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港榆介紹氣泡對液壓系統的危害及解決方法

2017/12/23 11:58:08

香港港榆油壓設備有限公司力士樂液壓泵技術部介紹氣泡對液壓系統的危害及解決方法。


一、油中氣泡的來源及其對液壓系統的危害

1.氣泡的來源

液壓油在生產、儲運以及系統在大氣壓力下工作,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)主要是通過油箱和泵的吸入管摻混入油內,如油箱油面太低,泵吸入管口半露于油面或 淹深很淺時,均可將空氣吸入;若泵的進油管路漏氣,則大量的空氣會被吸入;再如系統回 油管口高于油箱油面時,高速噴射的系統回油卷帶著空氣進入油中,又再度經油泵帶入系統 。

(2)實踐雖然證明溶解于油液中的空氣,對油的物理性質沒有什么直接的影響。但溶解了一 定數量的空氣處于飽和狀態的油液,流經節流口或泵入口段,當絕對壓力下降到油液的空氣 分離壓時,油中過飽和的空氣就會被析出,使本來溶解于油中的微細氣泡聚集成較大的氣泡 出現在系統中。

2、氣泡對系統的危害

從經濟性和系統工作質量的角度來看,油中氣泡對系統的危害是相當大的,主要有以下幾個 方面:

(1)系統工作不良。在液壓傳動系統中,油液是動力的傳遞介質,在沒有空氣混入的場合下,其壓縮率約為(5 ~7 )×10-10m3/N,也就是壓力增加10MPa時,容積僅被壓縮減少為0.625%。因 此,在一般 的液壓系統中可以認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 率便會大幅度增加,油液本身具有相當高的剛度或是大的體積彈性系數(壓縮率的倒數)則 大大減低,嚴重地危害著系統的工作可靠性,如自動控制失靈、工作機構產生間歇運動、被 加工件的廢品率增大等。由于氣泡引起的裝置誤動作還會發生機械及人身事故。

(2)油溫升高。氣泡如在泵等的瞬間壓縮之后,其溫度會急劇升高。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算的,例如,將35℃的氣泡加壓至3.5MPa時,其溫升可達到580℃ 。氣泡在達到高溫之后,其周圍的油便會產生燃燒,成為系統油溫驟然升高的主要原因。 然而空氣是難以導熱的,油中存有氣泡時,其導熱系數大大減低,嚴重地影響著油的冷卻效 果。油溫升高帶來的不良后果有以下幾個主要方面:

a.加速油的氧化。油溫的升高是促進油液氧化的主要原因。根據氧化的機理可知,油溫在60℃以上時每升高1 0℃,其氧化速度成倍遞增。氧化后的油液通常都會使粘度增加并生成酸性化合物,引起系 統中金屬件的腐蝕現象。并且氧化物的化學性質一般比熱解作用的產物更為活潑,所以更 容易產生渣泥,連同鐵銹、金屬屑等機械雜質又作為氧化過程的催化劑,使油液加速氧化 。一般希望油溫能在90℃以下,使其具有好的化學穩定性。

b. 油的潤滑性能下降。性能良好的油液能在金屬摩擦表面形成牢固的油膜。油膜的強度和 厚度主要取決于油液的質量。變質后的油液其油膜強度不足以承受工作負載的壓力,致使金 屬表面互相接觸,從而導致摩擦力急劇增加,加速零件的磨損,所以說油液的潤滑性對于液 壓裝置具有重要意義。

c.加速密封件老化。液壓系統中采用的密封件均由不同化學成分的材料制成各種形式的密 封圈 、墊,不但要求與油液有好的相容性,而且還要要求有適當的工作油溫,如油溫超過密封件 的正常耐熱溫度,便會使其加速老化,失去應有的彈性,而導致過早地喪失密封性能。

