液壓系統中氣穴現象的研究

郝春玲

（渤海船舶職業學院，遼寧 葫蘆島 125000）

1 空穴（氣穴）現象的形成

（1）閥口的形狀。液壓閥用來調節液壓系統中的壓力、流量和運動方向，其均依靠調節液壓閥口的通流面積來實現。液流通過閥口時，其速度、和方向發生變化，使閥口處的壓力降到一定值時，就會在該處產生氣穴現象’液壓閥口形狀各式各樣，但就其基本形式不外乎為三種，如圖1所示，而不同的閥口形式，氣穴產生的狀況不同。

（2）氣穴對閥口流量和噪聲的影響。把各種閥口上的壓力固定，讓下游壓力變化，使其閥口兩端壓差變化，壓差部變化對閥口的流量Q和噪聲N的變化情況如圖2所示。首先，當液流通過閥口時，隨著閥口兩端壓差的增大，氣穴產生。其次，對薄壁孔閥口隨氣穴的產生噪聲增大，但卻對流量特征沒

有影響，對厚壁形閥口隨氣穴的產生，噪聲增大，而流量卻不再增加(即閥口流量處于閉鎖狀態）。在發生氣穴時，閥口收縮斷而處得壓力近似為零，與下游壓力無關。對短孔閥口，最初氣穴的產生對流量無影響，但隨閥口處產生氣穴，壓力急劇下降，當降到接近零壓時，流量也近似閉鎖態。

2 空穴現象的分析與防治

2.1 產生原因

由于液壓系統結構及油液的運輸，倒裝等原因，油液總會接觸，混入及溶解一定的空氣。油液對空氣的溶解能力也較強（常溫和常壓下，水中能溶解約2%體積的空氣，而一般礦物油則能溶解6%~12%體積的空氣）。

能導致氣穴發生，除以氣泡狀態存在空外，還有已經溶解的空氣及油液本身，在一定條件下也會形成氣泡。

當這幾種氣泡混雜在油液中，使原來充滿在管道或液壓元件中的油液成為不連續狀態，引起壓力波動，當氣泡在波動的壓力下受壓縮直至潰滅時，就發生了氣穴及氣蝕現象。

2.2 液壓系統氣穴的防止方法

液壓系統中最容易發生的地方有液壓泵（吸油及配油部位）、閥類元件（節流部位)。下面主要以節流閥的氣穴防止為例進行說明。

（1）節流閥的氣穴防止方法。①節流閥的氣穴產生，節流閥的氣穴的產生與節流口前后壓差，開面積比有密切關系。由于節流口面積的急劇收縮，使油液通過節流口時流速升高，壓力降低。當壓力降低到一定值（低于空氣分離壓)時，就會產生節流氣穴，生氣蝕及噪聲。

現以圖3所示節流小孔，可看出節流閥前后壓差對節流氣穴的影響是節流面積或節流開度緊密相關的。在流量一定的情況下，面積比越小，節流閥前后壓差就越大，所以就越容易發生氣穴。②節流閥氣穴的防止方法，如前所述可得出這樣的結論：為防止氣穴現象的發生，除應合理設置節流口的面積比外，更為重要是要正確地調定背壓的大小。

部發生氣穴的極限背壓（絕對壓力）為：

式中：A0為節流閥口的部分開口面積；A為節流閥的全開口面積。

由（1）式可知，不發生氣穴的背壓為P1進壓口壓力和面積比A0/A的函數。所以，當進口壓力P1和面積比A0/A的函數。所以，當進口壓力較高時，為使背壓不致過大，可以進行二級或三級節流（或減壓），從而防止氣穴及氣穴腐蝕發生。

3 氣穴產生的氣蝕

在液壓系統中，如果某處壓力低于油液工作溫度下的空氣分離壓時，油液中的空氣就會分離出來而形成大量氣泡；當壓力進一步降低到油液工作溫度下的飽和蒸汽壓力時，油液會迅速汽化而產生大量氣泡。這些氣泡混雜在油液中，產生空穴，使原來充滿管道或液壓元件中的油液成為不連續狀態，這種現象一般稱為空穴現象。空穴現象一般發生在閥口和液壓泵的進油口處。油液流過閥口的狹窄通道時，液流速度增大，壓力大幅度下降，就可能出現空穴現象。液壓泵的安裝高度過高，吸油管道內徑過小，吸油阻力太大，或液壓泵轉速過高，吸油不充足等，均可能產生空穴現象。液壓系統中出現空穴現象后，氣泡隨油液流到高壓區時，在高壓作用下氣泡會迅速破裂，周圍液體質點以高速來填補這一空穴，液體質點間高速碰撞而形成局部液壓沖擊，使局部的壓力和溫度均急劇升高，產生強烈的振動和噪聲。

氣蝕的機理是由于沖擊應力造成的表面疲勞破壞，但液體的化學和電化學作用加速了氣蝕的破壞過程。減少氣蝕的有效措施是防止氣泡的產生。首先應使在液體中運動的表面具有流線形，避免在局部地方出現渦流，因為渦流區壓力低，容易產生氣泡。此外，應當減少液體中的含氣量和液體流動中的擾動，也將限制氣泡的形成。選擇適當的材料能夠提高抗氣蝕能力。通常強度和韌性高的金屬材料具有較好的抗氣蝕性能，提高材料的抗腐蝕性也將減少氣蝕破壞。

（1）氣蝕的危害：①產生振動和噪聲。氣泡潰滅時，液體質點互相撞擊，同時也撞擊金屬表面，產生各種頻率的噪聲，嚴重時可聽見泵內有“劈啪”的爆炸聲，同時引起機組振動。②降低泵的性能。汽蝕產生了大量的氣泡，堵塞了流道，破壞了泵內液體的連續流動，使泵的流量、揚程和效率明顯下降。③破壞過流部件。因機械剝蝕和電化學腐蝕的作用，使金屬材料發生破壞，通常受汽蝕破壞的部位多在葉輪出口附近和排液室進口附近。汽蝕初期，表現為金屬表面出現麻點，繼而表面呈現海綿狀、溝槽狀、蜂窩狀、魚鱗狀等痕跡；嚴重時可造成葉片或前后蓋板穿孔、甚至葉輪破裂，釀成嚴重事故。

（2）為了防止產生空穴現象和氣蝕，一般可采取下列措施：①減小流經小孔和間隙處的壓力降，一般希望小孔和間隙前后的壓力比P1/P2<3.5。②正確確定液壓泵吸油管內徑，對管內液體的流速加以限制，降低液壓泵的吸油高度，盡量減小吸油管路中的壓力損失，管接頭良好密封，對于高壓泵可采用輔助泵供油。③整個系統管路應盡可能直，避免急彎和局部窄縫等。④提高元件抗氣蝕能力。

4 結語

當液壓系統中出現空穴現象時，大量的氣泡破壞了油流的連續性，造成流量和壓力脈動，當氣泡隨油流進入高壓區時又急劇破滅，引起局部液壓沖擊，使系統產生強烈的噪聲和振動。當附著在金屬表面上的氣泡破滅時，它所產生的局部高溫和高壓作用，以及油液中逸出的氣體的氧化作用，會使金屬表面剝蝕或出現海綿狀的小洞穴。這種因空穴造成的腐蝕作用稱為氣蝕，導致元件壽命的縮短。

[1]雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

[2]成大先，等.機械設計手冊第三版[M].北京：化學工業出版社，1993.