氣泡對(duì)液壓系統(tǒng)的危害分析及防治

楊運(yùn)高

要謀求油壓系統(tǒng)高效率、低成本，就要把著眼點(diǎn)放在油的質(zhì)量上。如果能延長(zhǎng)油的使用周期，那么就可以使液壓系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間地處于高效率、低成本的良好狀態(tài)。事實(shí)說(shuō)明，要使液壓油長(zhǎng)時(shí)間質(zhì)量穩(wěn)定，關(guān)鍵是要解決好油中混入空氣這一對(duì)油液危害最大的難題。

一、油中氣泡的來(lái)源及其對(duì)系統(tǒng)的危害

1. 氣泡的來(lái)源

液壓油在生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)以及系統(tǒng)在大氣壓力下工作，因此油液中含有空氣是不可避免的。往往把油中空氣稱(chēng)之為摻混空氣，摻混空氣是以直徑很小的球狀氣泡懸浮于油中，摻混空氣的生成有兩條途徑：（1）通過(guò)油箱和泵的吸油管，摻混空氣進(jìn)入油中。如油箱油面太低、泵吸入管口半露于油面或淹沒(méi)的很淺時(shí)，均可將空氣吸入；若泵的進(jìn)油管路漏氣，則大量的空氣會(huì)被吸入；再如系統(tǒng)回油管口高于油箱油面時(shí)，高速?lài)娚涞南到y(tǒng)回油卷帶著空氣進(jìn)入油中，又再度經(jīng)油泵帶入系統(tǒng)。（2）在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)液體流經(jīng)一段特別狹窄的通道時(shí)，其速度會(huì)上升很高，以致壓力降低。如果壓力低于當(dāng)時(shí)溫度下液體的飽和蒸氣壓力，液體就沸騰、氣化，形成氣泡。同時(shí)產(chǎn)生所謂“已溶解空氣的逸出”也形成氣泡。這些氣泡混雜在油液中，產(chǎn)生氣穴，使原來(lái)充滿(mǎn)在導(dǎo)管或元件中的油液成為不連續(xù)狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“空穴現(xiàn)象”。實(shí)踐雖然證明溶解于油液中的空氣對(duì)油的物理性質(zhì)沒(méi)有什么直接的影響，但溶解了一定數(shù)量的空氣處于飽和狀態(tài)的油液，流經(jīng)節(jié)流口或泵入口處，當(dāng)絕對(duì)壓力下降到油液的空氣分離壓時(shí)，油中過(guò)飽和的空氣就會(huì)被析出，使本來(lái)溶解于油中的微細(xì)氣泡聚集成較大的氣泡出現(xiàn)在系統(tǒng)中。

