液压系统气穴现象的成因分析及预防措施

徐成东

(四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川618000)



液压系统气穴现象的成因分析及预防措施

徐成东

(四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川618000)

根据相关流体动力学理论，对经过阀孔的液流和泵的吸油管路进行了计算。结合液压系统气穴现象的发生机理，分析了多种情况下气穴现象的成因，对液压系统在生产实践中的使用提出了预防措施，并对广大从业人员提出了一些建议。

液压系统;气穴;压力

在液压系统中，如果某点处的压力低于油液所在温度下的空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，使液体中迅速出现大量气泡，这种现象称为气穴现象。当压力进一步减小而低于液体的饱和蒸气压时，液体将迅速汽化，产生大量蒸气气泡，使气穴现象更加严重。气穴所产生的大量气泡破坏了液体的连续性，降低了管道的通油能力，造成液压系统工作不稳定。

气穴所产生的气泡随着液体运动到高压区时会形成气蚀现象。气蚀会缩短元件的寿命，影响液压元件的使用可靠性。

1　成因分析及预防措施

1.1通过阀孔时产生气穴现象

液流经过阀孔时会产生气穴现象。以某阀的节流孔为例(如图1所示)，液流经过节流孔前后的压力分别为p1、p2, 速度分别为v1、v2, 液体密度为ρ，饱和蒸气压为pv。表征气穴的相似判据为气穴系数，见式1。

(1)

实际液体的伯努利方程见式2。

(2)

式中，h为液体距离基准水平面距离；ρ为液体密度；p为液体压力;v为液流流速;a为动能修正系数;hw为能量损耗。

图1　液流通过阀孔示意图Figure 1　Schematic drawing of fluid flow　through the valve hole

当节流孔沿水平方向布置时，前后高度差为零，位能无变化，即ρgh1=ρgh2。当节流孔布置方向与水平面成一定夹角或垂直布置时，液体位能的变化量相对于动能和压力能的变化量是可以忽略的，即ρgΔh<<Δp+Δav2/2。忽略能量损耗hw，取a1=a2=1, 式2可简化为式3。

(3)

假设1-1截面和2-2截面的面积分别为A1和A2，根据流量连续性方程得A1v1=A2v2。由于A12>>A22,因此v12<

(4)

将式4代入式1得：

(5)

查相关液压手册得知油液的饱和蒸气压相当小，即pv<

(6)

实验测定得出节流孔的临界气穴系数kL为0.4，代入式(6)得：p1/p2=3.5，即节流孔前后压力比为3.5时，节流孔处将发生气穴现象。事实上，在使用伯努利方程推导上述公式时，忽略了液流经过节流孔后的能量损耗，致使液流经过小孔后的实际压力小于理论计算值。换句话说，压力比p1/p2的实际值大于理论计算值。因此，当压力比p1/p2接近3.5时，节流孔后将发生气穴现象。

1.2在液压泵的吸油口产生气穴现象

图2所示为泵的油液吸入管路。

Pa—油箱内油液的静压值　Hs—油液吸入高度　Vs—泵吸入口处的流速　Ps—泵吸入口处的压力图2　泵的吸油管路示意图Figure 2　Schematic drawing of pump suction line

∑ξvs2/(2g)为吸入管道内的能量总损失，包含沿程压力损失和局部压力损失。依照伯努利方程有：

(7)

整理式7得：

(8)

假设油液的空气分离压为pg，并定义

(9)

NPSH(NetPositiveSuctionHead)为净正吸入压头，此处亦称有效吸入压头，表征泵产生气穴的倾向[1]。设油液在泵内的压力损失为Δp，则在泵内不发生气穴现象的条件为：

(10)

通过以上分析可知，为了避免泵内产生气穴现象，NPSH值应尽可能大。结合式8可以得出，欲提高NPSH值，可设法增大油箱内液体的静压值，或减小泵的油液吸入高度和吸油管内的总能量损耗。具体地讲，可以采取以下措施：

