造后的滑靴结构

2）由于液压介质太脏，造成运动副不同程度的划伤

减少运动副划伤的措施如下：①更换液压介质，并在液压站回油管路增加回油过滤器；②保持油液清洁，并对泵体的各配合面进行研磨修复，保证其配合精度。

通过采取以上措施，修复后的柱塞泵使用寿命为3年左右，达到进口柱塞泵的使用寿命，影响端面配油轴向柱塞泵寿命的原因主要是运动副的磨损、零部件的疲劳损坏和轴承疲劳损坏。

5．径向柱塞泵

径向柱塞泵有配油轴式径向柱塞泵和阀配油径向柱塞泵。

如图3－22所示，径向柱塞泵主要由定子1、转子（缸体）2、柱塞3、配油轴4等组成。5个柱塞径向均匀布置在转子中，可自由滑动。配油轴固定不动。

每个柱塞底部空间为密闭工作腔。当柱塞随转子转动时，同时，柱塞滑靴头部在离心力和定子内表面的推压力作用下，压紧在定子内圆上做往复运动。因定子与转子存在偏心距e，柱塞在外伸时通过两个轴向孔a、b吸油，缩回时通过轴向孔c、d压油。移动定子改变偏心距的大小，便可改变柱塞的行程，从而改变排量。若改变偏心距的方向，则可改变吸、压油的方向。因此，径向柱塞泵可以做成单向或双向变量泵。

显然，每个柱塞的行程等于偏心距的两倍，泵的排量公式为

图3－22 径向柱塞泵的工作原理

1—定子；2—转子（缸体）；3—柱塞；4—配油轴；a、b—吸油轴向孔；c、d—压油轴向孔

式中：e为定子与缸体之间的偏心距；z为柱塞数；d为柱塞直径。

由于径向柱塞泵径向尺寸大，结构复杂，自吸能力差，且配油轴受到径向不平衡液压力的作用，易于磨损，泄漏间隙不能补偿，从而限制了它的转速和压力的提高。