2. 氣泡對(duì)系統(tǒng)的危害

從經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)工作質(zhì)量的角度來(lái)看，油中氣泡對(duì)系統(tǒng)的危害是相當(dāng)大的，主要有以下幾個(gè)方面：（1）系統(tǒng)工作不良。在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，油液是動(dòng)力的傳遞介質(zhì)，在沒(méi)有空氣混入的場(chǎng)合，其壓縮率約為5×10－（10～7）×10－10（m3/N），也就是壓力增加10MPa時(shí)，容積僅被壓縮減少0.625%。因此，在一般的液壓系統(tǒng)中可以認(rèn)為油是非壓縮性流體，而不考慮其壓縮性。一旦油中混入空氣，其壓縮率便會(huì)大幅度增加，油液本身相當(dāng)高的剛度或是大的體積彈性系數(shù)（壓縮率的倒數(shù)）則大大減低，嚴(yán)重地危害著系統(tǒng)的工作，甚至還會(huì)發(fā)生機(jī)械及人身事故，如自動(dòng)控制失靈、工作機(jī)構(gòu)產(chǎn)生間歇運(yùn)動(dòng)、被加工件的廢品率增大等。（2）油溫升高。氣泡如在泵等的瞬間壓縮之后，其溫度會(huì)急劇升高，如果氣體不溶解于油中，其絕熱壓縮的溫升近似值是不難計(jì)算的，例如，將35℃的氣泡加壓至3.5MPa時(shí)，其溫升可達(dá)到580℃。氣泡達(dá)到高溫之后，其周?chē)挠捅銜?huì)產(chǎn)生燃燒，成為系統(tǒng)油溫驟然升高的主要原因。然而空氣是難以導(dǎo)熱的，油中存有氣泡時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)大大減低，嚴(yán)重地影響著油的冷卻效果。油溫升高帶來(lái)的不良后果有以下幾個(gè)主要方面：①加速油的氧化。油溫的升高是促進(jìn)油液氧化的主要原因。根據(jù)氧化的機(jī)理可知，油溫在60℃以上時(shí)每升高10℃，其氧化速度成倍遞增。氧化后的油液通常都會(huì)使黏度增加并生成酸性化合物，引起系統(tǒng)中金屬件的腐蝕現(xiàn)象，氧化物的化學(xué)性質(zhì)一般比熱解作用的產(chǎn)物更為活潑，所以更容易產(chǎn)生渣泥，連同鐵銹、金屬屑等機(jī)械雜質(zhì)又作為氧化過(guò)程的催化劑，使油液加速氧化。一般希望油溫能在90℃以下，使其具有好的化學(xué)穩(wěn)定性。② 油的潤(rùn)滑性能下降。性能良好的油液能在金屬摩擦表面形成牢固的油膜，油膜的強(qiáng)度和厚度主要取決于油液的質(zhì)量。變質(zhì)后的油液其油膜強(qiáng)度不足以承受工作負(fù)載的壓力，致使金屬表面互相接觸，從而導(dǎo)致摩擦力急劇增加，加速零件的磨損，所以說(shuō)油液的潤(rùn)滑性對(duì)于液壓裝置具有重要意義。③加速密封件老化。液壓系統(tǒng)中采用的密封件均由不同化學(xué)成分的材料制成，不但要求與油液有好的相容性，而且要求有適當(dāng)?shù)墓ぷ饔蜏亍Ｈ缬蜏爻^(guò)密封件的正常耐熱溫度，會(huì)加速老化，失去應(yīng)有的彈性，導(dǎo)致過(guò)早地喪失密封性能。⑶導(dǎo)致氣蝕的發(fā)生。油中氣泡被油液帶到高壓區(qū)時(shí)，體積急劇縮小，氣泡又重新凝聚為液體，使局部區(qū)域形成真空，周?chē)后w質(zhì)點(diǎn)以高速來(lái)填補(bǔ)這一空間，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞而產(chǎn)生局部高壓，形成液壓沖擊，使系統(tǒng)中的局部壓力猛烈升高，引起強(qiáng)烈的噪聲和振動(dòng)，再加之氣泡中有氧氣，在高溫、高壓、氧化的作用下就會(huì)產(chǎn)生所謂的“氣蝕”，氣蝕會(huì)使零件表面受到腐蝕，甚至造成元件失靈。在油泵部分發(fā)生了空穴現(xiàn)象時(shí)，除了會(huì)產(chǎn)生噪音和振動(dòng)外，還會(huì)由于液體的連續(xù)性被破壞，降低吸油能力，以致造成流量和壓力的波動(dòng)，使油泵零件承受沖擊載荷，降低油泵的使用壽命，甚至使液壓系統(tǒng)工作出現(xiàn)誤動(dòng)作等。⑷液壓油中的氣泡還能引起系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲的增加以及泵的容積效率減低等。

二、產(chǎn)生影響的幾個(gè)方面

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝結(jié)構(gòu)及參數(shù)不合理;

