3.4 柱塞泵
柱塞泵主要由多个柱塞和有多个柱塞孔的缸体组成。柱塞泵是依靠柱塞在缸体内往复运动，使密封工作腔容积发生变化来实现吸、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。所以，柱塞泵具有压力高、结构紧凑、效率高及流量调节方便等优点，常用于需要高压大流量和流量需要调节的液压传动系统中，如龙门刨床、拉床、液压机、起重机械等设备的液压传动系统。
根据柱塞的布置和运动方向与传动主轴相对位置的不同，柱塞液压泵可分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两类。
3.4.1 轴向柱塞泵
轴向柱塞泵的柱塞轴向安排在缸体中。轴向柱塞泵按其结构特点，分为斜盘式和斜轴式两类。
1.斜盘式轴向柱塞泵
（1）工作原理 以图3-20中的斜盘式为例来说明轴向柱塞泵的工作原理。泵由斜盘1、柱塞2、缸体3、配油盘4等主要零件组成。斜盘和配油盘固定不动。在缸体3上沿圆周均匀分布着若干个轴向孔，孔内装有柱塞2。斜盘1与传动轴5倾斜γ角度，配油盘上有吸油窗口a和压油窗口b。传动轴5带动缸体3、柱塞2一起转动。柱塞2在机械装置或低压油的作用下，使柱塞头部紧贴在斜盘1表面靠紧；同时缸体3和配油盘4也紧密接触，起密封作用。当缸体3按图3-20所示方向连续转动时，柱塞2在缸体3内即做往复运动。由于斜盘的作用，各柱塞从最下端位置沿箭头方向转向正上方时，与缸体间形成的的密封工作腔的容积会增大，通过配有油盘4的弧形吸油窗口a吸油。继续从正上方转到正下方时，柱塞被压缩回去，工作腔容积减小，通过压油窗口b排油。于是工作腔容积便发生增大或减小的变化，通过吸油窗口a和压油窗口b实现吸油和压油。
（2）排量和流量 若柱塞数目为z，柱塞直径为d，柱塞孔的分布圆直径为D，斜盘倾角为γ，如图3-21所示，当缸体转动一转时，泵的排量为
则泵的实际输出流量为
如果改变斜盘倾角γ的大小，就能改变柱塞的行程，这也就改变了轴向柱塞变量泵的排量。如果改变斜盘倾角的方向，就能改变吸、压油方向，这时轴向柱塞变量泵就成为双向变量轴向柱塞泵。
实际上，轴向柱塞泵的输出流量是脉动的。当柱塞数为奇数时，脉动率σ较小。故轴向柱塞泵的柱塞数一般都为奇数，从结构和工艺性考虑，常取z=7或z=9。流量脉动率与柱塞数之间的关系见表3-2。
图3-20 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 6—弹簧
表3-2 柱塞泵的流量脉动率
例3-3 斜盘式轴向柱塞泵的斜盘倾角γ=22°30′，柱塞直径d=22mm，柱塞分布圆直径D=68mm，柱塞数z=5，设柱塞与斜盘的接触点位于中心线上，泵的容积效率ηV=0.98，机械效率ηm=0.9，转速n=960r/min。求：①该泵的理论流量和实际流量各是多少？②如果该泵的输出压力p=10MPa，它所需要的输入功率是多少？
解 （1）轴向柱塞泵的理论流量为
则轴向柱塞泵的实际流量
Q=QtηV=8.56×10-4×0.98m3/s=8.39×10-4m3/s
（2）轴向柱塞泵的输入功率为
该液压泵的理论流量是8.56×10-4m3/s，实际流量是8.39×10-4m3/s；需要的输入功率是9.51kW。
（3）斜盘式轴向柱塞泵结构特点
1）缸体端面间隙的自动补偿。由图3-20可见，使缸体紧压配油盘端面的作用力，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得多，而且随泵的工作压力增大而增大。由于缸体始终受力紧贴着配油盘，就使端面间隙得到了自动补偿。
