液壓系統用自動放氣閥的研究

論文摘要：系統地分析了液壓系統中油液混入氣體的途徑及危害，設計了一種自動放氣閥，優化了液壓系統的結構。

1　液壓系統中氣體的危害

作為液壓系統工作介質的油液不僅傳遞動力，而且對系統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。

系統運行時由于氣體的存在，油液流動呈紊流狀態，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；影響了系統的剛性和響應特性，使系統壓力產生脈動，元件、管路等連接松動，執行器輸出達不到額定值并產生爬行、顫動，甚至產生誤動作；系統工作壓力　變化時，由于氣泡急劇縮小和放大，即產生氣穴與氣蝕現象，使系統產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，空氣的存在對其威脅更大。系統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運行并產生吸空，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，有產生研燒報廢的危險。因此一些液壓泵生產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　氣體混入液壓系統的途徑

2.1　人為因素

系統加注的油液沒有經過很好的沉淀、過濾，致使帶入過量的空氣；系統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、執行器容腔的空氣滯留在系統中；管路，特別是吸油管路漏氣，致使外界空氣竄入系統。

2.2　系統因素

實驗表明，常態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中的油液是混有一定氣體的。

根據亨利定律，氣體在油液中的可溶性與絕對壓力成正比，系統運行時油液經閥、過濾器等元件產生較大壓降，使空氣析出，以微小氣泡狀懸浮在油液中。

系統回油(有的經過濾器)在油箱里產生浪花、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循環，致使油液含氣量不斷增加。

對于油箱低置系統，因無吸油單向閥(工程機械液壓系統中常見)，系統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，氣體還要經過泵上升至壓油管路。

3　傳統的放氣方法

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；由于系統原因造成的則要經常性地進行放氣。傳統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，因不能實現自動化，這給系統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　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的環形空間及形成的開口，再經過閥芯2上的節流孔d來到彈簧腔，進入油箱。

由于節流孔d的作用，氣體通過組件時在閥芯下端產生氣壓，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，液體通過節流孔d產生背壓，此壓力的作用同氣體產生的壓力作用一樣，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，實現錐口無泄漏密封。

從上述的過程可以發現：閥芯2上的小孔d為控制節流孔，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，可按氣體通過節流孔d為聲速狀態計算：

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，一般取0.6
d——控制節流孔直徑
T——氣體的絕對溫度
Cq——油液的流量系數，一般取0.7
ρ——油液的密度

一般來講，X／X0>>1，這樣pm≈pC。

參數的設置：首先，根據系統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，節流小孔d＝2 mm，關閉的液體流量Q1＝1 L／min。這種參數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。

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，實現泵吸油的良性循環。