徐成東

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川618000)

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液壓系統(tǒng)氣穴現(xiàn)象的成因分析及預(yù)防措施

徐成東

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川618000)

根據(jù)相關(guān)流體動力學(xué)理論，對經(jīng)過閥孔的液流和泵的吸油管路進(jìn)行了計算。結(jié)合液壓系統(tǒng)氣穴現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理，分析了多種情況下氣穴現(xiàn)象的成因，對液壓系統(tǒng)在生產(chǎn)實踐中的使用提出了預(yù)防措施，并對廣大從業(yè)人員提出了一些建議。

液壓系統(tǒng);氣穴;壓力

在液壓系統(tǒng)中，如果某點處的壓力低于油液所在溫度下的空氣分離壓時，原先溶解在液體中的空氣就會分離出來，使液體中迅速出現(xiàn)大量氣泡，這種現(xiàn)象稱為氣穴現(xiàn)象。當(dāng)壓力進(jìn)一步減小而低于液體的飽和蒸氣壓時，液體將迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸氣氣泡，使氣穴現(xiàn)象更加嚴(yán)重。氣穴所產(chǎn)生的大量氣泡破壞了液體的連續(xù)性，降低了管道的通油能力，造成液壓系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

氣穴所產(chǎn)生的氣泡隨著液體運動到高壓區(qū)時會形成氣蝕現(xiàn)象。氣蝕會縮短元件的壽命，影響液壓元件的使用可靠性。

1　成因分析及預(yù)防措施

1.1通過閥孔時產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象

液流經(jīng)過閥孔時會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。以某閥的節(jié)流孔為例(如圖1所示)，液流經(jīng)過節(jié)流孔前后的壓力分別為p1、p2, 速度分別為v1、v2, 液體密度為ρ，飽和蒸氣壓為pv。表征氣穴的相似判據(jù)為氣穴系數(shù)，見式1。

(1)

實際液體的伯努利方程見式2。

(2)

式中，h為液體距離基準(zhǔn)水平面距離；ρ為液體密度；p為液體壓力;v為液流流速;a為動能修正系數(shù);hw為能量損耗。

圖1　液流通過閥孔示意圖Figure 1　Schematic drawing of fluid flow　through the valve hole

當(dāng)節(jié)流孔沿水平方向布置時，前后高度差為零，位能無變化，即ρgh1=ρgh2。當(dāng)節(jié)流孔布置方向與水平面成一定夾角或垂直布置時，液體位能的變化量相對于動能和壓力能的變化量是可以忽略的，即ρgΔh<<Δp+Δav2/2。忽略能量損耗hw，取a1=a2=1, 式2可簡化為式3。

(3)

假設(shè)1-1截面和2-2截面的面積分別為A1和A2，根據(jù)流量連續(xù)性方程得A1v1=A2v2。由于A12>>A22,因此v12<

(4)

將式4代入式1得：

(5)

查相關(guān)液壓手冊得知油液的飽和蒸氣壓相當(dāng)小，即pv<

(6)

實驗測定得出節(jié)流孔的臨界氣穴系數(shù)kL為0.4，代入式(6)得：p1/p2=3.5，即節(jié)流孔前后壓力比為3.5時，節(jié)流孔處將發(fā)生氣穴現(xiàn)象。事實上，在使用伯努利方程推導(dǎo)上述公式時，忽略了液流經(jīng)過節(jié)流孔后的能量損耗，致使液流經(jīng)過小孔后的實際壓力小于理論計算值。換句話說，壓力比p1/p2的實際值大于理論計算值。因此，當(dāng)壓力比p1/p2接近3.5時，節(jié)流孔后將發(fā)生氣穴現(xiàn)象。

1.2在液壓泵的吸油口產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象

圖2所示為泵的油液吸入管路。

Pa—油箱內(nèi)油液的靜壓值　Hs—油液吸入高度　Vs—泵吸入口處的流速　Ps—泵吸入口處的壓力圖2　泵的吸油管路示意圖Figure 2　Schematic drawing of pump suction line

∑ξvs2/(2g)為吸入管道內(nèi)的能量總損失，包含沿程壓力損失和局部壓力損失。依照伯努利方程有：

(7)

整理式7得：

(8)

假設(shè)油液的空氣分離壓為pg，并定義

(9)

NPSH(NetPositiveSuctionHead)為凈正吸入壓頭，此處亦稱有效吸入壓頭，表征泵產(chǎn)生氣穴的傾向[1]。設(shè)油液在泵內(nèi)的壓力損失為Δp，則在泵內(nèi)不發(fā)生氣穴現(xiàn)象的條件為：

(10)

通過以上分析可知，為了避免泵內(nèi)產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，NPSH值應(yīng)盡可能大。結(jié)合式8可以得出，欲提高NPSH值，可設(shè)法增大油箱內(nèi)液體的靜壓值，或減小泵的油液吸入高度和吸油管內(nèi)的總能量損耗。具體地講，可以采取以下措施：

