2.6　空穴現(xiàn)象和液壓沖擊

在液壓傳動(dòng)中，空穴現(xiàn)象和液壓沖擊都會(huì)給液壓系統(tǒng)的正常工作帶來不利影響，因此需要了解這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并采取相應(yīng)的措施以減少其危害。

2.6.1　空穴現(xiàn)象

在流動(dòng)的液體中，由于壓力的降低，使溶解于液體中的空氣分離出來（壓力低于空氣分離壓）或使液體本身汽化（壓力低于飽和蒸氣壓），而產(chǎn)生大量氣泡的現(xiàn)象，稱為空穴現(xiàn)象。

空穴多發(fā)生在閥口和液壓泵的進(jìn)口處。由于閥口的通道狹窄，液流的速度增大，壓力則下降，容易產(chǎn)生空穴；泵的安裝高度過高、吸油管直徑太小、吸油管阻力太大或泵的轉(zhuǎn)速過高，都會(huì)造成進(jìn)口處真空度過大，而產(chǎn)生空穴。此外，慣性大的油缸和馬達(dá)突然停止或換向時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生空穴（見2.6.2節(jié)）。

（1）空穴現(xiàn)象的危害

降低油的潤滑性能；使油的壓縮性增大（使液壓系統(tǒng)的容積效率降低）；破壞壓力平衡、引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲；加速油的氧化；產(chǎn)生氣蝕和氣塞現(xiàn)象。

氣蝕：溶解于油中的氣泡隨液流進(jìn)入高壓區(qū)后急劇破滅，高速?zèng)_向氣泡中心的高壓油互相撞擊，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能和熱能，產(chǎn)生局部高溫高壓。如果發(fā)生在金屬表面上，將加劇金屬的氧化腐蝕，使鍍層脫落，形成麻坑，這種由于空穴引起的損壞稱為氣蝕。

氣塞：溶解于油液中的氣泡分離出來以后，互相聚合，體積膨大，形成具有相當(dāng)體積的氣泡，引起流量的不連續(xù)。當(dāng)氣泡達(dá)到管道最高點(diǎn)時(shí)，會(huì)造成斷流，這種現(xiàn)象稱為氣塞。

（2）減少空穴現(xiàn)象的措施

空穴現(xiàn)象的產(chǎn)生，對(duì)液壓系統(tǒng)是非常不利的，必須加以預(yù)防。一般采取如下一些措施。

① 減小閥孔或其他元件通道前后的壓力降，一般使壓力比p₁/p₂<3。

② 盡量降低液壓泵的吸油高度，采用內(nèi)徑較大的吸油管并少用彎頭，吸油管端的過濾器容量要大，以減小管道阻力。必要時(shí)可采用輔助泵供油。

③ 各元件的連接處要密封可靠，防止空氣進(jìn)入。

④ 對(duì)容易產(chǎn)生氣蝕的元件，如泵的配油盤等，要采用抗腐蝕能力強(qiáng)的金屬材料，增強(qiáng)元件的機(jī)械強(qiáng)度。

要計(jì)算產(chǎn)生空穴的可能程度，要規(guī)定判別允許的和不允許的空穴界限。到目前為止，還沒有判別空穴界限的通用標(biāo)準(zhǔn)，例如，對(duì)液壓泵吸油口的空穴、油缸和液壓馬達(dá)中的空穴、壓力脈動(dòng)所引起的空穴，都有各自的專用判別系數(shù)，我們?cè)诖司筒挥懻摿恕?/p>

2.6.2　液壓沖擊

在輸送海洋裝備液壓油的管路中，由于流速的突然變化，常伴有壓力的急劇增大或降低，并引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和劇烈的撞擊聲。這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。

（1）液壓沖擊的危害

液壓沖擊的危害有：引起振動(dòng)、噪聲；使管接頭松動(dòng)，密封裝置破壞，產(chǎn)生泄漏；或使某些工作元件產(chǎn)生誤動(dòng)作；在壓力降低時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。

