工程機(jī)械液壓閥的氣蝕及對(duì)策

1．簡(jiǎn)介

液壓閥是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中使用最多的元件，它的作用是控制液壓系統(tǒng)中液壓油的壓力、流量與流動(dòng)方向，從而滿足執(zhí)行元件所需的力（或力矩）、速度與方向的要求，使整個(gè)液壓系統(tǒng)能按要求協(xié)調(diào)工作。在工程實(shí)踐中，液壓系統(tǒng)常常會(huì)出現(xiàn)一些故障：如單向閥不起單向控制作用、液壓系統(tǒng)壓力波動(dòng)大、系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲等，而檢修時(shí)常常會(huì)發(fā)現(xiàn)液壓閥的閥孔內(nèi)表面或閥芯外表面有材料剝落而形成的小麻點(diǎn)和蜂窩狀小孔，即所謂的液壓閥氣蝕現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對(duì)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和精度會(huì)產(chǎn)生極大的影響。研究液壓閥氣蝕的產(chǎn)生原因，對(duì)氣蝕失效的檢測(cè)和預(yù)防及液壓系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性意義重大。

2．液壓閥氣蝕的形成分析

在液壓系統(tǒng)中，雖然各類液壓閥的作用不同，但其本質(zhì)是相同的，都是通過(guò)改變閥孔的大小，使其過(guò)流面積和壓力差發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液流控制的。由于液壓閥進(jìn)出口存在著壓力差，只要壓力低于工作溫度下溶于油液中空氣分離的臨界壓力，就會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

工程機(jī)械在使用的過(guò)程中，為了調(diào)控油液的壓力、流量或流向以滿足液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件動(dòng)作的需要，液壓閥要頻繁地動(dòng)作。當(dāng)液壓系統(tǒng)因液壓閥的動(dòng)作使得液壓油流速發(fā)生變化而引起壓力下降，某一局部油液的壓力低于工作溫度下溶于油液中空氣分離的臨界壓力時(shí)，液壓油中原來(lái)溶解的空氣就會(huì)大量分離出來(lái)形成氣泡。當(dāng)壓力降至油液的飽和蒸汽壓力以下時(shí)，油液就會(huì)沸騰而產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡混雜在工作油液中使原來(lái)充滿液壓閥的油液成為不連續(xù)狀態(tài)，形成氣穴。當(dāng)閥芯再次沖擊液壓油時(shí)，這些氣泡隨著油液運(yùn)動(dòng)到油壓急劇升高的地方，已形成的氣泡便因沖擊和壓縮而突然爆破。處于氣泡狀態(tài)的氣體重新液化或溶于液壓油中，體積驟然減小，液壓油向氣泡中心高速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象，產(chǎn)生極大的沖擊力和高溫，并以壓力渡的形式迅速向四周傳播，對(duì)閥芯外表面和閥孔內(nèi)表面產(chǎn)生很大的沖擊、擠壓。這一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行使得閥芯外表面和閥孔內(nèi)表面材料疲勞，表面保護(hù)膜被破壞，材料粒子逐漸從其表面脫落，從而使閥芯外表面和閥孔內(nèi)表面變得粗糙，進(jìn)而出現(xiàn)越來(lái)越大的小麻點(diǎn)和蜂窩狀小孔。隨著氣蝕的不斷發(fā)生，最終導(dǎo)致液壓閥閥芯和閥孔配合失效，使液壓系統(tǒng)工作性能惡化，可靠性降低。

液壓閥氣蝕的產(chǎn)生，從力學(xué)的角度可作如下分析：

如圖189所示，當(dāng)閥芯以加速度a向一側(cè)動(dòng)作時(shí)，與閥芯接觸的一個(gè)斷面積為S的局部油液在油液壓力p的作用下也一起以加速度a跟隨閥芯運(yùn)動(dòng)，這時(shí)距閥芯表面為L(zhǎng)處的油液壓力將降為p₀，因?yàn)?/span>

p₀S=pS+ρLSa

則             p=p₀-ρLa

式中  ρ為液壓油的密度。

當(dāng)p低于工作溫度下溶于油液中空氣分離的臨界壓力時(shí)，則溶于液壓油中的空氣便以氣泡的形式分離出來(lái)。當(dāng)閥芯以加速度a向另一側(cè)動(dòng)作時(shí)，L處的油壓力比p₀增加了ρLa。當(dāng)加速度很大的時(shí)候，以至于在閥芯外表面和閥空內(nèi)表面產(chǎn)生很大的沖擊而造成表面材料的破壞，發(fā)生氣蝕。

