第3章 液压动力元件
液压动力元件通常为液压泵，它将原动机（电动机或内燃机）输入的机械能（输出轴上的转矩和转速）转换为工作液体的压力能，为液压传动系统提供具有一定压力和流量的液体。它是液压系统不可缺少的核心元件，其性能直接影响到系统的正常工作。
3.1液压泵概述
液压泵是液压系统中的动力装置，也是能量转换元件，起着向系统提供动力源的作用。
3.1.1 液压泵的工作原理
液压泵是靠密封腔容积的变化来工作的。如图3-1所示是一单柱塞液压泵的工作原理图。图中，柱塞2安装在缸体3中形成一个密封容积a，柱塞在弹簧4的作用下始终紧靠在偏心轮1上。
原动机驱动偏心轮1旋转时，柱塞2将做往复运动，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，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；当a由大变小时，a中吸满的油液将顶开单向阀5流入系统而实现压油。原动机驱动偏心轮不断旋转，液压泵就不断地吸油和压油，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输出。
液压泵排出油液的压力取决于油液流动需要克服的阻力，排出油液的流量取决于密封容积变化的大小和变化频率。
图3-1 单柱塞液压泵的工作原理图
1—偏心轮；2—柱塞；3—缸体；4—弹簧；5、6—单向阀；a—油箱
由此可见，容积式液压泵靠密封油腔容积的变化实现吸油和排油，从而将原动机输入的机械功率Tω（T为输入的转矩，ω为输入的角速度）转换成液压功率pq（p为输出压力，q为输出流量）。
液压泵实现吸、排油的方式称为配流。这里，单向阀5、6组成阀配流机构，使吸、排油过程相互隔开，从而使系统能随负载建立起相应的压力。
这种单柱塞泵是靠密封油腔的容积变化进行工作的，称为容积式泵。构成容积式液压泵必须具备如下三个条件：
（1）容积式泵必定具有一个或若干个密封油腔；
（2）密封油腔的容积产生由小到大和由大到小的变化，以形成吸、排油过程；
（3）具有相应的配流机构以使吸、排油过程能各自独立完成。
本章所述的各种液压泵虽然组成密封腔的零件结构各异，配流机构形式也各不相同，但它们都满足上述三个条件，都属于容积式液压泵。
3.1.2 液压泵的性能参数
1．液压泵的压力
1）工作压力p
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ps
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。超过此值即为过载。
3）最高允许压力pmax
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。一般最高允许压力为额定压力的1.1倍。超过这个压力液压泵将很快损坏。
2．液压泵的排量和流量
1）排量V
在不考虑泄漏的情况下，液压泵主轴每转一周所排出的液体的体积称为排量，又称为理论排量或几何排量。其国际标准单位为m3/r，常用的单位为mL/r。
2）理论流量qt
理论流量是指在不考虑液压泵泄漏流量的情况下，液压泵在单位时间内所排出的液体的体积。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qt为
3）实际流量qp
实际流量qp是泵工作时的输出流量，这时的流量必须考虑到泵的泄漏。它等于泵理论流量减去泄漏损失的流量Δq，即
4）额定流量qn
额定流量 qn是泵在额定转速和额定压力下输出的流量。由于泵存在泄漏，所以泵实际流量qp和额定流量qn都小于理论流理qt。
3．液压泵的功率损失、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小于其理论流量，其主要原因是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。
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T总是大于理论上所需要的转矩Tt，其主要原因是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。
2）液压泵的功率
