液壓系統(tǒng)用自動(dòng)放氣閥的研究

論文摘要：系統(tǒng)地分析了液壓系統(tǒng)中油液混入氣體的途徑及危害，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)放氣閥，優(yōu)化了液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1　液壓系統(tǒng)中氣體的危害

作為液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)的油液不僅傳遞動(dòng)力，而且對(duì)系統(tǒng)或其他裝置起著潤(rùn)滑和冷卻的作用，對(duì)工作油液中含有氣體的危害這里作一簡(jiǎn)述。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于氣體的存在，油液流動(dòng)呈紊流狀態(tài)，不利于散熱且增加了壓力損失，加速了油液的溫升和氧化、縮短了油液的使用周期；影響了系統(tǒng)的剛性和響應(yīng)特性，使系統(tǒng)壓力產(chǎn)生脈動(dòng)，元件、管路等連接松動(dòng)，執(zhí)行器輸出達(dá)不到額定值并產(chǎn)生爬行、顫動(dòng)，甚至產(chǎn)生誤動(dòng)作；系統(tǒng)工作壓力　變化時(shí)，由于氣泡急劇縮小和放大，即產(chǎn)生氣穴與氣蝕現(xiàn)象，使系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲甚至遭到破壞，油氣混合到一定程度，使油箱噴油的可能增大。

應(yīng)當(dāng)特別引起注意的是對(duì)于帶載起動(dòng)的恒壓系統(tǒng)，空氣的存在對(duì)其威脅更大。系統(tǒng)停止工作后油液中含有的氣體在常壓下全部釋放出來，聚集在管路的高處，再次起動(dòng)時(shí)泵出口上的管路內(nèi)存有的及泵排出的氣體受壓縮，再竄回吸油側(cè)，造成液壓泵干摩擦或處于臨界潤(rùn)滑狀態(tài)運(yùn)行并產(chǎn)生吸空，給起動(dòng)帶來困難，降低容積效率，嚴(yán)重的甚至?xí)挂簤罕脽龤АＳ蜌饣旌弦鄷?huì)造成執(zhí)行器的干摩擦損傷，如果同時(shí)有其他裝置(如傳動(dòng)裝置)需要液壓系統(tǒng)的油液進(jìn)行潤(rùn)滑，由于油液中氣體的存在，起動(dòng)時(shí)此裝置不僅得不到及時(shí)潤(rùn)滑，而且此時(shí)傳遞的壓縮空氣還要破壞原有的油膜，有產(chǎn)生研燒報(bào)廢的危險(xiǎn)。因此一些液壓泵生產(chǎn)廠家對(duì)泵的起動(dòng)特別提出要求：為排除滯留的空氣，起動(dòng)時(shí)必須松開泵出口的接頭或螺堵讓空氣逸出。

2　氣體混入液壓系統(tǒng)的途徑

2.1　人為因素

系統(tǒng)加注的油液沒有經(jīng)過很好的沉淀、過濾，致使帶入過量的空氣；系統(tǒng)調(diào)試初起動(dòng)及每次使用前空載運(yùn)行時(shí)沒有很好的放氣，致使原來管路、執(zhí)行器容腔的空氣滯留在系統(tǒng)中；管路，特別是吸油管路漏氣，致使外界空氣竄入系統(tǒng)。

2.2　系統(tǒng)因素

實(shí)驗(yàn)表明，常態(tài)下礦物油中空氣的溶解量可達(dá)6%～12%。常用的液壓油中空氣的溶解量一般為9%左右，這就是說正常情況下系統(tǒng)中的油液是混有一定氣體的。

根據(jù)亨利定律，氣體在油液中的可溶性與絕對(duì)壓力成正比，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)油液經(jīng)閥、過濾器等元件產(chǎn)生較大壓降，使空氣析出，以微小氣泡狀懸浮在油液中。

系統(tǒng)回油(有的經(jīng)過濾器)在油箱里產(chǎn)生浪花、泡沫，同時(shí)不可避免地?cái)噭?dòng)油箱內(nèi)的油液，亦使空氣混入，這些油液中的氣體又被吸入系統(tǒng)循環(huán)，致使油液含氣量不斷增加。

對(duì)于油箱低置系統(tǒng)，因無(wú)吸油單向閥(工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中常見)，系統(tǒng)停止工作后氣體從吸油管涌入，上升到液壓泵入口，如果液壓泵靜密封性能不好，氣體還要經(jīng)過泵上升至壓油管路。

3　傳統(tǒng)的放氣方法

從氣體混入的途徑看，人為因素造成的較容易排除，只要提高裝配質(zhì)量，加強(qiáng)系統(tǒng)調(diào)試并注意每次起動(dòng)后要空載運(yùn)行一段時(shí)間便可；由于系統(tǒng)原因造成的則要經(jīng)常性地進(jìn)行放氣。傳統(tǒng)的放氣方法是起動(dòng)時(shí)在液壓泵出口及最高處松開螺堵進(jìn)行放氣，因不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這給系統(tǒng)的使用帶來很大的不便，往往使用者做不到及時(shí)放氣。本文提出一種自動(dòng)放氣的方法，效果良好。

