2.1 液压动力元件

液压动力元件起着向液压系统提供动力源的作用，是液压系统不可缺少的核心元件，它的作用可以和人类的心脏相提并论。液压泵作为液压系统提供一定的流量和压力的动力元件，将原动机（电动机或内燃机）输出的机械能转换为工作液体的压力能，是一种能量转换装置。

2.1.1 液压泵概述

1．液压泵的工作原理

液压泵是依靠密封容积变化的原理来进行工作的，故一般称为容积式液压泵。图2.1所示的是一单柱塞液压泵的工作原理图，图中柱塞2装在缸体3中形成一个密封容积a，柱塞在弹簧4的作用下始终压紧在偏心轮1上。原动机驱动偏心轮1旋转，使柱塞2作往复运动，从而使密封容积a的大小发生周期性的交替变化。当a由小变大时就形成部分真空，使油箱中的油液在大气压作用下，经吸油管顶开单向阀6进入油箱a而实现吸油；反之，当a由大变小时，a腔中吸满的油液将顶开单向阀5流入系统而实现压油。这样液压泵就将原动机输入的机械能转换成液体的压力能，原动机驱动偏心轮不断旋转，液压泵就不断地吸油和压油。

2．液压泵的特点

容积式液压泵的基本特点如下。

（1）具有若干个密封且又可以周期性变化的空间。液压泵输出流量与此空间的容积变化量和单位时间内的变化次数成正比，与其他因素无关。这是容积式液压泵的一个重要特性。

（2）油箱内液体的绝对压力必须恒等于或大于大气压力。这是容积式液压泵能够吸入油液的外部条件。因此，为保证液压泵正常吸油，油箱必须与大气相通，或采用密闭的充压油箱。

（3）具有相应的配流机构，将吸油腔和排油腔隔开，保证液压泵有规律地、连续地吸、排液体。液压泵的结构原理不同，其配油机构也不相同。图2.1中的单向阀5、6就是配油机构。

容积式液压泵中的油腔处于吸油时称为压油腔。吸油腔的压力决定于吸油高度和吸油管路的阻力。吸油高度过高或吸油管路阻力太大，会使吸油腔真空度过高而影响液压泵的自吸能力；压油腔的压力则取决于外负载和排油管路的压力损失，从理论上讲，排油压力与液压泵的流量无关。

容积式液压泵排油的理论流量取决于液压泵的有关几何尺寸和转速，而与排油压力无关。但排油压力会影响泵的内泄漏和油液的压缩量，从而影响泵的实际输出流量，所以液压泵的实际输出流量随排油压力的升高而降低。

3．液压泵的主要性能参数

液压泵的性能参数主要有压力、流量、转速、排量、功率和效率等。

1）压力

（1）工作压力。液压泵实际工作时的输出压力称为工作压力，工作压力的大小取决于外负载的大小和排油管路上的压力损失，而与液压泵的流量无关。

（2）额定压力。液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定连续运转的最高压力称为液压泵的额定压力。

（3）最高允许压力。在超过额定压力的条件下，根据试验标准规定，允许液压泵短暂运行的最高压力值，称为液压泵的最高允许压力。

2）排量和流量

（1）排量V。液压泵每转一周，由其密封容积几何尺寸变化计算而得的排出液体的体积叫液压泵的排量。排量可调节的液压泵称为变量泵；排量为常数的液压泵则称为定量泵。

（2）理论流量qi。理论流量是指在不考虑液压泵的泄漏流量的情况下，在单位时间内所排出的液体体积的平均值。显然，如果液压泵的排量为V，其主轴转速为n，则该液压泵的理论流量qi为

（3）实际流量q。液压泵在某一具体工况下，单位时间内所排出的液体体积称为实际流量，它等于理论流量qi减去泄漏流量Δq，即

（4）额定流量qn。液压泵在正常工作条件下，按试验标准规定（如在额定压力和额定转速下）必须保证的流量。

3）功率和效率

（1）液压泵的功率损失。液压泵的功率损失有容积损失和机械损失两部分。

①容积损失。容积损失是指液压泵流量上的损失，液压泵的实际输出流量总是小于其理论流量，其主要原因是由于液压泵内部高压腔的泄漏、油液的压缩以及在吸油过程中由于吸油阻力太大、油液黏度大以及液压泵转速高等原因而导致油液不能全部充满密封工作腔。液压泵的容积损失用容积效率来表示，它等于液压泵的实际输出流量q与其理论流量qi之比，即

