倾斜柱塞结构和球面配流副因结构紧凑、抗倾覆力矩强等优点广泛应用于重载柱塞泵,随着工程技术的发展及高端制造业需求,柱塞泵的使用压力逐渐提高,油液泄漏加剧,设计间隙和容积效率成为评价柱塞泵性能好坏的重要指标。以倾斜柱塞和球面配流结构的重载柱塞泵为研究对象,分析柱塞的运动学特性,研究倾斜柱塞副泄漏、球面配流副泄漏和滑靴副泄漏的理论方程。结果表明,倾斜柱塞副的泄漏随配合间隙及柱塞腔压差增大而增大,球面配流副泄漏间隙主要与动力黏度、泵工作压力及缸体角速度相关,滑靴副的泄漏主要和柱塞阻尼孔长度和阻尼孔直径相关。最终,通过泄漏试验验证了理论结果的准确性,理论值与实验值误差不超过8%,为重载柱塞泵的结构设计与性能优化提供理论基础。

为了对比分析球面配流与传统平面配流对轴向柱塞泵性能的影响，运用曲面造型技术建立基于球面配流的柱塞泵整体流域几何模型。在此基础上，采用动网格模拟缸体柱塞腔的轴向往复运动及旋转运动，利用计算流体动力学技术基于全空化模型对柱塞泵整体流域进行分析，分析了球面配流与平面配流对柱塞泵的压力流量脉动、空化现象等方面的影响。分析结果得出：在柱塞泵空化程度的影响方面二者差异很小，在配流过程中球面配流更加稳定，其压力、流量脉动率均优于平面配流。

为满足外骨骼机器人、工业机械手及航空航天设备小型化和轻量化要求，研制了一种超小排量高压轴向柱塞泵，其排量为1 mL/r，额定工作压力为25 MPa，额定转速为3000 r/min，体积为89.3mm×44mm×42mm，重量为430 g。该泵可双向运转，在高、中、低速运行状态下均具有良好性能。结构上采用球面配流和波形弹簧，前者具备自动调心功能，有效减少泄漏，提高容积效率；后者的应用可进一步减小泵的体积，提高功率密度比。实验表明，所研制高压柱塞泵体积小，重量轻，功率重量比高达17 W/g，额定工作条件下容积效率95%以上，各项性能指标达到设计要求。