① 理论功率 Pt液压泵的输入为机械能，表现为转矩和转速；其输出为压力能，表现为压力和流量。当液压泵输出的压力驱动液压缸克服负载F以速度v运动时，若不考虑能量损失，则液压泵和液压缸的理论功率为
式中，n为液压泵的转速；Tt为驱动液压泵的理论转矩；p为液压泵的工作压力；A为液压缸的有效工作面积。
② 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T，角速度为ω时，有
③ 输出功率 Po液压泵的输出功率是指液压泵在工作过程中吸、压油口间的压差 Δp和输出流量qv的乘积，即
式中，Δp为液压泵吸、压油口之间的压力差（N/m2）；qv为液压泵的实际输出流量（m3/s）；Po为液压泵的输出功率（W）。
在实际的计算中，若油箱通大气，则液压泵吸、压油口之间的压力差往往用液压泵出口压力p代替，所以有
3）液压泵的效率
① 容积效率 容积效率ηvp通常用来表征容积损失。容积效率等于液压泵的实际流量与理论流量比值，即
液压泵的泄漏量随压力升高而增大，相应其容积效率也随压力升高而降低。
因此，液压泵的实际输出流量为
式中，V为液压泵的排量（m3/r）；n为液压泵的转速（r/s）。
② 机械效率 机械效率通常用来表征机械损失。机械效率等于驱动液压泵的理论转矩与实际转矩的比值，即
由式（3-3）可得，Tt= p V/2π，代入可得
液压泵的总效率η为其实际输出功率和实际输入功率的比值，即
液压泵的各个参数和压力之间的关系如图3-2所示。
图3-2 液压泵的各个参数和压力之间的关系
3.1.3 液压泵的分类
液压泵的类型很多，按其排量能否调节，可分为定量泵和变量泵；按其输油方向能否改变，可分为单向泵和双向泵；按其额定压力的高低，可分为低压泵、中压泵和高压泵；按液压泵的结构形式，可分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵等。每类泵中还有多种形式，例如，齿轮泵有外啮合式和内啮合式，叶片泵有单作用式和双作用式，柱塞泵有径向式和轴向式等。常见的液压泵的图形符号如图3-3所示。
图3-3 液压泵的图形符号
3.2齿轮泵
齿轮泵是一种常用的液压泵。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，对油液污染不敏感和工作可靠等。其主要缺点是流量和压力脉动大，噪声大，排量不可调。
按齿轮的啮合形式的不同，齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵。由于外啮合齿轮泵制造工艺简单、加工方便，因而应用最广。下面分别介绍它们的工作原理、结构特点和性能。
3.2.1 齿轮泵的工作原理
图3-4 外啮合型齿轮泵工作原理
1—壳体；2—主动齿轮；3—从动齿轮
如图3-4所示为外啮合型齿轮泵工作原理图。由于齿轮两端面与泵盖的间隙以及齿轮的齿顶与泵体内表面的间隙都很小，因此，一对啮合的轮齿将泵体、前后泵盖和齿轮包围的密封容积分隔成左、右两个密封的工作腔。当原动机带动齿轮按如图3-4所示的方向旋转时，右侧的轮齿不断退出啮合，其密封工作腔容积逐渐增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力的作用下经泵的吸油口进入这个密封油腔——吸油腔。随着齿轮的转动，吸入的油液从齿间转移到左侧的密封工作腔。左侧进入啮合的轮齿使密封油腔——压油腔容积逐渐减小，把齿间油液挤出，从压油口输出，压入液压系统。这就是齿轮泵的吸油和压油过程。齿轮连续旋转，泵连续不断地吸油和压油。
齿轮啮合点处的齿面接触线将吸油腔和压油腔分开，起到了配油（配流）作用，因此不需要单独设置配油装置，这种配置方式称为直接配油。
如图3-5所示为外啮合渐开线齿轮泵的结构简图。外啮合渐开线齿轮泵主要由一对几何参数完全相同的主从动齿轮4和8、传动轴6、泵体3以及前后泵盖5和1等零件组成。
图3-5 外啮合渐开线齿轮泵的结构简图
1—后泵盖；2—滚针轴承；3—泵体；4—主动齿轮；5—前泵盖；6—传动轴；7—键；8—从动齿轮
3.2.2 齿轮泵的结构特点
1．齿轮泵的排量和流量计算
齿轮泵排量和流量的严密计算比较复杂。这是因为齿轮旋转时，齿轮的不同啮合点工作容腔容积的变化率是不一样的，故在每一个瞬间所排出的油液量也不相同。为简化起见，可采用近似计算方法。