3．液壓閥產(chǎn)生氣蝕的原因分析

從液壓閥氣蝕的形成來(lái)看，不考慮液壓閥的結(jié)構(gòu)因素，氣蝕的產(chǎn)生主要與液壓油產(chǎn)生氣泡及液壓閥的頻繁動(dòng)作有關(guān)。

(1)液壓閥的頻繁動(dòng)作。在液壓系統(tǒng)中，各類液壓閥都是通過(guò)改變閥孔的大小，使其過(guò)流面積和壓力差發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液流壓力、流量與流動(dòng)方向控制的，以滿足執(zhí)行元件所需的力（或力矩）、速度與方向的要求。液壓閥的頻繁動(dòng)作，使得油液壓力的變化頻率過(guò)快、過(guò)高，將直接造成氣泡的形成，加速氣泡的破裂速度。試驗(yàn)證明，壓力變化頻率高的部位出現(xiàn)氣蝕的速度就會(huì)加快。

(2)液壓油產(chǎn)生氣泡。在液壓傳動(dòng)中，液壓油總是含有一定量的空氣?？諝饪扇芙庠谝簤河椭?，也可以以氣泡的形式混合在液壓油中。對(duì)于礦物型液壓油，常溫時(shí)在一個(gè)大氣壓下有6%～12%的溶解空氣。油液中空氣分離成氣泡的臨界壓力與油液的種類、油溫和空氣溶解量有關(guān)。防止液壓油產(chǎn)生氣泡，可減緩氣蝕的發(fā)生。

4．預(yù)防液壓閥氣蝕的對(duì)策

預(yù)防液壓閥氣蝕除了合理設(shè)計(jì)、科學(xué)選材、提高加工工藝等措施外，合理使用液壓設(shè)備對(duì)減少液壓闊氣蝕至關(guān)重要。在使用過(guò)程中要減少液壓閥氣蝕的發(fā)生，主要是盡量減少液壓油產(chǎn)生氣泡及正確操作液壓閥。

(1)正確操作液壓閥。油壓變化的頻率直接影響氣泡的形成與破裂的速度，壓力變化頻率高的部位，氣蝕速度快。因此操縱各液壓閥時(shí)要平穩(wěn)，操縱過(guò)程不宜過(guò)快、過(guò)猛，以減輕液壓沖擊，從而減少氣蝕的發(fā)生。

(2)減少液壓油產(chǎn)生氣泡。要減少液壓油產(chǎn)生氣泡，使用中著重要考慮如下幾點(diǎn)：

1)防止液壓油溫度過(guò)高。應(yīng)及時(shí)地維護(hù)冷卻系統(tǒng)，使冷卻系統(tǒng)的溫度保持在合適的范圍內(nèi)，以降低氣泡破裂時(shí)釋放的能量。

2)合理選用、使用液壓油。液壓系統(tǒng)對(duì)液壓油的品種、牌號(hào)、抗泡沫性有嚴(yán)格的要求，應(yīng)按要求添加或更換。如果油液抗泡沫性不好，易于汽化和形成泡沫，就容易引起氣蝕。

3)維修和換油后要注意排氣。如果維修和換油后未使液壓系統(tǒng)充分排氣，導(dǎo)致系統(tǒng)中存有氣體，在高溫、高壓的作用下很容易產(chǎn)生氣蝕。因此液壓系統(tǒng)在維修和換油后，應(yīng)按隨機(jī)“使用說(shuō)明書(shū)”的規(guī)定排除系統(tǒng)中的空氣。

4)防止液壓泵“吸空”現(xiàn)象發(fā)生。液壓泵“吸空”是指泵吸入的油液中混有空氣（不是油中溶解的空氣）。而混入油中的空氣通常呈細(xì)小的氣泡狀態(tài)懸浮在油中，這些氣泡隨著油液不斷地流人，會(huì)增加氣蝕的產(chǎn)生。為此液壓泵吸油管連接處應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格密封；油箱中的油液要按規(guī)定加足；吸油管一定要浸入到油箱規(guī)定的位置，這些都能有效防止液壓泵“吸空”現(xiàn)象發(fā)生。

總之，上面在分析液壓閥氣蝕形成過(guò)程的基礎(chǔ)上，認(rèn)為在不考慮液壓閥結(jié)構(gòu)因素的前提下，氣蝕的產(chǎn)生主要與液壓油產(chǎn)生氣泡及液壓閥的頻繁動(dòng)作有關(guān)，并因此提出減少液壓閥氣蝕除了合理設(shè)計(jì)、科學(xué)選材、提高加工工藝等措施外，合理使用液壓設(shè)備對(duì)減少液壓閥氣蝕至關(guān)重要。在使用過(guò)程中要減少液壓閥氣蝕的發(fā)生，主要是盡量減少液壓油產(chǎn)生氣泡及正確操作液壓閥。