齐国宁，米江，王峥嵘

(1.中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安 700077；2.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050)

0 前言

为减小配流冲击、降低噪声，高压柱塞泵的柱塞腔在吸排油转换的过程中必须进行预升压和预卸压。预升压过程是柱塞腔机械闭死压缩和通过减振三角槽从排油口引入高压油实现的；预卸压过程是柱塞腔机械闭死膨胀和通过减振三角槽引出高压油到吸油口实现的。由于预升压和预卸压过程中，减振三角槽的两端均作用较大变化的压差，减振三角槽中的油液产生较大速度的压差流。根据伯努利能量守恒方程，动能大的地方压力能必定低，所以减振三角槽中将会有低压区出现，压力低于油液的空气分离压时，溶解在油液中的气体析出，形成气穴，当油液中的气泡随油液运动到高压区时，气泡受压、体积急剧缩小直至溃灭时，就发生了气蚀现象。由于气泡溃灭过程发生于瞬间(微秒级)，在局部会产生极高的瞬时压力和高温，当溃灭发生在固体表面附近时，不断溃灭的气泡所产生的压力和高温反复作用就会破坏固体表面，导致气蚀破坏，从而破坏配流盘和缸体表面[1-6]。图1所示为某开式轴向柱塞泵配流盘气蚀破坏情况。

由图1可见，预升压和预卸压减振槽均采用了V形槽结构，在单柱塞腔预升压和预卸压过程中，配流盘上对应于预升压和预卸压V形槽的区域中产生了严重的空蚀破坏现象。由于预卸压V形槽中油液流动方向是流入V形槽，空化区域和空泡含量更大，对应区域的空蚀破坏现象更为严重，在离心力的作用下，气泡向预卸压V形槽内部聚集，所以预卸压V形槽内侧壁面气蚀破坏严重。在预升压过程中，减振三角槽中油液流动方向是流出三角槽，气泡产生于减振三角槽的头部，并随着油液的射流进入柱塞腔中，随着缸体和柱塞腔的转动，部分气泡回流到配流盘表面，当柱塞腔中油液的压力升高时就产生气蚀现象，气泡溃灭时产生的高压和高温作用在配流盘表面形成蚀坑，同时产生灼烧[6-7]。

配流盘和缸体摩擦副表面发生气蚀破坏后，会改变配流副表面的密封状态，加大泄漏量、降低泵的容积效率。本文作者针对某型闭式高压柱塞泵，在高压柱塞泵试验器上进行额定工况下的耐久性试验，并对不同工作时间后缸体表面的空蚀破坏特征和泵的容积效率进行对比分析，研究配流副表面空蚀破坏对泵容积效率的影响。

1 某型闭式柱塞泵耐久性试验

1.1 试验原理图

试验原理图按照液压轴向柱塞泵的机械行业标准JB/T 7043—2006确定，如图2所示。按照机械行业标准JB/T 7043—2006的规定，耐久性试验选择满载试验2 400 h的方案。

试验系统主要包括被试泵主油路、补油泵供油油路和测控系统三大部分。被试泵主油路由被试泵、加载溢流阀、冷却器、流量变送器、压力变送器、温度变送器等组成；补油泵供油油路由补油齿轮泵、调压溢流阀、流量变送器、压力变送器、温度变送器等组成；测控系统由数据采集板卡、PLC、上位机等组成。

1.2 试验器及被试泵

耐久性试验在高压柱塞泵试验器上进行，试验器和被试泵分别如图3、4所示。

1.3 试验条件及测试装置

试验中被试泵的吸油口压力由补油泵供油油路调定为2.5 MPa，出口压力为额定压力40 MPa，泵的转速为额定转速，试验中被试泵出口油温控制在60 ℃。试验介质为15W/40CD柴油机油，油液清洁度要求介质中固体颗粒污染等级不高于GB/T 14039—2002规定的19/16。主要试验设备及测试元器件如表1所示。

表1 主要试验设备及测试元器件

2 被试泵容积效率变化规律

按照机械行业标准JB/T 7043—2006规定，柱塞泵经过耐久性试验后容积效率下降值应小于3%，且零件不能有异常磨损和其他形式的损坏。利用流量变送器每小时记录一次被试泵额定工况时的输出流量并计算其容积效率，结果如图5所示。可知：耐久性试验600 h时，泵的容积效率大幅下降，说明通过滑靴-斜盘、柱塞-缸孔和配流盘-缸体这3对摩擦副的泄漏量大幅增加，容积效率由开始时的92.6%下降到85.7%，下降值达6.9%，超过标准规定的3%的下降幅值，且随着试验时间的增加，效率曲线下降的斜率加大。拆检泵发现，滑靴和斜盘摩擦副及柱塞和缸孔摩擦副无明显磨损，通过这两对摩擦副的泄漏量无较大变化，说明随着试验时间的增加，通过配流盘和缸体摩擦副的泄漏量增大，导致泵的容积效率急剧降低。

3 被试泵配流副表面气蚀破坏特征

泵工作200 h后，停机拆检，发现缸体表面已经出现空蚀破坏的痕迹，工作200、400、600 h后缸体表面气蚀破坏情况如图6所示。

由图6可知：泵工作600 h后，缸体底部腰形窗口之间的隔离区部位有明显麻点状空蚀破坏沟槽出现，各腰形窗口隔离区空蚀破坏形状和尺寸均基本相同，有明显的规律性，麻点状沟槽的形状呈三角形分布，主气蚀带出现在缸体腰形窗口中心圆上，从腰形窗口隔离区的后边缘向前边缘延伸，三角形槽宽度超过3 mm，深度最大达0.3 mm，其中隔离区后边缘的气蚀破坏比前边缘处的气蚀破坏面大，隔离区中部有一条连接前、后边缘的条状气蚀破坏带，且腰形窗口的边缘有掉块状缺口。

缸体腰形窗口中心圆隔离区表面空蚀形成的破坏带，等效加大了减振槽的深度和过流面积，会导致槽中引油损失流量变大，腰形窗口的边缘的掉块状空蚀破坏缺口加大了配流副表面内外密封带处的泄漏量，最终导致泵的容积效率随试验时间的增加急剧下降。

如图7所示，泵工作600 h后，配流盘表面无明显的空蚀破坏痕迹。原因是为了减小配流盘和缸体摩擦副间的摩擦因数、降低磨损，泵的配流盘采用38CrMoAlA材料，缸体表面采用烧结锡青铜G-CuPb15Sn45材料，配流盘表面的硬度远大于缸体表面的硬度，抗空蚀破坏的能力也远强于缸体。

4 结论

(1)由于柱塞泵配流过渡过程中减振槽两端存在较大压差，造成油液的高速射流，空化难以避免，会引起配流面的气蚀破坏。

(2)参照中国机械行业标准JB/T 7043—2006中对液压轴向柱塞泵耐久性性能试验的相关规定，对某型泵进行了600 h的耐久性试验测试，对试验器的原理、试验条件、测试装置及试验方法进行了介绍，并测量了试验过程中泵的输出流量、计算了容积效率，分析了泵配流气蚀破坏特征。结果表明：在现有配流结构下，配流气蚀严重，耐久性试验仅开展了600 h，缸体表面已出现严重的气蚀破坏，导致泵的容积效率大幅下降。为提高泵的耐久性和提高容积效率，必须研究抗气蚀配流结构以减小配流副表面的配流气蚀破坏。