液壓系統中氣泡的來源及處理的對策

　　隨著現代化生產和科學技術的進步，液壓傳動領域向著低成本、小體積、長壽命、自動化程度高、可靠性好等方向發展已成為一種必然趨勢。然而油品對液壓系統的影響及可靠性起著至關重要的作用，如何解決油品中的氣泡，也是我們使用過程中維護的首要任務。

1 液壓系統中油液氣泡的來源及其對液壓系統的危害
1.1 氣泡的來源
　　液壓油在生產、儲運及出廠前的過濾等工作都是在大氣壓力下進行的，因此油液中含有空氣是不可避免的。我們把油中空氣稱之為摻混空氣，摻混空氣是以直徑很小的球狀氣泡懸浮于油中，摻混空氣的生成有兩種方式：
　　（1）油品在生產、儲運等過程中在與大氣相接觸，大氣與液壓油相互浸潤融合。實踐證明溶解于油液中的空氣，對油的物理性質沒有什么直接的影響。但溶解了一定數量的空氣處于飽和狀態的油液，流經節流口或泵入口段，當絕對壓力下降到油液的空氣分離壓時，油中過飽和的空氣就被析出，使本來溶解于油中的微細氣泡聚集成較大的氣泡出現在系統中。
　　（2）主要是通過油箱和泵的進油管摻混入油內，如油箱油面太低，泵吸入管口半露于油面或淹深很淺時，均可將空氣吸入；若泵的進油管路漏氣，則大量的空氣會被吸入；再如系統回油管口高于油箱油面時，高速噴射的系統回油卷帶著空氣進入油中，又再度經油泵帶入系統。
1.2 對系統的危害
　　從經濟性和系統工作質量的角度來看，油中氣泡對系統的危害是相當大的，主要有以下幾個方面：
　　（1）系統工作不良。油液是液壓傳動系統中動力的傳遞介質，純凈的液壓油，其壓縮率約為（5~7）×10-10m3/N，即壓力增加10MPa時，容積僅被壓縮減少為0.625%。因而在一般的液壓系統中可以認為油是非壓縮性流體，而不考慮其壓縮性。一旦油中混入空氣，其壓縮率就會大幅度增加，油液本身具有相當高的大的體積彈性系數，嚴重地危害著系統的工作可靠性，如自動控制失靈、工作機構產生間歇運動等。由于氣泡引起的裝置誤動作還會發生機械、人身事故及加工效益等。
　　（2）油溫升高。氣體在瞬間壓縮之后，其溫度會急劇升高。氣泡在達到高溫之后，其周圍的油便會產生燃燒，成為系統油溫驟然升高的主要原因。然而空氣是不宜導熱的，油中存有氣泡時，其導熱系數降低，嚴重地影響著油的冷卻效果。油溫升高帶來的不良后果有以下幾個主要方面：
　　a.加速油的氧化。根據氧化的機理可知，油溫在60℃以上時每升高10℃，其氧化速度成倍遞增。油溫的升高是促進油液氧化的主要原因。氧化后的油液通常都會生成酸性化合物，引起系統中金屬件的腐蝕現象。所以更容易產生渣泥，連同鐵銹、金屬屑等機械雜質又作為氧化過程的催化劑，使油液加速氧化。一般希望油溫能在90℃以下，使其具有好的化學穩定性。
　　b.油的潤滑性能下降。性能良好的油液能在金屬摩擦表面形成牢固的油膜。油膜的強度和厚度主要取決于油液的質量。變質后的油液其油膜強度不足以承受工作負載的壓力，致使金屬表面互相接觸，從而導致摩擦力急劇增加，加速零件的磨損，所以說油液的潤滑性對于液壓裝置具有重要意義。
　　c.加速密封件老化。液壓系統中采用的密封件均由不同化學成分的材料制成各種形式的密封圈、墊，不但要求與油液有好的相容性，而且還要要求有適當的工作油溫，如油溫超過密封件的正常耐熱溫度，便會使其加速老化，失去應有的彈性，而導致過早地喪失密封性能。
　　（3）導致氣蝕的發生。油中氣泡被油液帶到高壓區時，體積急劇縮小，氣泡又重新凝聚為液體，使局部區域形成真空，周圍液體質點以高速來填補這一空間，質點互相碰撞而產生局部高壓，形成液壓沖擊，使局部壓力升高可達數百甚至上千個大氣壓力。如果這個局部液壓沖擊作用在固體壁面上，可引起固體壁面的剝蝕，即氣蝕現象，它對系統的危害性很大。
　　油中氣泡還能起系統的振動和噪聲的增加以及泵的容積效率減低等不良影響。

