液压冲击和气蚀现象

2.7　液压冲击和气蚀现象

2.7.1　液压冲击

在液压系统中，由于某种原因引起油液的压力在某一瞬间突然急剧升高，形成较大的压力峰值，这种现象称为液压冲击。

1.液压冲击产生的原因及危害

产生液压冲击的原因主要有以下几个方面。

（1）液压冲击多发生在液流突然停止运动的时候，如迅速关闭阀门时，液体的流动速度突然降为零，液体受到挤压，使液体的动能转换为液体的压力能，造成液体的压力急剧升高而引起液压冲击。

（2）在液压系统中，高速运动的工作部件的惯性力也会引起液压冲击。如工作部件换向或制动时，与液压缸连接的排油管路上常有一个控制阀关闭油路，油液不能从油缸中排出，但此时运动部件因惯性的作用还不能立即停止运动，这样，也会引起液压缸和管路中局部油压急剧升高而产生液压冲击。

（3）由于液压系统中某些元件反应动作不够灵敏，也会造成液压冲击。例如，溢流阀在超压时不能迅速打开，形成压力的超调；限压式变量液压泵在油压升高时不能及时减少输油量等，都会造成液压冲击。

图2－21　速度突变引起的液压冲击

1—容器；2—阀门

液压冲击的危害：产生液压冲击时，系统的瞬时压力峰值有时比正常工作压力高好几倍，会引起设备振动和噪声，大大降低了液压传动的精度和寿命。液压冲击还会损坏液压元件、密封装置，甚至会使管子爆裂。由于压力增高，还会使系统中的某些元件，如顺序阀和压力继电器等产生误动作，影响系统正常工作，可能会造成工作中的事故。

2.液体突然停止运动时产生的液压冲击

有一液面恒定并能保持液面压力不变的容器，如图2－21所示。容器底部连一管道，在管道的输出端装有一个阀门。管道内的液体经阀门2流出。若将阀门突然关闭，则紧靠阀门的这部分液体立即停止运动，液体的动能瞬时转变为压力能，产生冲击压力，接着后面的液体依次停止运动，依次将动能转变为压力能，在管道内形成压力冲击波，并以速度c从阀门2向容器1传播。

设图2－21中管道的截面面积和长度分别为A和l，管道中液体的流速为v，密度为ρ，则根据能量守恒定律，液体的动能转化为液体的压力能，即

所以

c——压力冲击波在管道中的传播速度，c＝c一般与油液的体积模量、油管材料的弹性模量、油管直径和壁厚等因素有关。对选定的油液和管道来说，c为定值。压力冲击波在管道中液压油内的传播速度c一般在890～1 270m/s范围内。式（2－119）适用于阀门迅速关闭的特点条件。实际工作中，阀门关闭总需要一定时间，液压冲击也会因阀门关闭的迅速程度不同而有所差异。设阀门完成关闭所需时间为t，从冲击发生起，到液压冲击波又返回到容腔所需要的时间为T，则T＝2l/c。如果阀门不是全部关闭，而是部分关闭，则液体的流速从v降到v′。则只要在式（2－119）中以（v－v′）代替v，便可求得在这种情况下的压力升高值。即

一般情况下，依据阀门关闭时间常把液压冲击分为以下两种。

（1）当阀门关闭时间t＜T时，称为直接液压冲击（又称完全冲击）。

（2）当阀门关闭时间t＞T时，称为间接液压冲击（又称不完全冲击）。此时压力升高值比直接冲击时小，它可以近似地按下式计算

不论是哪一种情况，知道了液压冲击的压力升高值Δp后，便可求得出现液压冲击时管道中的最高压力

3.运动部件制动时引起的液压冲击

运动部件的惯性也是引起液压冲击的重要原因之一。如图2－22所示，设活塞以速度v驱动负载m向左运动，活塞和负载的总质量为Σm。当突然关闭出口通道时，液体被封闭在右腔中。但由于运动部件的惯性，它仍会向前运动一小段距离，使腔内油液受到挤压，引起液体压力急剧上升。运动部件则因受到右腔内液体压力产生的阻力而制动。

设运动部件在制动时的减速时间为Δt，速度减小值为Δv，则根据动量定律，可近似地求得右腔内的冲击压力值Δp为

故有

图2－22　运动部件阀门突然关闭引起的液压冲击

式中：Σm——被制动的运动部件（包括活塞和负载）的总质量；

　A——液压缸的有效工作面积；

　Δt——运动部件制动或减慢Δv所需的时间；

　Δv——运动部件速度的减少值，Δv＝v－v′；

　v——运动部件制动前的速度；

　v′——运动部件经过Δt时间后的速度。

式（2－124）的计算忽略了阻尼、泄漏等因素，其值比实际的要大，因而是安全的。

4.减少液压冲击的措施

因液压冲击有较多的危害，所以可针对上述影响冲击压力Δp的因素，采取以下措施来减小液压冲击。

（1）适当加大管径，限制管道流速v，一般在液压系统中把v控制在4.5m/s以内，使Δpmax不超过5MPa就可以认为是安全的。

（2）正确设计阀口或设置缓冲装置（如阻尼孔），使运动部件制动时速度变化比较均匀。

（3）缓慢开关阀门，可采用换向时间可调的换向阀。

（4）尽可能缩短管长，以减小压力冲击波的传播时间，变直接冲击为间接冲击。

（5）在容易发生液压冲击的部位采用橡胶软管或设置蓄能器，以吸收冲击压力；也可以在这些部位安装安全阀，以限制压力的升高。

2.7.2　空穴现象

1.空穴、气蚀的概念及空穴、气蚀的危害

1）空穴

在液压系统的工作介质中，不可避免地混有一定量的空气，当流动液体某处的压力低于空气分离压时，正常溶解于液体中的空气就成为过饱和状态，从而会从油液中迅速分离出来，使液体产生大量气泡。此外，当油液中某一点处的压力低于当时温度下的蒸气压时，油液将沸腾汽化，也会在油液中形成气泡。上述两种情况都会使气泡混杂在液体中，使原来充满在管道或元件中的液体成为不连续状态，这种现象一般称为空穴现象。