(1)使用壓力油箱，或使用大流量泵時采用輔助泵供油，將一定壓力的油液輸送至泵的吸油口。此舉是為了提高油液的初始靜壓值pa。

(2)降低油液吸入高度。大流量泵可以將油箱高置。

(3)采用內(nèi)徑較大的吸油管，并盡量少用彎頭。增大吸油管端的過濾器容量，減小吸油阻力。各元件連接處要密封可靠，防止空氣進(jìn)入。此舉是為了降低吸油管內(nèi)的總能量損耗。

1.3執(zhí)行元件在工作時因進(jìn)油腔供油不足產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象

圖3為一提升重物用液壓系統(tǒng)原理圖。

圖3　提升重物用液壓系統(tǒng)原理圖Figure 3　Principle Diagram of hydraulic system　used for lifting heavy weight

換向閥7右位工作時，液壓泵排出的油液進(jìn)入液壓缸8的無桿腔，重物上升。換向閥7左位工作時，油液進(jìn)入液壓缸8的有桿腔，重物下降。當(dāng)重物下落時，液壓缸8的活塞桿在重物的作用下會迅速下降，這時液壓缸的進(jìn)油腔會因為供油不足而產(chǎn)生局部真空，繼而產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。

為了防止氣穴現(xiàn)象的發(fā)生，可增設(shè)單向閥4和油箱，單向閥4作為補(bǔ)油閥使用。重物下落時，由于進(jìn)油腔壓力下降，在壓差的作用下，單向閥4打開，從油箱補(bǔ)油至液壓缸進(jìn)油腔，避免真空和氣穴現(xiàn)象的發(fā)生，使液壓缸運行平穩(wěn)[2]。

即便如此，如果單向閥4補(bǔ)油不夠及時快速，或者說流量不足以彌補(bǔ)因重物快速下落產(chǎn)生的局部真空時，仍會發(fā)生氣穴現(xiàn)象。此種情況下，可以采用較大額定流量的補(bǔ)油單向閥，增大補(bǔ)油管路內(nèi)徑，或在補(bǔ)油油箱低置時降低補(bǔ)油管路高度。

1.4生產(chǎn)實踐中氣穴現(xiàn)象的其它預(yù)防措施

除了上述氣穴現(xiàn)象的預(yù)防措施外，在生產(chǎn)實踐中還有一些其它的措施和方法可以采用。

(1)合理選用、使用液壓油?？蛇x用抗泡性好的液壓油，防止油液內(nèi)產(chǎn)生氣泡。提高液壓油的純凈度，防止油溫過高。

(2)對于新安裝的設(shè)備或長時間未使用的設(shè)備，使用前要設(shè)法排除系統(tǒng)內(nèi)空氣。可在使用前將系統(tǒng)注滿油液，排除其中空氣，或在執(zhí)行元件(例如液壓缸)上增設(shè)排氣裝置。

(3)控制液壓污染。液壓污染必然造成系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)增多，雜質(zhì)表面容易附著一些空氣，進(jìn)而加劇氣穴現(xiàn)象的發(fā)生。

(4)正確、合理、科學(xué)地進(jìn)行液壓系統(tǒng)、元件、工作介質(zhì)的使用、維護(hù)與保養(yǎng)。

2　結(jié)論

液壓系統(tǒng)中氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是多種多樣的。到目前為止，尚不能完全避免和消除氣穴現(xiàn)象。廣大從業(yè)人員一定要認(rèn)識到氣穴現(xiàn)象的危害以及預(yù)防控制氣穴現(xiàn)象的必要性。作為液壓元件和設(shè)備供應(yīng)廠家，應(yīng)努力提高產(chǎn)品的制造質(zhì)量。作為液壓設(shè)備的使用人員，要擴(kuò)充自己的理論知識、提高自己的技術(shù)水平并不斷總結(jié)使用過程中的經(jīng)驗。條件具備時，可使用相關(guān)的儀器儀表檢測氣穴現(xiàn)象或從實際出發(fā)設(shè)計相應(yīng)的檢測裝置，也可設(shè)計適當(dāng)?shù)臍庋ㄏb置或采取科學(xué)合理的技術(shù)手段，最大限度避免氣穴現(xiàn)象的發(fā)生，保證液壓系統(tǒng)的正常運行，提高液壓系統(tǒng)的運行效率。

[1]章宏甲，黃誼. 液壓傳動[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1998：63.

[2]孫立峰, 呂楓. 工程機(jī)械液壓系統(tǒng)分析及故障診斷與排除[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2014：41.

編輯李韋螢

Cause Analysis and Preventive Measures for Cavitation in Hydraulic System

Xu Chengdong

Fluidflowingthroughthevalveholeandsuctionlineofthepumphavebeencalculatedaccordingtorelatedhydrodynamicstheory.Basedontheoccurrencemechanismofcavitationinhydraulicsystem,causeanalysisofcavitationhasbeenconducted,andthepreventivemeasureshavebeenputforwardforthehydraulicsysteminproductionpractice.Someadviceshavebeensuggestedforthosepractitioners.

hydraulicsystem;cavitation;pressure

2016—03—14

徐成東(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事工程機(jī)械液壓系統(tǒng)分析及故障診斷方向的教學(xué)與研究。電話：18980116736，E-mail:397083553@qq.com

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