齿轮泵的排量V相当于一对齿轮所有齿槽容积之和。假如齿槽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槽容积和轮齿体积的总和，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；h为有效齿高，h=2m；B为齿轮宽；m为齿轮模数；z为齿数。
实际上齿槽的容积要比轮齿的体积稍大，故式（3-12）中的π常以3.33代替，则式（3-12）可写成
那么，齿轮泵的流量qv为
式中，n为齿轮泵的转速；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（3-14）所表示的是泵的平均输油量。
2．齿轮泵的结构特点分析
1）齿轮泵的困油现象
齿轮泵要能连续地供油，就要求齿轮啮合的重叠系数ε大于1，也就是当一对轮齿尚未脱开啮合时，另一对轮齿已进入啮合。这样，在这两对轮齿同时啮合的瞬间，在两对轮齿的齿向啮合线之间形成了一个封闭容积。此时，一部分油液也就被困在这一封闭容积中（如图3-6（a）所示），齿轮连续旋转时，这一封闭容积便逐渐减小，到两啮合点处于如图3-6（b）所示节点两侧的对称位置时，封闭容积为最小。齿轮再继续转动时，封闭容积又逐渐增大，直到如图3-6（c）所示位置时，容积又变为最大。在封闭容积减小时，被困油液受到挤压，压力急剧上升，使轴承上突然受到很大的载荷冲击，使泵剧烈振动，这时高压油从一切可能泄漏的缝隙中挤出，从而造成功率损失、油液发热等现象。当封闭容积增大时，由于没有油液补充，因此形成局部真空，使原来溶解于油液中的空气分离出来，形成了气泡。油液中产生气泡后，会引发噪声、气蚀等一系列恶果。以上情况就是齿轮泵的困油现象。这种困油现象极为严重地影响着泵的工作平稳性和使用寿命。
图3-6 齿轮泵的困油现象
消除困油现象的措施是在齿轮端面两侧板上开卸荷槽。困油区油腔容积增大时，通过卸荷槽与吸油区相连，反之与压油区相连。卸荷槽的形式有各种各样，有对称开口的，有不对称开口的，有开圆形盲孔卸荷槽的，如CB-G泵。
2）径向不平衡力
齿轮泵工作时，在齿轮和轴承上承受径向液压力的作用。如图3-7所示，泵的右侧为吸油腔，左侧为压油腔。当压油腔内有液压力作用于齿轮时，沿着齿顶流动的泄漏油也会承受大小不等的压力，这就是齿轮和轴承上承受的径向不平衡力。液压力越高，这个不平衡力就越大，其结果不仅加速了轴承的磨损，降低了轴承的寿命，甚至使轴变形，造成齿顶和泵体内壁的摩擦等。为了解决径向力不平衡问题，在有些齿轮泵上，采用开压力平衡槽的办法来消除径向不平衡力，但这将使泄漏增大，容积效率降低。CB-B型齿轮泵则采用缩小压油腔，以减少液压对齿顶部分的作用面积来减小径向不平衡力，所以泵的压油口孔径比吸油口孔径要小。
图3-7 齿轮泵的径向不平衡力
3）齿轮泵的泄漏途径
在液压泵中，运动件间是靠微小间隙密封的。这些微小间隙在运动学上形成摩擦副，而高压腔的油液通过间隙向低压腔泄漏是不可避免的。齿轮泵压油腔的压力油可通过三条途径泄漏到吸油腔去：一是通过齿轮啮合线处的间隙（齿侧间隙）；二是通过泵体定子环内孔和齿顶间隙的径向间隙（齿顶间隙）；三是通过齿轮两端面和侧板间的间隙（端面间隙）。在这三类间隙中，端面间隙的泄漏量最大，压力越高，由间隙泄漏的液压油液就越多。因此为了实现齿轮泵的高压化，提高齿轮泵的压力和容积效率，需要从结构上采取措施。一般采用对齿轮端面间隙进行自动补偿的办法。
3．提高齿轮泵压力的措施
要提高齿轮泵的工作压力，必须减少端面泄漏，可以采用浮动套或浮动侧板，使轴向间隙能自动补偿。如图3-8所示是浮动轴套结构示意图，利用特制的通道把压力油引入右腔，在油压的作用下，浮动轴套以一定的压紧力压向齿轮端面，压力越大、压得越紧，轴向间隙就越小，因而可减少泄漏。当泵在较低压力下工作时，压紧力随之减小，泄漏也不会增加。采用了浮动轴套结构之后，浮动轴套在压力油的作用下可以自动补偿端面间隙的增大，从而限制了泄漏，提高了压力，同时具有较高的容积效率与较长的使用寿命，因此在高压齿泵中应用得十分广泛。
图3-8 浮动轴套结构示意图
3.2.3 内啮合齿轮泵
内啮合齿轮泵有渐开线齿轮泵和摆线齿轮泵两种，如图3-9所示。一对相互啮合的小齿轮和内齿轮与侧板所围成的密闭油腔被轮齿啮合线和月牙板分隔成两部分，如图3-9（a）所示，图3-9（b）为不设月牙板的摆线齿轮泵。当传动轴带动小齿轮按图示方向旋转时，图3-9中左侧轮齿逐渐脱开啮合，密闭油腔容积增大，为吸油腔；右侧轮齿逐渐进入啮合，密闭油腔容积减小，为压油腔。
