充液气穴对陶瓷液压自动压砖机性能的影响及应对措施

韦发彬，罗成辉

（佛山市恒力泰机械有限公司，佛山 528000）

1 前言

陶瓷液压自动压砖机（简称压砖机，下同）的工作循环包括：动梁空程下降（充液阶段）→低压1→排气1→低压2（可选）→排气2→高压→动梁空程回程。在空程下降时，因为属于无载荷但需要大量的油液填充活塞腔。为了节能，在此阶段不能使用压力油液填充，而是使用气压驱动上油箱的油液来填充动梁空程下降期间所形成的主油缸活塞腔容积。由于油液介质的绝对压力变化导致空程下降，充液通道及主油缸活塞腔容易产生气穴，影响压砖机的使用性能。

2 充液气穴产生的原因

液压油的气泡大多来源与气穴现象，气穴产生的条件主要有以下几个方面：

（1）当流体的绝对压力低于相应温度的饱和蒸气压以下时，将产生气泡。

（2）当流体压力下降到空气分离压时，溶解在液压油中的空气将被分离出来，将产生气穴。

液压油空气分离压力平均值为：1.33～60 Pa，其饱和蒸气压比空气分离压低。故当油液的压力低于空气分离压时，即使未低于饱和蒸气压也会发生气穴效应。

图1 充液过程示意图

如图1所示，压砖机在空程下降时，动梁（与主油缸刚性联接，示意图中未画出）下降，油液从上油箱通过充液通道流入主油缸活塞腔，形成油液对主油缸活塞腔容积的填充。从充液过程看，动梁高位时上油箱的气压较高，可达到0.2～0.3 MPa；低位时，视上油箱油量而定，在0.1～0.15 MPa之间。在整个动梁下降过程中，上油箱气压表显示值并没有低于空气分离压最大平均值0.06 MPa。但是在动梁下降过程中，主油缸活塞腔以及充液通道内的油压变化情况是：正压→负压→正压，负压产生的时间段为动梁加速和高速运行段，后面的正压时间段发生在的动梁减速段。负压现象尤其在动梁下降速度极快或者主活塞面积较大时尤为明显。

动梁加速和高速运动时，充液管道的压力值变化其实是从上油箱气压向负压的压差传递的。当油液通过收缩断面，流速升高，绝对压力降低。绝对压力为负压时，已经低于空气分离压力1.33～60 Pa，溶解在油液内的空气被分离出。

3 充液气穴对压砖性能的影响

由于结构的原因，实际的充液通道由多个断面截面积不等的通道组合而成，在上述的充液过程中，当流体由小截面通过扩大断面时，流动面积膨胀，流速下降，而压力再次回升，这导致压力恢复增加使油液压力高于蒸汽压力，在低于分离压力阶段产生的气泡被压缩甚至破裂并凝结成液体。在动梁减速段，动梁的速度又快转慢，油液的绝对压力递增，也会压缩气泡而发生气蚀。充液阶段在主油缸产生气蚀现象，对压砖机压制砖坯的性能影响十分恶劣。会导致加压缓慢，增加能耗并对液压元器件造成损坏。

充液产生的气穴，还会延续影响到充液后的压制阶段。充液结束后，在关闭充液阀开始压制时，压砖机的液压系统必须耗费额外的能量压缩充液阶段产生的气泡，并将稀松的油液压实，然后才能在主油缸内建立起压力。而压油所需能量与气穴的程度成正比。

在充液阶段产生的气泡油流，加压开始后气泡所占据的空间形成真空，四周的压力油液以高速流来填补真空。此过程发生在一瞬间，因此引发距离的局部液压冲击，在气泡缩小凝结的地方，压力和温度急剧升高。这种压力冲击引起震动和噪声。在低压1阶段再次发生气蚀。

压实油液除了增加能耗外，还会导致压制砖坯的时间增长，此点会导致压砖机生产效率的降低。譬如，低压1开始压制时的系统压力是18 MPa，如果充液效果好，那么低压1阶段系统压降0.3 MPa，耗时350 ms就完成主油缸最终压力为2500 kN的压制动作；反之，如果充液效果不好（气穴现象严重），则在相同系统压力情况下低压1阶段系统压降可能达到1 MPa，压制耗时600 ms才能完成主油缸最终压力为2500 kN的压制动作。

