充液氣穴對(duì)陶瓷液壓自動(dòng)壓磚機(jī)性能的影響及應(yīng)對(duì)措施

韋發(fā)彬，羅成輝

（佛山市恒力泰機(jī)械有限公司，佛山 528000）

1 前言

陶瓷液壓自動(dòng)壓磚機(jī)（簡(jiǎn)稱壓磚機(jī)，下同）的工作循環(huán)包括：動(dòng)梁空程下降（充液階段）→低壓1→排氣1→低壓2（可選）→排氣2→高壓→動(dòng)梁空程回程。在空程下降時(shí)，因?yàn)閷儆跓o(wú)載荷但需要大量的油液填充活塞腔。為了節(jié)能，在此階段不能使用壓力油液填充，而是使用氣壓驅(qū)動(dòng)上油箱的油液來(lái)填充動(dòng)梁空程下降期間所形成的主油缸活塞腔容積。由于油液介質(zhì)的絕對(duì)壓力變化導(dǎo)致空程下降，充液通道及主油缸活塞腔容易產(chǎn)生氣穴，影響壓磚機(jī)的使用性能。

2 充液氣穴產(chǎn)生的原因

液壓油的氣泡大多來(lái)源與氣穴現(xiàn)象，氣穴產(chǎn)生的條件主要有以下幾個(gè)方面：

（1）當(dāng)流體的絕對(duì)壓力低于相應(yīng)溫度的飽和蒸氣壓以下時(shí)，將產(chǎn)生氣泡。

（2）當(dāng)流體壓力下降到空氣分離壓時(shí)，溶解在液壓油中的空氣將被分離出來(lái)，將產(chǎn)生氣穴。

液壓油空氣分離壓力平均值為：1.33～60 Pa，其飽和蒸氣壓比空氣分離壓低。故當(dāng)油液的壓力低于空氣分離壓時(shí)，即使未低于飽和蒸氣壓也會(huì)發(fā)生氣穴效應(yīng)。

圖1 充液過(guò)程示意圖

如圖1所示，壓磚機(jī)在空程下降時(shí)，動(dòng)梁（與主油缸剛性聯(lián)接，示意圖中未畫出）下降，油液從上油箱通過(guò)充液通道流入主油缸活塞腔，形成油液對(duì)主油缸活塞腔容積的填充。從充液過(guò)程看，動(dòng)梁高位時(shí)上油箱的氣壓較高，可達(dá)到0.2～0.3 MPa；低位時(shí)，視上油箱油量而定，在0.1～0.15 MPa之間。在整個(gè)動(dòng)梁下降過(guò)程中，上油箱氣壓表顯示值并沒(méi)有低于空氣分離壓最大平均值0.06 MPa。但是在動(dòng)梁下降過(guò)程中，主油缸活塞腔以及充液通道內(nèi)的油壓變化情況是：正壓→負(fù)壓→正壓，負(fù)壓產(chǎn)生的時(shí)間段為動(dòng)梁加速和高速運(yùn)行段，后面的正壓時(shí)間段發(fā)生在的動(dòng)梁減速段。負(fù)壓現(xiàn)象尤其在動(dòng)梁下降速度極快或者主活塞面積較大時(shí)尤為明顯。

動(dòng)梁加速和高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，充液管道的壓力值變化其實(shí)是從上油箱氣壓向負(fù)壓的壓差傳遞的。當(dāng)油液通過(guò)收縮斷面，流速升高，絕對(duì)壓力降低。絕對(duì)壓力為負(fù)壓時(shí)，已經(jīng)低于空氣分離壓力1.33～60 Pa，溶解在油液內(nèi)的空氣被分離出。

3 充液氣穴對(duì)壓磚性能的影響

由于結(jié)構(gòu)的原因，實(shí)際的充液通道由多個(gè)斷面截面積不等的通道組合而成，在上述的充液過(guò)程中，當(dāng)流體由小截面通過(guò)擴(kuò)大斷面時(shí)，流動(dòng)面積膨脹，流速下降，而壓力再次回升，這導(dǎo)致壓力恢復(fù)增加使油液壓力高于蒸汽壓力，在低于分離壓力階段產(chǎn)生的氣泡被壓縮甚至破裂并凝結(jié)成液體。在動(dòng)梁減速段，動(dòng)梁的速度又快轉(zhuǎn)慢，油液的絕對(duì)壓力遞增，也會(huì)壓縮氣泡而發(fā)生氣蝕。充液階段在主油缸產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，對(duì)壓磚機(jī)壓制磚坯的性能影響十分惡劣。會(huì)導(dǎo)致加壓緩慢，增加能耗并對(duì)液壓元器件造成損壞。