图3-9 内啮合齿轮泵
1—吸油腔；2—压油腔；3—月牙板
内啮合齿轮泵的最大优点是：无困油现象、流量脉动较外啮合齿轮泵小、噪声低。当采用轴向和径向间隙补偿措施后，泵的额定压力可达30MPa，空积效率和总效率均较高。其缺点是齿形复杂，加工精度要求高，价格较贵。
3.3叶片泵
叶片泵和其他液压泵相比，具有结构紧凑、体积小、瞬时流量脉动微小、运转平稳、噪声小、使用寿命较长等优点，在中高压系统中得到广泛使用，如机床液压系统。但也存在结构复杂、吸油性能较差、对油液污染比较敏感等缺点。
叶片泵分为单作用式和双作用式两种，下面分别加以介绍。
3.3.1 单作用式叶片泵
1．单作用叶片泵的工作原理
如图3-10所示，单作用叶片泵是由转子1、定子2、叶片3和配流盘等组成。定子的工作表面是一个圆柱表面，定子与转子不同心安装，有一偏心距e。在配流盘上开有两个腰形的配流窗口，分别跟吸、压油腔相通。叶片装在转子槽内可灵活滑动。
转子回转时，在离心力和叶片根部压力油的作用下，叶片顶部贴紧在定子内表面上，在定子、转子每两个叶片和两侧配流盘之间就形成了一个密封腔。当转子按图3-10所示的方向转动时，图3-10中叶片逐渐伸出，右边密封工作腔和容积逐渐增大，产生局部真空，于是油箱中的油液在大气压力的作用下，由吸油口经配流盘的吸油窗口（图3-10中虚线所示的形槽），进入这些密封工作腔，这就是吸油过程。反之，图3-10中左面的叶片被定子内表面推入到转子的槽内，密封工作腔容积逐渐减小，腔内的油液受到压缩，经配流盘的压油窗口排到泵外，这就是压油过程。在吸油腔和压油腔之间有一段封油区，将吸油腔和压油腔隔开。泵转一周，叶片在槽中滑动一次，进行一次吸油、排油，故称为单作用式叶片泵。
图3-10 单作用叶片泵的工作原理
1—转子；2—定子；3—叶片
2．单作用叶片泵的流量
根据定义，叶片泵的排量V应由油泵中密封工作腔的数目 Z和每个密封工作腔在压油时的容积变化量ΔV的乘积来决定（如图3-11所示）。单作用叶片泵每个密封工作腔在转子转一周中的容积变化量为ΔV=V1-V2。设定子内半径为R，定子宽度为 B，两叶片之间的夹角为β。两个叶片形成一个容积，ΔV近似等于扇形体积V1和V2之差，即
图3-11 单作用叶片泵排量计算简图
式中 β——两相邻叶片间的夹角，
；
Z——叶片的数目。
因此，单作用叶片泵的排量为
V =Z Δ V =4πReB
若泵的转速为n，容积效率为ηv，单作用叶片泵的理论流量和实际流量分别为
单作用叶片泵的流量是有脉动的，理论分析表明，泵内的叶片数越多，流量脉动率越小，此外，奇数叶片泵的脉动率比偶数叶片泵的脉动率小。
3．单作用叶片泵的结构特点
由于单作用叶片泵转子和定子之间存在偏心距e，改变偏心距e便可改变q，所以可调节泵的流量，故又称变量泵。但由于吸、压油腔的压力不平衡，使轴承受到较大的径向载荷，因此又称为非卸荷式的叶片泵。
（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，这样叶片仅靠离心力的作用顶在定子内表面上。
（3）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°。
3.3.2 双作用式叶片泵
1．双作用式叶片泵的工作原理
如图3-12所示，双作用式叶片泵的组成同单作用式叶片泵一样。它分别有两个吸油口和两个压油口。定子1和转子2的中心重合，定子内表面近似于长径为R、短径为r的椭圆形，并有两对均布的配油窗口。两个相对的窗口连通后分别接进、出油口，构成两个吸油口和两个压油口。转子每转一周，每个密封工作空间完成两次吸油和压油，所以又称为双作用式叶片泵。
2．双作用式叶片泵的流量
双作用式叶片泵的流量推导过程（如图3-13所示）同单作用式叶片泵一样。在不考虑叶片的厚度和倾角影响时，双作用式叶片泵的排量为
图3-13 双作用式叶片泵流量计算简图
式中 R——定子大圆弧半径；
r——定子小圆弧半径；
B——叶片宽度。
泵的输出流量为
图3-12 双作用式叶片泵的工作原理
1—定子；2—转子；3—叶片