2）滑履结构。在斜盘式轴向柱塞泵中，若各柱塞以球形头部直接接触斜盘而滑动，这种泵称为点接触式轴向柱塞泵，这种点接触式轴向柱塞泵在工作时由于柱塞球头与斜盘平面理论上为点接触，因而接触应力大，极易磨损，故只适用于低压系统（p≤10MPa）。一般轴向柱塞泵都在柱塞头部装一滑履（见图3-21）。滑履是按静压支承原理设计的。缸体中的压力油经柱塞球头中间小孔流入滑履油室，使滑履和斜盘间形成液体润滑，改善了柱塞头部和斜盘的接触情况。使用这种结构的轴向柱塞泵后，压力可达32MPa以上，流量大。这样，就有利于轴向柱塞泵在高压下工作。
图3-21 滑履结构
3）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γ的大小，以调节泵的排量。轴向柱塞泵的变量方式有多种类型，其变量机构的结构形式亦多种多样。这里只简要介绍手动变量机构的工作原理。
图3-22所示的是手动伺服变量机构结构简图。该机构由缸筒1、活塞2和伺服阀等组成。活塞2的内腔构成了伺服阀的阀体，并有c、d和e三个孔道分别与缸筒1下腔a、上腔b和油箱相通。泵上的斜盘4或缸体通过适当的机构与活塞2下端相连，利用活塞2的上下移动来改变其倾角。当用手柄使伺服阀阀芯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2因上腔有效作用面积大于下腔的有效作用面积而向下移动，活塞2移动时又使伺服阀上的阀口关闭，最终使活塞2自身停止运动。同理，当手柄使伺服阀阀芯3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2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。变量控制机构就是这样依照伺服阀的动作来实现其控制的。
图3-22 手动伺服变量机构
1—缸筒 2—活塞 3—伺服阀阀芯 4—斜盘
图3-23 斜轴式轴向柱塞泵工作原理
1—配油盘 2—柱塞 3—缸体 4—连杆 5—传动轴
2.斜轴式轴向柱塞泵
图3-23为斜轴式轴向柱塞泵的结构简图。传动轴5相对于缸体3有一倾角γ，柱塞2与传动轴圆盘之间用相互铰接的连杆4相连。当传动轴5沿图3-23所示方向旋转时，连杆4就带动柱塞2连同缸体3一起转动，柱塞2同时也在缸体孔内做往复运动，使柱塞孔底部的密封腔容积不断发生增大和减小的变化，通过配油盘1上的窗口a和b实现吸油和压油。
与斜盘式轴向柱塞泵相比较，斜轴式轴向柱塞泵由于缸体所受的不平衡径向力较小，故结构强度高，变量范围较大（倾角较大）；但外形尺寸较大，结构也较复杂。目前，斜轴式轴向柱塞泵的使用相当广泛。
3.4.2 径向柱塞泵
图3-24所示是径向柱塞泵的结构简图。径向柱塞泵的柱塞径向布置在缸体转子上。在转子2（缸体）上径向均匀分布着数个孔，孔中装有柱塞5。定子和转子偏心安装，转子2的中心与定子1的中心之间有一个偏心距。在固定不动的配油轴3上，相对于柱塞孔的部位有相互隔开的上、下两个缺口，此两缺口又分别通过所在部位的两个轴向孔与泵的吸、压油口连通。当转子2旋转时，柱塞5在离心力（或低压油）作用下，其头部与定子1的内表面紧紧接触，由于转子2与定子1存在偏心，所以柱塞5在随转子转动时，又在柱塞孔内做径向往复滑动。当转子2按图3-24所示箭头方向旋转时，上半周的柱塞向外伸出，柱塞底部的密封工作容腔容积增大，于是通过配油轴轴向孔和上部开口吸油；下半周的柱塞向内缩回，柱塞孔内的密封工作腔容积减小，于是通过配油轴轴向孔和下部开口压油。
图3-24 径向柱塞泵工作原理
1—定子 2—转子 3—配油轴 4—衬套 5—柱塞
当移动定子改变偏心距e的大小时，泵的排量就得到改变；当移动定子使偏心量从正值变为负值时，泵的吸、压油腔就互换。因此径向柱塞泵可以做成单向或双向变量泵。为使流量脉动率尽可能小，通常采用奇数柱塞数。
径向柱塞泵的径向尺寸较大，结构较复杂，自吸能力差，并且配油轴受到径向不平衡液压力的作用，易于磨损，这些都限制了它的转速和压力的提高。