吸油压力你测过吗

后盖上的气蚀 [1]

本期i小编将继续”泵失效模式分析”的话题，来谈谈泵吸油压力的那点事。很多人会想吸油不是很简单吗？用一根管路直接连接泵的吸油口和油箱就可以啦。但是你有注意过样本中对泵吸油口压力的要求不？你有核实过你的吸油压力是否满足使用要求？如果没有，那么你的泵将以何种形式来抗议？本期吸油压力话题，i小编就为你解读这其中一二。

对吸油压力的要求

按照惯例，i小编依旧先把几家样本上对吸油压力的要求摘录下来。首先来看看Rexroth样本上的要求：

Rexroth A10V(S)O 31系列泵吸油口压力要求 [2]

再来看看Danfoss样本上对吸油口压力的要求：

DanfossS45系列泵吸油口压力要求 [3]

再看看Parker的P1泵对吸油压力的要求：

Parker P1系列泵吸油压力要求 [4]

在这里i小编要说明一下绝对压力 (absolute) 及表压力 (gage) 的概念，因为常常发现这两个压力被混淆。

· 绝对压力 – 参考的基准是绝对的真空(即没有任何压力)，绝对压力反应的就是实际的压力值

· 表压力 – 参考的基准是大气压(一般大气压为1bar)，也就是你从压力表上读出来的数值。如果你从表上读出来是30bar，那么绝对压力就是31bar。

有些压力传感器或者压力表存在负量程，这就是所谓的真空表，其实其读数的本质也是一个表压力，只不过实际的绝对压力小于了外界的大气压罢了，所以反应在表上就是一个负数。例如表上读出来是 -0.2bar，那么说明其绝对压力就是0.8bar。

为什么我们平时不关注这个呢？因为大部分情况我们测的是泵出口压力，此压力很高，大气压相对于此压力可以忽略了，所以我们就认为了表测得压力就是其实际的绝对压力了。但是在分析吸油口压力的时候，我们就必须关注大气压了。

i小编同时提醒，样本中所说的吸油口压力都是要在泵的吸油口直接测取的压力，而不是在远离吸油口的某处测得的压力。

从上面三家典型的产品对吸油口压力要求可以看出，对吸油口压力的最小要求都为0.8bar(绝对压力)。那么这里就有两个问题：如果不满足此吸油压力的要求会怎样？低于此压力要求为什么会产生问题呢？i小编这就为你解读这其中的”然”和”所以然”。

“然”：低吸油压力有什么问题

特别对于开式泵来说，泵的吸油完全是靠着自吸来完成的。一定的吸油压力是保证泵能吸饱的必要条件，否则泵在饥饿状态下，便会通过如下的方式来抗议了。

· 失效模式一

最为熟知的吸油压力不足所造成的失效模式便是气蚀。气蚀会造成零件表面材料的剥落，造成零件功能的丧失。同时剥落的金属碎屑进入到泵体内以及液压系统回路内后，会造成阻尼孔的阻塞，相对滑动表面的磨粒磨损，甚至相对运动零件间的粘着磨损以致直接咬合。

在泵中，比较典型的容易发生气蚀的零件有：配流盘，斜盘，缸体及滑靴。下图是一配流盘典型的气蚀结果。

配流盘的气蚀 [5]

· 失效模式二

第二种现象是伴随着第一种发生而发生，便是异常的噪声。对于柱塞泵来说，正常工作条件下会产生一定的噪声，i小编在先前的微文中也进行过总结。不过由于气蚀而产生的噪声，其幅值和频率可以通过耳朵明显的分辨出来。

· 失效模式三

第三种比较典型的失效模式与前一期提到的壳体压力有一定的关联性。低吸油口压力很有可能也会造成滑靴周边的磨损，回程盘的孔周边磨损，甚至回程盘的断裂。

滑靴的磨损 [6]

“所以然”：为什么会产生这样的问题

低吸油压力为什么会造成如此严重的问题呢？

· 为什么会产生气蚀呢？

首先我们来回忆一下伯努利方程，这个流体领域内的经典基础。伯努利告诉我们，流体在任何状态下的：动能+势能+压力能=常数，此公式的本质也就是能量守恒的原则。对于我们所讨论的液压系统，势能几乎没有变化，所以忽略。我们知道，当油液的压力低于空气分离压后，溶解在油液中的气体便会析出，形成微小气泡悬浮中油液中。

