斜盤式軸向柱塞泵工作原理（斜盤式軸向柱塞泵整體結構和零部件的功能）

2023-10-04 18:18:23 2

1、斜盤式軸向柱塞泵結構

斜盤式軸向柱塞泵是液壓行業目前應用最廣、市場保有量最大的液壓動力元件，具有功率密度大、控制方式多、變量響應速度快、可實現雙向變量和多泵串接等優點，是液壓元件行業的核心產品。現今能否自主研發、製造高性能、高可靠性、長壽命斜盤式軸向柱塞泵，成為衡量一個國家液壓產業發展水平的核心指標。

斜盤式軸向柱塞泵各零配件命名尚無統一的標準與規定，國外各廠家叫法各異，但是翻譯成漢語，意思大致相同。鑑於斜盤式軸向柱塞泵技術起源於國外，國內還處於技術引進、消化與吸收階段，所以文中仍會保留英文註解，以方便理解。考慮到本章節的重點在於辨識柱塞泵內部主要零部件，如轉子總成、殼體、排量控制模塊等，所以對於螺釘、彈簧、密封件等通用件和標準件不作說明。

1.1

斜盤式軸向柱塞泵主要零部件

斜盤式軸向柱塞泵雖然種類繁多，但是整體結構構造特徵大同小異，所用到的零部件種類基本相同。現以Rexroth公司A4VSO系列柱塞泵和A10V(S)O系列柱塞泵為例，對泵內部主要零部件名稱及其作用作以簡單說明。

圖1-1 Rexroth公司A4VSO系列柱塞泵

圖1-2 Rexroth公司A10V(S)O系列柱塞泵

液壓泵所涉及的相關技術，專業性很強，因此而誕生了一些專用技術名詞或者術語，下文對涉及到的部分技術名詞作了相關說明，以便更好的理解這些技術名詞背後所隱含的技術、結構或作用屬性。

雙金屬缸體：此處的雙金屬特指雙金屬層構造特徵。缸體基體為鋼或者鐵，缸底和柱塞孔為銅合金。

恆定間隙回程機構：簡稱定隙回程，用螺釘將回程盤壓板固定在斜盤上，限制回程盤位移，確保滑履與斜盤之間最大間隙為恆定值。當柱塞處於吸油行程時，通過回程盤將柱塞強行拉出柱塞孔，以確保滑靴不與斜盤脫開。

彈簧加載式球鉸回程機構：簡稱球鉸回程，加載彈簧處於壓縮狀態，提供預緊力，預緊力經球鉸、回程盤傳遞至滑履，將滑靴壓向斜盤，確保滑靴不與斜盤脫開。

剩餘壓緊力設計法：針對滑履和缸體動力學分析及摩擦副設計而提出的一種設計方法。

對滑履而言，柱塞腔的高壓油進入滑履底面，形成的液壓反推力平衡掉絕大部分柱塞對滑履的壓緊力，剩餘的壓緊力使滑履始終壓向斜盤而不脫開，靠滑履與斜盤面形成的邊界油膜來減輕摩擦副的磨損。

對缸體而言，缸體底面的油膜支承力平衡掉絕大部分缸孔內油液對缸體的壓緊力，剩餘的壓緊力將缸體始終壓向配流盤而不脫開，靠缸體與配流盤間形成的邊界油膜來減輕摩擦副的磨損。

斜盤支承：指斜盤的支承方式，目前有滾動軸承軸承、滑動軸承支承（高壓油強制潤滑）、靜壓支承三種方式。

[PV]值：也稱比功，指摩擦副間接觸比壓P和滑動速度V的乘積。當摩擦副處於邊界摩擦狀態時，摩擦副的邊界面上形成一層邊界膜，過大的載荷會導致邊界膜破裂，同時單位時間的磨損量與接觸比壓P和滑動速度V成正比，所以必須限制摩擦副的實際[PV]值必須小於許用[PV]值。許用[PV]值取決於摩擦副配對材料及材料的物理與機械性能。

