商用車齒輪式機油泵氣蝕問題研究

王堅鋼，丁良，邵嵩

（安徽華菱汽車有限公司重型專用車發(fā)動機重點實驗室，安徽馬鞍山243000）

商用車齒輪式機油泵氣蝕問題研究

王堅鋼，丁良，邵嵩

（安徽華菱汽車有限公司重型專用車發(fā)動機重點實驗室，安徽馬鞍山243000）

本公司開發(fā)的大功率發(fā)動機機油泵在進行耐久試驗過程中，機油泵高壓腔側(cè)的泵體部位表面發(fā)生材料脫落，出現(xiàn)氣蝕坑的現(xiàn)象。為此，采取在高壓腔出現(xiàn)氣蝕的位置，增加卸荷槽的方案，并進行了試驗驗證，成功解決了氣蝕問題。關(guān)鍵詞：機油泵；氣蝕；卸荷槽

機油泵是發(fā)動機的關(guān)鍵部件，在整個發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)中起著決定性的作用。其功能是為潤滑系統(tǒng)提供一定的油量和壓力[1，2]，使?jié)櫥到y(tǒng)向發(fā)動機內(nèi)的摩擦表面強制供油，保證讓每一個摩擦副得到充分潤滑，保證發(fā)動機能夠在各種工況下正常運行。

氣蝕現(xiàn)象為流體在高速流動和壓力變化條件下，與流體接觸的金屬表面上發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞的現(xiàn)象。液體中的氣泡在高壓區(qū)被壓破，在潰滅瞬時產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫，氣泡的潰滅使氣泡內(nèi)所儲存的勢能轉(zhuǎn)變成較小體積內(nèi)流體的動能，使流體內(nèi)形成流體沖擊波，破壞金屬表面上的保護膜，而使腐蝕速度加快。其特征是先在金屬表面形成許多細(xì)小的麻點，然后逐漸擴大成洞穴，表面出現(xiàn)氣蝕坑。

1 問題描述

在本公司最新研發(fā)的發(fā)動機項目中，第一批A樣件的機油泵由國內(nèi)某知名油泵廠提供。在試驗臺架進行100 h耐久試驗后并進行拆解發(fā)現(xiàn)，在機油泵高壓腔側(cè)的泵體部位表面發(fā)生材料脫落，出現(xiàn)小凹坑，位置如圖1所示，凹坑如圖2所示。

圖1 機油泵凹坑位置示意圖

圖2 機油泵凹坑實物圖

2 機油泵結(jié)構(gòu)

該機油泵為齒輪式，包括泵體，泵蓋，主動軸、主動齒輪、從動軸、從動齒輪以及驅(qū)動齒輪等。泵蓋扣于泵體上，形成齒輪式機油泵的工作腔，該工作腔包含進油腔和出油腔，即低壓腔和高壓腔。主動軸安裝在泵體和泵蓋上的主動軸安裝孔內(nèi)，從動軸安裝在泵體和泵蓋上的從動軸安裝孔內(nèi)，主動齒輪和驅(qū)動齒輪連接在主動軸上，從動齒輪連接在從動軸上。曲軸通過齒輪帶動驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)。在主動齒輪和從動齒輪相互嚙合的過程中，機油從低壓腔進入到高壓腔，接著進入主油道，從主油道流入各個摩擦副，如圖3所示。

圖3 機油泵構(gòu)造

3 機油泵耐久試驗過程

3.1 試驗邊界條件[3，4，5]

試驗在專用的脈沖試驗臺上進行，參見圖4.試驗油溫為100~110℃，試驗用油15W-40.循環(huán)周期參照表1，時間持續(xù)100 h.其它要求參照J(rèn)B 51051-1999《內(nèi)燃機機油泵產(chǎn)品可靠性考核》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖4 機油泵耐久臺架示意圖

