氣泡對液壓系統的危害分析及防治

楊運高

要謀求油壓系統高效率、低成本，就要把著眼點放在油的質量上。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，要使液壓油長時間質量穩定，關鍵是要解決好油中混入空氣這一對油液危害最大的難題。

一、油中氣泡的來源及其對系統的危害

1. 氣泡的來源

液壓油在生產、儲運以及系統在大氣壓力下工作，因此油液中含有空氣是不可避免的。往往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條途徑：（1）通過油箱和泵的吸油管，摻混空氣進入油中。如油箱油面太低、泵吸入管口半露于油面或淹沒的很淺時，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。（2）在液壓系統中，當液體流經一段特別狹窄的通道時，其速度會上升很高，以致壓力降低。如果壓力低于當時溫度下液體的飽和蒸氣壓力，液體就沸騰、氣化，形成氣泡。同時產生所謂“已溶解空氣的逸出”也形成氣泡。這些氣泡混雜在油液中，產生氣穴，使原來充滿在導管或元件中的油液成為不連續狀態，這種現象稱為“空穴現象”。實踐雖然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處，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會被析出，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. 氣泡對系統的危害

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。在液壓傳動系統中，油液是動力的傳遞介質，在沒有空氣混入的場合，其壓縮率約為5×10－（10～7）×10－10（m3/N），也就是壓力增加10MPa時，容積僅被壓縮減少0.625%。因此，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，其壓縮率便會大幅度增加，油液本身相當高的剛度或是大的體積彈性系數（壓縮率的倒數）則大大減低，嚴重地危害著系統的工作，甚至還會發生機械及人身事故，如自動控制失靈、工作機構產生間歇運動、被加工件的廢品率增大等。（2）油溫升高。氣泡如在泵等的瞬間壓縮之后，其溫度會急劇升高，如果氣體不溶解于油中，其絕熱壓縮的溫升近似值是不難計算的，例如，將35℃的氣泡加壓至3.5MPa時，其溫升可達到580℃。氣泡達到高溫之后，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。然而空氣是難以導熱的，油中存有氣泡時，其導熱系數大大減低，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：①加速油的氧化。油溫的升高是促進油液氧化的主要原因。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。氧化后的油液通常都會使黏度增加并生成酸性化合物，引起系統中金屬件的腐蝕現象，氧化物的化學性質一般比熱解作用的產物更為活潑，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。② 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。③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，不但要求與油液有好的相容性，而且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，會加速老化，失去應有的彈性，導致過早地喪失密封性能。⑶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，使系統中的局部壓力猛烈升高，引起強烈的噪聲和振動，再加之氣泡中有氧氣，在高溫、高壓、氧化的作用下就會產生所謂的“氣蝕”，氣蝕會使零件表面受到腐蝕，甚至造成元件失靈。在油泵部分發生了空穴現象時，除了會產生噪音和振動外，還會由于液體的連續性被破壞，降低吸油能力，以致造成流量和壓力的波動，使油泵零件承受沖擊載荷，降低油泵的使用壽命，甚至使液壓系統工作出現誤動作等。⑷液壓油中的氣泡還能引起系統的振動和噪聲的增加以及泵的容積效率減低等。

二、產生影響的幾個方面

液壓系統設計、安裝結構及參數不合理;

油液的抗泡沫性差，容易汽化形成泡沫，導致穴蝕的發生。

油液壓力的變化頻率過高，直接影響空氣泡的形成，加速氣泡的破裂速度，導致穴蝕速度加快。

油位過高，油液受機械攪拌易使氣體溶在油液內產生泡沫；油位過低，工作泵易吸入空氣導致循環油液流量不足，從而加大了油液中空氣或水形成氣泡的概率。

三、穴蝕預防的主要措施

要想完全消除空穴現象是做不到的，但是可以根據它產生和發展的規律，盡可能采用如下措施加以預防。

第一，液壓系統管路必須進行合理設計和安裝。它應有足夠的管徑，盡量避免有狹窄處或急劇轉彎處，并且可以用一些增加吸油管路壓力的措施，如提高油箱的安裝高度，控制油泵的轉速，設置增壓油路等。

第二，正確設計油泵的結構參數，并且油泵裝配要保證達到技術要求，密封要嚴格。

第三，系統內避免進入空氣。特別是油箱設計上避免過多氣體進入，液壓系統最高部位設排氣口，有利于氣體排出。

第四，及時維護冷卻系統，使其溫度保持在合適的范圍內，以減少氣泡破裂時釋放的能量，在不影響冷卻液循環的情況下，添加一定量的防腐劑，以抑制銹蝕。

第五，選用油液要保證油品質量和適宜的黏度。嚴格按照設備用油液的標準選用液壓油。質量好的液壓油，可以有效防止在液壓系統工作過程中出現的油液壓力低于油氣分離壓力的現象。選用油液時，應根據不同地區的最低氣溫進行選擇，并按油尺標準加注液壓油，同時還應保持液壓系統的清潔(加注液壓油時，應防止將水分和其他雜質帶入，添加的冷卻液，一定不要含有腐蝕物質)。

第六，嚴格按油尺標準加油。各種油液油尺均標有上限和下限刻度，控制油液的正常油位有利于降低穴蝕。

第七，防止油溫過高。合理設計散熱系統，是保持油溫正常的關鍵。如果出現故障，應查找原因，及時排除。

第八，減少液壓沖擊。在操縱液壓操縱桿、分配閥時，力求平穩，不宜過快、過猛，以減輕液壓油對零件的沖擊。

第九，保持各結合面的正常間隙。在制造或修理時，按照裝配的公差下限進行裝配，可以很好地減少穴蝕的發生。如果元件已經發生穴蝕現象，則只能采用金相紙拋光技術除去積碳，切不可用一般的細砂紙進行打磨和處理。

第十，保持液壓系統清潔，防止空氣和水分侵入。定期清洗磁性過濾器，更換各種濾芯，保持油液清潔。注意檢查油位、油質和油色，如果發現液壓系統中有水珠，油液變成乳白色或油液呈泡沫狀，應及時仔細分析水和空氣的來源，檢查油冷卻器和液壓泵進口處的密封性。

（作者單位：河北省秦皇島市高級技工學校）