(3)導致氣蝕的發生。油中氣泡被油液帶到高壓區時,體積急劇縮小,氣泡又重新凝聚為液體,使局部區域形成真 空,周圍液體質點以高速來填補這一空間,質點互相碰撞而產生局部高壓,形成液壓沖擊, 使局部壓力升高可達數百甚至上千個大氣壓力。如果這個局部液壓沖擊作用在固體壁面上, 可引起固體壁面的剝蝕,稱之為氣蝕現象,它對系統的危害性很大。

油中氣泡還能起系統的振動和噪聲的增加以及泵的容積效率減低等不良影響。

二、傳統氣泡去除的解決方法

人們對氣泡研究及其危害性的認識雖然存在差異,但在液壓裝置的設計制造過程中均考慮了 氣泡的去除問題,那就是沿用至今唯一方法,即利用系統中必備的油箱進行氣泡的去除,盡 管在油箱的結構上采取了多種措施,如水平截面積大于油液深度、設置隔板而延長油在油箱 內的停留時間、進出油口盡量設置得遠些以及體積要大等。但從氣泡去除效果以及裝置結構 方面來看仍有下列不足:

1、氣泡去除的解決方法:氣泡去除效果差

采用油箱自然去除法,就是靠氣泡自身的浮力而自行浮至油面溶入大氣的方法。氣泡的直徑 一般為0.25~0.5mm,如果氣泡界面的油液沒有作向上運動的話,完全要靠自身浮力克服 油液 的摩擦阻力而向上運動。根據斯托克斯法則可知,氣泡的上浮速度與氣泡的大小及油液粘度 有關,也就是說上浮速度與氣泡大小成正比、與油液粘度成反比。如直徑為0.3mm的氣 泡在粘度為100×10-6m2/s的油液中每分鐘只上浮30mm。由于泵的攪拌作用,微細化后的氣泡再經閥口高速噴出成為乳化液狀氣泡,即使在油箱內滯留相當長的時間,靠自行浮上也是極其困難的。由此可見,僅靠油箱來去除氣泡,其效果是相當差的,研究和開發強制式氣泡去除裝置 勢在必行。

2、氣泡去除的解決方法:液壓裝置結構增大

油箱除具有儲油、冷卻功能之外,體積大的一個根本原因就是考慮到氣泡的去除,我國油箱 的體積一般為泵流量的3~5倍,美國行業規定油箱的體積不得小于泵流量的3倍。由于采用 大體積油箱,往往使裝置整體結構變大,且不經濟。

3、氣泡去除的解決方法:強制式氣泡去除器

(1)基本結構與原理

強制式氣泡去除器的基本結構如圖1所示。主要由進油腔、工作腔、導向葉輪、出油腔及排氣管等組成。當油液從切線方向進入油腔時,以一定的動能沖向導向輪葉片,在導向輪的作用下,液體作螺旋加速運動,由于油液質量大于氣泡質量,在離心力的作用下,氣泡向中心軸線處集聚 ,中心軸線上的壓力是隨著液流螺旋加速度的增加而遞減的,在工作腔最小直徑處的中心壓 力最低,氣泡在中心軸線上的壓差和接近中心液流的連帶作用下向工作腔最小直徑處運動而 集合,在工作腔與出油腔結合處的右側附近,液流由于沒有螺旋運動,所以此處的壓力高于 出油腔入口處的壓力,大量聚積起來的氣體在壓力的作用下通過排氣管排出裝置之外

(2)就謀求油壓系統高效率、低成本,把著眼點放在油的質量上,這種說法一點兒也不過份。從液壓裝置的使用成本來看,除了動力源耗能之外,就要數液壓油了。如果能延長油的使用周期,那么就可以使液壓系統長時間地處于高效率、低成本的良好狀態。事實說明,要使液壓 油長時間的質量穩定,關鍵的問題是要解決好油中混入空氣這一對油液危害最大的難題。對此,開發和應用強制式液壓油氣泡去除裝置有著十分重要的意義。

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