液壓系統(tǒng)中氣穴現(xiàn)象的研究

郝春玲

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000）

1 空穴（氣穴）現(xiàn)象的形成

（1）閥口的形狀。液壓閥用來調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中的壓力、流量和運(yùn)動(dòng)方向，其均依靠調(diào)節(jié)液壓閥口的通流面積來實(shí)現(xiàn)。液流通過閥口時(shí)，其速度、和方向發(fā)生變化，使閥口處的壓力降到一定值時(shí)，就會(huì)在該處產(chǎn)生氣穴現(xiàn)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(chǎn)生的狀況不同。

（2）氣穴對(duì)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(duì)閥口的流量Q和噪聲N的變化情況如圖2所示。首先，當(dāng)液流通過閥口時(shí)，隨著閥口兩端壓差的增大，氣穴產(chǎn)生。其次，對(duì)薄壁孔閥口隨氣穴的產(chǎn)生噪聲增大，但卻對(duì)流量特征沒

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

2 空穴現(xiàn)象的分析與防治

2.1 產(chǎn)生原因

由于液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及油液的運(yùn)輸，倒裝等原因，油液總會(huì)接觸，混入及溶解一定的空氣。油液對(duì)空氣的溶解能力也較強(qiáng)（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(dǎo)致氣穴發(fā)生，除以氣泡狀態(tài)存在空外，還有已經(jīng)溶解的空氣及油液本身，在一定條件下也會(huì)形成氣泡。

當(dāng)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(xù)狀態(tài)，引起壓力波動(dòng)，當(dāng)氣泡在波動(dòng)的壓力下受壓縮直至潰滅時(shí)，就發(fā)生了氣穴及氣蝕現(xiàn)象。

2.2 液壓系統(tǒng)氣穴的防止方法

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

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

現(xiàn)以圖3所示節(jié)流小孔，可看出節(jié)流閥前后壓差對(duì)節(jié)流氣穴的影響是節(jié)流面積或節(jié)流開度緊密相關(guān)的。在流量一定的情況下，面積比越小，節(jié)流閥前后壓差就越大，所以就越容易發(fā)生氣穴。②節(jié)流閥氣穴的防止方法，如前所述可得出這樣的結(jié)論：為防止氣穴現(xiàn)象的發(fā)生，除應(yīng)合理設(shè)置節(jié)流口的面積比外，更為重要是要正確地調(diào)定背壓的大小。

部發(fā)生氣穴的極限背壓（絕對(duì)壓力）為：

式中：A0為節(jié)流閥口的部分開口面積；A為節(jié)流閥的全開口面積。

由（1）式可知，不發(fā)生氣穴的背壓為P1進(jìn)壓口壓力和面積比A0/A的函數(shù)。所以，當(dāng)進(jìn)口壓力P1和面積比A0/A的函數(shù)。所以，當(dāng)進(jìn)口壓力較高時(shí)，為使背壓不致過大，可以進(jìn)行二級(jí)或三級(jí)節(jié)流（或減壓），從而防止氣穴及氣穴腐蝕發(fā)生。

3 氣穴產(chǎn)生的氣蝕

在液壓系統(tǒng)中，如果某處壓力低于油液工作溫度下的空氣分離壓時(shí)，油液中的空氣就會(huì)分離出來而形成大量氣泡；當(dāng)壓力進(jìn)一步降低到油液工作溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)，油液會(huì)迅速汽化而產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡混雜在油液中，產(chǎn)生空穴，使原來充滿管道或液壓元件中的油液成為不連續(xù)狀態(tài)，這種現(xiàn)象一般稱為空穴現(xiàn)象。空穴現(xiàn)象一般發(fā)生在閥口和液壓泵的進(jìn)油口處。油液流過閥口的狹窄通道時(shí)，液流速度增大，壓力大幅度下降，就可能出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。液壓泵的安裝高度過高，吸油管道內(nèi)徑過小，吸油阻力太大，或液壓泵轉(zhuǎn)速過高，吸油不充足等，均可能產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)空穴現(xiàn)象后，氣泡隨油液流到高壓區(qū)時(shí)，在高壓作用下氣泡會(huì)迅速破裂，周圍液體質(zhì)點(diǎn)以高速來填補(bǔ)這一空穴，液體質(zhì)點(diǎn)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(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。

氣蝕的機(jī)理是由于沖擊應(yīng)力造成的表面疲勞破壞，但液體的化學(xué)和電化學(xué)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(chǎn)生。首先應(yīng)使在液體中運(yùn)動(dòng)的表面具有流線形，避免在局部地方出現(xiàn)渦流，因?yàn)闇u流區(qū)壓力低，容易產(chǎn)生氣泡。此外，應(yīng)當(dāng)減少液體中的含氣量和液體流動(dòng)中的擾動(dòng)，也將限制氣泡的形成。選擇適當(dāng)?shù)牟牧夏軌蛱岣呖箽馕g能力。通常強(qiáng)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(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。氣泡潰滅時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)互相撞擊，同時(shí)也撞擊金屬表面，產(chǎn)生各種頻率的噪聲，嚴(yán)重時(shí)可聽見泵內(nèi)有“劈啪”的爆炸聲，同時(shí)引起機(jī)組振動(dòng)。②降低泵的性能。汽蝕產(chǎn)生了大量的氣泡，堵塞了流道，破壞了泵內(nèi)液體的連續(xù)流動(dòng)，使泵的流量、揚(yáng)程和效率明顯下降。③破壞過流部件。因機(jī)械剝蝕和電化學(xué)腐蝕的作用，使金屬材料發(fā)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(jìn)口附近。汽蝕初期，表現(xiàn)為金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)，繼而表面呈現(xiàn)海綿狀、溝槽狀、蜂窩狀、魚鱗狀等痕跡；嚴(yán)重時(shí)可造成葉片或前后蓋板穿孔、甚至葉輪破裂，釀成嚴(yán)重事故。

（2）為了防止產(chǎn)生空穴現(xiàn)象和氣蝕，一般可采取下列措施：①減小流經(jīng)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(nèi)徑，對(duì)管內(nèi)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(duì)于高壓泵可采用輔助泵供油。③整個(gè)系統(tǒng)管路應(yīng)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(jié)語

當(dāng)液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)空穴現(xiàn)象時(shí)，大量的氣泡破壞了油流的連續(xù)性，造成流量和壓力脈動(dòng)，當(dāng)氣泡隨油流進(jìn)入高壓區(qū)時(shí)又急劇破滅，引起局部液壓沖擊，使系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲和振動(dòng)。當(dāng)附著在金屬表面上的氣泡破滅時(shí)，它所產(chǎn)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(huì)使金屬表面剝蝕或出現(xiàn)海綿狀的小洞穴。這種因空穴造成的腐蝕作用稱為氣蝕，導(dǎo)致元件壽命的縮短。

[1]雷天覺.新編液壓工程手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[2]成大先，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.