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液压系统用自动放气阀的研究
 
慧聪网   2005年12月29日9时19分   信息来源:宣化工程机械厂研究所    

    论文摘要:系统地分析了液压系统中油液混入气体的途径及危害,设计了一种自动放气阀,优化了液压系统的结构。

    1 液压系统中气体的危害

    作为液压系统工作介质的油液不仅传递动力,而且对系统或其他装置起着润滑和冷却的作用,对工作油液中含有气体的危害这里作一简述。

    系统运行时由于气体的存在,油液流动呈紊流状态,不利于散热且增加了压力损失,加速了油液的温升和氧化、缩短了油液的使用周期;影响了系统的刚性和响应特性,使系统压力产生脉动,元件、管路等连接松动,执行器输出达不到额定值并产生爬行、颤动,甚至产生误动作;系统工作压力变化时,由于气泡急剧缩小和放大,即产生气穴与气蚀现象,使系统产生噪声甚至遭到破坏,油气混合到一定程度,使油箱喷油的可能增大。

    应当特别引起注意的是对于带载起动的恒压系统,空气的存在对其威胁更大。系统停止工作后油液中含有的气体在常压下全部释放出来,聚集在管路的高处,再次起动时泵出口上的管路内存有的及泵排出的气体受压缩,再窜回吸油侧,造成液压泵干摩擦或处于临界润滑状态运行并产生吸空,给起动带来困难,降低容积效率,严重的甚至会使液压泵烧毁。油气混合亦会造成执行器的干摩擦损伤,如果同时有其他装置(如传动装置)需要液压系统的油液进行润滑,由于油液中气体的存在,起动时此装置不仅得不到及时润滑,而且此时传递的压缩空气还要破坏原有的油膜,有产生研烧报废的危险。因此一些液压泵生产厂家对泵的起动特别提出要求:为排除滞留的空气,起动时必须松开泵出口的接头或螺堵让空气逸出。

    2 气体混入液压系统的途径

    2.1 人为因素

    系统加注的油液没有经过很好的沉淀、过滤,致使带入过量的空气;系统调试初起动及每次使用前空载运行时没有很好的放气,致使原来管路、执行器容腔的空气滞留在系统中;管路,特别是吸油管路漏气,致使外界空气窜入系统。

    2.2 系统因素

    实验表明,常态下矿物油中空气的溶解量可达6%~12%。常用的液压油中空气的溶解量一般为9%左右,这就是说正常情况下系统中的油液是混有一定气体的。

    根据亨利定律,气体在油液中的可溶性与绝对压力成正比,系统运行时油液经阀、过滤器等元件产生较大压降,使空气析出,以微小气泡状悬浮在油液中。

    系统回油(有的经过滤器)在油箱里产生浪花、泡沫,同时不可避免地搅动油箱内的油液,亦使空气混入,这些油液中的气体又被吸入系统循环,致使油液含气量不断增加。

    对于油箱低置系统,因无吸油单向阀(工程机械液压系统中常见),系统停止工作后气体从吸油管涌入,上升到液压泵入口,如果液压泵静密封性能不好,气体还要经过泵上升至压油管路。

    3 传统的放气方法

    从气体混入的途径看,人为因素造成的较容易排除,只要提高装配质量,加强系统调试并注意每次起动后要空载运行一段时间便可;由于系统原因造成的则要经常性地进行放气。传统的放气方法是起动时在液压泵出口及最高处松开螺堵进行放气,因不能实现自动化,这给系统的使用带来很大的不便,往往使用者做不到及时放气。本文提出一种自动放气的方法,效果良好。

    4 自动放气阀的工作原理

    如图1所示,自动放气阀属压力切断阀结构。

自动放气阀

图1 自动放气阀结构
1.弹簧 2.阀芯 3.卡环 4.阀体

    泵起动时,压油腔的气体从阀芯2的下端进入,通过阀芯2下部的横孔、阀芯2与阀体4的环形空间及形成的开口,再经过阀芯2上的节流孔d来到弹簧腔,进入油箱。

    由于节流孔d的作用,气体通过组件时在阀芯下端产生气压,当通过的气体流量较小时,气压对阀芯2的面积A形成的作用力小于弹簧的预压力KX0,此时阀芯2仍保持在原来的位置不动。

    当通过的气体流量较大,此时气体在阀芯下端产生的气压对阀芯2形成的作用力大于弹簧的预压力KX0即达到阀的起动压力pm(相对压力)时,阀芯2便向上移动,逐渐关闭阀芯2与阀体4形成的开口,此开口最终起节流作用使压力再次升高,阀芯2迅速上移,直到关闭开口。

    通过的气体流量不大,产生的气压达不到阀的起动压力时,阀芯2不动,这样当气体放完后,液压泵正常工作,液体通过节流孔d产生背压,此压力的作用同气体产生的压力作用一样,当油压达到起动压力pm后,阀芯2快速上移,压力继续上升至关闭压力pc时,阀芯向上移动了X,最终关闭阀芯2与阀体4形成的开口,实现锥口无泄漏密封。

    从上述的过程可以发现:阀芯2上的小孔d为控制节流孔,控制着关闭压力和流量。

    用压力流量公式描述上述过程:

    起动压力pm=KX0/A

    关闭压力pC=K(X0+X)/A

    式中 K——弹簧刚度
         X0——弹簧预压缩量
        
X——阀芯开口量。

    使阀芯动作的气体流量,可按气体通过节流孔d为声速状态计算:

    Qg=113 CVπd2/4(pm+0.1)(273/T)1/2

    式中 pm+0.1——pm的绝对压力值

    使阀芯关闭的液体流量,可按液体通过的节流孔为薄壁小孔计算:

    Q1=Cqπd2/4(2pc/ρ)1/2

    式中 CV——气体截面收缩系数,一般取0.6
         d——控制节流孔直径
         T——气体的绝对温度
         Cq——油液的流量系数,一般取0.7
         ρ——油液的密度

    一般来讲,X/X0>>1,这样pm≈pC。

    参数的设置:首先,根据系统最低压力和最大流量确定阀的关闭压力及需要放气的流量,然后计算d值和Q1值。例如关闭压力为0.1 Mpa,阀芯动作放气量为200 L/min时,节流小孔d=2 mm,关闭的液体流量Q1=1 L/min。这种参数的自动放气阀可用于最小流量大于1 L/min,最大流量小于200 L/min,最低压力高于0.1 Mpa的系统。

    5 试 验

    5.1 气体通过性能试验

    把组件与压缩空气相连,气压低于0.1 Mpa时,气体通过组件排放,进口压力达0.1 Mpa时,阀芯关闭。

    5.2 装入系统切断试验

    把组件安装到液压泵出口,低速起动时有大量气体放出,随后有少量油液溢出,最终关闭且无渗油。

    6 实践分析

    ①自动放气阀理想的安装位置是泵出口压油管路的最高端,把聚集的空气迅速放回油箱,有利于快速吸油,避免干摩擦,起到对泵保护的效果,同时给其他需润滑的装置迅速供油润滑。

    ②放气阀的出口接回油箱,补充气体,降低泵吸油负压,实现泵吸油的良性循环。

 
作者:赵焕军 
 
 
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