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摘要：本文介绍了斜盘式轴向柱塞泵的工作原理，并对其关键部件的设计做了介绍，同时详细说明了影响柱塞泵容积效率的主要因素，列举了具体例子来说明柱塞泵的容积效率。为今后人们在设计柱塞泵时提供了一定的理论依据，具有一定的指导意义。
关键词：柱塞泵；容积效率；要素分析
1.斜盘式轴向柱塞泵工作原理
如图1所示，柱塞泵的主要结构包括柱塞、缸体、配油盘、传动轴、斜盘、回程盘、中心弹簧等。当气缸带动柱塞旋转，斜盘平面有一个倾斜的角度相对于圆柱面（xoy面），迫使柱塞在柱塞腔中的直线运动。如果气缸按n方向旋轉，活塞将从底部死点（相应位置）连续延伸到量程，由于体积的增加导致压强发生变化，直到体积增加到一定限度以后结束。柱塞与油盘重合，与吸油窗相通，油被吸收到柱塞腔内进行吸收过程。当活塞工作时，在一定的量程内，由于倾斜约束的限制，从上止点不断的涌入空腔，其中的容积逐渐缩小，当达到下孔点之后停止。期间，油由于气缸的作用被排除。由此可以看出，每个气缸体都有半周的吸油量和半周的时间。如果气缸连续旋转，泵将连续吸入油。
2.柱塞设计
柱塞由圆柱形组成，轴向柱塞泵使用圆柱形柱塞。根据柱塞头结构，可以有以下三种形式：点接触柱塞，如图2（a）所示。柱塞头与斜盘由球面副连接，接触灵活性较好，由于点接触，往往接触面积较小，造成的接触应力较大。使得磨损加剧，所以其不能承受较大的载荷以及冲击。在早期的设计中，点接触式由于其自由度较多，广泛使用。随着时代的发展，线接触式柱塞逐渐走入人们生活。如图2（b）所示，其属于线接触，能承受相对点接触较大的载荷，由于摆头可以相对转动，保证了其相对的灵活性，摆动头和斜盘浸润着润滑油，相当于一个滑动轴承，在转动的过程中，由于动压作用，润滑油会形成，油膜将两表面隔开，从而可以提高使用寿命。带滑块的柱塞如图2（c）所示，与图b不同的是在摆动头前加了称为鞋结构，它将柱塞包裹起来，鞋在柱塞中面接触，并且由于润滑油的泄露。使得鞋与柱塞中产生一层动压油膜，同时可以起到保护柱塞的作用三种结构大多是由空心结构制成，一方面可以减少柱塞的重量，另一方面可以减柱塞的动惯量。复位弹簧也可以放置在中空柱塞中以重置吸入区域中的柱塞。然而，中空结构无疑增加了吸油和排油过程中柱塞的剩余体积。因此，应该根据工作条件，性能要求和总体结构的优缺点来衡量应使用哪种类型的柱塞，并合理选择。闭塞式液压机不仅刚度大，不容易损坏，并且质量比同类型的液压机减轻10%-20%。但是，这种结构过程比较复杂，需要电子束焊接。容积效率是反映泵性能的重要指标之一。提高容积效率既可以降低功耗，又可以提高液体能量利用率。如何提高泵的容积效率尤为重要。有许多因素会影响泵的容积效率。主要有密封副的密封性，进水量的充分性，阀面的密封性，进出水阀开关的及时性等。
3.如何提高密封副的密封性
3.1柱塞泵的密封副设计
设计密封副时，根据不同的水压和柱（活）塞的最大线加速度情况，既要选择合适的密封副材料，又要设计恰当的密封副结构形状，以满足不同工况的使用条件。泵的柱塞的最大线加速度≤300 m/s2，压力在6MPa以下时，一般选择邵氏硬度80的丁腈橡胶，密封副形状可设计成Y形或V形的高唇口结构；泵的柱塞的最大线加速度≤300 m/s2，压力在6MPa以上时，一般选择邵氏硬度90的丁腈橡胶，密封副形状设计成V形或U形低唇口结构；泵的柱塞的最大线加速度>300 m/s2，压力在12MPa以上时，一般选择夹布树脂材料，密封副形状设计成U形结构。为更好地提高密封副的使用寿命，利用液体自身的微润滑作用，可考虑采用高低压双密封副结构。在实际工作中发现，采用双密封副结构可将可靠性指标提高60%～100%。
