液壓傳動(dòng)的汽蝕現(xiàn)象研究

劉 超，車隨心，張倩倩，魏蘭蘭，束春慧

宿州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽 宿州 234000

1 汽蝕的產(chǎn)生

在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)流量中某一點(diǎn)的壓力低于空氣分離壓力時(shí)，原先在液體中溶解的空氣被游離出來(lái)，導(dǎo)致液體形成大量的氣泡。汽蝕就是流體造成的連續(xù)性的破壞，它產(chǎn)生于壓力下降到某一臨界值（對(duì)應(yīng)液體所處溫度下的飽和蒸氣壓）的流動(dòng)區(qū)域中，在進(jìn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡里主要含有從溶液中析出的氣體和液體蒸汽，在壓力較低的區(qū)域里氣泡進(jìn)入后就會(huì)開(kāi)始增長(zhǎng)，直至變成較大的汽蝕氣泡-汽穴。然后，氣泡通過(guò)液體的流動(dòng)被帶到高于臨界值壓力的區(qū)域，在氣泡中蒸汽的凝縮作用下，氣泡就在那里破裂了，形成了在流體中范圍狹小的充滿了運(yùn)動(dòng)氣泡的汽蝕區(qū)[1]。當(dāng)液體在泵葉輪中流動(dòng)時(shí)，葉輪具有特定的形狀，而液體在葉輪中流動(dòng)時(shí)流向可能會(huì)急劇改變，因此葉道中液流的壓力分布呈現(xiàn)不均衡性，在液體流入葉片進(jìn)口且葉輪未對(duì)流動(dòng)液體做功前存在局部低壓區(qū)，在該溫度下，當(dāng)液流壓力進(jìn)入液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體開(kāi)始汽化并形成氣泡。通過(guò)流體在流道中的流動(dòng)作用，當(dāng)氣泡到達(dá)壓力較高的地方時(shí)又破滅了。在氣泡破滅的一瞬間，氣泡旁的液體迅速涌入氣泡破滅時(shí)形成的空穴，并產(chǎn)生局部的高溫、高壓水擊現(xiàn)象。在水泵的運(yùn)行過(guò)程中，葉輪的葉片進(jìn)口附近由于沖擊或摩擦損失，加之提升的力量作用造成的壓力下降和流速水頭變化等，會(huì)使水流壓力局部下降，在壓力降至接近當(dāng)時(shí)溫度條件下的水體汽化壓力時(shí)，溶解于水體中的氣泡析離出來(lái)并破裂，從而發(fā)生汽蝕。

2 汽蝕防護(hù)措施的研究現(xiàn)狀

自19 世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象以來(lái)，人們對(duì)汽蝕機(jī)理的研究一直是基于同一種假定出發(fā)的。即當(dāng)流體的局部壓力降至液體溫度下該物質(zhì)的汽化壓力時(shí)，就會(huì)立即發(fā)生汽蝕。然而，這個(gè)假設(shè)是不完整的，事實(shí)上氣泡內(nèi)的臨界壓力并不等于流體溫度下的飽和蒸汽壓。由于液體的蒸汽形成過(guò)程需要消耗周圍液體的熱量，使得液體的溫度和汽化壓力下降，而下降程度極大地取決于汽化的強(qiáng)度和液體的物理性質(zhì)以及熱力學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，當(dāng)流體中含有非親水性的固體雜質(zhì)時(shí)，固體的隙縫中可能存在未能溶解的氣核，即汽蝕核子。汽蝕的發(fā)生在一定程度上需要取決于流體中汽蝕核子的數(shù)量和大小。因此，流體可以在不同的壓力下發(fā)生汽蝕，這也就不存在明確的使汽蝕發(fā)生的壓力。隨著航空、化工技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)離心泵的轉(zhuǎn)速要求越來(lái)越高，因此離心泵的汽蝕問(wèn)題也越來(lái)越受到重視。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，通過(guò)對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，為研究各種因素對(duì)離心泵汽蝕性能的影響提供了一種新手段。然而，目前大多數(shù)離心泵汽蝕CFD 數(shù)值模擬仍只局限于研究單一因素對(duì)泵汽蝕性能的影響，今后的研究應(yīng)更多關(guān)注于不同因素之間相互作用對(duì)離心泵抗汽蝕性能的影響。