(1)使用压力油箱，或使用大流量泵时采用辅助泵供油，将一定压力的油液输送至泵的吸油口。此举是为了提高油液的初始静压值pa。

(2)降低油液吸入高度。大流量泵可以将油箱高置。

(3)采用内径较大的吸油管，并尽量少用弯头。增大吸油管端的过滤器容量，减小吸油阻力。各元件连接处要密封可靠，防止空气进入。此举是为了降低吸油管内的总能量损耗。

1.3执行元件在工作时因进油腔供油不足产生气穴现象

图3为一提升重物用液压系统原理图。

图3　提升重物用液压系统原理图Figure 3　Principle Diagram of hydraulic system　used for lifting heavy weight

换向阀7右位工作时，液压泵排出的油液进入液压缸8的无杆腔，重物上升。换向阀7左位工作时，油液进入液压缸8的有杆腔，重物下降。当重物下落时，液压缸8的活塞杆在重物的作用下会迅速下降，这时液压缸的进油腔会因为供油不足而产生局部真空，继而产生气穴现象。

为了防止气穴现象的发生，可增设单向阀4和油箱，单向阀4作为补油阀使用。重物下落时，由于进油腔压力下降，在压差的作用下，单向阀4打开，从油箱补油至液压缸进油腔，避免真空和气穴现象的发生，使液压缸运行平稳[2]。

即便如此，如果单向阀4补油不够及时快速，或者说流量不足以弥补因重物快速下落产生的局部真空时，仍会发生气穴现象。此种情况下，可以采用较大额定流量的补油单向阀，增大补油管路内径，或在补油油箱低置时降低补油管路高度。

1.4生产实践中气穴现象的其它预防措施

除了上述气穴现象的预防措施外，在生产实践中还有一些其它的措施和方法可以采用。

(1)合理选用、使用液压油。可选用抗泡性好的液压油，防止油液内产生气泡。提高液压油的纯净度，防止油温过高。

(2)对于新安装的设备或长时间未使用的设备，使用前要设法排除系统内空气。可在使用前将系统注满油液，排除其中空气，或在执行元件(例如液压缸)上增设排气装置。

(3)控制液压污染。液压污染必然造成系统内杂质增多，杂质表面容易附着一些空气，进而加剧气穴现象的发生。

(4)正确、合理、科学地进行液压系统、元件、工作介质的使用、维护与保养。

2　结论

液压系统中气穴现象的产生原因是多种多样的。到目前为止，尚不能完全避免和消除气穴现象。广大从业人员一定要认识到气穴现象的危害以及预防控制气穴现象的必要性。作为液压元件和设备供应厂家，应努力提高产品的制造质量。作为液压设备的使用人员，要扩充自己的理论知识、提高自己的技术水平并不断总结使用过程中的经验。条件具备时，可使用相关的仪器仪表检测气穴现象或从实际出发设计相应的检测装置，也可设计适当的气穴消除装置或采取科学合理的技术手段，最大限度避免气穴现象的发生，保证液压系统的正常运行，提高液压系统的运行效率。

[1]章宏甲，黄谊. 液压传动[M]. 北京：机械工业出版社, 1998：63.

[2]孙立峰, 吕枫. 工程机械液压系统分析及故障诊断与排除[M]. 北京：机械工业出版社, 2014：41.

编辑李韦萤

Cause Analysis and Preventive Measures for Cavitation in Hydraulic System

Xu Chengdong

Fluidflowingthroughthevalveholeandsuctionlineofthepumphavebeencalculatedaccordingtorelatedhydrodynamicstheory.Basedontheoccurrencemechanismofcavitationinhydraulicsystem,causeanalysisofcavitationhasbeenconducted,andthepreventivemeasureshavebeenputforwardforthehydraulicsysteminproductionpractice.Someadviceshavebeensuggestedforthosepractitioners.

hydraulicsystem;cavitation;pressure

2016—03—14

徐成东(1982—)，男，硕士，工程师，主要从事工程机械液压系统分析及故障诊断方向的教学与研究。电话：18980116736，E-mail:397083553@qq.com

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