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气泡对液压系统的危害及其对策
 
慧聪网   2005年10月18日14时44分   信息来源:《机床与液压》    

    随着现代化生产和科学技术的进步,液压传动领域向着成本低、体积小、寿命长、自动化程 度高、可靠性好等方向发展已成为一种必然趋势。为此而展开的研究课题很多,作者就油中 气泡的形成、危害及去除技术等有关问题作一简要叙述。

    1、油中气泡的来源及其对系统的危害

    (1)气泡的来源

    液压油在生产、储运以及系统在大气压力下工作,因此油液中含有空气是不可避免的。往往 把油中空气称之为掺混空气,掺混空气是以直径很小的球状气泡悬浮于油中,掺混空气的生 成有两条途径:

    ①主要是通过油箱和泵的吸入管掺混入油内,如油箱油面太低,泵吸入管口半露于油面或 淹深很浅时,均可将空气吸入;若泵的进油管路漏气,则大量的空气会被吸入;再如系统回 油管口高于油箱油面时,高速喷射的系统回油卷带着空气进入油中,又再度经油泵带入系统 。

    ②实践虽然证明溶解于油液中的空气,对油的物理性质没有什么直接的影响。但溶解了一 定数量的空气处于饱和状态的油液,流经节流口或泵入口段,当绝对压力下降到油液的空气 分离压时,油中过饱和的空气就会被析出,使本来溶解于油中的微细气泡聚集成较大的气泡 出现在系统中。

    (2)对系统的危害

    从经济性和系统工作质量的角度来看,油中气泡对系统的危害是相当大的,主要有以下几个 方面:

    ①系统工作不良。在液压传动系统中,油液是动力的传递介质,在没有空气混入的场合下,其压缩率约为(5 ~7 )×10-10m3/N,也就是压力增加10MPa时,容积仅被压缩减少为0.625%。因 此,在一般 的液压系统中可以认为油是非压缩性流体,而不考虑其压缩性。一旦油中混入空气,其压缩 率便会大幅度增加,油液本身具有相当高的刚度或是大的体积弹性系数(压缩率的倒数)则 大大减低,严重地危害着系统的工作可靠性,如自动控制失灵、工作机构产生间歇运动、被 加工件的废品率增大等。由于气泡引起的装置误动作还会发生机械及人身事故。

    ②油温升高。气泡如在泵等的瞬间压缩之后,其温度会急剧升高。如果气体不溶解于油中,其绝热压缩的 温升近似值是不难计算的,例如,将35℃的气泡加压至3.5MPa时,其温升可达到580℃ 。气泡在达到高温之后,其周围的油便会产生燃烧,成为系统油温骤然升高的主要原因。 然而空气是难以导热的,油中存有气泡时,其导热系数大大减低,严重地影响着油的冷却效 果。油温升高带来的不良后果有以下几个主要方面:

    a.加速油的氧化。油温的升高是促进油液氧化的主要原因。根据氧化的机理可知,油温在60℃以上时每升高1 0℃,其氧化速度成倍递增。氧化后的油液通常都会使粘度增加并生成酸性化合物,引起系 统中金属件的腐蚀现象。并且氧化物的化学性质一般比热解作用的产物更为活泼,所以更 容易产生渣泥,连同铁锈、金属屑等机械杂质又作为氧化过程的催化剂,使油液加速氧化 。一般希望油温能在90℃以下,使其具有好的化学稳定性。

    b. 油的润滑性能下降。性能良好的油液能在金属摩擦表面形成牢固的油膜。油膜的强度和 厚度主要取决于油液的质量。变质后的油液其油膜强度不足以承受工作负载的压力,致使金 属表面互相接触,从而导致摩擦力急剧增加,加速零件的磨损,所以说油液的润滑性对于液 压装置具有重要意义。

    c.加速密封件老化。液压系统中采用的密封件均由不同化学成分的材料制成各种形式的密 封圈 、垫,不但要求与油液有好的相容性,而且还要要求有适当的工作油温,如油温超过密封件 的正常耐热温度,便会使其加速老化,失去应有的弹性,而导致过早地丧失密封性能。

    ③导致气蚀的发生。油中气泡被油液带到高压区时,体积急剧缩小,气泡又重新凝聚为液体,使局部区域形成真 空,周围液体质点以高速来填补这一空间,质点互相碰撞而产生局部高压,形成液压冲击, 使局部压力升高可达数百甚至上千个大气压力。如果这个局部液压冲击作用在固体壁面上, 可引起固体壁面的剥蚀,称之为气蚀现象,它对系统的危害性很大。

    油中气泡还能起系统的振动和噪声的增加以及泵的容积效率减低等不良影响。

    2、传统气泡去除方法的剖析

    人们对气泡研究及其危害性的认识虽然存在差异,但在液压装置的设计制造过程中均考虑了 气泡的去除问题,那就是沿用至今唯一方法,即利用系统中必备的油箱进行气泡的去除,尽 管在油箱的结构上采取了多种措施,如水平截面积大于油液深度、设置隔板而延长油在油箱 内的停留时间、进出油口尽量设置得远些以及体积要大等。但从气泡去除效果以及装置结构 方面来看仍有下列不足:

