影响齿轮油泵自吸性能因素的浅析

李 宁，高 翔

（广东韶钢松山股份有限公司，广东韶关 512123）

0 引言

齿轮油泵以其结构简单紧凑、加工容易、自吸性能好、抗污染能力强等优点，得到广泛的应用[1]。在船舶、农业、国防、矿工业及冶金工业中有大量的应用，特别是在液压、润滑等系统。在实际安装中，齿轮油泵的安装高度位置与被送液体液面垂直距离的不同，即泵入口基准面标高与被送液体液面标高差的不同时，齿轮油泵启动工作的工况是不同的：当泵入口基准面标高于被输送液体液面时，齿轮泵启动时首先需要将吸入管路及泵腔中的空气排出，在吸入腔形成负压，被输送液体通过形成的负压进入齿轮油泵入口及泵腔，完成排气的过程即完成自吸，然后才正常工作；反之，则不存在排气的情况，也没有排气自吸的过程。泵的自吸能力是指工作腔内未充有液体时，泵能在多少时间内把液体吸上多高的能力。重点是极限自吸高度值Hmax[2]。但是，由于泵入口基准面标高与被送液体液面标高差不同、泵腔前后压力情况、管路阻力等，会造成齿轮油泵的自吸性能表现不同。当相关工况条件达到一定程度后将不能完成排气自吸过程，从而不能实现正常的输送工作。

1 自吸过程的介绍及影响因素

安装高度致使泵入口基准面高于被输送液体液面高度的情况下，齿轮油泵启动时存在排气自吸过程（图1）。

以外啮合齿轮油泵为例：在齿轮油泵启动前，泵腔内以及入口管段内至油箱中的液面之间，以空气（或混合有油气等）填充；启动齿轮泵，通过齿轮转子的旋转将这部分空气排出，在齿轮油泵入口及入口管段内形成真空，致使油箱内的液体进入入口管段；随着不断的排出空气，真空度不断增加，油箱内液体不断进入入口管段，最终进入泵腔入口；当液体进入齿轮转子并直接获得转子的能量后，完成排气自吸的过程，进入正常的液体输送工作状态。

从这一过程来看，泵入口及入口管段内的真空度是完成自吸过程的关键因素之一，相关齿轮油泵的标准明确规定，其自吸性能不低于16 kPa 真空度[3]。如果齿轮油泵产生的真空度更大，将更有利于油箱内液体进入入口管段及泵入口。

齿轮油泵的入口是高于油箱液面的，这样齿轮油泵入口管段及入口就可以形成真空，使油箱中的液体提升到泵入口基准面的高度才能实现自吸。也就是说，齿轮油泵形成的真空度越大越有利于液体提升到泵入口基准面，但齿轮油泵的安装高度越高，则需要通过真空度来提升液体的高度越高，即需要更大的真空度。也就是说，齿轮油泵的实际安装高度所形成的泵入口基准面与油箱中液体液面的高度差，也是影响其能否实现自吸的因素之一。

图1 安装示意

在排气自吸的过程中，齿轮油泵将入口管段内的空气吸入泵腔并从泵的出口排出，此过程可参照罗茨鼓风机的基础原理进行分析。与罗茨鼓风机一样，齿轮油泵的转子与壳体之间存在间隙等，在输送气体的过程中，因为内泄漏等原因造成的容积效率是小于1 的，特别是出口排气压力与入库压力比值越大的时候，容积效率越低[4]。当排气压力与入口压力比值大到某种理论极限的时候，可以使容积效率为0，形成一种没有气体排出的极限。在这种极限情况下入口管段内形成的最大真空度还不能将油箱中的液体提升至泵入口基准面，则也不能完成排气自吸过程。这种极限情况主要受限于排气压力与吸气压力（及入口管内真空度）的比值大小。对于吸气压力而言，越小越有利于提高真空度提供液面提升的动力，但排气压力却受管理结构等影响较大，反之影响容积效率的提高，从而影响真空度的提高。这说明齿轮油泵在排气自吸过程中的实际排气压力大小对自吸有影响。

