斜盘式柱塞泵四口液压数据分析及实践应用总结(上)

开式液压系统中的斜盘式柱塞泵液压油口包含S、P(B)、T、X四数字。
这四口中,S口的数值尤为重要。一台泵的在线使用寿命,受S口的数值是否达到应用的最低技术要求或高于技术要求的影响,如果低于技术要求的数值,其应用寿命则会能成比例的下降。
 
一、S口
【技术要求解说】
世界各国对斜盘式柱塞泵S口的数值统一为泵在最大吸入量时,不得低于绝对压力0.8bar,不得高于16bar,只有力士乐泵对泵吸油口最高压力为:不得高于30bar(绝对压力),这是因为变量柱塞泵会有最大吸油状态/最小吸油状态。所以特别提示:无论泵在什么吸油状态,S口压力也绝不应低于 0.8 bar(绝对压力)。
笔者测试过泵的最小吸油状态变化到最大吸油状态下S口压力变化过程。
泵在待命状态下,泵斜盘停止在最小摆角,其柱塞在缸孔中只有微量的行程,配流盘供油窗口内的油液基本上呈现静止状态,此态下,S口是绝对压力1.03bar左右,当斜盘阶跃到最大摆角,S口达到最大吸油状态时,S口的绝对压力呈现为:0.7~0.4bar(负压0.3~0.6bar)。这里要特别说明一下,泵斜盘在最大摆角吸油时,S口内的油液是一节一节的波动的,呈现是定常湍流的涌动状态(见图1)。 

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图1
造成流体在S管道内湍流涌动状态,是由二种影响因素所致一是:油箱出油口型式以及油箱出流口径;二是:液位高度、S口供油管径、管径的长度、弯管次数以及弯管R面积等,有着直接影响关系,
力士乐对泵吸油侧有三项技术数据要求:
1/ 油箱出流口到泵端吸油口管道长度≤0.8米。
2/ S管道内的液体流速≤0.5m/s。
3/ S口内绝对压力≥0.8bar,大排量泵S口绝对压力≥1.0bar(300l/min以上为大排量)。
三项建议:
1/ 油箱液位最低处要高于泵S口800mm。
2/ S管道上的90度弯角R要大于管半径R的4倍。
3/ 泵S口上设压力检测装置。
油箱出流口的形式、S口管径尺寸决定流体流速。
例证:A4VSO250排量泵样本上的吸油口径为:∅75,如果S管道的内径与泵壳体上的吸油口管径一致,其结果是要达到250泵的最大排量时,∅75内径的供油管道内的液体流速高达1.4m/s,如果按力士乐的技术要求S管液体流速≤0.5m/s,S管内径只有变化到 ∅125,流速方能达到0.5m/s这项要求。
既然 ∅125:∅75管径相差这么大?为什么力士乐把泵的吸油口制造这么小?这是因为A4VSO系列泵是上个世纪60年代设计制造的,那时,人们对流体力学还远没有达到今天的清晰认知,那时的S管的流体理论是1.5m/s,现今,派克柱塞泵的资料中关于S管流体流速还是1.2m/s。
力士乐对柱塞泵吸油口处在最大排量时的:绝对压力0.8bar+S管道内的液体流速0.5m/s,这二项重要技术条件,德国力士乐从不表示出来。不说明、不解译,你能想到的、人家早已想到。你没有想到的、人家早已想到了,并有措施。
液压仿真、人家是这方面的鼻祖。照作,柱塞泵相安无事,高于技术条件,泵的在线使用寿命会极大的延长。大量的事例证明力士乐这二项技术条件要求是它对柱塞泵上百年科研成果的精髓结晶。

