液压伺服系统中气泡的危害及处理对策.PDF

第 5期 总第 9 8期 N o ． 5 S U M N o ． 9 8 机械管 理开 发 MEC HANI CAL MANAG EMEN T AND DEVE L OP ME NT 2 o 0 7年 1 O月 Oc t ． 2 0 o 7 液压伺服 系统中气泡的危害及处理对策 杨 小辉 中船 重工集 团第七一O研究所湖北宜昌4 4 3 0 0 3 【 摘要】 分析了液压伺服系统中的溶解空气和掺混空气的来源， 以及对高频电液伺服 系统产生的主要危害， 提出 了常见的处理 办法。 【 关键词】 液压油； 气泡； 液压伺服系统 【 中图分类号】 T H1 3 7 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 3 7 7 3 X 2 0 0 7 0 5 0 0 4 0 0 2 0 引 言 随着现代液压技术的应用和发展 。可靠性和使用 寿命 问题就显得尤为突出。 实践表明 导致液压系统故 障原因5 0 ％以上是污染。 液压系统的污染 ， 指的是混杂 在工作介质中对系统有害的各种物质 ， 主要有 固体颗 粒、 水、 空气和污染能量等都影 响液压系统 的可靠性 。 如油液中混入空气 。会引起气蚀 。降低液压系统的刚 度 ， 对高频电液伺服系统的影响更为突出， 甚至会导致 系统失稳。本文着重就如何解决油品中的气泡问题进 行 阐述 1 油液中气泡的产生及危害 1 ． 1气泡 的产 生 油液 中混入 的气泡 主要分为溶解空气 和掺混空 气。溶解空气是指溶解在油液 中的气体 。溶解空气的 溶解量服从亭利定律 。就是在一定温度下溶解的气体 体积 量和压 力成 正 比 。 用 溶解度6 ％来表示溶解 的程 度 6 ％ v j v ％ 。 式中 为溶 解 的空气 体积 ； V 。 为油液的体积。 空气 的绝对 压 力为P 时，其溶解度为6 8 o P， 8 o 在大气压下 油液中空 气 的溶解度 。常用液压油 的溶解 度6 ％与 压力 的关 系如 图 1所示 ．在 静 止 状 态下溶解度与时间的关系 如 图2 。 从 图2 可知 这 是 一 个 溶解速度的问题 。取决于 气泡 周 围油 液 的 流 动状 态 。当气泡附近的油液将 空气 溶解后 就饱 和了 ， 如 压力 Xl O P a 1 一 硅油 ； 2 一 矿物油 ； 3 一 油 、 水、 乳化液 ； 4 一 磷酸酯 5 一 水、 乙二醇 图1 溶解度与压力关 系图 图2溶解 度随时间关 系图 作者简介 杨 小辉， 男， 1 9 7 8 年 生， 东北大学毕业， 助工。 4 0 果饱和 的油扩散不剧烈 ， 溶解停止 ， 溶解速度并不快 ， 因此油中的掺混气泡要通过系统高压区来全部溶解是 不太可能的。 然而液压油在生产 、 储运及 出厂前的过滤 等工作都是在大气压力下进行的．因此油液中含有空 气是不可避免的 ， 少量溶解于油液 中的空气 ， 对油液 的 物性没直接影响，但溶解于油液中的空气随着油液是 流动的。因为油液流动而造成的压力下降又会分析 出 空气来， 这是油 中气泡的潜在来源 。 掺混空气 以直径约为0 ． 2 5 m m～ 0 - 3 mm的球 状气 泡悬浮于油 中 。掺混空气 的生成有两种方式 1 溶解 了一定数量 空气并处 于饱 和状态 的油 液 。 流经节流 口、 泵人 口段或液压缸处 。 当绝对压力下 降到油液的饱 和蒸汽压或空气分离压时。油 中过饱 和 空气就被析出。使原溶解于油中的微细气泡聚集成较 大的气泡 出现在系统中。 2 主要是通过油箱和泵的进油管掺混入油内 ， 如油箱油面太低 ，泵吸人管 口半露于油面或淹深很浅 时 ， 均可将空气吸人 ； 若泵的进油管路漏气 ， 则大量 的 空气会被吸人 ； 再如系统回油管 口高于油箱油面时， 高 速喷射的系统 回油卷带着空气进人油中 。再度经油泵 带人系统。 1 ． 2对 系统的危 害 从系统工作质量 的角度分析 。油液中气泡对系统 的危害主要有以下几个方面。 1 ． 2 ． 1 系统工作性能变差 油液是液压传动系统中动力的传递介质 。纯净 的 液压油 ， 其压缩-8 约为 5 8 x l 0 MP a ～， 即压力增 加1 0 MP a 时 ， 容积被压缩减少仅为0 ． 5 ％～ 0 ． 8 ％。 因而在 通常情况下认为油是非压缩性流体 ，可不考虑其压缩 性。一旦油中混入空气 ， 其压缩率就会大幅度增加 ， 导 致伺服系统出现多种问题 1 伺服系统失稳。阀控油缸液压固有频率∞ 为 厂 一 ∞ 、 ／ 4 A／ ／3 v p t , r a d ／ s 。 维普资讯 第 5期 总第 9 8期 机 械管 理 开 发 2 0 0 7年 1 0月 式中 为伺服缸油腔有效工作面积， m ； V 为伺服缸油 腔总容积 含伺服 阀和管道的折算部分 ， m ； 为伺服 缸活塞及负载 的总质量k g 。 通常液压 固有频 率6 0 远大于伺服 系统 的工 作频 率 ，当液压油的压缩率 大幅度增加后 ， 6 0 就会大幅度 减小 ， 甚至出现在系统 的工作频段 内， 导致伺服系统失 稳 。 2 系统迟滞增大 ， 工作可靠性降低 。 当油液的压 缩率增大后 ， 需要更多的液压油才能到达预定 的位置。 因此 ， 系统 的反应速度会相应降低 ， 更严重者可能造成 工作机构产生间歇运动 。 1 ． 2 ． 2 油 温升 高 气体在瞬间压缩之后 ， 其温度会急剧升高 ， 达到一 定温后 ， 周 围的油便会产生燃烧 ， 这是产生系统油温骤 然升高的主因。然而空气导热性能差 ，油中存有气泡 时 ， 其导热系数降低 ， 又严重影响着油的冷却效果。