液压系统用自动放气阀的研究

ainet.cn 2009年04月27日

    　论文摘要：系统分析了液压系统中油液混入气体途径及危害，设计了一种自动放气阀，优化了液压系统结构。
    　1　液压系统中气体危害
    　作为液压系统工作介质油液传递动力，对系统或其他装置起着润滑和冷却作用，对工作油液中含有气体危害这里作一简述。
    　系统运行时气体存，油液流动呈紊流状态，不利于散热且增加了压力损失，加速了油液温升和氧化、缩短了油液使用周期；影响了系统刚性和响应特性，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，产生误动作；系统工作压力变化时，气泡急剧缩小和放大，即产生气穴与气蚀现象，使系统产生噪声遭到破坏，油气混合到一定程度，使油箱喷油可能增大。
  　  应当特别引起注意是带载起动恒压系统，空气存对其威胁更大。系统停止工作后油液中含有气体常压下全部释放出来，聚集管路高处，再次起动时泵出口上管路内存有及泵排出气体受压缩，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，严重会使液压泵烧毁。油气混合亦会造成执行器干摩擦损伤，同时有其他装置(如传动装置)需要液压系统油液进行润滑，油液中气体存，起动时此装置不到及时润滑，此时传递压缩空气还要破坏原有油膜，有产生研烧报废危险。一些液压泵生产厂家对泵起动特别提出要求：为排除滞留空气，起动时必须松开泵出口接头或螺堵让空气逸出。

    　2　气体混入液压系统途径
    　2.1　人为因素
   　系统加注油液没有很好沉淀、过滤，致使带入过量空气；系统调试初起动及每次使用前空载运行时没有很好放气，致使原来管路、执行器容腔空气滞留系统中；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溶解量可达6%～12%。常用液压油中空气溶解量一般为9%左右，这就是说正常情况下系统中油液是混有一定气体。
    　亨利定律，气体油液中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，以微小气泡状悬浮油液中。
    　系统回油(有滤器)油箱里产生浪花、泡沫，同时不可避免搅动油箱内油液，亦使空气混入，这些油液中气体又被吸入系统循环，致使油液含气量不断增加。
    　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，液压泵静密封性能不好，气体还要泵上升至压油管路。

   　 3　传统放气方法
   　从气体混入途径看，人为因素造成较容易排除，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；系统原因造成则要经常性进行放气。传统放气方法是起动时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，这给系统使用带来很大不便，往往使用者做不到及时放气。本文提出一种自动放气方法，效果良好。

   　 4　自动放气阀工作原理
    　泵起动时，压油腔气体从阀芯2下端进入，阀芯2下部横孔、阀芯2与阀体4环形空间及形成开口，再阀芯2上节流孔d来到弹簧腔，进入油箱。
    　节流孔d作用，气体组件时阀芯下端产生气压，当气体流量较小时，气压对阀芯2面积A形成作用力小于弹簧预压力KX0，此时阀芯2仍保持原来位置不动。
    　当气体流量较大，此时气体阀芯下端产生气压对阀芯2形成作用力大于弹簧预压力KX0即达到阀起动压力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。
    　气体流量不大，产生气压达不到阀起动压力时，阀芯2不动，这样当气体放完后，液压泵正常工作，液体节流孔d产生背压，此压力作用同气体产生压力作用一样，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形成开口，实现锥口无泄漏密封。

    　从上述过程可以发现：阀芯2上小孔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。
   　使阀芯动作气体流量，可按气体节流孔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绝对压力值
   　使阀芯关闭液体流量，可按液体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——气体绝对温度
         Cq——油液流量系数，一般取0.7
         ρ——油液密度
   　一般来讲，X／X0>>1，这样pm≈pC。
    　参数设置：首先，系统最低压力和最大流量确定阀关闭压力及需要放气流量，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，关闭液体流量Q1＝1 L／min。这种参数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系统。

    　5　试　验
    　5.1　气体性能试验
   　把组件与压缩空气相连，气压低于0.1 Mpa时，气体组件排放，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自动放气阀理想安装位置是泵出口压油管路最高端，把聚集空气迅速放回油箱，有利于快速吸油，避免干摩擦，起到对泵保护效果，同时给其他需润滑装置迅速供油润滑。
    　②放气阀出口接回油箱，补充气体，降低泵吸油负压，实现泵吸油良性循环。

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