因此，液压泵的实际输出流量q为

式中，V为液压泵的排量，m3/r; n为液压泵的转速，r/s。

液压泵的容积效率随着液压泵工作压力的增大而减小，且随液压泵的结构类型不同而不同，但恒小于1。

②机械损失。机械损失是指液压泵在转矩上的损失。液压泵的实际输入转矩T0总是大于理论上所需要的转矩Ti，其主要原因是由于液压泵体内相对运动部件之间因机械摩擦而引起的摩擦转矩损失以及液体的黏性而引起的摩擦损失。液压泵的机械损失用机械效率表示，它等于液压泵的理论转矩Ti与实际输入转矩T0之比。设转矩损失为ΔT，则液压泵的机械效率为

（2）液压泵的功率。

①输入功率pi。液压泵的输入功率是指作用在液压泵主轴上的机械功率，当输入转矩为T0、角速度为ω时，有

②输出功率p。液压泵的输出功率是指液压泵在工作过程中的实际吸、压油口间的压差Δp和输出流量q的乘积，即

式中，Δp为液压泵吸、压油口之间的压力差，N/m2; q为液压泵的实际输出流量，m3/s;p为液压泵的输出功率，N·m/s或W。

在实际的计算中，若油箱通大气，液压泵吸、压油的压力差往往用液压泵出口压力p代入。

（3）液压泵的总效率。液压泵的总效率是指液压泵的实际输出功率与其输入功率的比值，即

式中，Δpqi/ω为理论输入转矩Ti。

由式（2-8）可知，液压泵的总效率等于其容积效率与机械效率的乘积，所以液压泵的输入功率也可写成

液压泵的各个参数和压力之间的关系如图2.2所示。

4．液压泵的分类

液压泵按其在单位时间内所能输出的油液的体积是否可调节而分为定量泵和变量泵两类，按结构形式可分为齿轮式、叶片式和柱塞式3类，按工作压力的高低可分为低压泵、中压泵和高压泵3类。

2.1.2 齿轮泵

齿轮泵是一种常用液压泵，它一般做成定量泵。其主要特点是结构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸性能好，对油液污染不敏感，工作可靠；其主要缺点是流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调。齿轮泵被广泛地应用于采矿设备、冶金设备、建筑机械、工程机械、农林机械等各个行业。齿轮泵按照其啮合形式的不同，有外啮合和内啮合两种，其中外啮合齿轮泵应用较广，而内啮合齿轮泵则多为辅助泵。下面以外啮合齿轮泵为例来剖析齿轮泵。

1．齿轮泵的工作原理和结构

齿轮泵的工作原理如图2.3所示，它是分离三片式结构，三片是指泵盖4、8和泵体7（图2.4），泵体7内装有一对齿数相同、宽度和泵体接近而又互相啮合的齿轮6，这对齿轮与两端盖和泵体形成一密封腔，并由齿轮的齿顶和啮合线把密封腔划分为两部分，即吸油腔和压油腔。两齿轮分别用键固定在由滚针轴承支承的主动轴12和从动轴15上，主动轴由电动机带动旋转。

CB-B齿轮泵的结构如图2.4所示，当泵的主动齿轮按图示箭头方向旋转时，齿轮泵右侧（吸油腔）齿轮脱开啮合，齿轮的轮齿退出齿间，使密封容积增大，形成局部真空，油箱中的油液在外界大气压的作用下，经吸油管路、吸油腔进入齿间。随着齿轮的旋转吸入齿间的油液被带到到另一侧，进入压油腔。这时轮齿进入啮合，使密封容积逐渐减小，齿轮间部分的油液被挤出，形成了齿轮泵的压油过程。齿轮啮合时齿向接触线把吸油腔和压油腔分开，起配油作用。当齿轮泵的主动齿轮由电动机带动不断旋转时，轮齿脱开啮合的一侧，由于密封容积变大则不断从油箱中吸油，轮齿进入啮合的一侧，由于密封容积减小则不断地排油，这就是齿轮泵的工作原理。泵的前后盖和泵体由两个定位销17定位，用6只螺钉固紧，如图2.3所示。为了保证齿轮能灵活地转动，同时又要保证泄漏最小，在齿轮端面和泵盖之间应有适当间隙（轴向间隙），小流量泵轴向间隙为0.025～0.04mm，大流量泵为0.04～0.06mm。对于齿顶和泵体内表面间的间隙（径向间隙），由于密封带长，同时齿顶线速度形成的剪切流动又和油液泄漏方向相反，故对泄漏的影响较小。这里要考虑的问题是：当齿轮受到不平衡的径向力后，应避免齿顶和泵体内壁相碰，所以径向间隙就可稍大，一般取0.13～0.16mm。

