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液压系统用自动放气阀的研究 |
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作者：宣化工程机械厂研究所 赵焕军 |
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摘 要 系统地分析了液压系统中油液混入气体的途径及危害，设计了一种自动放气阀，优化了液压系统的结构。
关键词 油液 气体 自动放气
1 液压系统中气体的危害
作为液压系统工作介质的油液不仅传递动力，而且对系统或其他装置起着润滑和冷却的作用，对工作油液中含有气体的危害这里作一简述。
系统运行时由于气体的存在，油液流动呈紊流状态，不利于散热且增加了压力损失，加速了油液的温升和氧化、缩短了油液的使用周期；影响了系统的刚性和响应特性，使系统压力产生脉动，元件、管路等连接松动，执行器输出达不到额定值并产生爬行、颤动，甚至产生误动作；系统工作压力变化时，由于气泡急剧缩小和放大，即产生气穴与气蚀现象，使系统产生噪声甚至遭到破坏，油气混合到一定程度，使油箱喷油的可能增大。
应当特别引起注意的是对于带载起动的恒压系统，空气的存在对其威胁更大。系统停止工作后油液中含有的气体在常压下全部释放出来，聚集在管路的高处，再次起动时泵出口上的管路内存有的及泵排出的气体受压缩，再窜回吸油侧，造成液压泵干摩擦或处于临界润滑状态运行并产生吸空，给起动带来困难，降低容积效率，严重的甚至会使液压泵烧毁。油气混合亦会造成执行器的干摩擦损伤，如果同时有其他装置(如传动装置)需要液压系统的油液进行润滑，由于油液中气体的存在，起动时此装置不仅得不到及时润滑，而且此时传递的压缩空气还要破坏原有的油膜，有产生研烧报废的危险。因此一些液压泵生产厂家对泵的起动特别提出要求：为排除滞留的空气，起动时必须松开泵出口的接头或螺堵让空气逸出。
2 气体混入液压系统的途径
2.1 人为因素
系统加注的油液没有经过很好的沉淀、过滤，致使带入过量的空气；系统调试初起动及每次使用前空载运行时没有很好的放气，致使原来管路、执行器容腔的空气滞留在系统中；管路，特别是吸油管路漏气，致使外界空气窜入系统。
2.2 系统因素
实验表明，常态下矿物油中空气的溶解量可达6%～12%。常用的液压油中空气的溶解量一般为9%左右，这就是说正常情况下系统中的油液是混有一定气体的。
根据亨利定律，气体在油液中的可溶性与绝对压力成正比，系统运行时油液经阀、过滤器等元件产生较大压降，使空气析出，以微小气泡状悬浮在油液中。
系统回油(有的经过滤器)在油箱里产生浪花、泡沫，同时不可避免地搅动油箱内的油液，亦使空气混入，这些油液中的气体又被吸入系统循环，致使油液含气量不断增加。
对于油箱低置系统，因无吸油单向阀(工程机械液压系统中常见)，系统停止工作后气体从吸油管涌入，上升到液压泵入口，如果液压泵静密封性能不好，气体还要经过泵上升至压油管路。
3 传统的放气方法
从气体混入的途径看，人为因素造成的较容易排除，只要提高装配质量，加强系统调试并注意每次起动后要空载运行一段时间便可；由于系统原因造成的则要经常性地进行放气。传统的放气方法是起动时在液压泵出口及最高处松开螺堵进行放气，因不能实现自动化，这给系统的使用带来很大的不便，往往使用者做不到及时放气。本文提出一种自动放气的方法，效果良好。
4 自动放气阀的工作原理
如图1所示，自动放气阀属压力切断阀结构。
图1 自动放气阀结构
1.弹簧 2.阀芯 3.卡环 4.阀体
泵起动时，压油腔的气体从阀芯2的下端进入，通过阀芯2下部的横孔、阀芯2与阀体4的环形空间及形成的开口，再经过阀芯2上的节流孔d来到弹簧腔，进入油箱。
由于节流孔d的作用，气体通过组件时在阀芯下端产生气压，当通过的气体流量较小时，气压对阀芯2的面积A形成的作用力小于弹簧的预压力KX0，此时阀芯2仍保持在原来的位置不动。
当通过的气体流量较大，此时气体在阀芯下端产生的气压对阀芯2形成的作用力大于弹簧的预压力KX0即达到阀的起动压力pm(相对压力)时，阀芯2便向上移动，逐渐关闭阀芯2与阀体4形成的开口，此开口最终起节流作用使压力再次升高，阀芯2迅速上移，直到关闭开口。
通过的气体流量不大，产生的气压达不到阀的起动压力时，阀芯2不动，这样当气体放完后，液压泵正常工作，液体通过节流孔d产生背压，此压力的作用同气体产生的压力作用一样，当油压达到起动压力pm后，阀芯2快速上移，压力继续上升至关闭压力pc时，阀芯向上移动了X，最终关闭阀芯2与阀体4形成的开口，实现锥口无泄漏密封。
从上述的过程可以发现：阀芯2上的小孔d为控制节流孔，控制着关闭压力和流量。
用压力流量公式描述上述过程：
起动压力pm＝KX0／A
关闭压力pC＝K（X0＋X)／A
式中 K——弹簧刚度
X0——弹簧预压缩量
X——阀芯开口量。
使阀芯动作的气体流量，可按气体通过节流孔d为声速状态计算：
Qg＝113 CVπd2／4(pm＋0.1)(273／T)1／2
式中 pm＋0.1——pm的绝对压力值
使阀芯关闭的液体流量，可按液体通过的节流孔为薄壁小孔计算：
Q1＝Cqπd2／4(2pc／ρ)1／2
式中 CV——气体截面收缩系数，一般取0.6
d——控制节流孔直径
T——气体的绝对温度
Cq——油液的流量系数，一般取0.7
ρ——油液的密度
一般来讲，X／X0>>1，这样pm≈pC。
参数的设置：首先，根据系统最低压力和最大流量确定阀的关闭压力及需要放气的流量，然后计算d值和Q1值。例如关闭压力为0.1 Mpa，阀芯动作放气量为200 L／min时，节流小孔d＝2 mm，关闭的液体流量Q1＝1 L／min。这种参数的自动放气阀可用于最小流量大于1 L／min，最大流量小于200 L／min，最低压力高于0.1 Mpa的系统。
5 试 验
5.1 气体通过性能试验
把组件与压缩空气相连，气压低于0.1 Mpa时，气体通过组件排放，进口压力达0.1 Mpa时，阀芯关闭。
5.2 装入系统切断试验
把组件安装到液压泵出口，低速起动时有大量气体放出，随后有少量油液溢出，最终关闭且无渗油。
6 实践分析
①自动放气阀理想的安装位置是泵出口压油管路的最高端，把聚集的空气迅速放回油箱，有利于快速吸油，避免干摩擦，起到对泵保护的效果，同时给其他需润滑的装置迅速供油润滑。
②放气阀的出口接回油箱，补充气体，降低泵吸油负压，实现泵吸油的良性循环。
(end)
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(6/15/2004) |
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