（2）液壓沖擊產(chǎn)生的原因

在閥門突然關(guān)閉或運(yùn)動(dòng)部件快速制動(dòng)等情況下，液體在系統(tǒng)中的流動(dòng)會(huì)突然受阻。這時(shí)，由于液流的慣性作用，液體就從受阻端開始，迅速將動(dòng)能逐層轉(zhuǎn)換為壓力能，因而產(chǎn)生了壓力沖擊波；此后，這個(gè)壓力波又從該端開始反向傳遞，將壓力能逐層轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，這使得液體又反向流動(dòng)；然后，在另一端又再次將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，如此反復(fù)地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。由于這種壓力波的迅速往復(fù)傳播，便在系統(tǒng)內(nèi)形成壓力振蕩。這一振蕩過程中，由于液體受到摩擦力以及液體和管壁的彈性作用不斷消耗能量，因此振蕩過程逐漸衰減而趨于穩(wěn)定。

（3）沖擊壓力

假設(shè)系統(tǒng)正常工作的壓力為p，產(chǎn)生壓力沖擊時(shí)的最大壓力為：

　　 （2.77）

式中　Δp——沖擊壓力的最大升高值。

由于液壓沖擊是一種非定常流動(dòng)，動(dòng)態(tài)過程非常復(fù)雜，影響因素很多，因此精確計(jì)算Δp值是很困難的。下面介紹兩種液壓沖擊情況下的Δp值的近似計(jì)算公式。

① 管道閥門關(guān)閉時(shí)的液壓沖擊　設(shè)管道截面積為A，產(chǎn)生沖擊的管長為l，壓力沖擊波第一波在l長度內(nèi)傳播的時(shí)間為t₁，液體的密度為ρ，管中液體的流速為v，閥門關(guān)閉后的流速為零，則由動(dòng)量方程得：

即

　　 （2.78）

式中，c為壓力波在管中的傳播速度，c=l/t₁。

應(yīng)用式（2.78）時(shí)，需先知道c值的大小，而c不僅和液體的體積彈性模量K有關(guān)，還和管道材料的彈性模量E、管道的內(nèi)徑d及壁厚δ有關(guān)，c值可按式（2.79）計(jì)算：

　　 （2.79）

在液壓傳動(dòng)中，c值一般為900～1400m/s。

若流速v不是突然降為零，而是降為v₁，則式（2.78）可寫成：

　　 （2.80）

設(shè)壓力沖擊波在管中往復(fù)一次的時(shí)間為t_c，t_c=2l/c。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)間t<t_c時(shí)，壓力峰值很大，稱為直接沖擊，其Δp值可按式（2.78）或式（2.80）計(jì)算；當(dāng)t>t_c時(shí)，壓力峰值較小，稱為間接沖擊，這時(shí)Δp值可按式（2.81）計(jì)算：

　　 （2.81）

② 運(yùn)動(dòng)的工作部件突然制動(dòng)或換向時(shí)，因工作部件的慣性而引起的液壓沖擊　以液壓缸為例進(jìn)行說明，設(shè)運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量為∑m，減速制動(dòng)時(shí)間為Δt，速度的減小值為Δv，液壓缸有效工作面積為A，則根據(jù)動(dòng)量定理可求得系統(tǒng)中的沖擊壓力的近似值Δp為：

　　 （2.82）

式（2.82）中因忽略了阻尼和泄漏等因素，計(jì)算結(jié)果比實(shí)際值要大，但偏于安全，因而具有實(shí)用價(jià)值。

（4）減小液壓沖擊的措施

分析前面各式中Δp的影響因素，可以歸納出減小液壓沖擊的主要措施如下。

① 延長閥門關(guān)閉和運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)、換向的時(shí)間。在液壓傳動(dòng)中采用換向時(shí)間可調(diào)的換向閥就可做到這一點(diǎn)。

② 正確設(shè)計(jì)閥口，限制管道流速及運(yùn)動(dòng)部件速度，使運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)速度變化比較均勻。

③ 加大管徑或縮短管道長度。加大管徑不僅可以降低流速，而且可以減小壓力沖擊波速度c值；縮短管道長度的目的是減小壓力沖擊波的傳播時(shí)間t_c。

④ 設(shè)置緩沖用蓄能器或用橡膠軟管。

⑤ 裝設(shè)專門的安全閥。