为了防止压力油从泵体和泵盖间泄漏到泵外，并减小压紧螺钉的拉力，在泵体两侧的端面上开有油封卸油槽16，使渗入泵体和泵盖间的压力油引入吸油腔。在泵盖和从动轴上开有小孔，其作用是将泄漏到轴承端部的压力油也引到泵的吸油腔，以防止油液外溢，同时也润滑了滚针轴承。

2．流量计算

齿轮泵的排量V相当于一对齿轮所有齿谷容积之和，假如齿谷容积大致等于轮齿的体积，那么齿轮泵的排量等于一个齿轮的齿谷容积和轮齿容积体积的总和，即相当于以有效齿高（h=2m）和齿宽构成的平面所扫过的环形体积，即

式中，D为齿轮分度圆直径，D=mz, cm; h为有效齿高，h=2m, cm; B为齿轮宽，cm;m为齿轮模数，cm; z为齿数。

实际上齿谷的容积要比轮齿的体积稍大，故上式中的π常以3.33代替，则式（2-10）可写成

齿轮泵的流量q（L/min）为

式中，n为齿轮泵转速，r/min; ηV为齿轮泵的容积效率。

实际上齿轮泵的输油量是有脉动的，故式（2-12）所表示的是泵的平均输油量。

从上面公式可以看出流量和几个主要参数的关系如下。

（1）输油量与齿轮模数m的平方成正比。

（2）在泵的体积一定时，齿数少，模数就大，故输油量增加，但流量脉动大；齿数增加时，模数就小，输油量减少，流量脉动也小。

用于机床上的低压齿轮泵，取z=13～19；而中高压齿轮泵，取z=6～14，齿数z＜14时，要进行修正。

（3）输油量和齿宽B、转速n成正比。一般齿宽B=6～10m；转速n为750r/min、1000r/min、1500r/min，转速过高，会造成吸油不足；转速过低，泵也不能正常工作。因此，一般齿轮的最大圆周速度不应大于5～6m/s。

2.1.3 叶片泵

叶片泵的结构较齿轮泵复杂，但其工作压力较高，且流量脉动小，工作平稳，噪声较小，寿命较长。所以它被广泛应用于机械制造中的专用机床、自动线等中低液压系统中，但其结构复杂，吸油特性不太好，对油液的污染也比较敏感。

根据各密封工作容积在转子旋转一周吸、排油液次数的不同，叶片泵分为两类，即完成一次吸、排油液的单作用叶片泵和完成两次吸、排油液的双作用叶片泵。单作用叶片泵多为变量泵，工作压力最大为7.0MPa，双作用叶片泵均为定量泵，一般最大工作压力也为7.0MPa，结构经改进的高压叶片泵最大的工作压力可达16.0～21.0MPa。

1．单作用叶片泵

1）单作用叶片泵的工作原理

单作用叶片泵的工作原理如图2.5所示，单作用叶片泵由转子1、定子2、叶片3和端盖等组成。定子具有圆柱形内表面，定子和转子间有偏心距。叶片装在转子槽中，并可在槽内滑动。当转子回转时，由于离心力的作用，使叶片紧靠在定子内壁，这样在定子、转子、叶片和两侧配油盘间就形成若干个密封的工作空间。当转子按图示的方向回转时，在图的右部，叶片逐渐伸出，叶片间的工作空间逐渐增大，从吸油口吸油，这是吸油腔。在图的左部，叶片被定子内壁逐渐压进槽内，工作空间逐渐缩小，将油液从压油口压出，这是压油腔。在吸油腔和压油腔之间，有一段封油区，把吸油腔和压油腔隔开，这种叶片泵在转子每转一周，每个工作空间完成一次吸油和压油，因此称为单作用叶片泵。转子不停地旋转，泵就不断地吸油和排油。

2）单作用叶片泵的排量和流量计算

单作用叶片泵的排量为各工作容积在主轴旋转一周时所排出的液体的总和，如图2.6所示。

两个叶片形成的一个工作容积V＇近似地等于扇形体积V1和V2之差，即

式中，R为定子的内径，m; e为转子与定子之间的偏心矩，m; B为定子的宽度，m; β为相邻两个叶片间的夹角，β=2π/z; z为叶片的个数。

因此，单作用叶片泵的排量为

故当转速为n，泵的容积效率为ηV时的泵的理论流量和实际流量分别为

在式（2-14）～式（2-16）的计算中，并未考虑叶片的厚度以及倾角对单作用叶片泵排量和流量的影响，实际上叶片在槽中伸出和缩进时，叶片槽底部也有吸油和压油过程。一般在单作用叶片泵中，压油腔和吸油腔处的叶片的底部是分别和压油腔及吸油腔相通的，因而叶片槽底部的吸油和压油恰好补偿了叶片厚度及倾角所占据体积而引起的排量和流量的减小，这就是在计算中不考虑叶片厚度和倾角影响的缘故。

