液压冲击振动系统气泡油问题的探讨

1　引言

　　液压冲击振动系统在高频、交变压力下工作，油液中掺气是不可避免的。当油压低于空气分离压时，油液中溶解的空气易分离出来，形成大量气泡；甚至当油压低于饱和蒸气压时，油液大量汽化，使油液中产生更多的气泡。这种掺混有气泡的油液，称为气泡油。气泡的产生使油液中形成气穴，给液压冲击振动系统造成严重的危害，降低其使用寿命。

2　液压冲击振动系统中气泡油的成因

　　气泡油的形成主要有三种：
　　(1)油液中掺混空气。
　　掺混的空气主要是空气通过油箱和泵的吸入管掺入油内，以球状气泡的形式悬浮于油液中，使油液成为气泡油。
　　(2)油液溶解空气。
　　温度一定时，气体在油液中的溶解度与油液的压力成正比；而当压力一定时，气体的溶解度与油液的温度成反比。因此，压力越高，溶解于油液的气体体积越大；温度越高，溶解于油液的气体体积越小。一般说来，标准油液中溶解的气体体积为油液体积的6.5%，经过泵的加压后，可以升至10%。只要空气保持溶解于油液中，就不会影响液压冲击振动系统的工作，但当系统压力降至空气分离压以下时，溶解于油液中的空气就会分离出来，形成气泡油。
　　(3)油液汽化。
　　由于液压冲击振动系统所需油液工作量并非恒定，而泵的流量一般确定在系统所需最大流量以下，因此，当冲击振动系统的活塞运动速度达到某一值时，所需工作流量恰好等于泵的额定流量，但此时，活塞的运动速度仍然增大，所需的油液工作流量超过泵的流量，从而使冲击活塞后腔的油压急剧降低甚至达到负值，液压冲击振动系统的油液大量汽化，产生严重的气泡油现象。

3　气泡油对液压振动系统的危害

　　当油液中含有气泡时，流动着的油液就变成了气-液两相流，其体积弹性模量剧减，可压缩性大大增加，因而液压冲击振动系统的刚性下降，反应迟滞。此外，气泡油还将给液压冲击振动系统带来更严重的危害。
　　气穴发生后，当携带大量气泡的油液流到压力较高处，气泡瞬时被压破而发生噪声。同时，大量气泡溃灭会引起较大的压力波动，使系统产生振动。
　　气泡溃灭处近似绝热压缩状态，会出现局部高温，使油液和各种添加剂受到破坏，产生游离碳、酸质和胶泥状沉淀物，使油质劣化，甚至不能使用，并可能对金属元件产生化学腐蚀作用。
　　气穴现象产生的气泡在元件的金属边壁附近溃灭时，由于气泡的破灭形成局部真空，使周围的油液以很高的速度流向溃灭中心，填补这个真空，会对液压元件的壁面产生较大的局部冲击力，瞬时压力可达到数百甚至上千个大气压，大量的气泡溃灭时会使金属边壁反复受到剧烈冲击而引起疲劳破坏，使金属元件表面产生麻蚀和剥离脱落，这种损害对液压冲击器中的冲击活塞尤其严重。液压冲击器的压力反复在最大值、最小值之间变化，气泡在液压冲击器中反复分离、溶解，使油液不断地产生冲击。当这种现象发生在冲击活塞附近时，就会对冲击活塞造成严重的损害，不仅降低了活塞的疲劳强度和使用寿命，严重时甚至不能使用。

4　液压冲击振动系统中如何预防气泡油

　　针对上述情况，提出了几点解决气泡油问题的措施：
　　(1)合理设计油箱。如设计时确保吸、回油管口始终保持在油液面以下，油箱中吸油过滤器的标称流量大于泵的工作流量，并有一定的富裕量，以保证液压泵吸油通畅，阻力小，避免泵吸油口产生气穴。
　　(2)合理选用液压油。油的油气分离性要好，含气量低，并在油液中加入适当的添加剂。
　　(3)合理设计和布置管路。吸油管应尽量短，管路的直径应根据管内流速来确定，尽量减少弯头及弯管。
　　(4)合理设计液压回路。经过测试得出，当节流口等小孔和缝隙前后压力比p₁/p₂≥3.5时，就会发生气穴，因此，液压回路中各种阀的阀口前后压力比应满足p₁/p₂＜3.5。
　　(5)正确设计液压冲击振动系统的组成结构，合理选择元件及其材料。液压冲击器是液压冲击振动系统的重要元件。作为液压冲击振动系统的最后执行元件，液压冲击器会直接反映出气泡的危害。为避免气泡油的产生，除防止空气进入液压冲击振动系统外，还必须在液压冲击器的高处安置放气阀，及时排出积存于内的空气。对于液压冲击器内压力变化太大，甚至产生负压的情况，最重要的一个解决措施是设置蓄能器。蓄能器在液压冲击器所需工作流量低于液压泵供给的流量时，蓄存能量，当液压泵的流量不能满足液压冲击器的工作需要时，蓄能器释放能量。为保证蓄能器能满足液压冲击器的工作需要，它的充气压力应等于液压冲击器液压油工作压力的2/3，同时必须有足够的容量。另外，冲击活塞的材料应选择抗腐蚀性好，疲劳强度高的材料。
　　(6)应经常检查液压系统各元件的密封状况和油箱的油位，定期对液压冲击器和管路放气。条件许可时配备油液净化装置，以除去油液中的游离空气和杂质。

5　结论

　　液压冲击振动系统由其工作性能决定了在系统中必然会产生气泡油现象。气泡油对液压冲击振动系统的工作性能的影响非常大，不仅使液压冲击振动系统产生振动和噪声，劣化液压油，而且降低了液压元件的寿命，影响系统的工作效率，必须予以高度的重视。
　　合理地选择液压油，合理地确定液压冲击振动系统的结构和参数，能在一定程度上预防气泡油的产生，改善系统的工作性能。
　　由于液压冲击振动系统是一个封闭的系统，人们无法从外界直接得知系统内的油流状况，因而早期不易察觉气泡油的产生，而常用的借助振动和噪声等系统外部信息来判断是否已发生气泡油的方法又往往滞后，因此，为避免出现这种故障，应树立预防为主的观点，把故障消灭在萌芽状态。

作者单位：中国地质大学　机电系，湖北　武汉　430074

参考文献

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