    (1)气泡去除效果差

    采用油箱自然去除法,就是靠气泡自身的浮力而自行浮至油面溶入大气的方法。气泡的直径 一般为0.25~0.5mm,如果气泡界面的油液没有作向上运动的话,完全要靠自身浮力克服 油液 的摩擦阻力而向上运动。根据斯托克斯法则可知,气泡的上浮速度与气泡的大小及油液粘度 有关,也就是说上浮速度与气泡大小成正比、与油液粘度成反比。如直径为0.3mm的气 泡在粘度为100×10-6m2/s的油液中每分钟只上浮30mm。由于泵的搅拌作用,微细 化后的气泡再经阀 口高速喷出成为乳化液状气泡,即使在油箱内滞留相当长的时间,靠自行浮上也是极其困难 的。由此可见,仅靠油箱来去除气泡,其效果是相当差的,研究和开发强制式气泡去除装置 势在必行。

    (2)液压装置结构增大

    油箱除具有储油、冷却功能之外,体积大的一个根本原因就是考虑到气泡的去除,我国油箱 的体积一般为泵流量的3~5倍,美国行业规定油箱的体积不得小于泵流量的3倍。由于采用 大体积油箱,往往使装置整体结构变大,且不经济。

    3、强制式气泡去除器

    (1)基本结构与原理

    强制式气泡去除器的基本结构如图1所示。主要由进油腔、工作腔、导向叶轮、出油腔及排 气管等组成。当油液从切线方向进入油腔时,以一定的动能冲向导向轮叶片,在导向轮的作用下,液体 作螺旋加速运动,由于油液质量大于气泡质量,在离心力的作用下,气泡向中心轴线处集聚 ,中心轴线上的压力是随着液流螺旋加速度的增加而递减的,在工作腔最小直径处的中心压 力最低,气泡在中心轴线上的压差和接近中心液流的连带作用下向工作腔最小直径处运动而 集合,在工作腔与出油腔结合处的右侧附近,液流由于没有螺旋运动,所以此处的压力高于 出油腔入口处的压力,大量聚积起来的气体在压力的作用下通过排气管排出装置之外。其工 作原理可用图2表示。

图1  强制式气泡去除器结构示意

图1  强制式气泡去除器结构示意

图2  结构与原理对应关系示意

图2  结构与原理对应关系示意

    图中线段说明:

    ①OA段为进油腔(内装导向叶轮)。其中对应的两线段分别是:O′A′为轴线方向的压力值;O″A″为轴线方向原有气泡含量。

    ②AB段为工作腔。其中对应的两线段分别是:A′B′为轴线中心处的压力变化趋势;A″B″为轴线中心处的气 泡析出量变化趋势。

    ③BC为排气段(为出油腔右侧很小一部分)。其中对应的两条线段分别是:B′C′为轴线中心处的压力变化趋势;B″C为排出气体量变化 趋势。

    ④CD段为出油腔。其中对应的C′D为脱气后油液流经出油腔的压力变化趋势。

    (2)本装置的主要特点

    ①由于液流在工作腔的旋流半径很小,气泡很容易向中心方向移动。还有在工作腔的液体 有较大的离心加速度,所以在半径方向上形成了较大的压力梯度,十分有助于气泡的析出。

    ②进入到工作腔的液体在导向叶轮作用下具有较大的角动能,促使液体能够维持较长距离 的加速旋转运动,这就增加了气泡随油在工作腔内的旋转次数,所以有着相当高的气泡去除 效率。

    ③本装置具有较大的压差范围,所以有较大的流量适应区域,即对于某一规格的装置来说 ,最大流量不小于最小流量的三倍,通过控制进油压力,可使本装置在一定流量范围内的任 一流量下均处良好的气泡去除工况。

    ④适用于动力传递介质的任何粘度油液的气泡去除。

    ⑤由于本装置体积较小,可以忽略其内部通流液体的重量,所以具有任意的安装位置,而不 影响气泡去除效果。

  (3)应用方式及其效果

    ①单独使用。将本装置的进油腔与系统回油路相接,出油腔直接通向油箱,一遍去除效果 最高可达99.9%。

    ②与泵组合使用。将本装置的进油腔与系统回油路相接,出油腔与泵的进油口相接,一遍 去除效果最高可达100%。

    两种方式共同的特点:一是均安装于油箱内,不怕泄漏;二是安装方便,组成简单;三 是无需专用动力,节省能源。

    就谋求油压系统高效率、低成本,把着眼点放在油的质量上,这种说法一点儿也不过份。从 液压装置的使用成本来看,除了动力源耗能之外,就要数液压油了。如果能延长油的使用周 期,那么就可以使液压系统长时间地处于高效率、低成本的良好状态。事实说明,要使液压 油长时间的质量稳定,关键的问题是要解决好油中混入空气这一对油液危害最大的难题。对 此,开发和应用强制式液压油气泡去除装置有着十分重要的意义。

 
作者:南京市工程兵工程学院 祁冠方 虞万海 胡文续 
 
 
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