实际上叶片是有一定厚度的，叶片所占的工作空间并不起输油作用，故若叶片厚度为b，叶片倾角为θ，则转子每转因叶片所占体积而造成的排量损失为
因此，考虑上述影响后泵的实际流量为
式中 B——叶片宽度；
b——叶片厚度；
Z——叶片数目；
θ——叶片倾角。
从双作用叶片泵的结构中可以看出，两个吸油口和两个压油口对称分布，径向压力平衡，轴承上不受附加载荷，所以又称卸荷式，同时排量不可变，因此又称为定量叶片泵。
有的双作用式叶片泵的叶片根部槽与该叶片所处的工作区相通。叶片处在吸油区时，叶片根部槽与吸油区相通；叶片处在压油区时，叶片根部槽与压油区相通。这样，叶片在槽中往复运动时，根部槽也相应地吸油和压油，这一部分输出的油液正好补偿了由于叶片厚度所造成的排量损失，这种泵的排量不受叶片厚度的影响。
3.3.3 限压式变量叶片泵
如上所述，单作用叶片泵是由于转子相对定子有一个偏心距e，使泵轴在旋转时密封工作油腔的容积产生变化，密封油腔的容积变化量即为泵的排量，如果改变e的大小，就会改变泵的排量，这就是变量叶片泵的工作原理。
限压式变量叶片泵按改变偏心方式分为手动调节变量和自动调节变量两种，自动调节变量中又分为限压式、稳流量式、恒压式等。
1．限压式变量叶片泵的工作原理
限压式变量叶片泵的流量随负载大小自动调节，它按照控制方式分为内反馈和外反馈两种形式。
如图3-14所示为外反馈限压式变量叶片泵的工作原理，转子的中心O是固定不变的，定子（其中心为 O1）可以水平左右移动，它在调压弹簧的作用下被推向右端，使定子和转子的中心保持一个偏心距emax。当泵的转子按逆时针方向旋转时，转子上部为压油区，压力油的合力把定子向上压在滑块滚针支承上。定子右边有一个反馈柱塞，它的油腔与泵的压油腔相通。设反馈柱塞的面积为 A，则作用在定子上的反馈力为pA。当液压力小于弹簧力Fs时，弹簧把定子推向最右边，此时偏心距为最大值emax，q=qmax。当泵的压力增大，pA＞Fs时，反馈力克服弹簧力，把定子向左推移，偏心距减小，流量降低。当压力大到泵内偏心距所产生的流量全部用于补偿泄漏时，泵的输出流量为零，不管外载再怎样加大，泵的输出压力不会再升高，这就是此泵被称为限压式变量叶片泵的原因。外反馈的意义则表示反馈力是通过柱塞从外面加到定子上的。
图3-14 外反馈限压式变量叶片泵的工作原理
2．限压式变量叶片泵的特性曲线
当p＜pc时，油压的作用力还不能克服弹簧的预压紧力时，定子的偏心距不变，泵的理论流量不变，但由于供油压力增大时，泄漏量增大，实际流量减小，所以流量曲线如图3-15曲线 AB段所示。当p=pc时，B点为特性曲线的转折点。当p＞pc弹簧受压缩，定子偏心距减小，使流量降低，如图3-15曲线BC段所示。随着泵工作压力的增大，偏心距减小，理论流量减小，泄漏量增大，当泵的理论流量全部用于补偿泄漏量时，泵实际向外输出的流量等于零，这时定子和转子间维持一个很小的偏心量，这个偏心量不会再继续减小，泵的压力也不会继续升高。这样泵输出压力也就被限制到最大值pmax。液压系统采用这种变量泵，可以省去溢流阀，并可减少油液发热，从而减小油箱的尺寸，使液压系统比较紧凑。
图3-15 限压式变量叶片泵的特性曲线
3．特性曲线的调节
由前面的工作原理可知：改变反馈柱塞的初始位置，可以改变初始偏心距emax的大小，从而改变了泵的最大输出流量，即使曲线AB段上下平移；改变压力弹簧的预紧力Fs的大小，可以改变pc的大小，使曲线的拐点B左右平移；改变压力弹簧的刚度，可以改变曲线 BC的斜率，使弹簧刚度增大，BC段的斜率变小，曲线BC段趋于平缓。掌握了限压式变量叶片泵的上述特性，便可以很好地为实际工作服务。例如，在执行元件的空行程、非工作阶段时，可使限压式变量泵工作在曲线的AB段，这时泵输出流量最大，系统速度最高，从而提高了系统的效率；在执行元件工作行程时，可使泵工作在曲线的BC段，这时泵输出较高的压力并根据负载大小的变化自动调节输出流量的大小，以适应负载速度的要求。又如：调节反馈柱塞的初始位置，可以满足液压系统对流量大小不同的需要；调节压力弹簧的预紧力，可以适应负载大小不同的需要等。若把调压弹簧拆掉，换上刚性挡块，限压式变量泵就可以作为定量泵使用。
3.4柱塞泵
柱塞泵按柱塞排列和运动方式的不同，分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵。轴向柱塞泵是指柱塞的轴线和传动轴的轴线平行，径向柱塞泵是指柱塞的轴线和传动轴的轴线垂直。柱塞泵常用于高压系统，如龙门刨床、拉床、液压机、起重机械等设备。