要想解決離心泵的汽蝕問(wèn)題，只有進(jìn)一步了解汽蝕現(xiàn)象的本質(zhì)和影響離心泵汽蝕的因素，才能最終解決和控制離心泵的汽蝕問(wèn)題。隨著對(duì)汽蝕機(jī)理研究的不斷深入，預(yù)防離心泵汽蝕的措施也有了很大的進(jìn)展[2]。例如CFD 技術(shù)在提高汽蝕性能中的應(yīng)用，降低葉輪轉(zhuǎn)速或切割葉輪，使用抗汽蝕材料制造葉輪，提高吸入系統(tǒng)裝置的有效汽蝕余量，設(shè)置導(dǎo)流柵等。各種新技術(shù)、新原理相繼被應(yīng)用于防止離心泵汽蝕的發(fā)生，并取得了不錯(cuò)的效果，極大地提高了離心泵的抗汽蝕性能。此外，采用超聲波法、振動(dòng)法和泵體外噪聲法等對(duì)汽蝕進(jìn)行早期監(jiān)測(cè)，可及時(shí)或提早做出預(yù)警并采取相應(yīng)措施，以避免損失。

3 汽蝕的危害

當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，流體的速度和壓力會(huì)隨著流道面積或流動(dòng)方向的改變而改變。如果液體是流動(dòng)的，沿路徑局部區(qū)域的絕對(duì)壓力減小到等于流動(dòng)的氣化壓力。在液體中形成氣泡，當(dāng)氣泡流動(dòng)到一個(gè)高壓區(qū)域時(shí)，氣泡中的蒸汽變形、破裂并凝結(jié)成液體。當(dāng)氣泡破裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊壓力，甚至可以達(dá)到幾百個(gè)大氣壓。氣泡的不斷爆裂會(huì)使材料沖擊到流道壁面上，從而導(dǎo)致材料被侵蝕。氣泡形成、增加、破裂和侵蝕材料的整個(gè)過(guò)程被稱為空化。如果出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，泵的性能將會(huì)下降，效率也會(huì)降低；部件容易損壞，可能產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，振動(dòng)會(huì)影響相鄰管件的連接，導(dǎo)致密封面和焊縫泄漏。當(dāng)葉輪在能量交換中受到干擾而被破壞時(shí)，嚴(yán)重情況下會(huì)使泵內(nèi)流體流動(dòng)中斷，繼而無(wú)法工作。

泵在汽蝕初期，特性曲線沒(méi)有明顯變化，變化顯著時(shí)汽蝕已經(jīng)發(fā)展到一定程度。當(dāng)比速較低時(shí)，葉片之間的流道又窄又長(zhǎng)，一旦發(fā)生空化，氣泡容易充滿整個(gè)流道，性能曲線急劇下降。對(duì)于中高比速，流動(dòng)通道短而寬，因此需要從氣泡的發(fā)生發(fā)展到滿流通道的過(guò)渡過(guò)程。相應(yīng)的泵性能曲線從緩慢下降開(kāi)始，增加到一定流量時(shí)才出現(xiàn)急劇下降。泵拆卸后可看到靠近側(cè)高壓腔室與側(cè)板接觸的過(guò)渡區(qū)有不同尺寸的凹痕，導(dǎo)致端面泄漏急劇增加，嚴(yán)重影響齒輪泵的性能。

經(jīng)過(guò)分析，其原因是當(dāng)齒輪旋轉(zhuǎn)角速度過(guò)高時(shí)，齒凹處的油在離心力的作用下被拋出。一方面，齒凹處出現(xiàn)空腔；另一方面，吸力極限力增大，導(dǎo)致過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)空化現(xiàn)象，從而產(chǎn)生巨大的沖擊，發(fā)出巨大的噪聲，引起壓力波動(dòng)和振動(dòng)，造成空化破壞。ITE 力的波動(dòng)加劇了徑向密封塊的振動(dòng)，給齒輪軸和軸承帶來(lái)額外的周期性載荷，增強(qiáng)了產(chǎn)生力的機(jī)械振動(dòng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在側(cè)板上采用了開(kāi)角槽的結(jié)構(gòu)。其原理是在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將高壓油通過(guò)凹槽逐漸泵送至過(guò)渡區(qū)，直至過(guò)渡區(qū)與高壓腔連接，使高壓腔彼此不連通，降低了低壓向高壓過(guò)渡的壓力突變，防止了空化，降低了噪聲[3]。

