高壓柱塞泵氣蝕現(xiàn)象及控制

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，又稱空蝕，且氣泡潰滅時(shí)伴有強(qiáng)烈的噪聲和振動(dòng)，并伴隨有微弱的光，對(duì)液壓系統(tǒng)和元件的工作性能、壽命和效率都有極大的影響。

1、柱塞泵中氣穴及氣蝕易發(fā)生位置

柱塞泵的氣穴現(xiàn)象研究多集中在吸油氣穴，即由于吸油阻力太大或泵的轉(zhuǎn)速太高而導(dǎo)致柱塞腔中真空度太大而出現(xiàn)的氣穴現(xiàn)象，通常忽略了柱塞腔配流過渡過程中產(chǎn)生氣泡的過程及危害，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為瞬時(shí)真空產(chǎn)生的時(shí)間很短，來不及生成足夠大直徑的氣泡從而不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的氣穴及氣蝕現(xiàn)象。但實(shí)際情況是，在高壓條件下(目前高壓柱塞泵的額定壓力已達(dá)35 MPa)，小直徑的氣泡破裂也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣蝕破壞和噪聲，所以，在減小吸油區(qū)氣穴含量的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注液壓泵在高壓和超高壓工況下，柱塞腔吸排油過渡過程中氣穴及氣蝕的控制。

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的變化的壓差，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，氣泡再破裂時(shí)將產(chǎn)生氣蝕，從而破壞配流盤和缸體表面。

1.1液壓閥流場可視化試驗(yàn)間接顯示氣穴位置

由于直接對(duì)柱塞泵配流盤上減振槽中油液流動(dòng)進(jìn) 穴顯示試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)難度太大，又考慮到柱塞泵的配流盤上減振槽和非全周開口滑閥中的節(jié)流槽的結(jié)構(gòu)和工作過程完全相似，所以，對(duì)透明液壓閥中節(jié)流槽中流動(dòng)氣穴可視化試驗(yàn)進(jìn)行討論。

節(jié)流槽有兩種典型結(jié)構(gòu)：第一種是具有等截面段的節(jié)流槽，其截面形狀可以是矩形、三角形、梯形等，節(jié)流槽截面為矩形，稱為U形節(jié)流槽(或U形槽);第二種為漸擴(kuò)形節(jié)流槽，其截面形狀也可以有多種，常見的為三角形截面，稱為V形節(jié)流槽(或V形槽)。圖1給出了節(jié)流槽的結(jié)構(gòu)特征，圖中標(biāo)示的流向?yàn)榱魅敕较?IN)。柱塞泵配流盤上的減振槽多用V形槽，圖2給出了V形槽在流入和流出方向時(shí)的氣穴顯示結(jié)果。

由圖2可見：氣穴出現(xiàn)在V形槽的節(jié)流邊后部，此位置與流體脫離壁面的位置重合，氣泡由閥口后部的流體分離位置析出，并隨流束運(yùn)動(dòng)的過程中有所成長，然后在節(jié)流槽下游的閥腔中潰滅消失。

1.2柱塞泵配流盤氣蝕破壞顯示氣穴位置

一些柱塞泵在實(shí)際使用

由圖4可見:預(yù)升壓減振槽中的射流將氣泡帶到柱塞腔配流窗孔中，射流在配流窗孔內(nèi)的固體壁面附近形成回流，將部分氣泡帶到配流盤表面，氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的高壓和高溫在配流盤表面形成蝕坑，同時(shí)產(chǎn)生灼燒。

2、柱塞泵中氣蝕的控制方法

柱塞泵中的氣蝕控制分為主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩種方法，被動(dòng)控制就是提高配流盤和缸體材料的強(qiáng)度以及零件表面的光潔度和硬度，以減弱氣蝕造成的損壞程度。

氣蝕的主動(dòng)控制有兩種方法：一是減小減振槽中氣穴產(chǎn)生的體積含量，二是控制氣穴發(fā)生的區(qū)域即讓氣泡遠(yuǎn)離配流盤和缸體的表面，在減振槽或柱塞腔油液中出現(xiàn)和破裂，避免對(duì)配流盤和缸體表面造成破壞，如圖5所示。