充液產(chǎn)生的氣穴，還會(huì)延續(xù)影響到充液后的壓制階段。充液結(jié)束后，在關(guān)閉充液閥開始?jí)褐茣r(shí)，壓磚機(jī)的液壓系統(tǒng)必須耗費(fèi)額外的能量壓縮充液階段產(chǎn)生的氣泡，并將稀松的油液壓實(shí)，然后才能在主油缸內(nèi)建立起壓力。而壓油所需能量與氣穴的程度成正比。

在充液階段產(chǎn)生的氣泡油流，加壓開始后氣泡所占據(jù)的空間形成真空，四周的壓力油液以高速流來(lái)填補(bǔ)真空。此過(guò)程發(fā)生在一瞬間，因此引發(fā)距離的局部液壓沖擊，在氣泡縮小凝結(jié)的地方，壓力和溫度急劇升高。這種壓力沖擊引起震動(dòng)和噪聲。在低壓1階段再次發(fā)生氣蝕。

壓實(shí)油液除了增加能耗外，還會(huì)導(dǎo)致壓制磚坯的時(shí)間增長(zhǎng)，此點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致壓磚機(jī)生產(chǎn)效率的降低。譬如，低壓1開始?jí)褐茣r(shí)的系統(tǒng)壓力是18 MPa，如果充液效果好，那么低壓1階段系統(tǒng)壓降0.3 MPa，耗時(shí)350 ms就完成主油缸最終壓力為2500 kN的壓制動(dòng)作；反之，如果充液效果不好（氣穴現(xiàn)象嚴(yán)重），則在相同系統(tǒng)壓力情況下低壓1階段系統(tǒng)壓降可能達(dá)到1 MPa，壓制耗時(shí)600 ms才能完成主油缸最終壓力為2500 kN的壓制動(dòng)作。

此外，由于壓油消耗額外的能耗，壓磚機(jī)的液壓泵在補(bǔ)充能量時(shí)也會(huì)耗費(fèi)更多時(shí)間來(lái)復(fù)位系統(tǒng)壓力，此點(diǎn)也降低了生產(chǎn)效率。氣蝕對(duì)液壓元件、執(zhí)行器的損害極為嚴(yán)重，是液壓設(shè)備中應(yīng)該杜絕的現(xiàn)象。

4 如何減少氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生

實(shí)驗(yàn)顯示，在降低速度以及減小空程下降行程時(shí)，可有效改善氣穴現(xiàn)象。

表1 相同壓制力的壓制耗時(shí)及加壓期間液壓系統(tǒng)的壓降情況

4.1 慢速運(yùn)動(dòng)對(duì)充液氣穴現(xiàn)象的改善

在動(dòng)梁空程下降行程相同的情況下，動(dòng)梁下降速度越慢，對(duì)充液過(guò)程的氣穴現(xiàn)象越有所改善。

表1顯示采用相同的空程下降行程，不同的下降速度后，在壓制階段壓制相同壓制力的壓制耗時(shí)以及加壓期間液壓系統(tǒng)的壓降情況。

表2 相同壓制力的壓制1耗時(shí)及加壓期間液壓系統(tǒng)的壓降情況

從表1中可以看出，下降速度越快，壓制相同壓制力所耗費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)壓降越大。

4.2 小行程對(duì)充液氣穴現(xiàn)象的改善

表2顯示采用相同的空程下降速度，采用不同的下降行程，在充液結(jié)束后壓制相同壓制力的壓制耗時(shí)以及加壓期間液壓系統(tǒng)的壓降情況。

從表2中可以看出，下降速度越快，壓制相同壓制力所耗費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，系統(tǒng)壓降越大。此外，當(dāng)下降速度相同而空程下降行程不同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示行程越短，氣穴效果改善越明顯。