2、知名廠家柱塞泵概述

目前，能生產高端斜盤式軸向柱塞泵且被市場廣泛認可的企業主要集中在美國、德國、日本等少數國家。如德國的博世力士樂公司（Bosch Rexroth）、林德液壓（Linde）和哈威公司（Hawe）；美國的派克公司（Parker）、伊頓液壓（Eaton）、奧蓋爾公司（Oilgear）；丹麥的丹佛斯液壓（Danfoss）；日本的川崎液壓（Kawasaki）等，以上幾家公司的產品市場用量大，具有代表性。下文將著重介紹以下產品：Rexroth公司A10VO系列、A11VO系列、A4VG系列和A4VS系列；Parker公司P1/PD系列、P2/P3系列、PVplus系列和Gold Cup系列；Danfoss公司S45系列、S90系列和H1P系列；Kawasaki公司K3V/K5V系列；Linde公司HPR-02系列和HPV-02系列等。

Rexroth公司根據液壓泵的應用工況將柱塞泵分為工程（此處主要指行動裝置）用柱塞泵和工業（此處主要指固定設備）用柱塞泵兩大類。工業柱塞泵側重點在於壽命長、強度高、可靠性高，工程柱塞泵側重點在於體積小、功率密度大，所以，兩者在軸承選用、結構設計，特別是摩擦副設計方面有所相同。當然，Rexroth公司並沒有強制要求工業設備就必須用工業泵，或者工程設備不能用工業泵，實際應用需綜合考慮成本、工況、壽命、現場要求等多方面因素。關於工業泵與工程泵的定義與界定，筆者尚未找到相關標準或者說明材料，一些工程師將用於行走設備的泵視為工程泵，將用於固定工業設備的泵視為工業泵，筆者認為這樣是不太合理的，因為現今一些設備已無法明確將其劃分為行動裝置還是固定設備。還有一些工程師習慣將工業泵稱為重載泵，該叫法容易引起歧義，例如，Danfoss公司將自己的高壓柱塞泵也稱為重載系列產品，然而，根據筆者的了解，Danfoss的產品在一些工業工況上尚無成功應用的先例。在筆者看來工業泵與工程泵最根本的區別在於設計壽命，工業泵的設計壽命遠高於工程泵，所以有人提議將工業泵稱為長壽命泵，筆者贊同該種叫法，長壽命就意味著泵強度高、可靠性高。當然，以上只是個人根據這些年工作經歷及與同行交流後得出的一些看法，為了避免引起誤解，筆者在下文中不再刻意將泵劃分為工業泵或者工程泵。

2.1

Rexroth公司斜盤式軸向柱塞泵概述

Rexroth公司是液壓件行業領頭企業之一，其柱塞泵種類繁多，規格齊全，可滿足各行各業使用要求。其中用量較大的幾款斜盤式柱塞泵為A10V(S)O系列、A11VO系列、A4VG系列、A4VS系列。

2.1.1 A11VO/1系列液壓泵

圖1-3為A11VO/1系列柱塞泵截面示意圖。該款泵適用於開式液壓系統，最大排量為260ml/r，最小排量為40ml/r，公稱壓力為350bar，可配裝離心升壓泵（葉輪）提高自吸轉速。此泵具有多種控制模塊，可實現壓力、流量、功率、比例排量等多種控制模式。

圖1-3 Rexroth公司A11VO/1系列柱塞泵截面圖

缸體柱塞孔呈錐形分布，缸底柱塞孔分布圓直徑減小，主軸後軸承無內圈，以節約安裝空間。缸體柱塞孔錐形收縮有以下優點：缸底柱塞孔分布圓直徑減小，摩擦副的實際比功（PV值）減小，改善了摩擦副設計；柱塞的離心力增大，輔助柱塞回程，有利於滑履與斜盤面可靠貼合。柱塞孔鑲壓銅合金襯套，所用柱塞為封閉式中空焊接結構，可降低流量脈動，提高效率。

