氣泡對機床液壓系統(tǒng)的危害和預防措施

張慶良

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，河北 邯鄲 056005)

0 引言

在國家現(xiàn)代化建設進程中，國民經(jīng)濟的各個領域大量使用機床加工工具。其中有些機床使用液壓作為動力源，通過液壓油把動力傳遞給執(zhí)行元件，以達到工作目的。

液壓傳動系統(tǒng)基于液壓油的不可壓縮性來傳遞動力。在實際機床應用中，設計、維修人員考慮較多的是顆粒、水、酸性物質(zhì)對液壓油的污染，而忽視了空氣對油液的不利影響。

對于液壓傳動系統(tǒng)而言，過量空氣混入油液中會產(chǎn)生微小氣泡，因此會導致液壓油的體積彈性模量減小，從而影響系統(tǒng)正常工作；油溫升高會導致油液變質(zhì)而腐蝕液壓傳動系統(tǒng)元件；由于氣蝕而導致零件磨損；使系統(tǒng)產(chǎn)生噪音和振動。

1 液壓油氣泡的形成方式

液壓傳動系統(tǒng)工作于大氣環(huán)境中，因此系統(tǒng)中混有空氣難以完全避免。液壓油中空氣的形成方式為：混入式、溶解式。混入式，空氣以直徑為0.05～0.5mm 球狀氣泡形式獨立存在，懸浮于液壓油中；溶解式，空氣溶入油液中。

1.1 混入式空氣

液壓油中混入空氣量的多少取決于油液性質(zhì)、油液與空氣接觸環(huán)境與壓力、油液運動情況?？諝庵饕ㄟ^油箱、系統(tǒng)密封、過濾器和其他途徑侵入。

使用過程中，當油箱液面過低時，會導致吸油管無法埋入油面之下而吸入空氣；油箱的吸油管與回油管過近時，由于油液飛濺產(chǎn)生的氣泡可能會被吸油管吸入。系統(tǒng)密封不良或者油管有漏氣地方時，管路內(nèi)部壓力與外界環(huán)境的壓力差也會迫使空氣混入油液中。過濾器堵塞或者過濾能力不足時，液壓傳動系統(tǒng)吸油受阻也會形成局部真空，從而導致吸入空氣。更換液壓系統(tǒng)元件后，器件內(nèi)的空氣也會由液壓油推入到系統(tǒng)中。

1.2 溶解式空氣

此種混入空氣量的多少和壓力有關(guān)。在確定溫度下，壓力越高，則溶解于油液中的空氣越多。由于空氣溶于液壓油分子之中，因此溶解的空氣對液壓油物理力學性能并無直接影響。但是當溶解式空氣達到飽和狀態(tài)后，由于某種原因，例如流經(jīng)節(jié)流閥口等狹縫時，油液流速激增，壓力驟降，會導致系統(tǒng)局部壓力下降。壓力下降達到一定值之后，溶解于液壓油中的空氣會從油液中析出，并會以微小氣泡或雜質(zhì)為核心迅速聚集長大，并在油壓作用下，在液壓油中形成較大氣泡。在流體力學中，這種現(xiàn)象稱為氣穴，此時的壓力值稱為空氣分離壓力。

2 氣泡對液壓系統(tǒng)的危害

氣泡在液壓系統(tǒng)的各個元件中運動時，由于壓力變化會造成其在氣-液兩態(tài)內(nèi)交替變化，從而影響液壓油的力學性能和化學穩(wěn)定性，造成油泵及其他液壓系統(tǒng)元件工作條件的變化。

2.1 影響液壓系統(tǒng)正常工作

在無空氣混入情況下，液壓油的壓縮率為(5-7)×10-10m2/N。即當壓力增加為10MPa 時，液壓油容積減少為0.5%～0.7%，因而可認為液壓油為不可壓縮液體。而一旦混入空氣后，壓縮率大幅增加，體積彈性模量銳減，結(jié)果如圖1所示。

圖1 混入空氣量體與積彈性模量和壓力關(guān)系

對于要求定位精確，反應迅速的液壓系統(tǒng)而言，傳動剛度是重要性能指標。傳動剛度與油液體積彈性模量有關(guān)，空氣混入量加大，體積彈性模量減少，傳動剛度下降，機床運動精度下降，執(zhí)行動作產(chǎn)生誤差，工作穩(wěn)定性變差。

2.2 油質(zhì)劣化

氣泡在油泵內(nèi)受到瞬間壓縮，相當于絕熱壓縮工況，氣泡溫度會急劇上升，導致系統(tǒng)局部高溫，甚至會引起油液燃燒。據(jù)鈴木隆司[1]估計，35℃的氣泡加壓到3.5MPa 時，溫度可達580℃。

局部高溫會產(chǎn)生如下后果：金屬剝蝕；氧氣和油中的碳氫化合物反應，即油液氧化后，油液顏色變深，粘度上升；氧化物無法溶解于油液中，極易堵塞系統(tǒng)元件；油溫低于60℃時，氧化作用不明顯，高于60℃時，溫度每升高10℃，氧化作用加倍，服務壽命減半。[2]

