柱塞泵氣蝕控制

液壓系統(tǒng)中的油液除了以氣泡狀態(tài)混入空氣外，溶解在油液中的空氣及油液本身，在一定條件下也會分離出來形成氣泡；常溫和常壓下，一般礦物油中能溶解6%~12%體積的空氣；且油液對空氣的溶解能力與油液的絕對壓力成正比，當(dāng)油液在液壓系統(tǒng)中流動時，流動速度高的區(qū)域壓力降低，當(dāng)壓力低于油液的空氣分離壓時，溶解在油液中的空氣將被分離出來，形成氣泡；另外，當(dāng)系統(tǒng)中某一區(qū)域的壓力低于當(dāng)時溫度下的飽和蒸氣壓時，油液也會沸騰汽化形成氣泡。當(dāng)氣泡混入油液中，使管道或液壓元件中的油液成為不連續(xù)狀態(tài)，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，當(dāng)油液中的氣泡隨油液運動到高壓區(qū)時，氣泡受壓、體積急劇縮小直至潰滅時，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)，在局部會產(chǎn)生極高的瞬時壓力和高溫，當(dāng)潰滅發(fā)生在固體表面附近時，不斷潰滅的氣泡所產(chǎn)生的壓力和高溫反復(fù)作用就會破壞固體表面，導(dǎo)致氣蝕，又稱空蝕，且氣泡潰滅時伴有強烈的噪聲和振動，并伴隨有微弱的光，對液壓系統(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)觀念認為瞬時真空產(chǎn)生的時間很短，來不及生成足夠大直徑的氣泡從而不會導(dǎo)致嚴重的氣穴及氣蝕現(xiàn)象。但實際情況是，在高壓條件下(目前高壓柱塞泵的額定壓力已達35 MPa)，小直徑的氣泡破裂也會產(chǎn)生強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)換的過程中必須進行預(yù)升壓和預(yù)卸壓，預(yù)升壓過程是柱塞腔機械閉死壓縮和通過減振三角槽從排油口引入高壓油實現(xiàn)的;預(yù)卸壓過程是柱塞腔機械閉死膨脹和通過減振三角槽引出高壓油到吸油口實現(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，動能大的地方壓力能必定低，所以減振三角槽中將會有低壓區(qū)出現(xiàn)，壓力低于油液的空氣分離壓時，溶解在油液中的氣體析出，形成氣穴，氣泡再破裂時將產(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間接顯示氣穴位置

由于直接對柱塞泵配流盤上減振槽中油液流動進行氣穴顯示試驗的結(jié)構(gòu)實現(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，對透明液壓閥中節(jié)流槽中流動氣穴可視化試驗進行討論。

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)

在預(yù)升壓過程中，配流盤上對應(yīng)于減振三角槽的區(qū)域中產(chǎn)生了嚴重的氣穴和氣蝕現(xiàn)象，在預(yù)升壓過程中，減振三角槽中油液是流出三角槽方向，氣泡產(chǎn)生于減振三角槽的頭部，并隨著油液的射流進入柱塞腔中，隨著缸體和柱塞腔的轉(zhuǎn)動，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就產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

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，氣泡潰滅時產(chǎn)生的高壓和高溫在配流盤表面形成蝕坑，同時產(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控制和被動控制兩種方法，被動控制就是提高配流盤和缸體材料的強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，避免對配流盤和缸體表面造成破壞

(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，會引起配流面的氣蝕破壞。

(2)優(yōu)化配流盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過改變配流盤減振槽的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，設(shè)法減小氣穴的體積含量和改變配流過渡過程中減振槽內(nèi)油液的主射流角度，使氣穴發(fā)生位置遠離配流副表面，可有效降低配流表面的氣蝕破壞