該泵採用球面配流，提高了缸體穩定性，防止缸體傾翻。斜盤採用滾動軸承支承，結構簡單，摩擦損失小。通過彈簧加載式球鉸機構實現柱塞回程，此外，斜盤上還安裝有回程盤壓板限制滑履與斜盤面間最大間隙值。

2.1.2 A10V(S)O系列液壓泵

A10V(S)O泵有31、32、52和53四個系列，其中最常用的是31系列，而32系列在結構上做了較多改進。

圖1-4為A10V(S)O/31系列柱塞泵截面示意圖，該款泵也用於開式液壓系統，公稱壓力為280bar，排量範圍為18-140ml/r，通常用於中小功率設備，或作為大功率設備輔助泵配合A11VO/1使用。該泵採用平面配流方式，通過中心彈簧加載式球鉸機構實現柱塞回程，斜盤採用滑動軸承支承，主軸採用圓錐滾子軸承支承，驅動軸可同時承受軸向和徑向載荷。

圖1-4 Rexroth公司A10V(S)O/31系列柱塞泵截面圖

A10V(S)O/31系列液壓泵45-140 ml/r排量有高速版本，其自吸轉速較標準版高出100-200rpm，其主要區別在於柱塞副和配流副配對材料有所不同。低速版缸體為球鐵材質，柱塞為合金鋼材質，柱塞孔無銅套，配油盤為銅合金材質，其柱塞副為鋼/鐵摩擦副，配流副為銅/鐵摩擦副。高速版缸體基體材料為鋼，柱塞孔鑲壓銅合金襯套，缸底燒結銅層，柱塞與配流盤為合金鋼材質，其柱塞副與配流副均為鋼/銅摩擦副。

A10V(S)O/32系列在設計上做了較多改進。優化泵體設計使其噪音降低，改進了回程盤結構（斜盤上增加了回程盤壓板）使其抗吸空能力增強，後蓋中增加預壓縮容積（Pre-compression volum）減小泵出口壓力與流量脈動，關聯閱讀：N17：Pump Noise (Plus) - PCV of A10VSO/32。缸體中心彈簧後端彈簧座帶有防脫缸功能，限制缸體與配流盤之間最大間隙。

2.1.3 A4VG系列液壓泵

A4VG系列泵用於閉式液壓系統，圖1-5為A4VG/32系列柱塞泵截面示意圖，其工稱壓力為400bar，最大排量可達250 ml/r。此泵具有以下結構特點：球面配流，斜盤採用滾動軸承支承，柱塞通過彈簧加載式球鉸機構強制回程，主軸後軸承為滑動軸承，補油泵為內嚙合齒輪泵，缸體柱塞孔鑲壓銅合金襯套。

圖1-5 Rexroth公司A4VG/32系列柱塞泵截面圖

Rexroth在A4VG/32基礎上升級出A4VG/40系列液壓泵，圖1-6為A4VG/40系列柱塞泵截面示意圖，其工稱壓力可達450bar。從結構上來看，40系列殼體為前兩段式結構，後蓋和殼體為一體式。

圖1-6 Rexroth公司A4VG/40系列柱塞泵截面圖

2.1.4 A4VS系列液壓泵

A4VS系列泵為工業用高壓重載泵，公稱壓力為350bar，排量範圍為40-1000ml/r。該系列泵運行噪音低，使用壽命長，強壯結實的變量柱塞穩定可靠，缸體柱塞孔呈錐形分布，球面配流，配流盤用螺釘固定在後蓋上，採用封閉式中空焊接柱塞，斜盤為滑動軸承支承（高壓油強制潤滑），彈簧加載式球鉸機構使柱塞強制回程，斜盤上裝有回程盤壓板限制滑履與斜盤面間最大間隙值，主軸前端軸承處可配裝葉輪，驅動殼體內部油液循環流動以衝洗、冷卻軸承，確保軸承使用壽命。以上結構特點保證該泵性能優異，可靠性高，對工況的適應性強。此泵具有多種控制模塊，可實現壓力、流量、功率、比例排量等多種控制模式。