油溫升高、粘度上升、氧化作用三者互相作用，最終導致油液劣質(zhì)廢棄；油液中的各種添加劑受到破壞；影響潤滑性能，油質(zhì)劣化后會導致油液與金屬磨擦表面形成的油膜強度不足以承受工作負荷壓力，從而使金屬表面互相接觸，加劇金屬零件磨損；影響密封性能，油溫過高會導致密封元件老化，影響其性能。

2.3 氣蝕現(xiàn)象

在不同壓力區(qū)域內(nèi)，油液中的氣泡可在氣態(tài)和液態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化。到達高壓區(qū)域時，氣泡周圍的高壓液體迫使氣泡體積減小，以致破裂。氣泡所占空間由周圍區(qū)域的油液補充，產(chǎn)生了頻率高達上萬赫茲的油液質(zhì)點撞擊，高壓可以形成數(shù)百甚至上千個大氣壓的沖擊現(xiàn)象。[3]這種現(xiàn)象稱為氣蝕，氣蝕沖擊波會擊打液壓件，加上液壓油中溶解的微量氧對金屬器件的化學腐蝕作用，金屬會產(chǎn)生疲勞裂紋。因而會加重應力集中，如此反復，加之電化學腐蝕，金屬侵蝕更為嚴重。

2.4 噪音和振動

如前所述，當油液流經(jīng)狹縫時，速度上升，壓力下降。當系統(tǒng)某處壓力低于空氣分離壓時，原來溶解于油液中的空氣將會分離出來，導致油液中出現(xiàn)大量氣泡，即形成氣穴。當含有氣穴的油液再度達到高壓區(qū)域時，氣泡會再被壓縮，體積再次變小，能量密度更高。當高壓達到一定限度時，氣泡會被壓破而產(chǎn)生噪音和振動，金屬器件表面會受到腐蝕。如果是附著于管路或油泵上的氣泡淹沒，從宏觀上看，還會引起局部區(qū)域的壓力和波動。通常油液中氣泡的體積變化為：[4]

式中，P0為油液初始壓力，單位：Pa；Vg為油液氣泡體積，單位：ml；γ 為氣體絕熱指數(shù)，絕熱壓縮時為1.4，等溫壓縮時為1；P 為油液工作壓力，單位：Pa；ΔVp為氣泡被壓縮后的體積變化，單位：ml；ΔVd為氣泡溶解的體積變化，單位：ml；T1為油液初始溫度，單位：K；T2為油液工作溫度，單位：K。

假定氣泡內(nèi)壓力變化在短時間內(nèi)完成，為絕熱壓縮工況，γ 為1.4；同時由于液壓系統(tǒng)可有效控制油溫，油液初始溫度T1和油液工作溫度T2相同。則當油液氣泡壓縮后體積為壓縮前體積的1/100時，由公式(1)可得氣泡內(nèi)壓力為初始壓力的631倍。

3 氣泡去除方法

在機床液壓系統(tǒng)的設計和應用中，應當采取措施消除液壓油中的氣泡。例如使用合適粘度的液壓油，過高粘度液壓油會使機床的控制反應速度減慢，并且也會由于液體摩擦而使油液升溫，或者造成液壓泵吸塵而易產(chǎn)生氣泡。

其他措施包含：改進油箱設計，應用自然消除法；使用離心式液氣分離器消除氣泡；使用真空箱消除氣泡，此種方法最佳，但成本亦最高。

3.1 自然消除法

油箱容積大有利于去除氣泡，美國行業(yè)規(guī)定油箱容積為系統(tǒng)流量的3倍及以上；油箱最高液面之上應留出相當于油箱總?cè)莘e1/5的空氣容量；油箱水平面積應大于垂直截面積，以延長油液在油箱內(nèi)駐留時間；在油箱中設置金屬網(wǎng)以消除氣泡，要求金屬網(wǎng)前后壓差不能過大，并且過流面積要大。在最低液面之下設置于回油和吸油區(qū)域之間60～100目(網(wǎng)孔直徑為0.15～0.25mm)的金屬網(wǎng)，并與油箱底部成30°傾角，可以消除90%的氣泡，但這種方法對微小氣泡去除能力較差。

呼吸器的額定容量一定要大于工作時各分支液壓泵流量的1.5倍，以防油箱內(nèi)形成真空而導致吸油不暢使空氣進入系統(tǒng)；回油管出口不宜平直，應為45°斜口，斜面應面向箱壁；回油管路上可加裝擴散器，回油管距離箱底為其直徑的2～3倍，以防回油飛濺產(chǎn)生氣泡；回油管口和吸油管口盡可能遠一些，并在兩管路之間設置隔板，一是可使油液繞行，增加油液在回油區(qū)駐留時間，二是可防止回油飛濺攪拌作用而產(chǎn)生氣泡，但這種方法對較大氣泡去除效果較差。

