气泡对机床液压系统的危害和预防措施

2020-09-25张庆良

邯郸职业技术学院学报 2020年2期

关键词：液压油油液油箱

张庆良

(邯郸职业技术学院机电工程系，河北邯郸 056005)

0 引言

在国家现代化建设进程中，国民经济的各个领域大量使用机床加工工具。其中有些机床使用液压作为动力源，通过液压油把动力传递给执行元件，以达到工作目的。

液压传动系统基于液压油的不可压缩性来传递动力。在实际机床应用中，设计、维修人员考虑较多的是颗粒、水、酸性物质对液压油的污染，而忽视了空气对油液的不利影响。

对于液压传动系统而言，过量空气混入油液中会产生微小气泡，因此会导致液压油的体积弹性模量减小，从而影响系统正常工作；油温升高会导致油液变质而腐蚀液压传动系统元件；由于气蚀而导致零件磨损；使系统产生噪音和振动。

1 液压油气泡的形成方式

液压传动系统工作于大气环境中，因此系统中混有空气难以完全避免。液压油中空气的形成方式为：混入式、溶解式。混入式，空气以直径为0.05～0.5mm 球状气泡形式独立存在，悬浮于液压油中；溶解式，空气溶入油液中。

1.1 混入式空气

液压油中混入空气量的多少取决于油液性质、油液与空气接触环境与压力、油液运动情况。空气主要通过油箱、系统密封、过滤器和其他途径侵入。

使用过程中，当油箱液面过低时，会导致吸油管无法埋入油面之下而吸入空气；油箱的吸油管与回油管过近时，由于油液飞溅产生的气泡可能会被吸油管吸入。系统密封不良或者油管有漏气地方时，管路内部压力与外界环境的压力差也会迫使空气混入油液中。过滤器堵塞或者过滤能力不足时，液压传动系统吸油受阻也会形成局部真空，从而导致吸入空气。更换液压系统元件后，器件内的空气也会由液压油推入到系统中。

1.2 溶解式空气

此种混入空气量的多少和压力有关。在确定温度下，压力越高，则溶解于油液中的空气越多。由于空气溶于液压油分子之中，因此溶解的空气对液压油物理力学性能并无直接影响。但是当溶解式空气达到饱和状态后，由于某种原因，例如流经节流阀口等狭缝时，油液流速激增，压力骤降，会导致系统局部压力下降。压力下降达到一定值之后，溶解于液压油中的空气会从油液中析出，并会以微小气泡或杂质为核心迅速聚集长大，并在油压作用下，在液压油中形成较大气泡。在流体力学中，这种现象称为气穴，此时的压力值称为空气分离压力。

2 气泡对液压系统的危害

气泡在液压系统的各个元件中运动时，由于压力变化会造成其在气-液两态内交替变化，从而影响液压油的力学性能和化学稳定性，造成油泵及其他液压系统元件工作条件的变化。

2.1 影响液压系统正常工作

在无空气混入情况下，液压油的压缩率为(5-7)×10-10m2/N。即当压力增加为10MPa 时，液压油容积减少为0.5%～0.7%，因而可认为液压油为不可压缩液体。而一旦混入空气后，压缩率大幅增加，体积弹性模量锐减，结果如图1所示。

图1 混入空气量体与积弹性模量和压力关系

对于要求定位精确，反应迅速的液压系统而言，传动刚度是重要性能指标。传动刚度与油液体积弹性模量有关，空气混入量加大，体积弹性模量减少，传动刚度下降，机床运动精度下降，执行动作产生误差，工作稳定性变差。

2.2 油质劣化

气泡在油泵内受到瞬间压缩，相当于绝热压缩工况，气泡温度会急剧上升，导致系统局部高温，甚至会引起油液燃烧。据铃木隆司[1]估计，35℃的气泡加压到3.5MPa 时，温度可达580℃。

