影響齒輪油泵自吸性能因素的淺析

李 寧，高 翔

（廣東韶鋼松山股份有限公司，廣東韶關(guān) 512123）

0 引言

齒輪油泵以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、加工容易、自吸性能好、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用[1]。在船舶、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、礦工業(yè)及冶金工業(yè)中有大量的應(yīng)用，特別是在液壓、潤(rùn)滑等系統(tǒng)。在實(shí)際安裝中，齒輪油泵的安裝高度位置與被送液體液面垂直距離的不同，即泵入口基準(zhǔn)面標(biāo)高與被送液體液面標(biāo)高差的不同時(shí)，齒輪油泵啟動(dòng)工作的工況是不同的：當(dāng)泵入口基準(zhǔn)面標(biāo)高于被輸送液體液面時(shí)，齒輪泵啟動(dòng)時(shí)首先需要將吸入管路及泵腔中的空氣排出，在吸入腔形成負(fù)壓，被輸送液體通過(guò)形成的負(fù)壓進(jìn)入齒輪油泵入口及泵腔，完成排氣的過(guò)程即完成自吸，然后才正常工作；反之，則不存在排氣的情況，也沒(méi)有排氣自吸的過(guò)程。泵的自吸能力是指工作腔內(nèi)未充有液體時(shí)，泵能在多少時(shí)間內(nèi)把液體吸上多高的能力。重點(diǎn)是極限自吸高度值Hmax[2]。但是，由于泵入口基準(zhǔn)面標(biāo)高與被送液體液面標(biāo)高差不同、泵腔前后壓力情況、管路阻力等，會(huì)造成齒輪油泵的自吸性能表現(xiàn)不同。當(dāng)相關(guān)工況條件達(dá)到一定程度后將不能完成排氣自吸過(guò)程，從而不能實(shí)現(xiàn)正常的輸送工作。

1 自吸過(guò)程的介紹及影響因素

安裝高度致使泵入口基準(zhǔn)面高于被輸送液體液面高度的情況下，齒輪油泵啟動(dòng)時(shí)存在排氣自吸過(guò)程（圖1）。

以外嚙合齒輪油泵為例：在齒輪油泵啟動(dòng)前，泵腔內(nèi)以及入口管段內(nèi)至油箱中的液面之間，以空氣（或混合有油氣等）填充；啟動(dòng)齒輪泵，通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)將這部分空氣排出，在齒輪油泵入口及入口管段內(nèi)形成真空，致使油箱內(nèi)的液體進(jìn)入入口管段；隨著不斷的排出空氣，真空度不斷增加，油箱內(nèi)液體不斷進(jìn)入入口管段，最終進(jìn)入泵腔入口；當(dāng)液體進(jìn)入齒輪轉(zhuǎn)子并直接獲得轉(zhuǎn)子的能量后，完成排氣自吸的過(guò)程，進(jìn)入正常的液體輸送工作狀態(tài)。

從這一過(guò)程來(lái)看，泵入口及入口管段內(nèi)的真空度是完成自吸過(guò)程的關(guān)鍵因素之一，相關(guān)齒輪油泵的標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，其自吸性能不低于16 kPa 真空度[3]。如果齒輪油泵產(chǎn)生的真空度更大，將更有利于油箱內(nèi)液體進(jìn)入入口管段及泵入口。

齒輪油泵的入口是高于油箱液面的，這樣齒輪油泵入口管段及入口就可以形成真空，使油箱中的液體提升到泵入口基準(zhǔn)面的高度才能實(shí)現(xiàn)自吸。也就是說(shuō)，齒輪油泵形成的真空度越大越有利于液體提升到泵入口基準(zhǔn)面，但齒輪油泵的安裝高度越高，則需要通過(guò)真空度來(lái)提升液體的高度越高，即需要更大的真空度。也就是說(shuō)，齒輪油泵的實(shí)際安裝高度所形成的泵入口基準(zhǔn)面與油箱中液體液面的高度差，也是影響其能否實(shí)現(xiàn)自吸的因素之一。