唇口结构与密封性的关系：高唇口结构要比低唇口结构的跟随性好，但其结构刚性比低唇口结构差，特别是在压力高的情况下，常常会出现唇口与其根部扯断、开裂，故一般采用低唇口结构。如何提高高压力下密封件低唇口的跟随性呢？我们可以建模，通过有限元的分析方法，优化设计出在交变载荷下能满足要求的唇口结构。
3.2柱塞泵的进水量设计
为给泵提供足够的进水量，就必须充分降低进水阻力，即选择足够大的通流截面管道，选择恰当小预压紧力的进水弹簧结构。当然，采用压力进水效果更佳。下面考虑自吸水情况：
3.3柱塞泵的阀面密封性设计
一般泵的转速≤1000rpm时，采用平阀结构；反之则采用球阀结构。平阀的表面粗糙度和精度易采用加工方法得到保证。而球面相对来说就较难保证。由于球面结构是用于高转速频率下，阀高频率的开关相对低转速而言，对阀的表面粗糙度要求就相对降低了。所以一般采用复合模冲压阀片，只要求保证阀片的几何尺寸精度。这一点在转速为2800rpm的泵实际使用中已得到证实。
3.4柱塞泵进出水阀开关的及时性设计
阀开关的及时性是指阀开启时应及时开启，关闭时应及时关闭。要提高阀的开关及时性就必须满足两个条件：一是阀门的开关固有频率必须高于泵的运转频率，二是选择阀合适的开启高度。前者可通过选择合适的较轻质量的阀片和较大弹簧刚度来保证。而后者则要根据不同情况来确定。一般流量在7～15L/min时，开启高度设计成1.2～1.5mm；流量在15～30L/min时，开启高度设计成1.5～2.5mm；流量在30～50L/min时，开启高度设计成2.5～3.5mm。这些在自己实际工作中已得到证实。如单缸双作用泵流量为7L/min，压力为3MPa，转速为2262rpm时，开启高度为2.5mm，2mm，1.5mm，1.3mm，1mm时的容积效率分别为62%，73%，80%，85%，82%，故选取开启高度为1.3mm。再如三缸径向泵流量为13.78L/min，压力为15MPa，转速为2890rpm时，开启高度为2mm，1.7mm，1.5mm，1.3mm，1mm时的容积效率分别为78%，84%，90%，86%，77%，故选取开启高度为1.4mm。 4.影响柱塞泵容积效率的因素
容积效率是反映一台泵性能好坏的重要指标之一。提高容积效率不仅可以降低能耗，而且可以提高液体能源的利用率。容积效率涉及的影响参数较多，找出影响容积效率最大的参数对于提高容积效率具有十分重要的意义。容积效率是指泵额定流量和回水流量之和与理论流量的百分比值，柱塞泵的质量是衡量柱塞泵质量的重要指标之一。它反映了泵流道、进排气阀、调压阀的结构设计和制造精度的合理性。泄漏主要是由于柱塞泵在运行过程中泵内相对运动部件之间的间隙引起的。一般来说，三活塞泵摩擦副、滑靴副和柱塞副在大多数地方都是漏气的。容积效率的计算公式：
ηv=（Qe + Qh）/ Ql * 100%
其中：Qe ---额定流量，回水流量 L/min，理论流量 L/min
4.1与容积效率相关的参数
根据柱塞泵的样机，进行了滑靴副的结构和受力分析。滑块主要受工作油压力和工作面上静压反向推力f1产生的滑移力作用。
定量轴向柱塞泵样机的圆盘结构与圆盘形状相似。主要参数包括分配器密封带的半径、外密封带的半径和腰部分布窗口的缠绕角。当配流盘与缸体之间的间隙不同时，泄漏率也不同。当分配器与缸体之间的间隙平行时，高压油通过内密封带的泄漏量根据配流盘的尺寸参数而变化。当高压油从腰部分布窗口流入内外密封带时，形成了整个分布副的泄漏，总泄漏量为两者之和。因此，分配对的总泄漏量与体积效率损失成正比。
4.2柱塞副泄漏与容积效率损失
柱塞和气缸之间的间隙取决于两个活塞的制造尺寸和公差。气缸的泄漏与气缸体的活塞长度和柱塞相对于气缸体运动的速度有关。单柱塞对泄漏引起的容积效率损失不同于每对摩擦副的容积效率损失。滑靴副和流量副的泄漏与速度无关，容积效率的损失与速度成反比。三对摩擦副的体积效率损失与速度变化时的压力变化成正比，摩擦副的間隙为五微米。