依據(jù)斯托克斯公式可知，氣泡在液壓油中做勻速運動時，氣泡在油液中所受阻力和氣泡自重之和等于氣泡在油液中所受的浮力，即有：

式中，μ 為液壓油動力粘度，取為3×10-2Pa·s；v 為氣泡上浮速度，單位：m/s；r 為氣泡半徑，單位：m；ρa為空氣密度，1.29 Kg/m3；ρf為液壓油密度，9×102Kg/m3。

對于直徑為0.3mm 的氣泡而言，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)后可得v=1.47×10-3m/s，即氣泡每分鐘上浮約88mm。由于氣泡上浮速度較慢，因此單純依靠氣泡浮出效果較差。

液壓管路設計要點：吸油管要短，彎曲部分要少，直徑依據(jù)管內(nèi)流速、流量確定，適度加大吸油管內(nèi)徑，以免限制內(nèi)部油液流速，以便減少吸油管內(nèi)壓力損失，并應避免過細，避免管內(nèi)阻力過大，避免壓力降低至空氣分離壓之下而發(fā)生氣穴；管路連接部分應嚴格密封，以防空氣侵入形成氣泡；作為泄露用途的油管應單獨設置，不得與回油管共用；管路最高位置可設排氣機構(gòu)，以泄放液壓系統(tǒng)的空氣；合理設計限速機構(gòu)，防止運動元件速度發(fā)生過快變化；同時在大慣性執(zhí)行機構(gòu)在工作過程中急?；驌Q向時，應設置補油回路，防止在吸油腔中形成氣穴。

吸油過濾器的過濾精度為0.04～0.1mm，容量為機床最大流量的2倍，以保證油液流經(jīng)過濾器時順暢，如果容量過小，則會造成吸油不足，形成真空，產(chǎn)生氣泡；相應的吸油管路應按照加大直徑設計，以增加油液的通過能力。節(jié)流孔前后的壓差之比應小于3.5，或者采用特定結(jié)構(gòu)。例如，楊長安試驗指出，軸向三角槽角度為8°，開度為0.44mm 和角度為1.77°，開度為2mm 時，即使節(jié)流孔前后的壓差比達到300，也不會產(chǎn)生氣穴。[5]

3.2 離心式液氣分離器

離心式液氣分離器主要由進油腔、工作腔、出油腔、導向輪葉片、排氣管組成，如圖2所示。液壓油從切線方向進入進油腔后，在導向輪葉片作用下，沿著工作腔錐形壁由大直徑端向小直徑端作螺旋加速運動。此時產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：其一，油液質(zhì)量高于氣泡質(zhì)量，在離心力作用下，油液在外側(cè)移動，氣泡向中心軸線聚集；其二，中心軸線處壓力隨轉(zhuǎn)速增加而減小，因而油液在工作腔中心軸線附近壓力最低，但即使如此，此最低壓力仍高于出油腔入口處壓力。在上述壓力作用下，氣體通過排氣管排出，油液通過出油口排出，實現(xiàn)去除氣體目的。

圖2 離心式液氣分離器

3.3 真空箱

使用真空箱去除氣泡示意圖如圖3所示。

調(diào)定帶壓力表減壓閥8和帶壓力表減壓閥10的壓力，并使P8＞P10。兩位三通閥12失電，單桿雙作用缸13的無桿腔通高壓氣P10，在此壓力作用下，單桿雙作用缸13的活塞帶動活塞式蓄壓器14的活塞右移?；钊叫顗浩?4中的油液轉(zhuǎn)移到油箱15，直到活塞運動到最右端。然后，兩位三通閥12得電，單桿雙作用缸13的有桿腔接通高壓氣P8，活塞式蓄壓器14活塞向左移動，油箱15液面下降，油箱上部形成真空。真空泵1打開，達到絕對真空后，兩位五通閥9得電，單桿雙作用缸5活塞右移，插裝閥4打開，真空泵1開始對油箱抽真空。當達到設定壓力后，兩位五通閥9失電，單桿雙作用缸5活塞左移，插裝閥4關(guān)閉，靜置一段時間以便氣體充分析出。兩位三通閥12失電，單桿雙作用缸13的有桿腔接通大氣，無桿腔在高壓氣P10作用下推動活塞右移，并帶動活塞式蓄壓器14活塞向右移動，油箱液面上升，抽真空結(jié)束。

圖3 真空箱組成結(jié)構(gòu)簡圖

4 結(jié)語

歸納了液壓油氣泡的形成方式：混入式空氣和溶解式空氣。指出了氣泡對液壓系統(tǒng)的危害，包含影響液壓系統(tǒng)正常工作、油質(zhì)劣化、氣蝕、噪音和振動?？捎行怏w進行分離的氣泡去除方法為自然消除法、離心式氣液分離器、真空箱法。