齊國(guó)寧，米江，王崢嶸

(1.中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西西安 700077；2.蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050)

0 前言

為減小配流沖擊、降低噪聲，高壓柱塞泵的柱塞腔在吸排油轉(zhuǎn)換的過程中必須進(jìn)行預(yù)升壓和預(yù)卸壓。預(yù)升壓過程是柱塞腔機(jī)械閉死壓縮和通過減振三角槽從排油口引入高壓油實(shí)現(xiàn)的；預(yù)卸壓過程是柱塞腔機(jī)械閉死膨脹和通過減振三角槽引出高壓油到吸油口實(shí)現(xiàn)的。由于預(yù)升壓和預(yù)卸壓過程中，減振三角槽的兩端均作用較大變化的壓差，減振三角槽中的油液產(chǎn)生較大速度的壓差流。根據(jù)伯努利能量守恒方程，動(dòng)能大的地方壓力能必定低，所以減振三角槽中將會(huì)有低壓區(qū)出現(xiàn)，壓力低于油液的空氣分離壓時(shí)，溶解在油液中的氣體析出，形成氣穴，當(dāng)油液中的氣泡隨油液運(yùn)動(dòng)到高壓區(qū)時(shí)，氣泡受壓、體積急劇縮小直至潰滅時(shí)，就發(fā)生了氣蝕現(xiàn)象。由于氣泡潰滅過程發(fā)生于瞬間(微秒級(jí))，在局部會(huì)產(chǎn)生極高的瞬時(shí)壓力和高溫，當(dāng)潰滅發(fā)生在固體表面附近時(shí)，不斷潰滅的氣泡所產(chǎn)生的壓力和高溫反復(fù)作用就會(huì)破壞固體表面，導(dǎo)致氣蝕破壞，從而破壞配流盤和缸體表面[1-6]。圖1所示為某開式軸向柱塞泵配流盤氣蝕破壞情況。

由圖1可見，預(yù)升壓和預(yù)卸壓減振槽均采用了V形槽結(jié)構(gòu)，在單柱塞腔預(yù)升壓和預(yù)卸壓過程中，配流盤上對(duì)應(yīng)于預(yù)升壓和預(yù)卸壓V形槽的區(qū)域中產(chǎn)生了嚴(yán)重的空蝕破壞現(xiàn)象。由于預(yù)卸壓V形槽中油液流動(dòng)方向是流入V形槽，空化區(qū)域和空泡含量更大，對(duì)應(yīng)區(qū)域的空蝕破壞現(xiàn)象更為嚴(yán)重，在離心力的作用下，氣泡向預(yù)卸壓V形槽內(nèi)部聚集，所以預(yù)卸壓V形槽內(nèi)側(cè)壁面氣蝕破壞嚴(yán)重。在預(yù)升壓過程中，減振三角槽中油液流動(dòng)方向是流出三角槽，氣泡產(chǎn)生于減振三角槽的頭部，并隨著油液的射流進(jìn)入柱塞腔中，隨著缸體和柱塞腔的轉(zhuǎn)動(dòng)，部分氣泡回流到配流盤表面，當(dāng)柱塞腔中油液的壓力升高時(shí)就產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高壓和高溫作用在配流盤表面形成蝕坑，同時(shí)產(chǎn)生灼燒[6-7]。

配流盤和缸體摩擦副表面發(fā)生氣蝕破壞后，會(huì)改變配流副表面的密封狀態(tài)，加大泄漏量、降低泵的容積效率。本文作者針對(duì)某型閉式高壓柱塞泵，在高壓柱塞泵試驗(yàn)器上進(jìn)行額定工況下的耐久性試驗(yàn)，并對(duì)不同工作時(shí)間后缸體表面的空蝕破壞特征和泵的容積效率進(jìn)行對(duì)比分析，研究配流副表面空蝕破壞對(duì)泵容積效率的影響。

1 某型閉式柱塞泵耐久性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)原理圖按照液壓軸向柱塞泵的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7043—2006確定，如圖2所示。按照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7043—2006的規(guī)定，耐久性試驗(yàn)選擇滿載試驗(yàn)2 400 h的方案。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括被試泵主油路、補(bǔ)油泵供油油路和測(cè)控系統(tǒng)三大部分。被試泵主油路由被試泵、加載溢流閥、冷卻器、流量變送器、壓力變送器、溫度變送器等組成；補(bǔ)油泵供油油路由補(bǔ)油齒輪泵、調(diào)壓溢流閥、流量變送器、壓力變送器、溫度變送器等組成；測(cè)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集板卡、PLC、上位機(jī)等組成。