此外，Rexroth公司用於二次調節系統的二次柱塞單元也是基於A4V系列產品衍生而成。A4VS系列泵還可使用難燃性介質，如水乙二醇，乳化液、磷酸酯。

A4VSO系列泵用於開式液壓系統，圖1-7為A4VSO系列柱塞泵截面示意圖。A4VSG系列泵用於閉式液壓系統，圖1-8為A4VSG系列柱塞泵截面示意圖。

圖1-7 Rexroth公司A4VSO系列柱塞泵截面圖（左）；圖1-8 Rexroth公司A4VSG

2.1.5 A15VSO系列液壓泵

A15VSO系列泵是近幾年新推出的一款泵，目前國內市面上尚未大量使用。圖1-9為A15VSO系列柱塞泵截面示意圖，該泵殼體也為前兩段式結構，後蓋和殼體一體式，減少了洩漏點，殼體內部結構與流道優化，可降低噪音。此外，該系列泵斜盤可穿過中位反擺至另一側。

圖1-9 Rexroth公司A15VSO系列柱塞泵截面圖

2.2

Parker公司斜盤式軸向柱塞泵概述

Parker公司斜盤式軸向柱塞液壓泵雖然種類不多，但憑藉其優異的產品性能依然取得了一定的市場份額，特別是其PVplus系列和Gold Cup系列柱塞泵獲得了用戶的高度認可。本節將主要介紹其P1/PD系列、P2/P3系列、PV plus系列和Gold Cup系列產品。

2.2.1 P1/PD系列液壓泵

P1/PD系列為中壓泵，連續工作壓力可達到280bar，排量範圍為18-140ml/r，與Rexroth公司A10V(S)O系列泵規格參數相近，P1系列用於工程工況，PD系列用於工業工況。圖1-10為P1/PD系列柱塞泵結構示意圖，該款泵主軸採用圓錐滾子軸承支承，可同時承受軸向和徑向載荷，缸體柱塞孔無銅套，平面配流，通過中心彈簧加載式球鉸機構實現柱塞回程，斜盤採用靜壓支承（Parker公司樣本中描述為hydrostatically balanced swash plate saddle bearings）。其中18、28和45三個排量規格泵後蓋有預壓縮容積（Pre-compression volum）以降低出口壓力與流量脈動，關聯閱讀：N15：Pump Noise (Part 3) - Product with PCFV。此外，滑履採用粉末冶金工藝製作而成。

圖1-10 Parker公司P1/PD系列柱塞泵結構示意圖

P1/PD系列泵採用銅合金配油盤，P1系列和PD系列配油盤結構有所不同，如圖1-11所示。

圖1-11 Parker公司P1/PD系列柱塞泵配油盤

2.2.2 P2/P3系列液壓泵

P2/P3系列為高壓泵，連續工作壓力可達到320bar， P2為標準系列，P3系列在泵缸體上裝有葉輪，可提高泵自吸轉速，為高速版。圖1-12、圖1-13分別為P2、P3系列柱塞泵結構示意圖，泵主軸前端支承採用調心軸承，後端採用滑動軸承，平面配流，斜盤採用滑動軸承支承，通過中心彈簧加載式球鉸機構實現柱塞回程，泵後蓋有預壓縮容積（Pre-compression volum）以降低出口壓力與流量脈動。

圖1-12 Parker公司P2系列柱塞泵結構示意圖

圖1-13 Parker公司P3系列柱塞泵結構示意圖

P3泵吸油口位於殼體下側，殼體上側有排氣孔，後蓋上吸油腔流道與殼體完全相通，泵軸驅動缸體轉動，裝配在缸體上的葉輪對後蓋吸油腔強制補油，以提高自吸轉速。

2.2.3 PVplus系列液壓泵

PVplus系列泵為工業用高壓重載泵，公稱壓力為350bar，排量範圍為16-360ml/r。圖1-14為PVplus系列柱塞泵結構示意圖。斜盤採用滑動軸承支承，高壓油強制潤滑。後蓋設計有預壓縮容積（pre-compression chamber /ripple chamber）可降低泵出口壓力與流量脈動，運行噪音低。此泵無球鉸，依靠斜盤上的恆定間隙回程機構使柱塞強制回程。

