液压系统中气穴现象的研究

郝春玲

（渤海船舶职业学院，辽宁 葫芦岛 125000）

1 空穴（气穴）现象的形成

（1）阀口的形状。液压阀用来调节液压系统中的压力、流量和运动方向，其均依靠调节液压阀口的通流面积来实现。液流通过阀口时，其速度、和方向发生变化，使阀口处的压力降到一定值时，就会在该处产生气穴现象’液压阀口形状各式各样，但就其基本形式不外乎为三种，如图1所示，而不同的阀口形式，气穴产生的状况不同。

（2）气穴对阀口流量和噪声的影响。把各种阀口上的压力固定，让下游压力变化，使其阀口两端压差变化，压差部变化对阀口的流量Q和噪声N的变化情况如图2所示。首先，当液流通过阀口时，随着阀口两端压差的增大，气穴产生。其次，对薄壁孔阀口随气穴的产生噪声增大，但却对流量特征没

有影响，对厚壁形阀口随气穴的产生，噪声增大，而流量却不再增加(即阀口流量处于闭锁状态）。在发生气穴时，阀口收缩断而处得压力近似为零，与下游压力无关。对短孔阀口，最初气穴的产生对流量无影响，但随阀口处产生气穴，压力急剧下降，当降到接近零压时，流量也近似闭锁态。

2 空穴现象的分析与防治

2.1 产生原因

由于液压系统结构及油液的运输，倒装等原因，油液总会接触，混入及溶解一定的空气。油液对空气的溶解能力也较强（常温和常压下，水中能溶解约2%体积的空气，而一般矿物油则能溶解6%~12%体积的空气）。

能导致气穴发生，除以气泡状态存在空外，还有已经溶解的空气及油液本身，在一定条件下也会形成气泡。

当这几种气泡混杂在油液中，使原来充满在管道或液压元件中的油液成为不连续状态，引起压力波动，当气泡在波动的压力下受压缩直至溃灭时，就发生了气穴及气蚀现象。

2.2 液压系统气穴的防止方法

液压系统中最容易发生的地方有液压泵（吸油及配油部位）、阀类元件（节流部位)。下面主要以节流阀的气穴防止为例进行说明。

（1）节流阀的气穴防止方法。①节流阀的气穴产生，节流阀的气穴的产生与节流口前后压差，开面积比有密切关系。由于节流口面积的急剧收缩，使油液通过节流口时流速升高，压力降低。当压力降低到一定值（低于空气分离压)时，就会产生节流气穴，生气蚀及噪声。

现以图3所示节流小孔，可看出节流阀前后压差对节流气穴的影响是节流面积或节流开度紧密相关的。在流量一定的情况下，面积比越小，节流阀前后压差就越大，所以就越容易发生气穴。②节流阀气穴的防止方法，如前所述可得出这样的结论：为防止气穴现象的发生，除应合理设置节流口的面积比外，更为重要是要正确地调定背压的大小。

部发生气穴的极限背压（绝对压力）为：

式中：A0为节流阀口的部分开口面积；A为节流阀的全开口面积。

由（1）式可知，不发生气穴的背压为P1进压口压力和面积比A0/A的函数。所以，当进口压力P1和面积比A0/A的函数。所以，当进口压力较高时，为使背压不致过大，可以进行二级或三级节流（或减压），从而防止气穴及气穴腐蚀发生。

3 气穴产生的气蚀

在液压系统中，如果某处压力低于油液工作温度下的空气分离压时，油液中的空气就会分离出来而形成大量气泡；当压力进一步降低到油液工作温度下的饱和蒸汽压力时，油液会迅速汽化而产生大量气泡。这些气泡混杂在油液中，产生空穴，使原来充满管道或液压元件中的油液成为不连续状态，这种现象一般称为空穴现象。空穴现象一般发生在阀口和液压泵的进油口处。油液流过阀口的狭窄通道时，液流速度增大，压力大幅度下降，就可能出现空穴现象。液压泵的安装高度过高，吸油管道内径过小，吸油阻力太大，或液压泵转速过高，吸油不充足等，均可能产生空穴现象。液压系统中出现空穴现象后，气泡随油液流到高压区时，在高压作用下气泡会迅速破裂，周围液体质点以高速来填补这一空穴，液体质点间高速碰撞而形成局部液压冲击，使局部的压力和温度均急剧升高，产生强烈的振动和噪声。

气蚀的机理是由于冲击应力造成的表面疲劳破坏，但液体的化学和电化学作用加速了气蚀的破坏过程。减少气蚀的有效措施是防止气泡的产生。首先应使在液体中运动的表面具有流线形，避免在局部地方出现涡流，因为涡流区压力低，容易产生气泡。此外，应当减少液体中的含气量和液体流动中的扰动，也将限制气泡的形成。选择适当的材料能够提高抗气蚀能力。通常强度和韧性高的金属材料具有较好的抗气蚀性能，提高材料的抗腐蚀性也将减少气蚀破坏。

（1）气蚀的危害：①产生振动和噪声。气泡溃灭时，液体质点互相撞击，同时也撞击金属表面，产生各种频率的噪声，严重时可听见泵内有“劈啪”的爆炸声，同时引起机组振动。②降低泵的性能。汽蚀产生了大量的气泡，堵塞了流道，破坏了泵内液体的连续流动，使泵的流量、扬程和效率明显下降。③破坏过流部件。因机械剥蚀和电化学腐蚀的作用，使金属材料发生破坏，通常受汽蚀破坏的部位多在叶轮出口附近和排液室进口附近。汽蚀初期，表现为金属表面出现麻点，继而表面呈现海绵状、沟槽状、蜂窝状、鱼鳞状等痕迹；严重时可造成叶片或前后盖板穿孔、甚至叶轮破裂，酿成严重事故。

（2）为了防止产生空穴现象和气蚀，一般可采取下列措施：①减小流经小孔和间隙处的压力降，一般希望小孔和间隙前后的压力比P1/P2<3.5。②正确确定液压泵吸油管内径，对管内液体的流速加以限制，降低液压泵的吸油高度，尽量减小吸油管路中的压力损失，管接头良好密封，对于高压泵可采用辅助泵供油。③整个系统管路应尽可能直，避免急弯和局部窄缝等。④提高元件抗气蚀能力。

4 结语

当液压系统中出现空穴现象时，大量的气泡破坏了油流的连续性，造成流量和压力脉动，当气泡随油流进入高压区时又急剧破灭，引起局部液压冲击，使系统产生强烈的噪声和振动。当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局部高温和高压作用，以及油液中逸出的气体的氧化作用，会使金属表面剥蚀或出现海绵状的小洞穴。这种因空穴造成的腐蚀作用称为气蚀，导致元件寿命的缩短。

[1]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[2]成大先，等.机械设计手册第三版[M].北京：化学工业出版社，1993.