2 傳統氣泡去除方法的剖析
　　人們對氣泡研究及其危害性的認識雖然存在不同的看法，但在液壓裝置的設計制造過程中均考慮了氣泡的去除問題，那就是利用系統中必備的油箱進行氣泡的去除，盡管油箱的結構上采取了多種措施，如水平截面積大于油液深度、設置隔板而延長油在油箱內的停留時間、進出油口盡量設置得遠些以及體積要大等。但從氣泡去除效果以及裝置結構方面來看仍有下列不足：
2.1 氣泡去除效果差
　　采用油箱自然去除法，就是靠氣泡自身的浮力而自行浮至油面溶入大氣的方法。如果氣泡界面的油液沒有作向上運動的話，完全要靠自身浮力克服油液的摩擦阻力而向上運動。由于泵的攪拌作用，微細化后的氣泡再經閥口高速噴出成為乳化液狀氣泡，即使在油箱內滯留相當長的時間，靠自行浮上也是極其困難的。因此，僅靠油箱來去除氣泡，其效果是相當差的，研究和開發強制式氣泡去除裝置勢在必行。
2.2 液壓裝置結構增大
　　油箱除具有儲油、冷卻功能之外，體積大的一個根本原因就是考慮氣泡的去除，我國油箱的體積一般為泵流量的3~5倍，美國行業規定油箱的體積不得小于泵流量的3倍。由于采用大體積油箱，往往使裝置整體結構變大，且不經濟。

3 強制式氣泡去除器
3.1 基本結構與原理
　　強制式氣泡去除器主要由進油腔、工作腔、導向葉輪、出油腔及排氣管等組成。當油液從切線方向進入油腔時，以一定的動能沖向導向輪葉片，在導向輪的作用下，液體作螺旋加速運動，由于油液質量大于氣泡質量，在離心力的作用下，氣泡向中心軸線處集聚，中心軸線上的壓力是隨著液流螺旋加速度的增加而遞減的，在工作腔最小直徑處的中心壓力最低，氣泡在中心軸線上的壓差和接近中心液流的連帶作用下向工作腔最小直徑處運動而集合，在工作腔與出油腔結合處的右側附近，液流由于沒有螺旋運動，所以此處的壓力高于出油腔入口處的壓力，大量聚積起來的氣體在壓力的作用下通過排氣管排出裝置之外。
3.2 本裝置的主要特點
　　（1）由于液流的在工作腔的旋流半徑很小，氣泡很容易向中心方向移動。還有在工作腔的液體，有較大的離心加速度，所以在半徑方向上形成了較大的壓力梯度，十分有助于氣泡的析出。
　　（2）進入到工作腔的液體在導向葉輪作用下具有較大的角動能，促使液體能夠維持較長距離的加速旋轉運動，這就增加了氣泡隨油在工作腔內的旋轉次數，所以有著相當高的氣泡去除效率。
　　（3）本裝置具有較大的壓差范圍，所以有較大的流量適應區域，即對于某一規格的裝置來說，最大流量不小于最小流量的三倍，通過控制進油壓力，可使本裝置在一定流量范圍內的任一流量下均處良好的氣泡去除工況。
　　（4）適用于動力傳遞介質的任何粘度油液的氣泡去除。
　　（5）由于本裝置體積較小，可以忽略其內部通流液體的重量，所以具有任意的安裝位置，而不影響汽泡去除效果。
3.3 應用方式及其效果
　　（1）單獨作用。將本裝置的進油腔與系統回油路相接，出油腔直接通向油箱，一遍去除效果最高可達99.9%。
　　（2）與泵組合使用。將本裝置的進油腔與系統回油路相接，出油腔與泵的進油口相接，一遍去除效果最高可達100%。
　　兩種方式共同的特點：一是均安裝于油箱內，不怕泄漏；二是安裝方便，組成簡單；三是無需專用動力，節省能源。
　　就謀求油壓系統高效率、低成本，把著眼點放在油的質量上，這種說法一點兒也不過份。從液壓裝置的使用成本來看，除了動力源耗能之外，就要數液壓油了。如果能延長油的使用周期，那么就可以使液壓系統長時間地處于高效率、低成本的良好狀態。事實說明，要使液壓油長時間的質量穩定，關鍵的問題是要解決好油中混入空氣這一對油液危害最大的難題。因此，開發和應用強制式液壓油氣泡去除裝置有著十分重要的意義。