圖1-14 Parker公司PVplus系列柱塞泵結構示意圖

2.2.4 金杯（GOLD CUP Series）系列液壓泵

金杯泵多用於閉式液壓系統（此泵也可用作開式液壓系統），其工稱壓力為350bar，最大排量可達500 ml/r。圖1-15為金杯泵截面示意圖，該款泵具有以下結構特點：平面配流；斜盤採用靜壓支承，斜盤表面安裝有止推板；無球鉸，依靠斜盤上的恆定間隙回程機構使柱塞強制回程（回程盤壓板安裝在滑履分布圓內側）；缸體柱塞孔鑲壓銅套，缸底鑲嵌雙合金襯板，缸體外圓通過滾動軸承支承，提高了缸體的穩定性，主軸為兩段式，且不承受彎矩；補油泵為擺線齒構造；斜盤變量機構為旋轉伺服機構，無機械連杆（絕大多數泵斜盤與伺服活塞之間為連杆機構）；軸封方式可選裝機械密封，耐壓高；多數排量規格柱塞圓周外表面或缸體銅套內表面開有均壓槽；殼體外形規整，易於鑄造，但泵頭閥構造複雜。

圖1-15 Parker公司金杯系列柱塞泵結構示意圖

2.3

Danfoss公司斜盤式軸向柱塞泵概述

Danfoss公司斜盤式軸向柱塞液壓泵主要用於行動裝置，其45系列和90系列柱塞泵市場用量較大。本節主要介紹其45系列、90系列和H1P系列產品。

2.3.1 45系列液壓泵

45系列液壓泵用於中壓、小流量開式液壓系統。該系列泵為平面配流方式，斜盤採用滑動軸承支承，缸體柱塞孔內無銅套。通過中心彈簧加載式球鉸機構實現柱塞回程。45系列泵分為5個殼體規格，伺服機構各不相同。圖1-16為E型殼體截面示意圖。

圖1-16 Danfoss公司S45系列柱塞泵E型殼體結構示意圖

2.3.2 S90系列液壓泵

S90系列泵用於閉式液壓系統，其最高工作壓力為450bar，最大排量可達250 ml/r。圖1-17為S90系列柱塞泵截面示意圖，該泵採用平面配流方式，配油盤非常薄，左旋泵與右旋泵配油盤可互相通用（只需將配流盤翻轉安裝即可），斜盤採用滾動軸承支承，此泵無球鉸，通過斜盤上的恆定間隙回程機構使柱塞強制回程，主軸後軸承為滑動軸承，補油泵為擺線齒構造，缸體柱塞孔鑲壓銅合金襯套，缸底熔鑄銅層。其電比例控制模塊採用噴嘴擋板閥作為先導級，抗汙染能力差。

圖1-17 Danfoss公司S90系列柱塞泵結構示意圖

2.3.3 H1P系列液壓泵

H1P系列泵用於閉式液壓系統，圖1-18為H1P系列柱塞泵截面示意圖。H1P系列相對S90系列在伺服機構上做了較大的改動，將電比例控制模塊先導級改為比例閥，提高了抗汙能力。此外，改進了補油泵構造，提高了容積效率。

圖1-18 Danfoss公司H1P系列柱塞泵結構示意圖

2.4

Linde公司斜盤式軸向柱塞泵概述

Linde公司斜盤式軸向柱塞液壓泵在工程機械和農業機械上有不錯的市場份額，其02系列產品性能優異。

2.4.1 HPR-02系列液壓泵

HPR-02系列泵用於開式液壓系統，其額定壓力為420bar，最大排量可達280 ml/r。圖1-19為HPR-02系列柱塞泵結構示意圖，該系列泵最大特點是採用球窩型柱塞，柱塞反包滑履，斜盤最大擺角可達21°，故在相同的柱塞長度下增加了柱塞有效工作行程，從而提高泵功率密度，柱塞與滑履為鋼對鋼鉸接，強度高，鋼製滑履底面燒結銅層。此外，斜盤採用靜壓支撐，承載力大，相比滾動軸承節省空間；殼體外形規整，降低了鑄造難度；可選配SPU降噪單元以減小泵出口油液流量脈動，從而降低噪音等級，關聯閱讀：N15：Pump Noise (Part 3) - Product with PCFV；此泵無球鉸，依靠斜盤上的恆定間隙回程機構使柱塞強制回程。