滑靴副和分布对油中压力区柱塞数的周期性变化的泄漏率和频率随柱塞数的频率在机油压力区。泄漏的幅度对流量的变化有着重要的影响。在不同转速下，两种变化的泄漏量差别不大，而且也符合理论基础，泄漏仅与负荷压力有关。在相同的速度下，可以比较滑靴对的泄漏和成对的泄漏。比较了不同转速下滑靴副和流量副的平均泄漏量。泄漏量随转速的降低而减小。柱塞的工作阻力由三个部分组成，但由于柱塞惯性力其价值太小，在研究中可以忽略。
5.结论
总之，改善和提高容积效率，必须全面综合解决影响容积效率因素的问题。影响泵容积效率的关键因素为阀的开关及时性，其次才是密封副的密封性，进水量的充分性，阀面的密封性。本文对柱塞泵的容积效率的因素进行了分析，希望对今后的工程工作中有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]焦玲.双排柱塞结构的轴向柱塞泵的研究[D].哈尔滨工业大学，2015年
[2]姜继海，杨塑，申通，杨广文，焦玲.双排式轴向柱塞泵流量脉动特性研究[[J].液压与气动，2017年
[3]梁永富.双排轴向柱塞泵设计与降噪性能仿真研究[D].南华大学，2016年
[4]梁永富，李岚，贾晓沛.双排轴向柱塞泵仿真研究[J].机械工师，2016年
[5]邓海顺，王传礼，张立祥.平衡式两排轴向柱塞泵流量脉动研究[J].农业机械学报，2014年
[6]邓海顺，黄然，黄坤，等.平衡式三排轴向柱塞泵流量脉动的研究[J].北京化工大学学报自然科学版，2014年
[7]邓海顺，黄坤，王传礼，等.平衡式两排轴向柱塞泵缸体倾覆力矩[J].吉林大学学报（工），2015年
[8]邓海顺，黄坤，黄然，等.平衡式两排轴向柱塞泵斜盘力矩特性建模与分析[J].工程设计学报，2016年
[9]余永平，尹霞.双列柱塞泵配流盘的设计与仿真研究[J].机床与液压，2015年
[10]姜继海，申通，杨塑，赵存然，梁海健.航空煤油泵轴尾机械密封副材料特性研究[J].航空动力学报，2017年
关键词：柱塞泵；容积效率；要素分析
1.斜盘式轴向柱塞泵工作原理
如图1所示，柱塞泵的主要结构包括柱塞、缸体、配油盘、传动轴、斜盘、回程盘、中心弹簧等。当气缸带动柱塞旋转，斜盘平面有一个倾斜的角度相对于圆柱面（xoy面），迫使柱塞在柱塞腔中的直线运动。如果气缸按n方向旋轉，活塞将从底部死点（相应位置）连续延伸到量程，由于体积的增加导致压强发生变化，直到体积增加到一定限度以后结束。柱塞与油盘重合，与吸油窗相通，油被吸收到柱塞腔内进行吸收过程。当活塞工作时，在一定的量程内，由于倾斜约束的限制，从上止点不断的涌入空腔，其中的容积逐渐缩小，当达到下孔点之后停止。期间，油由于气缸的作用被排除。由此可以看出，每个气缸体都有半周的吸油量和半周的时间。如果气缸连续旋转，泵将连续吸入油。
2.柱塞设计
柱塞由圆柱形组成，轴向柱塞泵使用圆柱形柱塞。根据柱塞头结构，可以有以下三种形式：点接触柱塞，如图2（a）所示。柱塞头与斜盘由球面副连接，接触灵活性较好，由于点接触，往往接触面积较小，造成的接触应力较大。使得磨损加剧，所以其不能承受较大的载荷以及冲击。在早期的设计中，点接触式由于其自由度较多，广泛使用。随着时代的发展，线接触式柱塞逐渐走入人们生活。如图2（b）所示，其属于线接触，能承受相对点接触较大的载荷，由于摆头可以相对转动，保证了其相对的灵活性，摆动头和斜盘浸润着润滑油，相当于一个滑动轴承，在转动的过程中，由于动压作用，润滑油会形成，油膜将两表面隔开，从而可以提高使用寿命。带滑块的柱塞如图2（c）所示，与图b不同的是在摆动头前加了称为鞋结构，它将柱塞包裹起来，鞋在柱塞中面接触，并且由于润滑油的泄露。