圖1 安裝示意

在排氣自吸的過(guò)程中，齒輪油泵將入口管段內(nèi)的空氣吸入泵腔并從泵的出口排出，此過(guò)程可參照羅茨鼓風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)原理進(jìn)行分析。與羅茨鼓風(fēng)機(jī)一樣，齒輪油泵的轉(zhuǎn)子與殼體之間存在間隙等，在輸送氣體的過(guò)程中，因?yàn)閮?nèi)泄漏等原因造成的容積效率是小于1 的，特別是出口排氣壓力與入庫(kù)壓力比值越大的時(shí)候，容積效率越低[4]。當(dāng)排氣壓力與入口壓力比值大到某種理論極限的時(shí)候，可以使容積效率為0，形成一種沒(méi)有氣體排出的極限。在這種極限情況下入口管段內(nèi)形成的最大真空度還不能將油箱中的液體提升至泵入口基準(zhǔn)面，則也不能完成排氣自吸過(guò)程。這種極限情況主要受限于排氣壓力與吸氣壓力（及入口管內(nèi)真空度）的比值大小。對(duì)于吸氣壓力而言，越小越有利于提高真空度提供液面提升的動(dòng)力，但排氣壓力卻受管理結(jié)構(gòu)等影響較大，反之影響容積效率的提高，從而影響真空度的提高。這說(shuō)明齒輪油泵在排氣自吸過(guò)程中的實(shí)際排氣壓力大小對(duì)自吸有影響。

因此，影響齒輪油泵排氣自吸的因素主要有兩個(gè)：齒輪油泵入口基準(zhǔn)面與油箱中液面的高度差，齒輪油泵排氣自吸過(guò)程中的實(shí)際排氣壓力大小方面。

2 影響自吸的相關(guān)因素的詳細(xì)分析

2.1 齒輪油泵入口基準(zhǔn)面與油箱中液面的高度差H

油箱液面一般與大氣連同，則液面壓力為大氣壓力P。齒輪油泵排氣自吸過(guò)程中，令某一時(shí)刻入口管路中真空度P1（用相對(duì)壓力表示），則，液面由于受大氣壓和真空度的影響，在入庫(kù)管路中被提升，其提升高度h，取決于大氣壓力P 和真空度P1的差值。對(duì)于已定的齒輪油泵和所在的已定管路系統(tǒng)而言，在排氣自吸的過(guò)程中入口管段內(nèi)所能形成的最大真空度所提升的液面高度h 如果小于高度差H，則不能完成排氣自吸。也就是說(shuō)，對(duì)于已定的齒輪油泵和管路系統(tǒng)，齒輪油泵的安裝高度，盡可能的減小齒輪油泵的安裝高度，降低齒輪油泵入口基準(zhǔn)面與油箱中液面的高度差，有利于排氣自吸過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)順利的自吸啟動(dòng)，反正則不利于齒輪油泵的排氣自吸啟動(dòng)，甚至無(wú)法完成排氣自吸過(guò)程。這也就是許多齒輪油泵在其說(shuō)明書中會(huì)給出最大安裝高度的建議，不要超出最大安裝高度，甚至提出入庫(kù)管路最大長(zhǎng)度范圍限定。