局部高温会产生如下后果：金属剥蚀；氧气和油中的碳氢化合物反应，即油液氧化后，油液颜色变深，粘度上升；氧化物无法溶解于油液中，极易堵塞系统元件；油温低于60℃时，氧化作用不明显，高于60℃时，温度每升高10℃，氧化作用加倍，服务寿命减半。[2]

油温升高、粘度上升、氧化作用三者互相作用，最终导致油液劣质废弃；油液中的各种添加剂受到破坏；影响润滑性能，油质劣化后会导致油液与金属磨擦表面形成的油膜强度不足以承受工作负荷压力，从而使金属表面互相接触，加剧金属零件磨损；影响密封性能，油温过高会导致密封元件老化，影响其性能。

2.3 气蚀现象

在不同压力区域内，油液中的气泡可在气态和液态之间相互转化。到达高压区域时，气泡周围的高压液体迫使气泡体积减小，以致破裂。气泡所占空间由周围区域的油液补充，产生了频率高达上万赫兹的油液质点撞击，高压可以形成数百甚至上千个大气压的冲击现象。[3]这种现象称为气蚀，气蚀冲击波会击打液压件，加上液压油中溶解的微量氧对金属器件的化学腐蚀作用，金属会产生疲劳裂纹。因而会加重应力集中，如此反复，加之电化学腐蚀，金属侵蚀更为严重。

2.4 噪音和振动

如前所述，当油液流经狭缝时，速度上升，压力下降。当系统某处压力低于空气分离压时，原来溶解于油液中的空气将会分离出来，导致油液中出现大量气泡，即形成气穴。当含有气穴的油液再度达到高压区域时，气泡会再被压缩，体积再次变小，能量密度更高。当高压达到一定限度时，气泡会被压破而产生噪音和振动，金属器件表面会受到腐蚀。如果是附着于管路或油泵上的气泡淹没，从宏观上看，还会引起局部区域的压力和波动。通常油液中气泡的体积变化为：[4]

式中，P0为油液初始压力，单位：Pa；Vg为油液气泡体积，单位：ml；γ 为气体绝热指数，绝热压缩时为1.4，等温压缩时为1；P 为油液工作压力，单位：Pa；ΔVp为气泡被压缩后的体积变化，单位：ml；ΔVd为气泡溶解的体积变化，单位：ml；T1为油液初始温度，单位：K；T2为油液工作温度，单位：K。

假定气泡内压力变化在短时间内完成，为绝热压缩工况，γ 为1.4；同时由于液压系统可有效控制油温，油液初始温度T1和油液工作温度T2相同。则当油液气泡压缩后体积为压缩前体积的1/100时，由公式(1)可得气泡内压力为初始压力的631倍。

3 气泡去除方法

在机床液压系统的设计和应用中，应当采取措施消除液压油中的气泡。例如使用合适粘度的液压油，过高粘度液压油会使机床的控制反应速度减慢，并且也会由于液体摩擦而使油液升温，或者造成液压泵吸尘而易产生气泡。

其他措施包含：改进油箱设计，应用自然消除法；使用离心式液气分离器消除气泡；使用真空箱消除气泡，此种方法最佳，但成本亦最高。

3.1 自然消除法

油箱容积大有利于去除气泡，美国行业规定油箱容积为系统流量的3倍及以上；油箱最高液面之上应留出相当于油箱总容积1/5的空气容量；油箱水平面积应大于垂直截面积，以延长油液在油箱内驻留时间；在油箱中设置金属网以消除气泡，要求金属网前后压差不能过大，并且过流面积要大。在最低液面之下设置于回油和吸油区域之间60～100目(网孔直径为0.15～0.25mm)的金属网，并与油箱底部成30°倾角，可以消除90%的气泡，但这种方法对微小气泡去除能力较差。

呼吸器的额定容量一定要大于工作时各分支液压泵流量的1.5倍，以防油箱内形成真空而导致吸油不畅使空气进入系统；回油管出口不宜平直，应为45°斜口，斜面应面向箱壁；回油管路上可加装扩散器，回油管距离箱底为其直径的2～3倍，以防回油飞溅产生气泡；回油管口和吸油管口尽可能远一些，并在两管路之间设置隔板，一是可使油液绕行，增加油液在回油区驻留时间，二是可防止回油飞溅搅拌作用而产生气泡，但这种方法对较大气泡去除效果较差。