此外，由于压油消耗额外的能耗，压砖机的液压泵在补充能量时也会耗费更多时间来复位系统压力，此点也降低了生产效率。气蚀对液压元件、执行器的损害极为严重，是液压设备中应该杜绝的现象。

4 如何减少气穴现象的产生

实验显示，在降低速度以及减小空程下降行程时，可有效改善气穴现象。

表1 相同压制力的压制耗时及加压期间液压系统的压降情况

4.1 慢速运动对充液气穴现象的改善

在动梁空程下降行程相同的情况下，动梁下降速度越慢，对充液过程的气穴现象越有所改善。

表1显示采用相同的空程下降行程，不同的下降速度后，在压制阶段压制相同压制力的压制耗时以及加压期间液压系统的压降情况。

表2 相同压制力的压制1耗时及加压期间液压系统的压降情况

从表1中可以看出，下降速度越快，压制相同压制力所耗费的时间越长，系统压降越大。

4.2 小行程对充液气穴现象的改善

表2显示采用相同的空程下降速度，采用不同的下降行程，在充液结束后压制相同压制力的压制耗时以及加压期间液压系统的压降情况。

从表2中可以看出，下降速度越快，压制相同压制力所耗费的时间越长，系统压降越大。此外，当下降速度相同而空程下降行程不同时，实验结果显示行程越短，气穴效果改善越明显。

5 针对充液气穴的应对措施

5.1 减小行程和降低速度

在不影响生产率的前提下，减小动梁空程下降行程和降低下降速度，可有效降低充液气穴现象发生的几率。这是因为在单位时间内动梁下降形成的主油缸活塞腔的容积增长率降低，填充这部分容积时油液的绝对压力值降低幅度减小，有利于避免油液的绝对压力低于空气分离压情况发生，故可以有效降低气穴产生。

5.2 增大上油箱气容积

适当增加上油箱的气压及气容积，可有效改善充液阶段气穴现象。在动梁空程下降的过程中，温度的变化非常小，可以视为不变，根据波义尔-马略特定律，气体在温度不变的情况下，一定量气体的压力和它的体积的乘积为恒量，亦即

式中：

P1—动梁在空程起始位置（待机位）时的上油箱气压；

V1—动梁在起始位置（待机位）时的上油箱气容积；

P2—动梁空程下降过程中任意时刻的上油箱气压；

V2—动梁空程下降过程中任意时刻的气容积，且由式（1）可推导出如下关系：

式中：

A—主油缸活塞面积，在动梁运动过程中定值；

H—动梁空程下降过程中任意时刻的行程，亦即动梁从空程起始位置到该时刻的距离。

由上述两式可推导出，

从式（3）知，当增加气容积V1后而初始气压P1不变的情况下，可以增大动梁下降过程中任意时刻P2的绝对值，相应地，过程管道中的油液绝对压力值降幅也减小，有利于避免充液气穴。

此外，还可以提高充气压力，由式（3）知，当增大空气压力P1时，即使气容积没有扩大，相应的P2也升高，也有利于避免充液气穴的产生。但增加充气压力会导致上油箱的联接螺钉受到更高幅值的交变载荷，容易使螺钉失效。故在增加充气压力的同时，必须在螺钉连接设计上有所补强。

5.3 充液过程管道优化

在不影响主机力学性能的前提下，增大充液管道及减少充液管道的形状突变，也可以有效降低充液气穴现象。采用直管比采用弯管的沿程压降以及局部压降小，故直管充液时，油液的绝对压力更容易高于空气分离压，避免气穴。

此外，根据流量与压力关系

式中：

qv—管道内的流量；

Cq—流量系数；

△p—压差；

d—过流直径；

ρ—油液密度。

由式（4）可知，管内流量与过流管径成平方反比关系。故油液在细管中的流速高于粗管中的流速，且在习惯中油液摩擦损失增加，压降增高。导致油液在习惯中的绝对压力下降，更容易低于空气分离压。

故在主机受力允许的前提下，增大充液的过程管道，可以有效降低充液气穴现象的发生，从而避免气蚀。

6 结论

（1）降低动梁空程下降速度，减小空程下降行程，可有效降低充液气穴现象。

（2）增大上油箱气容积及增加上油箱气压可有效降低充液气穴现象，但增加气压压强时须考虑上油箱联接螺钉的交变载荷情况，并作相应补强。

（3）在不影响主机架受力情况的前提下，充液管道尽量使用直通道及尽量扩大充液通道。