2.2 齒輪油泵排氣自吸過(guò)程中的實(shí)際排氣壓力大小

齒輪油泵在自吸排氣的過(guò)程，相關(guān)吸氣壓力、排氣壓力、容積效率等參數(shù)，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)，與羅茨鼓風(fēng)機(jī)幾乎類似。由此，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中有關(guān)羅茨鼓風(fēng)機(jī)的相關(guān)理論，其容積效率取決于泄漏量（內(nèi)泄漏和外泄漏），而泄漏量的大小對(duì)于排氣壓力與吸氣壓力的比值比較敏感，排氣壓力與吸氣壓力的比值越大、泄漏量越大，則容積效率越低。對(duì)于一定的排氣壓力，相應(yīng)的排氣壓力與吸氣壓力（形成的真空度）的比值會(huì)隨著真空度的降低變化，比值越大、容積效率降低，達(dá)到某種極限、容積效率為0 時(shí)即形成的最大真空度。如果在實(shí)際的管路系統(tǒng)中增大了排氣壓力，則排氣壓力與吸氣壓力的比值達(dá)到極限時(shí)，所形成的吸氣壓力隨之增加，即真空度會(huì)隨之降低，這不利于排氣自吸過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，反之排氣壓力變小有利于排氣自吸過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。受輸送系統(tǒng)出口管路的影響，排氣壓力一般情況下大于外界大氣壓的壓力，出口管路存在止回閥等會(huì)進(jìn)一步增大排氣壓力，不利于排氣自吸過(guò)程。排氣壓力的最小值就是出口管路排空，與大氣壓相同。

2.3 流體動(dòng)力年度對(duì)容積效率影響的討論

排氣壓力與吸氣壓力的比值對(duì)齒輪油泵容積效率的影響是由設(shè)備外部因素造成的。例如羅茨鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)其進(jìn)氣溫度、壓力、排氣壓力相對(duì)穩(wěn)定的情況下，泄漏量可視為定值，即容積效率幾乎不變的[5]（與上面表述的隨著排氣壓力與吸氣壓力比值變化并不矛盾），此時(shí)影響容積效率的就是泄漏量。泄漏量與所輸送流體的動(dòng)力黏度有很大關(guān)系，動(dòng)力黏度越大泄漏量越小、容積效率越高，反之泄漏量大、容積效率低[6]。

常壓下20 ℃空氣的動(dòng)力黏度μ=17.9×10-6Pa·s，而液體特別是液壓油一般以運(yùn)動(dòng)黏度表示，不同牌號(hào)的液壓油其運(yùn)動(dòng)黏度差異較大，如32#液壓油的運(yùn)動(dòng)黏度ν 在40 ℃一般為28.8×10-6～35.2×10-6m2/s。動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)年度為μ=νρ，其中ρ 為流體密度

潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的動(dòng)力黏度，因此在齒輪油泵的排氣自吸過(guò)程中，通過(guò)的流體為氣體時(shí)其泄漏量相對(duì)輸送輸送液體（潤(rùn)滑油）時(shí)會(huì)大幅增加，其輸送氣體時(shí)的容積效率相對(duì)輸送液體的時(shí)候大幅降低，則很可能造成所形成的人口管路真空度不足而不能實(shí)現(xiàn)排氣自吸。特別是在齒輪油泵經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行之后，受轉(zhuǎn)子與定子之間的磨損影響，間隙增加，容積效率下降，其下降的程度對(duì)輸送液體的影響不是很大，但是可能相對(duì)排氣自吸的時(shí)候造成泄漏量大幅增加，致使容積效率下降，甚至可能無(wú)法完成排氣自吸過(guò)程。通常情況是，一旦通過(guò)輔助方式完成排氣自吸可以正常輸送液體，停泵一段時(shí)間后再啟動(dòng)卻會(huì)因?yàn)椴荒芡瓿膳艢庾晕鵁o(wú)法正常開(kāi)啟。

3 總結(jié)

本文以齒輪油泵排氣自吸過(guò)程真空度的形成為基礎(chǔ)，分析、討論影響排氣自吸的相關(guān)因素，這在實(shí)踐中可以為齒輪油泵的設(shè)計(jì)、安裝、異常運(yùn)行等提供相關(guān)參考和幫助，特別是運(yùn)行異常的分析。例如長(zhǎng)期運(yùn)行的齒輪油泵，在停機(jī)后開(kāi)啟不能完成排氣自吸過(guò)程而無(wú)法正常運(yùn)行，通過(guò)輔助措施又可以完成排氣自吸輸送液體的情況。本文的不足之處在于，未能通過(guò)量化數(shù)據(jù)或者理論模型等進(jìn)行更加詳細(xì)的分析，給出更加直觀、明確的一些臨界條件。