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 512123）

0 引言

齒輪油泵以其結構簡單緊湊、加工容易、自吸性能好、抗污染能力強等優點，得到廣泛的應用[1]。在船舶、農業、國防、礦工業及冶金工業中有大量的應用，特別是在液壓、潤滑等系統。在實際安裝中，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，即泵入口基準面標高與被送液體液面標高差的不同時，齒輪油泵啟動工作的工況是不同的：當泵入口基準面標高于被輸送液體液面時，齒輪泵啟動時首先需要將吸入管路及泵腔中的空氣排出，在吸入腔形成負壓，被輸送液體通過形成的負壓進入齒輪油泵入口及泵腔，完成排氣的過程即完成自吸，然后才正常工作；反之，則不存在排氣的情況，也沒有排氣自吸的過程。泵的自吸能力是指工作腔內未充有液體時，泵能在多少時間內把液體吸上多高的能力。重點是極限自吸高度值Hmax[2]。但是，由于泵入口基準面標高與被送液體液面標高差不同、泵腔前后壓力情況、管路阻力等，會造成齒輪油泵的自吸性能表現不同。當相關工況條件達到一定程度后將不能完成排氣自吸過程，從而不能實現正常的輸送工作。

1 自吸過程的介紹及影響因素

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

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

從這一過程來看，泵入口及入口管段內的真空度是完成自吸過程的關鍵因素之一，相關齒輪油泵的標準明確規定，其自吸性能不低于16 kPa 真空度[3]。如果齒輪油泵產生的真空度更大，將更有利于油箱內液體進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面的高度才能實現自吸。也就是說，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面，但齒輪油泵的安裝高度越高，則需要通過真空度來提升液體的高度越高，即需要更大的真空度。也就是說，齒輪油泵的實際安裝高度所形成的泵入口基準面與油箱中液體液面的高度差，也是影響其能否實現自吸的因素之一。

圖1 安裝示意

在排氣自吸的過程中，齒輪油泵將入口管段內的空氣吸入泵腔并從泵的出口排出，此過程可參照羅茨鼓風機的基礎原理進行分析。與羅茨鼓風機一樣，齒輪油泵的轉子與殼體之間存在間隙等，在輸送氣體的過程中，因為內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壓力比值越大的時候，容積效率越低[4]。當排氣壓力與入口壓力比值大到某種理論極限的時候，可以使容積效率為0，形成一種沒有氣體排出的極限。在這種極限情況下入口管段內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面，則也不能完成排氣自吸過程。這種極限情況主要受限于排氣壓力與吸氣壓力（及入口管內真空度）的比值大小。對于吸氣壓力而言，越小越有利于提高真空度提供液面提升的動力，但排氣壓力卻受管理結構等影響較大，反之影響容積效率的提高，從而影響真空度的提高。這說明齒輪油泵在排氣自吸過程中的實際排氣壓力大小對自吸有影響。

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

2 影響自吸的相關因素的詳細分析

2.1 齒輪油泵入口基準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程中，令某一時刻入口管路中真空度P1（用相對壓力表示），則，液面由于受大氣壓和真空度的影響，在入庫管路中被提升，其提升高度h，取決于大氣壓力P 和真空度P1的差值。對于已定的齒輪油泵和所在的已定管路系統而言，在排氣自吸的過程中入口管段內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，對于已定的齒輪油泵和管路系統，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面與油箱中液面的高度差，有利于排氣自吸過程的實現，實現順利的自吸啟動，反正則不利于齒輪油泵的排氣自吸啟動，甚至無法完成排氣自吸過程。這也就是許多齒輪油泵在其說明書中會給出最大安裝高度的建議，不要超出最大安裝高度，甚至提出入庫管路最大長度范圍限定。

2.2 齒輪油泵排氣自吸過程中的實際排氣壓力大小

齒輪油泵在自吸排氣的過程，相關吸氣壓力、排氣壓力、容積效率等參數，以及相關結構，與羅茨鼓風機幾乎類似。由此，根據文獻[4]中有關羅茨鼓風機的相關理論，其容積效率取決于泄漏量（內泄漏和外泄漏），而泄漏量的大小對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。對于一定的排氣壓力，相應的排氣壓力與吸氣壓力（形成的真空度）的比值會隨著真空度的降低變化，比值越大、容積效率降低，達到某種極限、容積效率為0 時即形成的最大真空度。如果在實際的管路系統中增大了排氣壓力，則排氣壓力與吸氣壓力的比值達到極限時，所形成的吸氣壓力隨之增加，即真空度會隨之降低，這不利于排氣自吸過程的實現，反之排氣壓力變小有利于排氣自吸過程的實現。受輸送系統出口管路的影響，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進一步增大排氣壓力，不利于排氣自吸過程。排氣壓力的最小值就是出口管路排空，與大氣壓相同。

2.3 流體動力年度對容積效率影響的討論

排氣壓力與吸氣壓力的比值對齒輪油泵容積效率的影響是由設備外部因素造成的。例如羅茨鼓風機，當其進氣溫度、壓力、排氣壓力相對穩定的情況下，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），此時影響容積效率的就是泄漏量。泄漏量與所輸送流體的動力黏度有很大關系，動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 ℃空氣的動力黏度μ=17.9×10-6Pa·s，而液體特別是液壓油一般以運動黏度表示，不同牌號的液壓油其運動黏度差異較大，如32#液壓油的運動黏度ν 在40 ℃一般為28.8×10-6～35.2×10-6m2/s。動力黏度和運動年度為μ=νρ，其中ρ 為流體密度

潤滑油的動力黏度遠遠大于空氣的動力黏度，因此在齒輪油泵的排氣自吸過程中，通過的流體為氣體時其泄漏量相對輸送輸送液體（潤滑油）時會大幅增加，其輸送氣體時的容積效率相對輸送液體的時候大幅降低，則很可能造成所形成的人口管路真空度不足而不能實現排氣自吸。特別是在齒輪油泵經過一段時間的運行之后，受轉子與定子之間的磨損影響，間隙增加，容積效率下降，其下降的程度對輸送液體的影響不是很大，但是可能相對排氣自吸的時候造成泄漏量大幅增加，致使容積效率下降，甚至可能無法完成排氣自吸過程。通常情況是，一旦通過輔助方式完成排氣自吸可以正常輸送液體，停泵一段時間后再啟動卻會因為不能完成排氣自吸而無法正常開啟。

3 總結

本文以齒輪油泵排氣自吸過程真空度的形成為基礎，分析、討論影響排氣自吸的相關因素，這在實踐中可以為齒輪油泵的設計、安裝、異常運行等提供相關參考和幫助，特別是運行異常的分析。例如長期運行的齒輪油泵，在停機后開啟不能完成排氣自吸過程而無法正常運行，通過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，未能通過量化數據或者理論模型等進行更加詳細的分析，給出更加直觀、明確的一些臨界條件。