图1  测试时的硬件设施：受到严重气蚀的阀板和专门设计制造的泵体以及压力传感器的安装位置

气蚀能减损液压零部件的使用寿命。在Sauer-Danfoss公司的基础技术研发工作中，对轴向柱塞泵的气蚀效应进行了试验。利用试验得出的研究结果可预测气蚀现象，并在轴向柱塞泵的早期研发阶段通过模拟技术降低气蚀发生的可能性。

一般情况下，液压驱动机构是一个由液压泵和轴向安装的电动机所组成的闭式驱动系统，如行驶机械的行驶驱动机构。液压系统中的气蚀会缩短驱动机构的使用寿命，增加液压元器件的磨损，尤其是接触表面的磨损。

图2  高压腔中传感器检测数据示例：转速为2000r/min，压力差为42MPa，输送流量为110ml

气蚀检验的基本设施

为了尽可能真实的对气蚀作用进行评估分析，首先对一块受到严重气蚀的专用阀板（不是大批量系列生产的产品）进行相关检测。为此，需将一个压力传感器安装在被测阀板上。

图3  利用分析语句对不同工作条件下的最大压力值进行计算得出平均值

在此过程中可以检测到最高动态工况，而且试验设备的安装也比安装在柱塞腔里的压力检测设备简单得多。阀板上的压力传感器应具备较好的动态性能和很好的适应性。因此，在这里选用了压电式的压力传感器，其最高测试频率可达40000Hz。而为了直接实现对压力传感器的控制，必须在输出端配备一个泵（见图1）。根据上述试验设备的配置方式及泵的工作参数对气蚀现象进行试验，得出如表所示的数据。试验时轴向柱塞泵由电动机驱动，液压回路由一个双向电磁调节阀来控制。

气蚀试验的结果

气蚀试验的目的是获得气蚀产生的高频波曲线。为了达到这一目的，采用了新的柱塞泵。同时还专门编写了气蚀分析的分析语句和指令，以保证气蚀分析的顺利进行。原始信号和不同的运算信号均可在图2中表示出来。图示为压力传感器在转换控制时检测到的柱塞泵的高压腔的数据。图中可明显看出腰子形的塌陷，从低压侧进入柱塞腔时尤为明显。蓝色的曲线（1）表示原始信号曲线，在经过低频滤波器滤波后，可以得出很高的梯度数据，如红色曲线（2）所示。根据这些信号得出包络线，如曲线（3）所示。这两个信号相减，得出浅蓝色曲线（4），其与试验寻找的“气蚀信号”的振幅相同。该曲线导出的平均值曲线为曲线（5）。

图4  看得见的气蚀现象：气蚀磨损处的弧形半径恰好与控制阀安装板腰形孔的半径相同

按照上述检测方法对不同工作条件下的气蚀状况检测后，将计算的平均值按柱塞泵的转速进行归类，可得出图3所示曲线。由该图可以看出最大振幅出现在流量为110ml、压力差为42MPa时。另外，在图中还可看出临界转速约为2500r/min。当转速高于此数值时，在各种工况下气蚀信号的振幅均明显提高。这就表示在此过程中需要一个较低转速，以生成所需的气蚀气泡，然后在通过一个更高的转速，使气蚀气泡在靠近传感器的位置破裂。

试验结论与CFD模拟结果一致

利用压力传感器成功完成气蚀试验后，试验泵的任务也就完成了，最终将被拆解下来。图4所示是测试中使用的输出端的泵的放大照片。在高压腔的腰形孔和压力传感器孔之间可以清楚的看到气蚀腐蚀的痕迹。气蚀磨损的形状呈镰刀形。其半径与控制阀安装板上孔的半径相同，而其位置也恰好是控制阀安装板腰形孔所在的位置。这种经过短时间试验即能出现明显气蚀磨损的倾向可以在流量模拟（CFD模拟＝Computational Fluid Dynamics）中加以利用，以便对被测试泵的气蚀情况进行预测。

图5  计算机模拟的结果：控制阀安装板不同颜色深度的照片反映了液压油中气体成分的含量。在输出端壳体和高压腔处的颜色表示的是压力大小

计算机气蚀模拟的基础是参与测试的液体量的相关数据（输出端壳体、控制阀安装板、油缸和活塞等），都必须是计算机应用模型。图5所示就是转速为3000r/min、压力差为42MPa及以输出端壳体侧面为参照摆动角为16时泵的模拟结果。从这一视角看去，柱塞泵泵体是沿顺时针方向旋转的。不同颜色表示的是液压油中所含气体成分的多少。图示转角处，安装板腰形孔的孔口边缘处，即离开低压侧进入高压侧的部位，是气蚀明显加重的区域。

表  试验参数：130ml轴向柱塞泵气蚀试验的数据

通过对图4和图5的对比可知，两者得出的结论完全相同，即气蚀试验和CFD气蚀模拟相互得到了印证。

有助于新产品的设计

在模拟过程中使用的CFD软件已经具有检测和计算液压泵气蚀状况的能力。因此，Sauer-Danfoss公司有可能在新型液压泵设计的早期阶段就将气蚀危害降低至最小程度，从而使液压泵的质量和功能均得以提高，为用户提供了更好的产品。同时由于缩短了产品测试的时间，因此还可以减少新产品的研发费用。而较低的气蚀带来的噪声也相对较低，从而使新研发的液压泵具有更好的市场竞争力。