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液壓系統(tǒng)用自動放氣閥的研究

http://mamafrist.com 2015年09月19日        

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,設計了一種自動放氣閥,優(yōu)化了液壓系統(tǒng)的結構。


1 液壓系統(tǒng)中氣體的危害

作為液壓系統(tǒng)工作介質的油液不僅傳遞動力,而且對系統(tǒng)或其他裝置起著潤滑和冷卻的作用,對工作油液中含有氣體的危害這里作一簡述。

系統(tǒng)運行時由于氣體的存在,油液流動呈紊流狀態(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)的剛性和響應特性,使系統(tǒng)壓力產(chǎn)生脈動,元件、管路等連接松動,執(zhí)行器輸出達不到額定值并產(chǎn)生爬行、顫動,甚至產(chǎn)生誤動作;系統(tǒng)工作壓力 變化時,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。

應當特別引起注意的是對于帶載起動的恒壓系統(tǒng),空氣的存在對其威脅更大。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,再次起動時泵出口上的管路內存有的及泵排出的氣體受壓縮,再竄回吸油側,造成液壓泵干摩擦或處于臨界潤滑狀態(tài)運行并產(chǎn)生吸空,給起動帶來困難,降低容積效率,嚴重的甚至會使液壓泵燒毀。油氣混合亦會造成執(zhí)行器的干摩擦損傷,如果同時有其他裝置(如傳動裝置)需要液壓系統(tǒng)的油液進行潤滑,由于油液中氣體的存在,起動時此裝置不僅得不到及時潤滑,而且此時傳遞的壓縮空氣還要破壞原有的油膜,有產(chǎn)生研燒報廢的危險。因此一些液壓泵生產(chǎn)廠家對泵的起動特別提出要求:為排除滯留的空氣,起動時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)調試初起動及每次使用前空載運行時沒有很好的放氣,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

實驗表明,常態(tài)下礦物油中空氣的溶解量可達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壓力成正比,系統(tǒng)運行時油液經(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,同時不可避免地攪動油箱內的油液,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。

對于油箱低置系統(tǒng),因無吸油單向閥(工程機械液壓系統(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,只要提高裝配質量,加強系統(tǒng)調試并注意每次起動后要空載運行一段時間便可;由于系統(tǒng)原因造成的則要經(jīng)常性地進行放氣。傳統(tǒng)的放氣方法是起動時在液壓泵出口及最高處松開螺堵進行放氣,因不能實現(xiàn)自動化,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放氣。本文提出一種自動放氣的方法,效果良好。

4 自動放氣閥的工作原理

如圖1所示,自動放氣閥屬壓力切斷閥結構。



圖1 自動放氣閥結構
1彈簧 2.閥芯 3.卡環(huán) 4.閥體

泵起動時,壓油腔的氣體從閥芯2的下端進入,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,進入油箱。

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

當通過的氣體流量較大,此時氣體在閥芯下端產(chǎn)生的氣壓對閥芯2形成的作用力大于彈簧的預壓力KX0即達到閥的起動壓力pm(相對壓力)時,閥芯2便向上移動,逐漸關閉閥芯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,直到關閉開口。

通過的氣體流量不大,產(chǎn)生的氣壓達不到閥的起動壓力時,閥芯2不動,這樣當氣體放完后,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,當油壓達到起動壓力pm后,閥芯2快速上移,壓力繼續(xù)上升至關閉壓力pc時,閥芯向上移動了X,最終關閉閥芯2與閥體4形成的開口,實現(xiàn)錐口無泄漏密封。

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,控制著關閉壓力和流量。

用壓力流量公式描述上述過程:

起動壓力pm=KX0/A

關閉壓力pC=K(X0+X)/A

式中 K——彈簧剛度
X0——彈簧預壓縮量
X——閥芯開口量。

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

Qg=113 CVπd2/4(pm+0.1)(273/T)1/2

式中 pm+0.1——pm的絕對壓力值

使閥芯關閉的液體流量,可按液體通過的節(jié)流孔為薄壁小孔計算:

Q1=Cqπd2/4(2pc/ρ)1/2

式中 CV——氣體截面收縮系數(shù),一般取0.6
d——控制節(jié)流孔直徑
T——氣體的絕對溫度
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)的設置:首先,根據(jù)系統(tǒng)最低壓力和最大流量確定閥的關閉壓力及需要放氣的流量,然后計算d值和Q1值。例如關閉壓力為0.1 Mpa,閥芯動作放氣量為200 L/min時,節(jié)流小孔d=2 mm,關閉的液體流量Q1=1 L/min。這種參數(shù)的自動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

5.1 氣體通過性能試驗

把組件與壓縮空氣相連,氣壓低于0.1 Mpa時,氣體通過組件排放,進口壓力達0.1 Mpa時,閥芯關閉。

5.2 裝入系統(tǒng)切斷試驗

把組件安裝到液壓泵出口,低速起動時有大量氣體放出,隨后有少量油液溢出,最終關閉且無滲油。

6 實踐分析

①自動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,起到對泵保護的效果,同時給其他需潤滑的裝置迅速供油潤滑。

②放氣閥的出口接回油箱,補充氣體,降低泵吸油負壓,實現(xiàn)泵吸油的良性循環(huán)。


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