4 汽蝕解決方案

4.1 葉輪葉片

（1）葉輪葉片進(jìn)口的厚度應(yīng)適當(dāng)減小。葉片進(jìn)口是圓形和彎曲的，使其接近線性形狀，這將減少葉片頂部周圍的加速和減壓。

（2）適當(dāng)提高葉輪葉片其介質(zhì)進(jìn)口部分的表面光潔度，改善表面粗糙情況，可以減少阻力的損失。

（3）葉輪前蓋區(qū)域的轉(zhuǎn)彎半徑可以適當(dāng)擴(kuò)大，以便減少流體流出，并不斷減少葉片在進(jìn)口區(qū)域阻力損失。合理調(diào)整葉輪葉片的頭部位置，進(jìn)一步控制介質(zhì)的流量。將葉輪進(jìn)口葉片背面變薄，同時(shí)前蓋板區(qū)域的葉片也可以適當(dāng)變薄。這樣不僅可以有效地延長(zhǎng)葉輪的使用壽命，還可以降低離心泵在運(yùn)行過(guò)程中所要求的汽蝕余量。

（4）當(dāng)下應(yīng)用較為普遍的便是含鉻的不銹鋼材料，該種材料的化學(xué)性能較為穩(wěn)定、整體硬度相對(duì)較高，含鉻的不銹鋼材料具有良好的韌性和足夠的強(qiáng)度，因此具有很好的抗汽蝕性。為了避免離心泵出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，在選型設(shè)計(jì)中可以提前選擇性能較好的材料設(shè)備，幫助離心泵進(jìn)一步延長(zhǎng)其運(yùn)行周期?？梢赃x擇具有良好韌性、較高強(qiáng)度和綜合性能良好的抗機(jī)械剝蝕材料，促進(jìn)離心泵運(yùn)行周期得到有效延長(zhǎng)。由不同材料制成的離心泵，它們?cè)诳蛊g性能的方面存在很大的不同。例如，不銹鋼葉輪比鑄鋼葉輪具有更好的抗汽蝕性，采用超低碳鉻鎳合金鋼制成的葉輪比采用低碳鉻鎳合金鋼制成的葉輪具有更好的抗汽蝕性；進(jìn)一步提高過(guò)流件和葉輪的加工精度，可以提高通流件的表面光潔度，進(jìn)一步減少水力損失，提升葉輪整體抗汽蝕性能，可以有效預(yù)防汽蝕問(wèn)題出現(xiàn)。選用由高強(qiáng)度、高硬度和高韌性材料制作的葉輪，葉輪的化學(xué)穩(wěn)定性越好，抗汽蝕和剝蝕性能也就越強(qiáng)。例如硬質(zhì)合金、磷青銅、Cr、Ni 等材料的抗汽蝕性比普通鑄鐵強(qiáng)。

4.2 入口壓力

提升入口壓力，通過(guò)提升葉輪進(jìn)口區(qū)域承受壓力，使其超過(guò)相應(yīng)的液體飽和溫度。

4.3 吸入裝置和安裝位置

通過(guò)對(duì)其吸入裝置進(jìn)行不斷優(yōu)化，適當(dāng)提高吸進(jìn)罐的內(nèi)部壓力；也可以調(diào)整水泵的安裝位置，適當(dāng)降低高度，保證在入口處有較高的有效汽蝕余量。及時(shí)將水泵用水進(jìn)行冷卻，不僅可以降低水泵內(nèi)部液體的溫度，還能防止液體產(chǎn)生汽化現(xiàn)象，避免引起水泵的汽蝕。

5 結(jié)束語(yǔ)

汽蝕現(xiàn)象能縮短泵的壽命，影響泵的性能，并產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，給工藝生產(chǎn)帶來(lái)了諸多不良影響。文章從汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生入手，分析了汽蝕防護(hù)措施的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上提出了汽蝕的解決方案，分別從葉輪葉片、入口壓力以及吸入裝置和安裝位置三個(gè)方面來(lái)解決，以供參考。