单作用叶片泵的流量也是有脉动的，理论分析表明，泵内叶片数越多，流量脉动率越小。此外，奇数叶片的泵的脉动率比偶数叶片的泵的脉动率小，所以单作用叶片泵的叶片数均为奇数，一般为13或15片。

3）单作用叶片泵的结构特点

（1）改变定子和转子之间的偏心便可改变流量。偏心反向时，吸油压油方向也相反。

（2）处在压油腔的叶片顶部受到压力油的作用，该作用要把叶片推入转子槽内。为了使叶片顶部可靠地和定子内表面相接触，压油腔一侧的叶片底部要通过特殊的沟槽和压油腔相通。吸油腔一侧的叶片底部要和吸油腔相通，这里的叶片仅靠离心力的作用顶在定子内表面上。

（3）由于转子受到不平衡的径向液压作用力，所以这种泵一般不宜用于高压。

（4）为了更有利于叶片在惯性力作用下向外伸出，而使叶片有一个与旋转方向相反的倾斜角，称后倾角，一般为24°。

2．双作用叶片泵

1）双作用叶片泵的工作原理

双作用叶片泵的工作原理如图2.7所示，泵也是由定子1、转子2、叶片3和配油盘（图中未画出）等组成的。

转子和定子中心重合，定子内表面近似为椭圆柱形，该椭圆形由2段长半径R、2段短半径r和4段过渡曲线所组成。当转子转动时，叶片在离心力和（减压后）根部压力油的作用下，在转子槽内作径向移动而压向定子内表，由叶片、定子的内表面、转子的外表面和两侧配油盘间形成若干个密封空间。当转子按图示方向旋转时，处在小圆弧上的密封空间经过渡曲线而运动到大圆弧的过程中，叶片外伸，密封空间的容积增大，要吸入油液；再从大圆弧经过渡曲线运动到小圆弧的过程中，叶片被定子内壁逐渐压进槽内，密封空间容积变小，将油液从压油口压出。因而，转子每转一周，每个工作空间要完成两次吸油和压油，所以称为双作用叶片泵。这种叶片泵由于有两个吸油腔和两个压油腔，并且各自的中心夹角是对称的，所以作用在转子上的油液压力相互平衡，因此双作用叶片泵又称为卸荷式叶片泵。为了要使径向力完全平衡，密封空间数（即叶片数）应当是双数。

2）双作用叶片泵的排量和流量计算

双作用叶片泵的排量计算简图如图2.8所示。

由于转子在转一周的过程中，每个密封空间完成两次吸油和压油动作，所以当定子的大圆弧半径为R、小圆弧半径为r、定子宽度为B、两叶片间的夹角为β =2π/z弧度时，每个密封容积排出的油液体积为半径为R和r、扇形角为β、厚度为B的两扇形体积之差的两倍，因而在不考虑叶片的厚度和倾角时双作用叶片泵的排量为

一般在双作用叶片泵中，叶片底部全部接通压力油腔，因而叶片在槽中作往复运动时，叶片槽底部的吸油和压油不能补偿由于叶片厚度所造成的排量减小，为此双作用叶片泵当叶片厚度为b、叶片安放的倾角为θ时的排量为

所以当双作用叶片泵的转数为n、泵的容积效率为ηV时，泵的理论流量和实际输出流量分别为

双作用叶片泵如不考虑叶片厚度，泵的输出流量是均匀的，但实际叶片是有厚度的，长半径圆弧和短半径圆弧也不可能完全同心，尤其是叶片底部槽与压油腔相通，因此泵的输出流量将出现微小的脉动，但其脉动率较其他形式的泵（螺杆泵除外）要小得多，且在叶片数为4的整数倍时最小，为此，双作用叶片泵的叶片数一般为12或16片。

3．双级叶片泵和双联叶片泵

1）双级叶片泵

为了要得到较高的工作压力，也可以不用高压叶片泵，而用双级叶片泵，双级叶片泵是由两个普通压力的单级叶片泵装在一个泵体内在油路上串接而成的。如果单级泵的压力可达7.0MPa，双级泵的工作压力就可达14.0MPa。