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【问题1】
泵吸油口处绝对压力0.8bar+S管道内的液体流速0.5m/s是“饱和蒸气压”临界值,在密闭条件下S管内液体流速0.5m/s时,也是泵S口处绝对压力0.8bar,如果超越上述的二个条件,S管就会产生更高负压值,更高的负压促使溶解在油液中气体分子在饱和点以上时从油液中游离出来、团聚形成气泡,当油液中的气泡随油流进入高压区时,在高压作用下气泡会迅速破裂。气泡破裂的瞬间,周围的油液会以高速冲向气泡所占据的空间,形成局部的高速冲击金属表面,使零件表面发生金属剥落,并产生强烈的振动和噪音。(空化气蚀现象)
【解决方案1】
关于泵吸油侧,从设计时就要考虑怎样能利用自然界条件,来达到流体从油箱内沿管道入口段层流到达泵吸油侧。
满足泵供油条件,而不靠机械力(柱塞的抽吸力)达到流体到达泵吸油侧,利用大气压作用在油箱液面上压迫油液进入起始段管道,S管道进口段层流与湍流决定绝对压力值,克服或减少沿程摩擦阻力,用以保证流体到达泵吸油口收缩处还有剩余的水头压力。
【问题2】
请不要盲目的相信国外样本上鼓吹柱塞泵有多么强的自吸能力。斜盘式柱塞泵只有很微弱的自吸能力,这是柱塞组件的形式所致。斜盘式柱塞组件是由钢柱塞球头与铜滑靴二者通过收口形式机械铆合方法,使二者铰接,合成组件工作。就是因为这种二金属铰接形式,滑靴拉动柱塞从缸孔中出程时,柱塞在抽吸油液时受到配流窗口容腔内的虹吸力,滑靴与柱塞球头之间便产生拉脱力,久之,造成滑靴与球头间隙增大的松靴,直到演变到脱靴。滑靴与柱塞脱靴原因
S管道连接到泵吸油口端面的变径过渡区,极大的消耗掉水头压力,收口处压强影响流体流速。从泵壳体吸油口端再到内部的配流低压窗口之间是圆柱渐变非圆流道再渐变到配流盘低压窗口的扇面区域,流道截面积的渐变扩大,壁面积增大与黏性内摩擦,流态即使是层流也会转变湍流,造成这一段是液阻增加最大值的一段。
流体的湍流态,会严重影响柱塞抽吸油时的饱和,最为致命的是有的泵为了达到快速响应,但泵S口没有相对应的外助措施。斜盘正阶跃前时泵处于待命状态,斜盘停歇在最小角度,此时,S口内的油液是静止状态。当泵接收到正阶变量信号时,控制阀瞬间换位让开变量活塞大端泄油通道,作用在变量活塞小端腔的压力油以极快的速度推动变量活塞向大端方向移动,变量活塞带动斜盘从最小倾角霎时变换到最大倾角,这个变换过程是斜盘正阶跃时强行带动回程盘拉拔滑靴,滑靴霎间再强行拉拔四个柱塞出程,四个柱塞霎间的行程造成液柱分离形成一段真空腔,真空腔对柱塞的倒拔力是造成回程盘断裂与脱靴主要原因。回程盘断裂原因
【解决方案2】
力士乐最新款柱塞泵为了避免这类快速响应而造成的液柱分离现象,在泵壳体供油侧配流窗口的左右两侧增加环型储油池,可预先储蓄N值数量油液在此空间内,待柱塞霎间抽吸油时,储油池内的油液及时补注,储蓄的油液消除了液柱分离现象,极大的提高泵性能,真正的提高泵响应速度。这种在泵后盖内的吸油口旁增加储液腔的技术早在10多年前,丹尼逊的首相泵率先发明及应用。首相泵的另一大特点是大口径的吸油口及宽大的渐变流道,可在没有外助的情况下,提高泵的转数到1800r/min。丹尼逊的首相泵、金杯泵的技术可以碾压世界上同类产品。丹尼逊对泵吸油口的要求:吸油口绝对压力应高于0.81bar以上。在无增压的情況下,吸口管道的通径尺寸应能保证吸口流速不高于1.22m/s(4 ft/s)。使用油包水乳化液和水乙二醇等水基工作介质时,吸油口绝对压力需增高25%,对磷酸脂则需增高 35%。(吸油口储油容腔设计+优化吸油口流道)
泵在最大排油量时,只要是S管内的的流速超越0.5m/s以上时,这种流速是柱塞的抽吸力所致的,流速越快,S管负压越高,回程盘拉拔滑靴与柱塞的力越大,在回程盘强力拉拔滑靴时,回程盘九孔上与滑靴接触的周边区域被滑靴磨损成凹陷损伤(见图2、3),同时滑靴的台阶面也呈现损伤。在自然界的条件下,无论采用什么样的高明条件,也是无法达到泵吸油口处绝对压力0.8bar以上,除非是泵停止运转状态,柱塞不在往复运动,流体静止才能达到。所以,开式液压系统采用闭式液压系统的供油方法:向泵吸油口加注3MPa以下的压力油,是泵吸油口最佳方法。不用不知道,用过才知道力士乐为什么可以向开式泵吸油口提供压力油,拆开在线已使用8年冶金行业用过的泵,观察零件,感慨太多了,滑靴的摩擦面与斜盘的摩擦面如新件一样,这一发现是打破滑靴副磨粒磨损的伪学说理论。

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图2 

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图3
【实用案例】
快锻锤液压系统中使用的开式泵的群泵中,采用的是闭式泵供油方法,向每台泵的吸油口提供10bar左右的压力油,使压力油推动柱塞从缸孔中出程,减免了泵吸油功能,柱塞容腔液体密度饱和而且无气泡溢出,滑靴与斜盘这对摩擦副始终是在粘合状态,达到泵设计的设计理念。

未完待续,敬请关注…

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