油 温升高带来 的不 良后果有以下几个主要方面 1 加速油的氧化 。 根据氧化的机理可知 ， 油温在 6 0℃以上时每升高 1 0℃， 氧化速度成倍递增 。油温 的 升高是促进油液氧化的主要原因。氧化后的油液通常 都会生成酸性化合物， 引起系统 中金属件 的腐蚀 ， 所 以 更容易产生渣泥 ， 并污染油液 ， 连 同铁锈 、 金属屑等机 械杂质又作为氧化过程的催化剂 ， 使油液加速氧化。 2 油的润滑性能下降 。性能 良好的油液能在金 属摩擦表面形成牢固的油膜。油膜的强度和厚度取决 于油液 的质量 ，变质 的油液其油膜强度不足 以承受工 作负载压力 ， 致使金属表面互相接触 ， 从而导致摩擦力 增加 。 加速零件磨损。 3 加速密封件老化 。液压系统中采用 的密封件 均 由不同化学成分的材料制成 的，不但要求与油液有 良好的相容性 ， 而且还要求有适当的工作油温， 如油温 超过密封件的耐热温度 ， 便会使其加速老化 ， 失去应有 的弹性 ， 而导 致 密封 性能 丧失 。 1 ． 2 ． 3 气蚀 的 产生 工作时， 油中气泡被油液带到高压 区， 体积急剧缩 小 ， 气泡又重新溶解入液体 ， 使局部区域形成真空 ， 周 围液体质点以高速来填补这一空间 ，质点互相碰撞 而 产生局部高压 ， 形成液压冲击 ， 使局部压力升高可达数 百甚至上千大气压力 ，如果 这个局部液压冲击作用在 固体壁面上 ， 可引起 固体壁面 的剥蚀 ， 即气蚀现象 ， 它 对 系统的危害性很大。同时油 中气泡还能引起系统 的 振动和噪声 的增加 以及泵 的容 积效 率减低等 不 良影 响 。 2 气 泡 去 除的 方 法 1 油箱除气。处理油液中的气泡 ， 一般都是利用 系统中必备的油箱 ， 在油箱的结构上采取多种措施 ， 如 水平截面尺寸大于油液深度 、设置隔板以延长油在油 箱 内的停 留时间、进 出油 口尽量安置得远些以及体积 要大等。 ‘ 2 离心分离除气。利用油液和空气 的比重不同， 在离心力作用下 ， 气泡向旋转中心聚集 的原理 ， 把油液 中的空气强制分离出来 ，强制式气泡去除器主要 由进 油腔、 工作腔 、 导向叶轮 、 出油腔及排气管等组成 。 当油 液从切线方 向进入油腔时，以一定的动能冲向导向轮 叶片 ， 在 叶片作用下 ， 液体作螺旋 加速运动 ， 由于油液 质量大于气泡质量 ， 在离心力作用下 ， 气泡向中心轴线 处集聚 ，中心轴线上的压力随着液流螺旋加速增加 而 递减 ， 在工作腔最小径处的中心压力最低 ， 气泡在中心 轴线上 的压差和接近中心液流的连带作用下 向工作腔 最小直径处运动 而集合 ，在工作腔与 出油腔结合处的 右侧附近 ， 液流 由于没有螺旋运动 ， 所 以此处的压力高 于出油腔入 口处 的压力 ，大量聚积起来的气体在压力 的作用下通过排气管排 出装置【” 。 3 真空除气 。 利用液压油不易气化挥发的特性 ， 将液压油加热至4 0℃～ 7 0℃，驱动液压油进入特定的 真空设备 ， 使液压油 中的气体挥发 ， 从而脱除液压油中 的气体。 3 结束语 工作频率越高的伺服系统 ，对液压油的要求也越 高，若工作频率与系统的固有频率接近就更需要好好 考虑这方面的因素。事实上液压传动系统 中的气泡很 难处理干净 ，上述的方法也不可能完全除去液压油中 的气体。 这样就只能通过生产实践获得一些经验 ， 结合 理论对其加以控制。 参考文献 [ 1 ] 雷天觉． 液压工程手册[ M ] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 0 ， 收稿 日期 2 0 0 7 ～ 0 1 3 1 修 回日期 2 0 0 7 0 6 1 9 Th e Ha r m 0 f Ai r Bu l b i n Hy d r a u l i c S e r v o S y s t e m a n d Tr e a t me n t Ya n g Xi a o h u i T h e 7 1 0 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a S h i p He a v y D u t y I n d u s t ri a l G r o u p ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 3 ， Hu b e i ， C h i n a [ A b s t r a c t ] T h e r e s o u r c e s o f mi x e d a i r ， a i r d i s s o l v e d i n h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m a n d t h e h a r m f o r h i g h f r e q u e n c y e l e c t ri c a n d h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m a r e a n aly z e d a n d t h e u s u a l t r e a t me n t me t h o d s a rc p r o p o s e d ． [ Ke y wo r d s ] H y d r a u l i c o i l ； A i r b u l d ； H y d u a u l i c s e r v o s y s t e m ． 41 维普资讯