双级叶片泵的工作原理如图2.9所示，两个单级叶片泵的转子装在同一根传动轴上，当传动轴回转时就带动两个转子一起转动。第一级泵经吸油管从油箱吸油，输出的油液就送入第二级泵的吸油口，第二级泵的输出油液经管路送往工作系统。设第一级泵输出压力为p1，第二级泵输出压力为p2。正常工作时p2=2p1。但是由于两个泵的定子内壁曲线和宽度等不可能做得完全一样，两个单级泵每转一周的容量就不可能完全相等。如第二级泵每转一周的容量大于第一级泵，第二级泵的吸油压力（也就是第一级泵的输出压力）就要降低，第二级泵前后压力差就加大，因此载荷就增大；反之，第一级泵的载荷就增大。为了平衡两个泵的载荷，在泵体内设有载荷平衡阀。第一级泵和第二级泵的输出油路分别经管路1和2通到平衡阀的大滑阀和小滑阀的端面，两滑阀的面积比A1/A2=2。如第一级泵的流量大于第二级时，油液压力p1就增大，使p1＞1/2p2，因此p1A1＞p2A2，平衡阀被推向右，第一级泵的多余油液从管路1经阀口流回第一级泵的进油管路，使两个泵的载荷获得平衡；如果第二级泵流量大于第一级时，油压p1就降低，使p1A1＜p2A2，平衡阀被推向左，第二级泵输出的部分油液从管路2经阀口流回第二级泵的进油口而获得平衡。如果两个泵的容量绝对相等时，平衡阀两边的阀口都封闭。

2）双联叶片泵

双联叶片泵是由两个单级叶片泵装在一个泵体内在油路上并联组成的。两个叶片泵的转子由同一传动轴带动旋转，有各自独立的出油口，两个泵可以是相等流量的，也可以是不等流量的。

双联叶片泵常用于有快速进给和工作进给要求的机械加工的专用机床中，这时双联泵由一小流量和一大流量泵组成。当快速进给时，两个泵同时供油（此时压力较低）；当工作进给时，由小流量泵供油（此时压力较高），同时在油路系统上使大流量泵卸荷。这与采用一个高压大流量的泵相比，可以节省能源，减少油液发热。这种双联叶片泵也常用于机床液压系统中需要两个互不影响的独立油路中。

4．限压式变量叶片泵

1）限压式变量叶片泵的工作原理

限压式变量叶片泵是单作用叶片泵，根据前面介绍的单作用叶片泵的工作原理，改变定子和转子间的偏心距e，就能改变泵的输出流量，限压式变量叶片泵能借助输出压力的大小自动改变偏心距e的大小来改变输出流量。当压力低于某一可调节的限定压力时，泵的输出流量最大；压力高于限定压力时，随着压力增加，泵的输出流量线性地减少，其工作原理如图2.10所示。

泵的出口经通道7与活塞腔6相通。在泵未运转时，定子2在调压弹簧9的作用下，紧靠活塞4，并使活塞4靠在螺钉5上。这时，定子和转子有一偏心量e0，调节螺钉5的位置，便可改变e0。当泵的出口压力p较低时，则作用在活塞4上的液压力也较小，若此液压力小于上端的弹簧作用力，当活塞的面积为A、调压弹簧的刚度为ks、预压缩量为x0时，有

此时，定子相对于转子的偏心量最大，输出流量最大。随着外负载的增大，液压泵的出口压力p也将随之提高，当压力升至与弹簧力相平衡的控制压力pB时，有

当压力进一步升高，使pA＞ksx0时，若不考虑定子移动时的摩擦力，液压作用力就要克服弹簧力推动定子向上移动，随之泵的偏心量减小，泵的输出流量也减小。pB称为泵的限定压力，即泵处于最大流量时所能达到的最高压力。调节调压螺钉10，可改变弹簧的预压缩量x0，即可改变pB的大小。

设定子的最大偏心量为e0，偏心量减小时，弹簧的附加压缩量为x，则定子移动后的偏心量e为

这时，定子上的受力平衡方程式为

将式（2-21）、式（2-22）代入式（2-23）可得

式（2-25）表示了泵的工作压力与偏心量的关系，由式可以看出，泵的工作压力越高，偏心量就越小，泵的输出流量也就愈小，且当p=ks（e0+x0）/A时，泵的输出流量为零。控制定子移动的作用力是将液压泵出口的压力油引到柱塞上，然后再加到定子上去，这种控制方式称为外反馈式。

2）限压式变量叶片泵的特性曲线

限压式变量叶片泵在工作过程中，当工作压力p小于预先调定的限定压力pc时，液压作用力不能克服弹簧的预紧力，这时定子的偏心距保持最大不变，因此泵的输出流量qA不变，但由于供油压力增大时，泵的泄漏流量p1也增加，所以泵的实际输出流量q也略有减少，如图2.11限压式变量叶片泵的特性曲线中的AB段所示。