使得鞋与柱塞中产生一层动压油膜，同时可以起到保护柱塞的作用三种结构大多是由空心结构制成，一方面可以减少柱塞的重量，另一方面可以减柱塞的动惯量。复位弹簧也可以放置在中空柱塞中以重置吸入区域中的柱塞。然而，中空结构无疑增加了吸油和排油过程中柱塞的剩余体积。因此，应该根据工作条件，性能要求和总体结构的优缺点来衡量应使用哪种类型的柱塞，并合理选择。闭塞式液压机不仅刚度大，不容易损坏，并且质量比同类型的液压机减轻10%-20%。但是，这种结构过程比较复杂，需要电子束焊接。容积效率是反映泵性能的重要指标之一。提高容积效率既可以降低功耗，又可以提高液体能量利用率。如何提高泵的容积效率尤为重要。有许多因素会影响泵的容积效率。主要有密封副的密封性，进水量的充分性，阀面的密封性，进出水阀开关的及时性等。
3.如何提高密封副的密封性
3.1柱塞泵的密封副设计
设计密封副时，根据不同的水压和柱（活）塞的最大线加速度情况，既要选择合适的密封副材料，又要设计恰当的密封副结构形状，以满足不同工况的使用条件。泵的柱塞的最大线加速度≤300 m/s2，压力在6MPa以下时，一般选择邵氏硬度80的丁腈橡胶，密封副形状可设计成Y形或V形的高唇口结构；泵的柱塞的最大线加速度≤300 m/s2，压力在6MPa以上时，一般选择邵氏硬度90的丁腈橡胶，密封副形状设计成V形或U形低唇口结构；泵的柱塞的最大线加速度>300 m/s2，压力在12MPa以上时，一般选择夹布树脂材料，密封副形状设计成U形结构。为更好地提高密封副的使用寿命，利用液体自身的微润滑作用，可考虑采用高低压双密封副结构。在实际工作中发现，采用双密封副结构可将可靠性指标提高60%～100%。
唇口结构与密封性的关系：高唇口结构要比低唇口结构的跟随性好，但其结构刚性比低唇口结构差，特别是在压力高的情况下，常常会出现唇口与其根部扯断、开裂，故一般采用低唇口结构。如何提高高压力下密封件低唇口的跟随性呢？我们可以建模，通过有限元的分析方法，优化设计出在交变载荷下能满足要求的唇口结构。
3.2柱塞泵的进水量设计
为给泵提供足够的进水量，就必须充分降低进水阻力，即选择足够大的通流截面管道，选择恰当小预压紧力的进水弹簧结构。当然，采用压力进水效果更佳。下面考虑自吸水情况：
3.3柱塞泵的阀面密封性设计
一般泵的转速≤1000rpm时，采用平阀结构；反之则采用球阀结构。平阀的表面粗糙度和精度易采用加工方法得到保证。而球面相对来说就较难保证。由于球面结构是用于高转速频率下，阀高频率的开关相对低转速而言，对阀的表面粗糙度要求就相对降低了。所以一般采用复合模冲压阀片，只要求保证阀片的几何尺寸精度。这一点在转速为2800rpm的泵实际使用中已得到证实。
3.4柱塞泵进出水阀开关的及时性设计
阀开关的及时性是指阀开启时应及时开启，关闭时应及时关闭。要提高阀的开关及时性就必须满足两个条件：一是阀门的开关固有频率必须高于泵的运转频率，二是选择阀合适的开启高度。前者可通过选择合适的较轻质量的阀片和较大弹簧刚度来保证。而后者则要根据不同情况来确定。一般流量在7～15L/min时，开启高度设计成1.2～1.5mm；流量在15～30L/min时，开启高度设计成1.5～2.5mm；流量在30～50L/min时，开启高度设计成2.5～3.5mm。这些在自己实际工作中已得到证实。如单缸双作用泵流量为7L/min，压力为3MPa，转速为2262rpm时，开启高度为2.5mm，2mm，1.5mm，1.3mm，1mm时的容积效率分别为62%，73%，80%，85%，82%，故选取开启高度为1.3mm。再如三缸径向泵流量为13.78L/min，压力为15MPa，转速为2890rpm时，开启高度为2mm，1.7mm，1.5mm，1.3mm，1mm时的容积效率分别为78%，84%，90%，86%，77%，故选取开启高度为1.4mm。 4.影响柱塞泵容积效率的因素