那为什么油液的压力会低于空气分离压呢？

· 当油液从泵吸油端口到柱塞腔的过程中，需要经过后盖中的吸油流道，配流盘腰型窗口以及缸体上柱塞腔的腰型窗口，这些地方都会带来一定的节流损失。所以这便可以理解为什么要把开式泵的吸油流道做的尽量大，并且还要优化此流道的设计，目的就是为了尽量减少此过程的节流损失。

后盖中吸油流道 [7]

腰型槽处的节流损失 [8]

· 另外一点，根据伯努利方程可知，当流体的速度变大时(也就是动能增加时)，其对应的压力就会相应的降低(也就是压力能会下降)。当柱塞腔在从低压到高压的过渡区域内，经过节流槽时，油液的速度会迅速增大，导致油液的局部压力下降。

油液经过节流槽的压力损失 [9]

综上两点可以看出，油液进入到柱塞腔时的压力已经低于泵吸油端口的压力。那可以想象，如果泵吸油端口的压力低于最小绝对压力的要求的话，那在油液进入柱塞腔的过程中，压力已经低于了空气分离压，造成空气的析出便不难理解。通常情况下，绝对压力低于0.6bar时，空气便开始析出。所以适当提高吸油口压力，便可相应提高过渡过程的油液压力，抑制空气的析出。

气蚀的过程 [10]

油液中析出的气泡达到高压区后，在外界的高压下会被压溃。压溃过程中产生的巨大喷射力(图中的Micro jet)直接作用在金属表面，导致金属表面的变形，以致剥落。

一个公式可以简单的计算气泡压溃时内部的压强大小 [11]：

Pi=P0 (R0/R)3 γ

式中：Pi—气泡溃灭时气泡内的压强； P0—气泡内的初始压强；R0—气泡初始半径；R—气泡溃灭时的半径；γ——气泡内气体的绝热指数

上式表明，当固体边界附近的气泡溃灭时，半径R变得很小，气泡中心靠近气泡边界，可认为最大压强Pmax就在边界附近，峰值非常大。例如，设P0=0.1 MPa，R0/R =20，γ＝1.4，则Pmax=2.91×104 MPa [11]。i小编看到这个数据的时候，也是很吃了一惊，原来这个溃灭时候的压力竟然有这么大，所以这也就好理解为什么金属这么容易被破啃噬了。

下面的仿真动画可以很清楚的看到析出的气泡被压溃的整个过程。

气泡的压溃过程

· 为什么会产生异常噪声呢？

在气泡的压溃过程中，气泡的破裂就如同鞭炮的爆炸，不过威力可比鞭炮厉害的多。无数个气泡连续的发生破裂，异常噪声的产生便不足为奇了。

· 为什么会发生滑靴的偏磨甚至回程盘的断裂呢？

滑靴的受力平衡的其中一个关键影响因素便是”壳体压力和吸油口压力差“。(君可见样本中对壳体压力的要求都是，不高于吸油口绝对压力的多少多少)。所以壳体压力高于吸油口压力低会对滑靴的平衡产生相同的影响。具体的失效原因分析可参见N30期微文。

结合到上一期的壳体压力问题，这两个压力虽然都很低，但泵的性能及寿命却和这两个参数紧密关联。当我们在设计液压系统的时候，不能光光关注在额定压力上，同时也要确保这两个参数处于要求的范围之内。否则，你懂得。

参考文献：

[1] Oilgear. Failure Analysis – A Guide to Analyzing Axial Piston Pump Failures.

[2] Rexroth. A10V(S)O 31系列技术手册.

[3] Danfoss. S45系列技术手册.

[4] Parker. P1系列技术手册.

[5] Wikipedia.

[6] 李迎兵. 轴向柱塞泵滑靴副油膜特性研究. 浙江大学硕士学位论文 2011.1.

[7] Parker. P2/P3 Piston Pump Training Material.

[8] 马吉恩. 轴向柱塞泵流量脉动及配流盘优化设计研究. 浙江大学博士学位论文 2009.3.

[9] Simerics.

[10] Cavitation S PeeningTM .

[11] 刘晓红. 液压轴向柱塞泵配流盘气蚀机理. 2007.8.