圖1-19 Linde公司HPR-02系列柱塞泵結構示意圖

2.4.2 HPV-02系列液壓泵

HPV-02系列泵用於閉式液壓系統，圖1-20為HPV-02系列柱塞泵結構示意圖，其主體結構與HPR-02系列基本相同，區別在於伺服機構與控制模塊。HPV-02系列泵有兩個伺服柱塞，實現泵斜盤雙向擺動，兩個伺服柱塞分別調整各自方向的斜盤擺角，而HPR-02系列為一個伺服柱塞，一個偏置柱塞，通過伺服柱塞調整斜盤擺角。此外，HPV-02系列泵主軸後部通常串接內嚙合齒輪泵，用作內置補油泵。

圖1-20 Linde公司HPV-02系列柱塞泵結構示意圖

2.5

Hawe公司斜盤式軸向柱塞泵概述

Hawe公司斜盤式軸向柱塞液壓泵在國內市場用量不大，但是，鑑於其結構構造上有些特別之處，所以在此作以介紹。

2.5.1 V30D系列液壓泵

V30D系列泵用於開式液壓系統，其額定壓力可達350bar，最大排量為250ml/r。圖1-21為泵截面示意圖，該泵最大的特點是：斜盤表面安裝有雙合金止推板，與鋼製滑履底面組成銅/鋼摩擦副，止推板表面（與滑履接觸面）分布有很多儲油坑，改善潤滑，柱塞與滑履為鋼對鋼鉸接，鉸接強度高；缸體柱塞孔鑲壓銅套，缸體底面鑲嵌雙合金襯板；此外，該泵無球鉸，依靠斜盤上的恆定間隙回程機構使柱塞強制回程。

圖1-21 Hawe公司V30D系列柱塞泵結構示意圖

2.6

Kawasaki公司斜盤式軸向柱塞泵概述

Kawasaki公司K3V/K5V系列斜盤式軸向柱塞液壓泵在挖機上用量非常大，性能優異，質量可靠，獲得了用戶的高度認可。

2.6.1 K3V/K5V系列液壓泵

K3V/K5V系列泵用於開式液壓系統，額定壓力可達350bar，可選用單泵滿足中小流量場合，或通過雙泵串聯滿足大流量需求。K5V系列是在K3V系列基礎上的升級產品，主體結構基本相同，K3V63/112/140/180分別升級到K5V80/140/160/200,斜盤角度由16°增大至18°，功率密度大大提高。圖1-22為K5V系列柱塞泵截面示意圖，該系列泵採用球面配流，通過彈簧加載式球鉸機構實現柱塞回程，斜盤表面安裝有止推板，殼體上支撐斜盤的圓弧支座處焊接有銅層，無獨立軸瓦，斜盤採用滑動支承方式（K3V系列多數排量規格採用靜壓支承）。

圖1-22 Kawasaki公司K5V系列柱塞泵結構示意圖

說明

本期內容側重點在於對知名廠家柱塞泵整體結構有個初步認識，文中含有大量彩圖方便讀者閱覽，當然，還有個別插圖不是很清晰，由於本人時間、精力有限，無法重新描圖，還請大家理解。

此外，本章節的主要目的在於從整體結構上對比不同廠家，或者同一廠家不同系列泵的結構差異和設計理念。文中的附圖和針對泵結構的相關描述無法代表該系列泵所有規格排量，因為同系列泵不同排量規格其結構不完全相同，甚至差別較大，所以讀者在閱覽時側重點應放在該系列泵的主體結構，而不是某一排量規格，請大家知悉。