因此，影响齿轮油泵排气自吸的因素主要有两个：齿轮油泵入口基准面与油箱中液面的高度差，齿轮油泵排气自吸过程中的实际排气压力大小方面。

2 影响自吸的相关因素的详细分析

2.1 齿轮油泵入口基准面与油箱中液面的高度差H

油箱液面一般与大气连同，则液面压力为大气压力P。齿轮油泵排气自吸过程中，令某一时刻入口管路中真空度P1（用相对压力表示），则，液面由于受大气压和真空度的影响，在入库管路中被提升，其提升高度h，取决于大气压力P 和真空度P1的差值。对于已定的齿轮油泵和所在的已定管路系统而言，在排气自吸的过程中入口管段内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，则不能完成排气自吸。也就是说，对于已定的齿轮油泵和管路系统，齿轮油泵的安装高度，尽可能的减小齿轮油泵的安装高度，降低齿轮油泵入口基准面与油箱中液面的高度差，有利于排气自吸过程的实现，实现顺利的自吸启动，反正则不利于齿轮油泵的排气自吸启动，甚至无法完成排气自吸过程。这也就是许多齿轮油泵在其说明书中会给出最大安装高度的建议，不要超出最大安装高度，甚至提出入库管路最大长度范围限定。

2.2 齿轮油泵排气自吸过程中的实际排气压力大小

齿轮油泵在自吸排气的过程，相关吸气压力、排气压力、容积效率等参数，以及相关结构，与罗茨鼓风机几乎类似。由此，根据文献[4]中有关罗茨鼓风机的相关理论，其容积效率取决于泄漏量（内泄漏和外泄漏），而泄漏量的大小对于排气压力与吸气压力的比值比较敏感，排气压力与吸气压力的比值越大、泄漏量越大，则容积效率越低。对于一定的排气压力，相应的排气压力与吸气压力（形成的真空度）的比值会随着真空度的降低变化，比值越大、容积效率降低，达到某种极限、容积效率为0 时即形成的最大真空度。如果在实际的管路系统中增大了排气压力，则排气压力与吸气压力的比值达到极限时，所形成的吸气压力随之增加，即真空度会随之降低，这不利于排气自吸过程的实现，反之排气压力变小有利于排气自吸过程的实现。受输送系统出口管路的影响，排气压力一般情况下大于外界大气压的压力，出口管路存在止回阀等会进一步增大排气压力，不利于排气自吸过程。排气压力的最小值就是出口管路排空，与大气压相同。

2.3 流体动力年度对容积效率影响的讨论

排气压力与吸气压力的比值对齿轮油泵容积效率的影响是由设备外部因素造成的。例如罗茨鼓风机，当其进气温度、压力、排气压力相对稳定的情况下，泄漏量可视为定值，即容积效率几乎不变的[5]（与上面表述的随着排气压力与吸气压力比值变化并不矛盾），此时影响容积效率的就是泄漏量。泄漏量与所输送流体的动力黏度有很大关系，动力黏度越大泄漏量越小、容积效率越高，反之泄漏量大、容积效率低[6]。

常压下20 ℃空气的动力黏度μ=17.9×10-6Pa·s，而液体特别是液压油一般以运动黏度表示，不同牌号的液压油其运动黏度差异较大，如32#液压油的运动黏度ν 在40 ℃一般为28.8×10-6～35.2×10-6m2/s。动力黏度和运动年度为μ=νρ，其中ρ 为流体密度

润滑油的动力黏度远远大于空气的动力黏度，因此在齿轮油泵的排气自吸过程中，通过的流体为气体时其泄漏量相对输送输送液体（润滑油）时会大幅增加，其输送气体时的容积效率相对输送液体的时候大幅降低，则很可能造成所形成的人口管路真空度不足而不能实现排气自吸。特别是在齿轮油泵经过一段时间的运行之后，受转子与定子之间的磨损影响，间隙增加，容积效率下降，其下降的程度对输送液体的影响不是很大，但是可能相对排气自吸的时候造成泄漏量大幅增加，致使容积效率下降，甚至可能无法完成排气自吸过程。通常情况是，一旦通过辅助方式完成排气自吸可以正常输送液体，停泵一段时间后再启动却会因为不能完成排气自吸而无法正常开启。

3 总结

本文以齿轮油泵排气自吸过程真空度的形成为基础，分析、讨论影响排气自吸的相关因素，这在实践中可以为齿轮油泵的设计、安装、异常运行等提供相关参考和帮助，特别是运行异常的分析。例如长期运行的齿轮油泵，在停机后开启不能完成排气自吸过程而无法正常运行，通过辅助措施又可以完成排气自吸输送液体的情况。本文的不足之处在于，未能通过量化数据或者理论模型等进行更加详细的分析，给出更加直观、明确的一些临界条件。