3.4.1 轴向柱塞泵
轴向柱塞泵的缸体直接安装在传动轴上，通过斜盘使柱塞相对缸体往复运动。压力和功率较小者，以柱塞的球端直接与斜盘点接触；压力和功率较大者，柱塞通常是通过滑履与斜盘接触。
1．直轴式轴向柱塞泵的工作原理
柱塞泵依靠柱塞在缸体内做往复运动，使得密封油腔的容积变化而实现吸油和压油，如图3-16所示。斜盘式轴向柱塞泵是由缸体4（转子）、柱塞3、斜盘2、配流盘5、传动轴1等主要部件组成的。柱塞和配流盘形成若干个密封的工作油腔，斜盘倾角（斜盘工作表面与垂直于轴线方向的夹角）为γ。油缸体内均匀分布着几个柱塞孔，柱塞在柱塞孔里滑动。当传动轴带着缸体和柱塞一起旋转时（图3-16所示为逆时针），柱塞在缸体内做往复运动。在自下而上回转的半周内，柱塞逐渐向外伸出，使缸体内密封油腔的容积增加，形成局部真空，于是油液就通过配流盘的吸油窗口a进入缸体中。在自上而下的半周内，柱塞被斜盘推着逐渐向里缩回，使密封油腔的容积减小，将液体从配油窗口b排出去。这样，缸体每转动一周，完成一次吸油和一次压油过程。
图3-16 直轴式轴向柱塞泵的工作原理
1—传动轴；2—斜盘；3—柱塞；4—缸体；5—配流盘
2．轴向柱塞泵的流量
在图3-16中，柱塞的直径为d，柱塞分布圆的直径为D，斜盘倾角为γ时，柱塞的往复运动行程为
s=Dtan γ
当柱塞数为Z时，柱塞泵的排量为
若泵的转速为n，容积效率为ηv，则泵的实际输出流量为
实际上泵的输出流量是脉动的，实验表明，当柱塞数为奇数时，脉动率较小；柱塞数越多，脉动率σq越小。所以在结构和强度计算允许的情况下，尽可能使柱塞数多，这样对输出流量有利，通常柱塞数取5、7、9、11，而轴向柱塞泵从结构上采用7个柱塞时布置较为合理，也是最适用的。
由轴向柱塞泵的工作原理可知，由于斜盘和缸体呈一个倾斜角，所以才引起柱塞在缸体内做往复运动。因此，当泵的结构和转速一定时，泵的流量就取决于柱塞往复行程的长度，即倾角的大小。故改变倾角就可以改变输出流量，若改变倾斜盘的方向，可使泵的进出口变换，则成为双向变量泵。
3．轴向柱塞泵的结构特点
（1）柱塞和柱塞孔的加工、装配精度高。柱塞上开设均压槽，以保证轴孔的最小间隙和良好的同心度，使泄漏流量减小。
（2）缸体端面间隙的自动补偿。由图3-16可见，使缸体紧压配流盘端面的作用力，除机械装置或弹簧的推力外，还有柱塞孔底部台阶面上所受的液压力，此液压力比弹簧力大很多，而且随泵工作压力的增大而增大。由于缸体始终受力紧贴着配流盘，所以使端面间隙得到了补偿。
（3）滑履结构。在斜盘式轴向柱塞泵中，如果各柱塞球形头部直接接触斜盘而滑动，即为点接触式，这种形式的液压泵，因其接触应力大而极易磨损，故只能用在p＜10MPa的场合，当工作压力增大时，通常都在柱塞头部装一滑履（如图3-17所示）。滑履按静压原理设计，缸体中的压力油经柱塞球头中间的小孔流入滑履油室，致使滑履和斜盘间形成液体润滑，因此减少了滑履的磨损。使用这种结构的轴向柱塞泵压力可达32MPa以上，流量也可以很大。
图3-17 滑履结构
（4）轴向柱塞泵没有自吸能力。轴向柱塞泵靠加设辅助设备，如采用回程盘或在每个柱塞后加返回弹簧，也可在柱塞泵前安装一个辅助泵提供低压油液，强行将柱塞推出，以便吸油充分。
（5）变量机构。变量轴向柱塞泵中的主体部分大致不变，其变量机构有各种结构形成，有手动、手动伺服、恒功率、恒流量、恒压变量等。如图3-18所示是手动伺服变量机构简图。该机构由缸体1、活塞2和伺服阀组成。活塞2的内腔构成了伺服阀的阀体，并有c、d和e三个孔道分别沟通缸筒1的下腔a、上腔b和油箱。主体部分的斜盘4或缸体通过适当的机构与活塞2下端相连，利用活塞2的上下移动来改变倾角。当用手柄操纵伺服阀阀芯3向下移动时，上面的阀口打开，a腔中的压力油经孔道c通向b腔，活塞因上腔面积大于下腔的面积而向下移动，活塞2移动时又使伺服阀上的阀口关闭，最终使活塞2停止运动。同理，当阀芯向上移动时，下面的阀口打开，b腔经孔道d和e接通油箱，活塞在a腔压力油的作用下向上移动，并在该阀口关闭时自行停止运动。变量机构就是这样依照伺服阀的动作来实现其控制的。
图3-18 手动伺服变量机构简图
1—缸体；2—活塞；3—伺服阀阀芯；4—斜盘
4．典形轴向柱塞泵的结构举例