5 針對(duì)充液氣穴的應(yīng)對(duì)措施

5.1 減小行程和降低速度

在不影響生產(chǎn)率的前提下，減小動(dòng)梁空程下降行程和降低下降速度，可有效降低充液氣穴現(xiàn)象發(fā)生的幾率。這是因?yàn)樵趩挝粫r(shí)間內(nèi)動(dòng)梁下降形成的主油缸活塞腔的容積增長(zhǎng)率降低，填充這部分容積時(shí)油液的絕對(duì)壓力值降低幅度減小，有利于避免油液的絕對(duì)壓力低于空氣分離壓情況發(fā)生，故可以有效降低氣穴產(chǎn)生。

5.2 增大上油箱氣容積

適當(dāng)增加上油箱的氣壓及氣容積，可有效改善充液階段氣穴現(xiàn)象。在動(dòng)梁空程下降的過(guò)程中，溫度的變化非常小，可以視為不變，根據(jù)波義爾-馬略特定律，氣體在溫度不變的情況下，一定量氣體的壓力和它的體積的乘積為恒量，亦即

式中：

P1—?jiǎng)恿涸诳粘唐鹗嘉恢茫ù龣C(jī)位）時(shí)的上油箱氣壓；

V1—?jiǎng)恿涸谄鹗嘉恢茫ù龣C(jī)位）時(shí)的上油箱氣容積；

P2—?jiǎng)恿嚎粘滔陆颠^(guò)程中任意時(shí)刻的上油箱氣壓；

V2—?jiǎng)恿嚎粘滔陆颠^(guò)程中任意時(shí)刻的氣容積，且由式（1）可推導(dǎo)出如下關(guān)系：

式中：

A—主油缸活塞面積，在動(dòng)梁運(yùn)動(dòng)過(guò)程中定值；

H—?jiǎng)恿嚎粘滔陆颠^(guò)程中任意時(shí)刻的行程，亦即動(dòng)梁從空程起始位置到該時(shí)刻的距離。

由上述兩式可推導(dǎo)出，

從式（3）知，當(dāng)增加氣容積V1后而初始?xì)鈮篜1不變的情況下，可以增大動(dòng)梁下降過(guò)程中任意時(shí)刻P2的絕對(duì)值，相應(yīng)地，過(guò)程管道中的油液絕對(duì)壓力值降幅也減小，有利于避免充液氣穴。

此外，還可以提高充氣壓力，由式（3）知，當(dāng)增大空氣壓力P1時(shí)，即使氣容積沒(méi)有擴(kuò)大，相應(yīng)的P2也升高，也有利于避免充液氣穴的產(chǎn)生。但增加充氣壓力會(huì)導(dǎo)致上油箱的聯(lián)接螺釘受到更高幅值的交變載荷，容易使螺釘失效。故在增加充氣壓力的同時(shí)，必須在螺釘連接設(shè)計(jì)上有所補(bǔ)強(qiáng)。

5.3 充液過(guò)程管道優(yōu)化

在不影響主機(jī)力學(xué)性能的前提下，增大充液管道及減少充液管道的形狀突變，也可以有效降低充液氣穴現(xiàn)象。采用直管比采用彎管的沿程壓降以及局部壓降小，故直管充液時(shí)，油液的絕對(duì)壓力更容易高于空氣分離壓，避免氣穴。

此外，根據(jù)流量與壓力關(guān)系

式中：

qv—管道內(nèi)的流量；

Cq—流量系數(shù)；

△p—壓差；

d—過(guò)流直徑；

ρ—油液密度。

由式（4）可知，管內(nèi)流量與過(guò)流管徑成平方反比關(guān)系。故油液在細(xì)管中的流速高于粗管中的流速，且在習(xí)慣中油液摩擦損失增加，壓降增高。導(dǎo)致油液在習(xí)慣中的絕對(duì)壓力下降，更容易低于空氣分離壓。

故在主機(jī)受力允許的前提下，增大充液的過(guò)程管道，可以有效降低充液氣穴現(xiàn)象的發(fā)生，從而避免氣蝕。

6 結(jié)論

（1）降低動(dòng)梁空程下降速度，減小空程下降行程，可有效降低充液氣穴現(xiàn)象。

（2）增大上油箱氣容積及增加上油箱氣壓可有效降低充液氣穴現(xiàn)象，但增加氣壓壓強(qiáng)時(shí)須考慮上油箱聯(lián)接螺釘?shù)慕蛔冚d荷情況，并作相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)。

（3）在不影響主機(jī)架受力情況的前提下，充液管道盡量使用直通道及盡量擴(kuò)大充液通道。