2）气蚀

当气泡随着液流进入高压区时，在高压作用下迅速破裂或急剧缩小，又凝结成液体，原来气泡所占据的空间形成了局部真空，周围液体质点以极高速度涌来，填补这一空间，质点间相互碰撞而产生局部高压，形成液压冲击。这个局部液压冲击作用在零件的金属表面上，使金属表面腐蚀。这种因空穴产生的腐蚀称为气蚀。

3）空穴、气蚀的危害

如果在液流中产生了空穴现象，会使系统中的局部区域产生非常高的温度和冲击压力，引起噪声和振动，再加上气泡中有氧气，在高温、高压和氧化的作用下会使工作介质变质，使零件表面疲劳，还对金属产生气蚀作用，从而使液压元件表面产生腐蚀、剥落的现象，出现海绵状的小洞穴，甚至会造成元件失灵。尤其是当液压泵发生空穴现象时，除了会产生噪声和振动外，还会由于液体的连续性被破坏，降低吸油能力，以致造成流量和压力的波动，使液压泵零件承受冲击载荷，缩短液压泵的使用寿命。

2.液体的空气分离压和饱和蒸气压

液体中的空气含量用液体中所含空气的体积分数来衡量。空气在液体中存在有两种形式：一种是溶解在液体中；另一种是以气泡的形式混合在液体中。前一种的空气对液体的体积模量没有影响。但当液体的压力降低时，溶解在油液中的空气会从液体中分离出来，如图2－23（a）所示。空气在液体中的溶解度与液体的绝对压力成正比，如图2－23（b）所示。油液中能溶解的空气量比水中能溶解的要多。在常温常压下，石油型液压油的空气溶解度等于6%～12%；水中的空气溶解度约等于2%。

图2－23　气体溶解度以及从油液中放出的气体体积与压力间的关系

在一定温度下，当液体压力低于某数值时，溶解在液体中的空气将会突然地迅速从液体中分离出来，产生大量气泡，这个压力称为液体在该温度下的空气分离压。有气泡的液体其体积模量将明显减小。气泡越多，液体的体积模量就越小。

当液体在某一温度下其压力继续下降而低于一定数值时，液体本身会迅速汽化，产生大量蒸气，这时的压力称为液体在该温度下的饱和蒸气压。一般来说，液体的饱和蒸气压比空气分离压要小得多。而饱和蒸气压与温度的关系如图2－24所示。

3.节流气穴

当液体流到如图2－25所示的水平放置管道节流口的喉部时，因q＝Av，通流截面面积小，流速变得很快。又根据能量方程，所以该处的压力会很低。如该处的压力低于液体工作温度下的空气分离压，就会出现气穴现象。同样，在液压泵的自吸过程中，如果泵的吸油管太细、阻力太大、滤网堵塞，或者泵安装位置过高、转速过快等，也会使其吸油腔的压力低于工作温度下的空气分离压，从而出现气穴现象。

图2－24　饱和蒸气压与温度的关系

1—油－水乳化液；2—水－乙二醇液；

3—氯化烃液；4—合成液；5—石油基液；

6—硅酸酯液；7—磷酸酯液；8—硅酮液

图2－25　节流口的气穴现象

当液压系统出现气穴现象时，大量的气泡使液流的流动特性变坏，造成流量不连续、流动不稳、噪声骤增。特别是当带有气泡的液流进入下游高压区时，气泡受到周围高压的作用，迅速破灭，使局部产生非常高的液压冲击。例如，在38℃温度下工作的液压泵，当泵的输出压力分别为6.8MPa、13.6MPa、20.4MPa时，气泡破灭处的局部温度可高达766℃、993℃、1 149℃，冲击压力会达到几百兆帕。这样的局部高温和冲击压力，会产生气蚀。气蚀会严重损伤元件表面质量，大大缩短液压元件的使用寿命。

4.减少空穴的措施

在液压系统中，只要液体压力低于空气分离压，就会产生气穴现象。如要想完全消除空穴现象是十分困难的，但可尽力加以防止空穴现象的产生。必须从设计、结构、材料的选用上来考虑，具体可采取以下一些措施。

（1）保持液压系统中的油压高于空气分离压。对于管道来说，要求油管要有足够的管径，并尽量避免有狭窄处或急剧转弯处；对于阀来说，正确设计阀口，减小液体通过阀孔前后的压差；对于液压泵，离油面的高度不得过高，以保证液压泵吸油管路中各处的油压都不低于空气分离压。

（2）降低液体中气体的含量。例如管路的密封性要好，不要漏气，以防空气侵入。

（3）对液压元件应选用抗腐蚀能力较强的金属材料，并进行合理的结构设计，适当提高零件的机械强度，减小表面粗糙度，以提高液压元件的抗气蚀能力。