表1 耐久試驗循環(huán)周期

3.2 耐久試驗結(jié)果

本次耐久試驗共有5個試件，在泵體高壓腔側(cè)均發(fā)現(xiàn)小凹坑，如圖5所示。試驗中已檢查排除密封圈不嚴(yán)，因進氣口進氣產(chǎn)生的氣蝕，也排除鑄造缺陷的原因。由于小凹坑出現(xiàn)在高壓腔側(cè)，符合產(chǎn)生的氣泡，流動到高壓處時，其體積減小以致破滅，從而對泵體產(chǎn)生破壞作用的特征，判定為氣蝕問題[6，7]。此外，還會產(chǎn)生噪聲和振動，并導(dǎo)致泵的性能下降，久而久之會使泵體擊穿，不能正常工作。

圖5 機油泵氣蝕坑

4 整改措施及驗證

解決油泵氣蝕的方法有很多，例如，可以提高液面的壓力，以提高有效氣蝕余量；在合理的范圍內(nèi)盡量縮短管路，減小管路中的流速；采用抗氣蝕的材料，材料的強度、硬度、韌性越高，化學(xué)穩(wěn)定性越好，抗氣蝕的性能越強。

本論文采取的方法為在高壓腔出現(xiàn)氣蝕的位置，增加卸荷槽，降低氣泡破滅位置的壓力，釋放高壓油，避免產(chǎn)生氣蝕，卸荷槽如圖6所示。采用砂輪手工打磨的方式，制造了5個樣件，槽深1mm，如圖7所示。

圖6 機油泵卸荷槽位置及簡要尺寸示意圖

圖7 機油泵卸荷槽

按照上文提及的耐久試驗方法，再次進行試驗驗證。實驗結(jié)束并放置24 h后，對機油泵進行了性能復(fù)測，性能滿足設(shè)計要求。之后，對機油泵進行拆解檢查，無氣蝕痕跡，如圖8所示。

圖8 機油泵拆解圖片

后續(xù)，根據(jù)發(fā)動機開發(fā)進度，裝配該款改進后的機油泵的發(fā)動機，進行多次1 000 h，2 000 h臺架耐久試驗，以及行車試驗后，拆解也未再發(fā)現(xiàn)氣蝕痕跡，得到了期待的結(jié)果。

5 結(jié)論

本文針對機油泵在耐久試驗結(jié)束后，在機油泵高壓腔側(cè)的泵體部位表面發(fā)生材料脫落，出現(xiàn)小凹坑的問題，找到了一個簡單有效，同時對機油泵性能的影響微乎其微的解決方案，即在高壓腔出現(xiàn)氣蝕的位置，增加卸荷槽。實踐證明，該方法是一個經(jīng)濟有效的解決氣蝕問題的方法，在實際中起到了立竿見影的效果。

[1]葉清.內(nèi)嚙合齒輪泵幾何參數(shù)和流量脈動的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2007：33.

[2]林建亞，何存興.液壓元件[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988年.

[3]楊國來，司國雷，張守印，等.純水液壓錐閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與流場的數(shù)值分析[J].液壓與氣動，2005（8）：80-82.

[4]楊國來，葉青，林男.純水液壓錐閥閥口流場氣穴的CFD研究[J].機床與液壓，2007（1）：148-150.

[5]郜立煥，劉世亮，楊毅，等.基于CFD的軸向柱塞泵配流盤仿真[J].液壓與氣動，2008（6）：42-44.

[6]盛敬超.液壓流體力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1980.

[7]王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Research on Cavitation Issues of Gear Oil Pump

WANG Jian-gang，DING Liang，SHAO Song
（Anhui Hualing Automobile Co.，Ltd.，Heavy Duty Vehicle Engine Key Laboratory，Maanshan Anhui 243000，China）

In durability test of oil pump，the spalling damage were found on the pump body’s surfaceon high pressure chamber side of the oil pump which was applied to the latest developmental high power engine，which is the cavitation phenomenon.In this thesis，In order to be against with cavitation，a unload groove is added on the area where has the caviation，then the test validation is taken，cavitaion issues was successfully resolved.

oil pump；cavitation；unload groove

TK422

A

1672-545X（2017）06-0237-02

2017-03-02

王堅鋼（1984-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，中級工程師，本科，主要從事大馬力柴油機的設(shè)計開發(fā)工作。