调节流量调节螺钉5（图2.10）可调节最大偏心量（初始偏心量）的大小，从而改变泵的最大输出流量qA，特性曲线AB段上下平移。当泵的供油压力p超过预先调整的压力pB时，液压作用力大于弹簧的预紧力，此时弹簧受压缩，定子向偏心量减小的方向移动，使泵的输出流量减小。压力越高，弹簧压缩量越大，偏心量越小，输出流量越小，其变化规律如特性曲线BC段所示。调节调压弹簧10可改变限定压力pc的大小，这时特性曲线BC段左右平移，而改变调压弹簧的刚度时，可以改变BC段的斜率，弹簧越“软”（ks值越小）, BC段越陡，pmax值越小；反之，弹簧越“硬”（ks值越大）, BC段越平坦，pmax值也越大。当定子和转子之间的偏心量为零时，系统压力达到最大值，该压力称为截止压力。实际上由于泵的泄漏存在，当偏心量尚未达到零时，泵向系统的输出流量已为零。

3）限压式变量叶片泵与双作用叶片泵的区别

（1）在限压式变量叶片泵中，当叶片处于压油区时，叶片底部通压力油；当叶片处于吸油区时，叶片底部通吸油腔。这样，叶片的顶部和底部的液压力基本平衡，就避免了定量叶片泵在吸油区定子内表面严重磨损的问题。如果在吸油腔叶片底部仍通压力油，叶片顶部就会给定子内表面以较大的摩擦力，以致减弱了压力反馈的作用。

（2）叶片也有倾角，但倾斜方向正好与双作用叶片泵相反，这是因为限压式变量叶片泵的叶片上下压力是平衡的，叶片在吸油区向外运动主要依靠其旋转时的离心惯性作用。根据力学分析，这样的倾斜方向更有利于叶片在离心惯性作用下向外伸出。

（3）限压式变量叶片泵结构复杂，轮廓尺寸大，相对运动的机件多，泄漏较大，轴上承受不平衡的径向液压力，噪声较大，容积效率和机械效率都没有定量叶片泵高；但是，它能按负载压力自动调节流量，在功率使用上较为合理，可减少油液发热。

限压式变量叶片泵对既要实现快速行程，又要实现工作进给（慢速移动）的执行元件来说是一种合适的油源：快速行程需要大的流量，负载压力较低，正好使用特性曲线的AB段；工作进给时负载压力升高，需要流量减少，正好使用其特性曲线的BC段。因而合理调整拐点压力pB是使用该泵的关键。目前这种泵被广泛用于要求执行元件有快速、慢速和保压阶段的中低压系统中，有利于节能和简化回路。

2.1.4 柱塞泵

柱塞泵是靠柱塞在缸体中作往复运动造成密封容积的变化来实现吸油与压油的液压泵，与齿轮泵和叶片泵相比，这种泵有许多优点。首先，构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和缸孔，加工方便，可得到较高的配合精度，密封性能好，在高压工作仍有较高的容积效率；第二，只需改变柱塞的工作行程就能改变流量，易于实现变量；第三，柱塞泵中的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场合，如龙门刨床、拉床、液压机、工程机械、矿山冶金机械、船舶上得到了广泛的应用。柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类。

1．径向柱塞泵

1）径向柱塞泵的工作原理

径向柱塞泵的工作原理如图2.12所示。柱塞1径向排列装在缸体2中，缸体由原动机带动连同柱塞1一起旋转，所以缸体2一般称为转子，柱塞1在离心力的（或在低压油）作用下抵紧定子4的内壁。当转子按图示方向回转时，由于定子和转子之间有偏心距e，柱塞绕经上半周时向外伸出，柱塞底部的容积逐渐增大，形成部分真空，因此便经过衬套3（衬套3压紧在转子内，并和转子一起回转）上的油孔从配油孔5和吸油口b吸油。当柱塞转到下半周时，定子内壁将柱塞向里推，柱塞底部的容积逐渐减小，向配油轴的压油口c压油。当转子回转一周时，每个柱塞底部的密封容积完成一次吸压油，转子连续运转，即完成压吸油工作。配油轴固定不动，油液从配油轴上半部的两个孔a流入，从下半部两个油孔d压出。为了进行配油，配油轴在和衬套3接触的一段加工出上下两个缺口，形成吸油口b和压油口c，留下的部分形成封油区。封油区的宽度应能封住衬套上的吸压油孔，以防吸油口和压油口相连通，但尺寸也不能大得太多，以免产生困油现象。