1.2 試驗(yàn)器及被試泵

耐久性試驗(yàn)在高壓柱塞泵試驗(yàn)器上進(jìn)行，試驗(yàn)器和被試泵分別如圖3、4所示。

1.3 試驗(yàn)條件及測(cè)試裝置

試驗(yàn)中被試泵的吸油口壓力由補(bǔ)油泵供油油路調(diào)定為2.5 MPa，出口壓力為額定壓力40 MPa，泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)中被試泵出口油溫控制在60 ℃。試驗(yàn)介質(zhì)為15W/40CD柴油機(jī)油，油液清潔度要求介質(zhì)中固體顆粒污染等級(jí)不高于GB/T 14039—2002規(guī)定的19/16。主要試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試元器件如表1所示。

表1 主要試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試元器件

2 被試泵容積效率變化規(guī)律

按照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7043—2006規(guī)定，柱塞泵經(jīng)過耐久性試驗(yàn)后容積效率下降值應(yīng)小于3%，且零件不能有異常磨損和其他形式的損壞。利用流量變送器每小時(shí)記錄一次被試泵額定工況時(shí)的輸出流量并計(jì)算其容積效率，結(jié)果如圖5所示?？芍耗途眯栽囼?yàn)600 h時(shí)，泵的容積效率大幅下降，說明通過滑靴-斜盤、柱塞-缸孔和配流盤-缸體這3對(duì)摩擦副的泄漏量大幅增加，容積效率由開始時(shí)的92.6%下降到85.7%，下降值達(dá)6.9%，超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3%的下降幅值，且隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，效率曲線下降的斜率加大。拆檢泵發(fā)現(xiàn)，滑靴和斜盤摩擦副及柱塞和缸孔摩擦副無明顯磨損，通過這兩對(duì)摩擦副的泄漏量無較大變化，說明隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，通過配流盤和缸體摩擦副的泄漏量增大，導(dǎo)致泵的容積效率急劇降低。

3 被試泵配流副表面氣蝕破壞特征

泵工作200 h后，停機(jī)拆檢，發(fā)現(xiàn)缸體表面已經(jīng)出現(xiàn)空蝕破壞的痕跡，工作200、400、600 h后缸體表面氣蝕破壞情況如圖6所示。

由圖6可知：泵工作600 h后，缸體底部腰形窗口之間的隔離區(qū)部位有明顯麻點(diǎn)狀空蝕破壞溝槽出現(xiàn)，各腰形窗口隔離區(qū)空蝕破壞形狀和尺寸均基本相同，有明顯的規(guī)律性，麻點(diǎn)狀溝槽的形狀呈三角形分布，主氣蝕帶出現(xiàn)在缸體腰形窗口中心圓上，從腰形窗口隔離區(qū)的后邊緣向前邊緣延伸，三角形槽寬度超過3 mm，深度最大達(dá)0.3 mm，其中隔離區(qū)后邊緣的氣蝕破壞比前邊緣處的氣蝕破壞面大，隔離區(qū)中部有一條連接前、后邊緣的條狀氣蝕破壞帶，且腰形窗口的邊緣有掉塊狀缺口。

缸體腰形窗口中心圓隔離區(qū)表面空蝕形成的破壞帶，等效加大了減振槽的深度和過流面積，會(huì)導(dǎo)致槽中引油損失流量變大，腰形窗口的邊緣的掉塊狀空蝕破壞缺口加大了配流副表面內(nèi)外密封帶處的泄漏量，最終導(dǎo)致泵的容積效率隨試驗(yàn)時(shí)間的增加急劇下降。

如圖7所示，泵工作600 h后，配流盤表面無明顯的空蝕破壞痕跡。原因是為了減小配流盤和缸體摩擦副間的摩擦因數(shù)、降低磨損，泵的配流盤采用38CrMoAlA材料，缸體表面采用燒結(jié)錫青銅G-CuPb15Sn45材料，配流盤表面的硬度遠(yuǎn)大于缸體表面的硬度，抗空蝕破壞的能力也遠(yuǎn)強(qiáng)于缸體。

4 結(jié)論

(1)由于柱塞泵配流過渡過程中減振槽兩端存在較大壓差，造成油液的高速射流，空化難以避免，會(huì)引起配流面的氣蝕破壞。

(2)參照中國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7043—2006中對(duì)液壓軸向柱塞泵耐久性性能試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定，對(duì)某型泵進(jìn)行了600 h的耐久性試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)試驗(yàn)器的原理、試驗(yàn)條件、測(cè)試裝置及試驗(yàn)方法進(jìn)行了介紹，并測(cè)量了試驗(yàn)過程中泵的輸出流量、計(jì)算了容積效率，分析了泵配流氣蝕破壞特征。結(jié)果表明：在現(xiàn)有配流結(jié)構(gòu)下，配流氣蝕嚴(yán)重，耐久性試驗(yàn)僅開展了600 h，缸體表面已出現(xiàn)嚴(yán)重的氣蝕破壞，導(dǎo)致泵的容積效率大幅下降。為提高泵的耐久性和提高容積效率，必須研究抗氣蝕配流結(jié)構(gòu)以減小配流副表面的配流氣蝕破壞。