4　自動(dòng)放氣閥的工作原理

如圖1所示，自動(dòng)放氣閥屬壓力切斷閥結(jié)構(gòu)。



圖1　自動(dòng)放氣閥結(jié)構(gòu)
1彈簧　2.閥芯　3.卡環(huán)　4.閥體

泵起動(dòng)時(shí)，壓油腔的氣體從閥芯2的下端進(jìn)入，通過閥芯2下部的橫孔、閥芯2與閥體4的環(huán)形空間及形成的開口，再經(jīng)過閥芯2上的節(jié)流孔d來到彈簧腔，進(jìn)入油箱。

由于節(jié)流孔d的作用，氣體通過組件時(shí)在閥芯下端產(chǎn)生氣壓，當(dāng)通過的氣體流量較小時(shí)，氣壓對(duì)閥芯2的面積A形成的作用力小于彈簧的預(yù)壓力KX0，此時(shí)閥芯2仍保持在原來的位置不動(dòng)。

當(dāng)通過的氣體流量較大，此時(shí)氣體在閥芯下端產(chǎn)生的氣壓對(duì)閥芯2形成的作用力大于彈簧的預(yù)壓力KX0即達(dá)到閥的起動(dòng)壓力pm(相對(duì)壓力)時(shí)，閥芯2便向上移動(dòng)，逐漸關(guān)閉閥芯2與閥體4形成的開口，此開口最終起節(jié)流作用使壓力再次升高，閥芯2迅速上移，直到關(guān)閉開口。

通過的氣體流量不大，產(chǎn)生的氣壓達(dá)不到閥的起動(dòng)壓力時(shí)，閥芯2不動(dòng)，這樣當(dāng)氣體放完后，液壓泵正常工作，液體通過節(jié)流孔d產(chǎn)生背壓，此壓力的作用同氣體產(chǎn)生的壓力作用一樣，當(dāng)油壓達(dá)到起動(dòng)壓力pm后，閥芯2快速上移，壓力繼續(xù)上升至關(guān)閉壓力pc時(shí)，閥芯向上移動(dòng)了X，最終關(guān)閉閥芯2與閥體4形成的開口，實(shí)現(xiàn)錐口無(wú)泄漏密封。

從上述的過程可以發(fā)現(xiàn)：閥芯2上的小孔d為控制節(jié)流孔，控制著關(guān)閉壓力和流量。

用壓力流量公式描述上述過程：

起動(dòng)壓力pm＝KX0／A

關(guān)閉壓力pC＝K（X0＋X)／A

式中　K——彈簧剛度
X0——彈簧預(yù)壓縮量
X——閥芯開口量。

使閥芯動(dòng)作的氣體流量，可按氣體通過節(jié)流孔d為聲速狀態(tài)計(jì)算：

Qg＝113 CVπd2／4(pm＋0.1)(273／T)1／2

式中　pm＋0.1——pm的絕對(duì)壓力值

使閥芯關(guān)閉的液體流量，可按液體通過的節(jié)流孔為薄壁小孔計(jì)算：

Q1＝Cqπd2／4(2pc／ρ)1／2

式中　CV——?dú)怏w截面收縮系數(shù)，一般取0.6
d——控制節(jié)流孔直徑
T——?dú)怏w的絕對(duì)溫度
Cq——油液的流量系數(shù)，一般取0.7
ρ——油液的密度

一般來講，X／X0>>1，這樣pm≈pC。

參數(shù)的設(shè)置：首先，根據(jù)系統(tǒng)最低壓力和最大流量確定閥的關(guān)閉壓力及需要放氣的流量，然后計(jì)算d值和Q1值。例如關(guān)閉壓力為0.1 Mpa，閥芯動(dòng)作放氣量為200 L／min時(shí)，節(jié)流小孔d＝2 mm，關(guān)閉的液體流量Q1＝1 L／min。這種參數(shù)的自動(dòng)放氣閥可用于最小流量大于1 L／min，最大流量小于200 L／min，最低壓力高于0.1 Mpa的系統(tǒng)。

5　試　驗(yàn)

5.1　氣體通過性能試驗(yàn)

把組件與壓縮空氣相連，氣壓低于0.1 Mpa時(shí)，氣體通過組件排放，進(jìn)口壓力達(dá)0.1 Mpa時(shí)，閥芯關(guān)閉。

5.2　裝入系統(tǒng)切斷試驗(yàn)

把組件安裝到液壓泵出口，低速起動(dòng)時(shí)有大量氣體放出，隨后有少量油液溢出，最終關(guān)閉且無(wú)滲油。

6　實(shí)踐分析

①自動(dòng)放氣閥理想的安裝位置是泵出口壓油管路的最高端，把聚集的空氣迅速放回油箱，有利于快速吸油，避免干摩擦，起到對(duì)泵保護(hù)的效果，同時(shí)給其他需潤(rùn)滑的裝置迅速供油潤(rùn)滑。

②放氣閥的出口接回油箱，補(bǔ)充氣體，降低泵吸油負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)泵吸油的良性循環(huán)。