如图3-19所示为SCY14-1型手动变量直轴式轴向柱塞泵的结构简图，它由主体部分和变量部分组成。图3-19中的中间泵体1和前泵体5为主体部分，左部为变量部分。泵轴6通过花键带动缸体3旋转，使轴向均匀分布在缸体上的7个柱塞7绕泵轴轴线旋转。每个柱塞的头部都装有滑履9，滑履与柱塞采用球面副连接，可以任意转动。弹簧2的作用力通过钢球和回程盘10将滑履压在斜盘11的斜面上。当缸体转动时，该作用力使柱塞完成回程吸油动作。柱塞的压油行程则是由斜盘斜面通过滑履推动来完成的。圆柱滚子轴承8用以承受缸体的径向力，缸体的轴向力由配流盘4承受，配流盘上开有吸、压油窗口，分别与前泵体上的吸、压油口相通。
图3-19 直轴式轴向柱塞泵的结构简图
1—中间泵体；2—弹簧；3—缸体；4—配流盘；5—前泵体；6—泵轴；7—柱塞；8—圆柱滚子轴承；9—滑履；10—回程盘；11—斜盘；12—销轴；13—变量活塞；14—螺杆；15—手轮；16—锁紧螺母
左边的变量机构用来改变斜盘倾角的大小，以调节泵的流量。调节流量时，先松开锁紧螺母16，然后转动手轮15，螺杆14随之转动，从而推动变量活塞13上下移动，斜盘倾角γ随之改变。γ的变化范围为0°～20°。流量调定后，旋转锁紧螺母16将螺杆锁紧，以防止松动。这种变量机构简单，但手动操纵力大，通常只能在停机或泵压较低的情况下才能实现变量。
3.4.2 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3-20所示。它由柱塞1、缸体2（又称转子）、衬套（传动轴）3、定子4和配流轴5等组成。转子的中心与定子中心之间有一偏心距e，柱塞径向排列安装在缸体中，缸体由原动机带动连同柱塞一起旋转，柱塞在离心力（或低压油）的作用下抵紧定子内壁，当转子连同柱塞按图3-20所示方向旋转时，上半周的柱塞往外滑动，柱塞底部的密封工作腔容积增大，于是通过配流轴轴向孔吸油；下半周的柱塞往里滑动，柱塞孔内的密封工作腔容积减小，于是通过配流轴轴向孔压油。转子每转一周，柱塞在缸孔内吸油、压油各一次。
当移动定子改变偏心距e的大小时，泵的排量就得到了改变；当移动定子使偏心距从正值变为负值时，泵的吸、压油腔就互换。因此径向柱塞泵可以制成单向或双向变量泵。径向柱塞泵径向尺寸大，转动惯量大，自吸能力差，且配流轴受到径向不平衡液压力的作用，易于磨损，这些都限制了其转速与压力的提高，故应用范围较小，常用于拉床、压力机或船舶等大功率系统。
图3-20 径向柱塞泵的工作原理
1—柱塞；2—转子；3—衬套；4—定子；5—配流轴
2．排量和流量的计算
当径向柱塞泵的定子和转子间的偏心距为e时，柱塞在缸体孔内运动行程为2e，若柱塞数为Z，柱塞直径为d，则泵的排量为
若泵的转速为n，容积效率为ηv，则泵的流量为
由于柱塞在缸体中移动的速度是变化的，各个柱塞在缸中移动的速度也不相同，所以径向柱塞泵的瞬时流量是脉动的。柱塞数为奇数时要比柱塞数为偶数时的瞬时流量脉动小得多，因此，径向柱塞泵的柱塞数为奇数。
3.5液压泵的性能比较及应用
液压泵是液压系统的动力元件，其作用是供给系统一定流量和压力的油液，因此也是液压系统的核心元件。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：应根据主机工况、功率大小和系统对工作性能的要求，首先确定液压泵的结构类型，然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号。表3-1给出了各类液压泵的性能比较。
表3-1 各类液压泵的性能比较
续表
一般来说，各种类型的液压泵由于其结构原理、运转方式和性能特点各有不同，因此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵。一般在负载小、功率小的机械设备中，选择齿轮泵、双作用叶片泵；精度较高的机械设备（如磨床）选择螺杆泵、双作用叶片泵；对于负载较大，并有快速和慢速工作的机械设备（如组合机床）选择限压式变量叶片泵；对于负载大、功率大的设备（如龙门刨床、拉床等）选择柱塞泵；一般不太重要的液压系统（机床辅助装置中的送料、夹紧等）选择齿轮泵。
3.6液压泵的安装、常见故障及排除方法
1．液压泵的安装
液压泵安装不当会引起噪声、振动，影响工作性能和降低寿命。应按照以下要求来安装液压泵。