油液的抗泡沫性差，容易汽化形成泡沫，導(dǎo)致穴蝕的發(fā)生。

油液壓力的變化頻率過(guò)高，直接影響空氣泡的形成，加速氣泡的破裂速度，導(dǎo)致穴蝕速度加快。

油位過(guò)高，油液受機(jī)械攪拌易使氣體溶在油液內(nèi)產(chǎn)生泡沫；油位過(guò)低，工作泵易吸入空氣導(dǎo)致循環(huán)油液流量不足，從而加大了油液中空氣或水形成氣泡的概率。

三、穴蝕預(yù)防的主要措施

要想完全消除空穴現(xiàn)象是做不到的，但是可以根據(jù)它產(chǎn)生和發(fā)展的規(guī)律，盡可能采用如下措施加以預(yù)防。

第一，液壓系統(tǒng)管路必須進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和安裝。它應(yīng)有足夠的管徑，盡量避免有狹窄處或急劇轉(zhuǎn)彎處，并且可以用一些增加吸油管路壓力的措施，如提高油箱的安裝高度，控制油泵的轉(zhuǎn)速，設(shè)置增壓油路等。

第二，正確設(shè)計(jì)油泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且油泵裝配要保證達(dá)到技術(shù)要求，密封要嚴(yán)格。

第三，系統(tǒng)內(nèi)避免進(jìn)入空氣。特別是油箱設(shè)計(jì)上避免過(guò)多氣體進(jìn)入，液壓系統(tǒng)最高部位設(shè)排氣口，有利于氣體排出。

第四，及時(shí)維護(hù)冷卻系統(tǒng)，使其溫度保持在合適的范圍內(nèi)，以減少氣泡破裂時(shí)釋放的能量，在不影響冷卻液循環(huán)的情況下，添加一定量的防腐劑，以抑制銹蝕。

第五，選用油液要保證油品質(zhì)量和適宜的黏度。嚴(yán)格按照設(shè)備用油液的標(biāo)準(zhǔn)選用液壓油。質(zhì)量好的液壓油，可以有效防止在液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中出現(xiàn)的油液壓力低于油氣分離壓力的現(xiàn)象。選用油液時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的最低氣溫進(jìn)行選擇，并按油尺標(biāo)準(zhǔn)加注液壓油，同時(shí)還應(yīng)保持液壓系統(tǒng)的清潔(加注液壓油時(shí)，應(yīng)防止將水分和其他雜質(zhì)帶入，添加的冷卻液，一定不要含有腐蝕物質(zhì))。

第六，嚴(yán)格按油尺標(biāo)準(zhǔn)加油。各種油液油尺均標(biāo)有上限和下限刻度，控制油液的正常油位有利于降低穴蝕。

第七，防止油溫過(guò)高。合理設(shè)計(jì)散熱系統(tǒng)，是保持油溫正常的關(guān)鍵。如果出現(xiàn)故障，應(yīng)查找原因，及時(shí)排除。

第八，減少液壓沖擊。在操縱液壓操縱桿、分配閥時(shí)，力求平穩(wěn)，不宜過(guò)快、過(guò)猛，以減輕液壓油對(duì)零件的沖擊。

第九，保持各結(jié)合面的正常間隙。在制造或修理時(shí)，按照裝配的公差下限進(jìn)行裝配，可以很好地減少穴蝕的發(fā)生。如果元件已經(jīng)發(fā)生穴蝕現(xiàn)象，則只能采用金相紙拋光技術(shù)除去積碳，切不可用一般的細(xì)砂紙進(jìn)行打磨和處理。

第十，保持液壓系統(tǒng)清潔，防止空氣和水分侵入。定期清洗磁性過(guò)濾器，更換各種濾芯，保持油液清潔。注意檢查油位、油質(zhì)和油色，如果發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)中有水珠，油液變成乳白色或油液呈泡沫狀，應(yīng)及時(shí)仔細(xì)分析水和空氣的來(lái)源，檢查油冷卻器和液壓泵進(jìn)口處的密封性。

（作者單位：河北省秦皇島市高級(jí)技工學(xué)校）