依据斯托克斯公式可知，气泡在液压油中做匀速运动时，气泡在油液中所受阻力和气泡自重之和等于气泡在油液中所受的浮力，即有：

式中，μ 为液压油动力粘度，取为3×10-2Pa·s；v 为气泡上浮速度，单位：m/s；r 为气泡半径，单位：m；ρa为空气密度，1.29 Kg/m3；ρf为液压油密度，9×102Kg/m3。

对于直径为0.3mm 的气泡而言，将相关数据代入式(2)后可得v=1.47×10-3m/s，即气泡每分钟上浮约88mm。由于气泡上浮速度较慢，因此单纯依靠气泡浮出效果较差。

液压管路设计要点：吸油管要短，弯曲部分要少，直径依据管内流速、流量确定，适度加大吸油管内径，以免限制内部油液流速，以便减少吸油管内压力损失，并应避免过细，避免管内阻力过大，避免压力降低至空气分离压之下而发生气穴；管路连接部分应严格密封，以防空气侵入形成气泡；作为泄露用途的油管应单独设置，不得与回油管共用；管路最高位置可设排气机构，以泄放液压系统的空气；合理设计限速机构，防止运动元件速度发生过快变化；同时在大惯性执行机构在工作过程中急停或换向时，应设置补油回路，防止在吸油腔中形成气穴。

吸油过滤器的过滤精度为0.04～0.1mm，容量为机床最大流量的2倍，以保证油液流经过滤器时顺畅，如果容量过小，则会造成吸油不足，形成真空，产生气泡；相应的吸油管路应按照加大直径设计，以增加油液的通过能力。节流孔前后的压差之比应小于3.5，或者采用特定结构。例如，杨长安试验指出，轴向三角槽角度为8°，开度为0.44mm 和角度为1.77°，开度为2mm 时，即使节流孔前后的压差比达到300，也不会产生气穴。[5]

3.2 离心式液气分离器

离心式液气分离器主要由进油腔、工作腔、出油腔、导向轮叶片、排气管组成，如图2所示。液压油从切线方向进入进油腔后，在导向轮叶片作用下，沿着工作腔锥形壁由大直径端向小直径端作螺旋加速运动。此时产生两种现象：其一，油液质量高于气泡质量，在离心力作用下，油液在外侧移动，气泡向中心轴线聚集；其二，中心轴线处压力随转速增加而减小，因而油液在工作腔中心轴线附近压力最低，但即使如此，此最低压力仍高于出油腔入口处压力。在上述压力作用下，气体通过排气管排出，油液通过出油口排出，实现去除气体目的。

图2 离心式液气分离器

3.3 真空箱

使用真空箱去除气泡示意图如图3所示。

调定带压力表减压阀8和带压力表减压阀10的压力，并使P8＞P10。两位三通阀12失电，单杆双作用缸13的无杆腔通高压气P10，在此压力作用下，单杆双作用缸13的活塞带动活塞式蓄压器14的活塞右移。活塞式蓄压器14中的油液转移到油箱15，直到活塞运动到最右端。然后，两位三通阀12得电，单杆双作用缸13的有杆腔接通高压气P8，活塞式蓄压器14活塞向左移动，油箱15液面下降，油箱上部形成真空。真空泵1打开，达到绝对真空后，两位五通阀9得电，单杆双作用缸5活塞右移，插装阀4打开，真空泵1开始对油箱抽真空。当达到设定压力后，两位五通阀9失电，单杆双作用缸5活塞左移，插装阀4关闭，静置一段时间以便气体充分析出。两位三通阀12失电，单杆双作用缸13的有杆腔接通大气，无杆腔在高压气P10作用下推动活塞右移，并带动活塞式蓄压器14活塞向右移动，油箱液面上升，抽真空结束。