液压系统的空气污染及其控制措施

液压系统的空气污染及其控制措施赵立志;谢宏晓;陈振生;谢其亮【期刊名称】《《流体传动与控制》》【年(卷)，期】2011(000)002【总页数】4页(P52-55)【关键词】液压系统;油液;空气污染;危害;检测【作者】赵立志;谢宏晓;陈振生;谢其亮【作者单位】中国船舶重工集团第七二二研究所湖北武汉430079【正文语种】中文【中图分类】TH137.3引言液压传动由于功率体积比大、容易实现自动化等特点在海洋工程、航空航天等领域得到广泛应用。有关资料表明，在液压系统的使用过程中50%~70%的故障是由液压系统的污染引起的，上世纪60年代初，国内外开始系统研究液压污染控制问题，并取得了令人瞩目的成果，污染控制逐渐发展成为一门新的技术学科。固体污染、液体污染、气体污染是液压污染的三种形式，由于液压系统大多与大气环境接触，空气污染不可避免，易被工程技术人员忽视。空气污染带来振动和噪声的加剧、运行平稳性的降低、自动控制精度的降低等诸多问题，在液压技术向着低成本、小体积、自动化程度高、寿命长、可靠性高的方向发展的过程中，空气污染的控制越来越多地得到了重视，在设计及使用过程中采取措施预防并减少空气污染带来的危害。1空气污染产生的途径及危害液压系统处在大气环境下，尤其是对于开式油箱，难以避免地会混入空气，造成空气污染，在大气压力和室温条件下油液中含有9%左右体积的空气。一部分空气溶入油液中，另一部分以0.05mm~0.5mm直径的气泡形式游离在油液中，依据亨利定律，在温度一定的情况下空气的可溶性与绝对压力成正比，气体在常见介质中的溶解度见图1,空气在油液中的状态随压力变化在溶解与析出气泡之间变化。图1溶解度与压力关系图1-硅油；2-矿物油；3-油、水、乳化液；4-水、乙二醇1.1空气污染产生的途径在设计和使用过程中由于人为因素或环境因素都会导致液压系统的空气污染，主要包括以下两个方面：外界气体进入系统常见的液压系统采用开式油箱，油液直接与大气相通，这是导致油液中含有空气的主要原因。闭式油箱在加油时由于油液没有经过预先沉淀等处理而带入空气。在系统安装调试，拆装阀件及管路接头的过程中由于没有采用带密封功能的快速接头而进入空气，液压系统局部密封失效时也会导致空气进入。系统运行过程中产生的空气污染因系统回油管口高于油箱液面导致回油搅动液面产生泡沫时，泵吸入管口埋入液面不够深时系统内都会随泵吸入空气。若泵的吸入口高于液面，当系统停机时，泵吸油管中慢慢析出的空气会上浮堆积在泵的吸入口，当系统再次运行时也会致使系统吸入空气。溶解了一定数量空气并处于饱和状态的油液流经控制阀、过滤器、管接头等元件时产生较大的压力降，油液中过饱和的空气会析出游离的气泡。1.2空气污染的危害液压系统的空气污染因其普遍性与故障症状的相对不明显性易被忽视，但它是导致液压系统故障发生的重要原因，而且带来了很多其他危害，需要对空气污染的危害有一个充分的认识，其主要危害如下：油液刚性下降，引起系统故障在空气含量较少的情况下液压油的压缩率为(5~7)x10-10m3/N,通常不考虑其压缩性，可以认为油液是非压缩性流体。超过一定量空气的存在会大大减小油液的弹性模量，引起控制精度的下降、执行机构的不连续运动甚至导致控制失灵，由此引起的装置误动作还会导致机械及人身事故，对于航天航空、海洋探测领域由此引发的损失将是无法衡量的。气泡析出与消溶，引起气蚀溶解在油液中的空气在系统低压区会析出气泡，在高压区气泡又会被压缩溃灭而迅速消失，突然溃灭会产生局部冲击力，试验表明气泡溃灭中心的压力高达150~200MPa，局部高压冲击引起壁面剥蚀，即气蚀现象，导致设备受损。⑶引起冲击，加剧振动噪声高压区气泡溃灭时局部压力的急剧升高在一瞬间发生，压力冲击以波的形式向四周传播，产生强烈的振动和噪声。例如国防技术的快速发展对潜艇的静音性能要求越来越高，液压设备空气污染导致的振动噪声对其隐蔽性构成重大威胁。⑷局部油温升高，易使油液变质，缩短油液寿命气泡溃灭的瞬间近似绝热状态，气泡在高压下温度急剧升高至几百甚至上千度，导致油温升高。过高的温度会使密封件老化，影响油液润滑性，使油液添加剂被破坏，还会使油液氧化产生酸性物质带来金属的化学腐蚀，油液温度在60°C以上时每提高10C其氧化速度增加一倍，因此气泡的大量存在会急剧加速油液的老化，缩短使用寿命。⑸其他危害此外，空气污染的存在还会导致泵的工作效率降低、系统能耗增大等其它危害。2空气污染的检测方法液压系统的空气污染一般情况下可以通过传统的措施保证液压系统的运行，因此空气污染的检测并不普遍。但航天航空、精密加工等领域对液压系统的清洁度提出了非常高的要求，需要定期或在线监测空气含量防止质量事故与安全事故的发生。