2）径向柱塞泵的排量和流量计算

当转子和定子之间的偏心距为e时，柱塞在缸体孔中的行程为2e，设柱塞个数为z，直径为d时，泵的排量为

设泵的转数为n，容积效率为ηV，则泵的实际输出流量为

3）径向柱塞泵的典型结构

图2.13所示为连杆型阀式径向柱塞泵结构图。

2．轴向柱塞泵

1）轴向柱塞泵的工作原理

轴向柱塞泵是将多个柱塞配置在一个共同缸体的圆周上，并使柱塞中心线和缸体中心线平行的一种泵。轴向柱塞泵有两种形式，直轴式（斜盘式）和斜轴式（摆缸式）。如图2.14所示为直轴式轴向柱塞泵的工作原理，这种泵主体由缸体1、配油盘2、柱塞3和斜盘4组成。柱塞沿圆周均匀分布在缸体内。斜盘轴线与缸体轴线倾斜一角度，柱塞靠机械装置或在低压油作用下压紧在斜盘上（图中为弹簧），配油盘2和斜盘4固定不转。当原动机通过传动轴使缸体转动时，由于斜盘的作用，迫使柱塞在缸体内作往复运动，并通过配油盘的配油窗口进行吸油和压油。如图2.14所示回转方向，当缸体转角在π～2π范围内，柱塞向外伸出，柱塞底部缸孔的密封工作容积增大，通过配油盘的吸油窗口吸油；在0～π范围内，柱塞被斜盘推入缸体，使缸孔容积减小，通过配油盘的压油窗口压油。缸体每转一周，每个柱塞各完成吸、压油一次，如改变斜盘倾角，就能改变柱塞行程的长度，即改变液压泵的排量，改变斜盘倾角方向，就能改变吸油和压油的方向，即成为双向变量泵。

配油盘上吸油窗口和压油窗口之间的密封区宽度l应稍大于柱塞缸体底部通油孔宽度l1。但不能相差太大，否则会发生困油现象。一般在两配油窗口的两端部开有小三角槽，以减小冲击和噪声。

斜轴式轴向柱塞泵的缸体轴线相对传动轴轴线成一倾角，传动轴端部用万向铰链、连杆与缸体中的每个柱塞相连接。当传动轴转动时，通过万向铰链、连杆使柱塞和缸体一起转动，并迫使柱塞在缸体中作往复运动，借助配油盘进行吸油和压油。这类泵的优点是变量范围大，泵的强度较高，但和上述直轴式相比，其结构较复杂，外形尺寸和重量均较大。

轴向柱塞泵的优点是：结构紧凑、径向尺寸小，惯性小，容积效率高，目前最高压力可达40.0MPa，甚至更高，一般用于工程机械、压力机等高压系统中。但其轴向尺寸较大，轴向作用力也较大，结构比较复杂。

2）轴向柱塞泵的排量和流量计算

如图2.14所示，柱塞的直径为d，柱塞分布圆直径为D，斜盘倾角为γ时，柱塞的行程为s=Dtanγ，所以当柱塞数为z时，轴向柱塞泵的排量为

设泵的转数为n，容积效率为ηv，则泵的实际输出流量为

实际上，由于柱塞在缸体孔中运动的速度不是恒速的，因而输出流量是有脉动的。当柱塞数为奇数时，脉动较小，且柱塞数多脉动也较小，因而一般常用的柱塞泵的柱塞个数为7、9或11。

3）轴向柱塞泵的典型结构

图2.15所示为一种直轴式轴向柱塞泵的结构。油泵输入轴9由电机带动旋转，缸体6随之旋转，缸体中的柱塞7的球头上的滑靴5被回程盘压向斜盘，因此柱塞7随着斜盘的斜面在缸体6中往复运动，实现油泵的吸、排油。油泵的配油由配油盘10实现。改变斜盘倾角，就改变了油泵的输出流量。

4）变量机构

由式（2-29）可知，只要改变斜盘的倾角，即可改变轴向柱塞泵的排量和输出流量，下面介绍常用的轴向柱塞泵的手动变量和伺服变量机构的工作原理。

（1）手动变量机构。

如图2.15所示，转动手轮15，使丝杆14转动，带动变量活塞13作轴向移动（因导向键的作用，变量活塞只能作轴向移动，不能转动）。通过轴销12使斜盘体2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。当流量达到要求时，可用锁紧螺母锁紧。这种变量机构结构简单，但操纵不轻便，且不能在工作过程中变量。