容积效率是反映一台泵性能好坏的重要指标之一。提高容积效率不仅可以降低能耗，而且可以提高液体能源的利用率。容积效率涉及的影响参数较多，找出影响容积效率最大的参数对于提高容积效率具有十分重要的意义。容积效率是指泵额定流量和回水流量之和与理论流量的百分比值，柱塞泵的质量是衡量柱塞泵质量的重要指标之一。它反映了泵流道、进排气阀、调压阀的结构设计和制造精度的合理性。泄漏主要是由于柱塞泵在运行过程中泵内相对运动部件之间的间隙引起的。一般来说，三活塞泵摩擦副、滑靴副和柱塞副在大多数地方都是漏气的。容积效率的计算公式：
ηv=（Qe + Qh）/ Ql * 100%
其中：Qe ---额定流量，回水流量 L/min，理论流量 L/min
4.1与容积效率相关的参数
根据柱塞泵的样机，进行了滑靴副的结构和受力分析。滑块主要受工作油压力和工作面上静压反向推力f1产生的滑移力作用。
定量轴向柱塞泵样机的圆盘结构与圆盘形状相似。主要参数包括分配器密封带的半径、外密封带的半径和腰部分布窗口的缠绕角。当配流盘与缸体之间的间隙不同时，泄漏率也不同。当分配器与缸体之间的间隙平行时，高压油通过内密封带的泄漏量根据配流盘的尺寸参数而变化。当高压油从腰部分布窗口流入内外密封带时，形成了整个分布副的泄漏，总泄漏量为两者之和。因此，分配对的总泄漏量与体积效率损失成正比。
4.2柱塞副泄漏与容积效率损失
柱塞和气缸之间的间隙取决于两个活塞的制造尺寸和公差。气缸的泄漏与气缸体的活塞长度和柱塞相对于气缸体运动的速度有关。单柱塞对泄漏引起的容积效率损失不同于每对摩擦副的容积效率损失。滑靴副和流量副的泄漏与速度无关，容积效率的损失与速度成反比。三对摩擦副的体积效率损失与速度变化时的压力变化成正比，摩擦副的間隙为五微米。
滑靴副和分布对油中压力区柱塞数的周期性变化的泄漏率和频率随柱塞数的频率在机油压力区。泄漏的幅度对流量的变化有着重要的影响。在不同转速下，两种变化的泄漏量差别不大，而且也符合理论基础，泄漏仅与负荷压力有关。在相同的速度下，可以比较滑靴对的泄漏和成对的泄漏。比较了不同转速下滑靴副和流量副的平均泄漏量。泄漏量随转速的降低而减小。柱塞的工作阻力由三个部分组成，但由于柱塞惯性力其价值太小，在研究中可以忽略。
5.结论
总之，改善和提高容积效率，必须全面综合解决影响容积效率因素的问题。影响泵容积效率的关键因素为阀的开关及时性，其次才是密封副的密封性，进水量的充分性，阀面的密封性。本文对柱塞泵的容积效率的因素进行了分析，希望对今后的工程工作中有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]焦玲.双排柱塞结构的轴向柱塞泵的研究[D].哈尔滨工业大学，2015年
[2]姜继海，杨塑，申通，杨广文，焦玲.双排式轴向柱塞泵流量脉动特性研究[[J].液压与气动，2017年
[3]梁永富.双排轴向柱塞泵设计与降噪性能仿真研究[D].南华大学，2016年
[4]梁永富，李岚，贾晓沛.双排轴向柱塞泵仿真研究[J].机械工师，2016年
[5]邓海顺，王传礼，张立祥.平衡式两排轴向柱塞泵流量脉动研究[J].农业机械学报，2014年
[6]邓海顺，黄然，黄坤，等.平衡式三排轴向柱塞泵流量脉动的研究[J].北京化工大学学报自然科学版，2014年
[7]邓海顺，黄坤，王传礼，等.平衡式两排轴向柱塞泵缸体倾覆力矩[J].吉林大学学报（工），2015年
[8]邓海顺，黄坤，黄然，等.平衡式两排轴向柱塞泵斜盘力矩特性建模与分析[J].工程设计学报，2016年
[9]余永平，尹霞.双列柱塞泵配流盘的设计与仿真研究[J].机床与液压，2015年
[10]姜继海，申通，杨塑，赵存然，梁海健.航空煤油泵轴尾机械密封副材料特性研究[J].航空动力学报，2017年