与压力、温度的测量相比空气含量的检测难度更大，目前，国内缺少对液压空气污染控制指标的标准，空气污染的检测是国内外研究的难点，应用较多的空气含量检测方法包括：快关阀法快关阀法是直接测量油液中空气含量的最常用方法，如图2所示，在测量管的两端安装两个同步快关阀，待流速稳定后，同时快速关闭进口和出口阀，通过气液分离可以直接测出两阀间的平均含气量，该方法对含量的测量精度高，但对气泡的状态无法测量，适用于不要求检测气泡状态的情况。图2快关阀检测法示意图比重法根据含气的油液比纯油密度小的特点，用比重计或比重瓶可以计算空气污染的程度，此方法测量简单，但在含气量小的情况下精度不高，同样只适用于不要求检测气泡状态的情况。⑶弹性模量法空气含量的存在改变了油液的弹性模量，通过测量弹性模量的方式可以检测油液中的空气含量。⑷电阻抗法在油管内壁沿轴对称放置两个测量电极，依据含气量对介电常数、电导率的影响可以检测空气含量，其优点是电阻抗法结构简单，能够进行瞬态测量，且价格低廉较容易实现。⑸其他方法空气污染检测的方法很多，但仍存在很多难点，国内外针对空气含量研究了很多新的方法，包括超声波法、静电容量法、光学法、微波法、Y射线衰减法、脉冲中子探测法(PNA)、核磁共振法(NMR)等，随着科技的发展，将有更多科学先进的检测方法可以应用到空气污染的控制中。3空气污染的控制设计过程中采取一定的措施可以从根源上减少空气污染产生是控制空气污染的关键措施，同时在液压系统的运行过程中要对技术人员的操作进行规范以减少人为因素导致的空气污染，在使用过程中注意对系统的维护，定期检测并排除系统中的空气，以确保液压设备的安全高效运行。3.1预防空气污染的措施设计、运行、维护过程中预防空气污染的主要措施主要有以下几个方面：油箱结构的合理设计空气主要是通过油箱中裸露的油液进入系统，油箱的体积一般为泵的流量的3~5倍，在空间不受限制的情况下可以适当增大箱体体积，箱体内设置隔板减少回油搅动产生的气泡，进出油口的布置尽量远以延长油液在箱体中停留的时间，使气泡有更多的时间析出，在油箱内安装一定精度的滤网有利于气泡的析出。维护过程中要及时为油箱补油防止液位过低致使泵吸入的空气增加。泵的合理选型与布置—般齿轮泵的自吸压力为0.056MPa，叶片泵为0.033MPa、柱塞泵为0.017Mpa、螺杆泵为0.057MPa，因此根据具体情况选择吸入性能好的泵对控制空气污染非常重要。布置时放低泵的吸油口可以减少气泡的产生。由于泵自吸性能差、吸入口过高等原因导致吸入性能不佳时可以设置辅助泵供油。⑶带密闭或排气功能元件的选用选用带密闭功能的快速接头可以防止拆装过程中空气的混入。选用带有排气阀的过滤器、选用可以用于排气的测压装置、在液压缸及集成块上设置排气阀等措施均可以在系统运行过程中进行排气，减轻空气污染带来的危害。⑷其他措施在某些运行平稳性要求高的系统中可以将油箱设计成闭式油箱，在必要的情况下给油箱加压提高空气的溶解度，减少气泡的析出。选用消泡性能好的油液，或者在油液中加入消泡剂都可以在一定程度上控制油液的空气污染。3.2排除空气的方法尽管设计中采取了各种预防措施，但是空气污染仍然难以完全避免，系统运行过程中会有空气进入和气泡产生，因此在运行过程中不断排除空气对于系统的正常运行非常重要，常用的排气方法包括以下几个方面：(1)排气装置排气通过泵等元件上的排气阀可以排气，在很多场合下测压接头也可以用于排气，常见的排气阀分为整体式排气阀与组合式排气阀，传统排气阀的结构见图3中a、b所示，传统排气阀优点是结构简单，加工容易，在工程非常普遍应用。研究人员提出一种新式自动排气阀方案，结构如图3中c所示，属于压力切断型结构，气体通过阻尼孔排出，气体排完有油液流出时，油液背压克服弹簧力关闭阀口实现密封，系统正常运行，调整弹簧的弹性系数、阻尼孔尺寸可以适应各种工况的需求，可以实现自动排气。图3排气阀结构原理图(2)离心式排气空气和油液比重的不同，在离心力的作用下气泡向旋转中心聚集，利用该原理设计的强制式气泡消除装置可以消除99%以上的空气，该装置可以直接接在回路中应用，也可以设计成独立的回路专门用于消除空气，该装置的结构原理如图4所示。真空排气利用油液不易挥发的特性，将液压油加热至40^-70^,驱动液压油进入特定的真空设备，使液压油中的气体挥发，从而出去油液中的空气。图4强制式气泡清除器原理图4结语液压系统普遍存在空气污染问题，应当重视空气污染带来的危害、明确空气污染产生的途径、掌握空气污染的检测手段及污染控制的方法，用相关理论指导设计生产，确保液压系统安全高效运彳丁。参考文献【相关文献】成大先.机械设计手