（2）伺服变量机构。

图2.16所示为轴向柱塞泵的伺服变量机构，以此机构代替图2.15所示轴向柱塞泵中的手动变量机构，就成为手动伺服变量泵。

其工作原理为：泵输出的压力油由通道经单向阀α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处于封闭状态，变量活塞不动，斜盘3在某一相应的位置上。当使拉杆向下移动时，推动阀芯1一起向下移动，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面积大于下端的有效面积，向下的液压力大于向上的液压，故变量活塞4也随之向下移动，直到将通道e的油口封闭为止。变量活塞的移动量等于拉杆的位移量。当变量活塞向下移动时，通过轴销带动斜盘3摆动，斜盘倾斜角增加，泵的输出流量随之增加；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通过卸压通道接通油箱而卸压，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。这时斜盘也被带动作相应的摆动，使倾斜角减小，泵的流量也随之相应地减小。由上述可知，伺服变量机构是通过操作液压伺服阀动作，利用泵输出的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。拉杆可用手动方式或机械方式操作，斜盘可以倾斜±18°，故在工作过程中，泵的吸压油方向可以变换，因而这种泵就成为双向变量液压泵。

【例2.1】某变量叶片泵的转子径d=83mm，定子内径D=89mm，叶片宽度B=30mm。求：（1）当泵的排量V=16ML/r时，定子与转子间的偏心量有多大？（2）泵的最大排量是多少？

解：（1）求偏心量。以单作用式叶片泵的理论排量公式计算（忽略叶片厚度），有

（2）根据已知条件确定最大可能的偏心量emax，再求出最大可能的理论排量。定子与转子之间的最小间隙选为0.5mm，则

qmax=2πDemaxB=2π×89×2.5×30 =4.194×103mm3/r

【例2.2】某轴向柱塞泵的柱塞直径d=20mm，柱塞分布圆直径D=70mm，柱塞数z=7。当斜盘倾角γ=22°30＇、转速n=960r/min、输出压力p=16MPa、容积效率ηV=0.95、机械效率η=0.9时，试求泵的理论流量、实际流量和所需电动机功率。

解：

（1）泵的理论流量qt。

（2）实际流量q。

q=qtηV=61×0.95 =57.95L/min

（3）电动机功率P。

【例2.3】已知某齿轮泵的额定流量q0=100L/min，额定压力p0=25×105Pa，泵的转速n1=1450r/min，泵的机械效率ηm=0.9，由实验测得：当泵的出口压力p1=0时，其流量q1=106L/min; p2=25×105Pa时，其流量q2=101L/min。

（1）求该泵的容积效率ηV。

（2）如泵的转速降至500r/min，在额定压力下工作时，泵的流量q3为多少？容积效率为多少？

（3）在这两种情况下，泵所需功率为多少？

解：（1）认为泵在负载为0的情况下的流量为其理论流量，所以泵的容积效率为

（2）泵的排量为

泵在转速为500r/min时的理论流量为

q＇3=500×V=500×0.073 =36.5L/min

由于压力不变，可认为泄漏量不变，所以泵在转速为500r/min时的实际流量为

q3=q＇3-（q1-q2）=36.5-（106-101）=31.5L/min

泵在转速为500r/min时的容积效率为

（3）泵在转速为1450r/min时的总效率和驱动功率为

泵在转速为500r/min时的总效率和驱动功率为

2.1.5 液压泵的选用

液压泵是液压系统提供一定流量和压力的油液动力元件，它是每个液压系统不可缺少的核心元件。合理地选择液压泵对于降低液压系统的能耗、提高系统的效率、降低噪声、改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要。

选择液压泵的原则是：根据主机工况、功率大小和系统对工作性能的要求，首先确定液压泵的类型，然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号。

表2-1列出了液压系统中常用液压泵的主要性能。

一般来说，由于各类液压泵各自突出的特点，其结构、功用和转动方式各不相同，因此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵。一般在机床液压系统中，往往选用双作用叶片泵和限压式变量叶片泵；而在筑路机械、港口机械以及小型工程机械中，往往选择抗污染能力较强的齿轮泵；在负载大、功率大的场合如航天航空、大型工程机械领域中，往往选择柱塞泵。

特别提示

本节的重点是容积式泵的工作原理，泵的性能参数的定义、相互间的关系、量值的计算，常用液压泵的典型结构、工作原理、性能特点及适用场合，液压泵的变量原理及特性曲线等内容。学习容积式泵的性能参数及参数计算关系，是为了在使用中能正确选用与合理匹配元件；掌握常用液压泵的工作原理、性能特点及适用场合，是为了合理使用与恰当分析泵的故障，也便于分析液压系统的工作状态。

本节内容的难点是容积式泵主要性能参数的含义及其相互间的关系；容积式泵的工作原理；容积式泵的困油、泄漏、流量脉动、定子曲线、叶片倾角等相关问题；限压式变量泵的原理与变量特性；高压泵的结构特点。