① 泵的支座或法兰和电动机应有共同的安装基础。基础、法兰或支座都必须有足够的刚度。在底座下面及法兰和支架之间装上橡胶隔振垫，以降低噪声。
② 液压泵一般不允许承受径向负载，因此常用电动机直接通过弹性联轴器来传动。安装时要求电动机与液压泵的轴应有较高的同轴度，其偏差应在0.1mm以下，倾斜角不得大于1°，以避免增加泵轴的额外负载并引起噪声。
③ 对于安装在油箱上的自吸泵，通常泵中心至油箱液面的距离应小于500mm；对于安装在油箱下面或旁边的泵，为了便于检修，吸入管道上应安装截止阀。
④ 液压泵的进口、出口位置和旋转方向应符合泵上标明的要求，不得接反。
⑤ 要拧紧进、出口管接头连接螺钉，密封装置要可靠，以免引起吸空、漏油，影响泵的工作性能。
⑥ 在齿轮泵和叶片泵的吸入管道上可装粗过滤器，但在柱塞泵的吸入口一般不装过滤器。
⑦ 安装联轴器时，不要用力敲打泵轴，以免损伤泵的转子。
2．液压泵的常见故障及排除方法
（1）齿轮泵的常见故障及排除方法。
齿轮泵的使用中产生的故障较多，原因也很复杂，有时是几种因素结合在一起产生故障，要逐个分析才能解决。下面将齿轮泵的常见故障及排除方法列于表3-2。
表3-2 齿轮泵的常见故障及排除方法
（2）叶片泵的常见故障及排除方法。
叶片泵在工作时，抗油液污染能力较差，叶片与转子槽配合精度也较高，因此故障较多，常见故障及排除方法见表3-3。
表3-3 叶片泵的常见故障及排除方法
续表
（3）柱塞泵的常见故障及排除方法。
柱塞泵在使用中，产生的故障较多，原因也很复杂，有时是几种因素综合在一起产生故障，要逐个分析才能解决。下面将柱塞泵的常见故障及排除方法列于表3-4。
表3-4 柱塞泵的常见故障及排除方法
续表
续表
3.7本章小结
液压泵的性能好坏直接影响到液压系统的工作性能和可靠性，因此它在整个液压系统中占有重要地位。本章主要介绍了容积式液压泵的工作原理、主要性能参数、常见液压泵的结构特点及液压泵的使用。通过学习，要深刻理解容积式液压泵基本工作原理以及基于此原理而广泛应用的各类不同结构形式的液压泵，明确液压泵的基本原理在不同结构中的实现手段；要掌握液压泵的压力、流量、功率、效率等主要性能参数的意义，明确其计算方法；了解齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等各类型液压泵的性能特点及应用范围；最后能够根据具体的工况要求，合理选择液压泵，并能够正确地安装和使用液压泵。
3.8思考题与习题
1．液压泵的工作压力取决于什么？液压泵的工作压力和额定压力有什么区别？
2．如何计算液压泵的输出功率和输入功率？液压泵在工作过程中会产生哪两方面的能量损失？产生这些损失的原因是什么？
3．齿轮泵为什么有较大的流量脉动？流量脉动大会产生什么危害？
4．为什么齿轮泵的吸油口和出油口的位置不能任意调换？
5．试说明齿轮泵的困油现象及解决办法。
6．齿轮泵压力的提高主要受哪些因素的影响？可以采取哪些措施来提高齿轮泵的工作压力？
7．试说明叶片泵的工作原理。并比较说明双作用叶片泵和单作用叶片泵各有什么优缺点。
8．限压式变量叶片泵的限定压力和最大流量怎样调节？在调节时，叶片泵的压力流量曲线将怎样变化？
9．为什么轴向柱塞泵适用于高压？
10．各类液压泵中，哪些能实现单向变量或双向变量？画出定量泵和变量泵的符号。
11．液压泵的额定流量为100L/min，液压泵的额定压力为2.5MPa，当转速为1450r/min时，机械效率为ηm=0.9。由实验测得，当液压泵的出口压力为零时，流量为106 L/min；压力为2.5MPa时，流量为100.7L/min。试求：（1）液压泵的容积效率ηV是多少？（2）如果液压泵的转速下降到500 r/min，在额定压力下工作时，估算液压泵的流量是多少？（3）计算在上述两种转速下液压泵的驱动功率是多少？
12．某组合机床用双联叶片泵YB4/16×63，快速进、退时双泵供油，系统压力p=1MPa。工作进给时，大泵卸荷（设其压力为0），只有小泵供油，这时系统压力p=3MPa，液压泵效率η=0.8。试求：（1）所需电动机功率是多少？（2）如果采用一个q=20L/min的定量泵，所需的电动机功率又是多少？
13．齿轮泵输出流量不足，压力上不去的原因是什么？怎样排除？
14．叶片泵吸不进液压油的原因是什么？怎样排除？
15．柱塞泵噪声过大的原因是什么？怎样排除？