油泵试验台液压系统的排气方案改进

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2013年第10期 液压与气动DOI：10．1 1832／j．issn．1000-4858．2013．10．026油泵试验台液压系统的排气方案改进高 昆 ，郑 锐Development of Exhaust Proj ect for Hydraulic System inTest Bed of Oil PumpGAO Kun ，ZHENG Rui(1．空军第一航空学院 ．河南 信阳 464000：2．西北工 大学 机电学院，陕西 西安 710129)摘 要：针对某试验台液压系统由于排气效果差而无法正常使用的问题，分析了原有排气措施不奏效的原因，在液压系统中设计了油气分离回路，增添了分离器。油气分离器可将流动液体中的浸入式空气转化为自由式空气，再由油气分离回路进一步分离、排 出，最终实现了较 好的油气分离效果。通过试验表明，闭式液压系统的排气不能简单采用开式液压系统的排气措施，必须设置油气分离器。分离器容积越大，出口背压越小，则油气分 离效果越好。

关键词：液压系统故障；闭式系统；油气分离器；排气措施中图分类号：TH137；TH138 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)10-0099-04引言用于检测某型飞机尾喷口滑油泵性能的试验台，由于其测试回路是无开放式油箱的闭式液压系统，且测试时系统温度变化范围大(50℃ 一150oC)等原因，造成试验台液压系统中混入大量空气，诱发振动与噪声?，导致试验台无法正常工作。为减少空气对液压系统的影响，可从防止进气和排气两方面人手。文献[1—3]介绍了增加油泵吸油管直径和给油箱增压以防止油泵由于吸真空而带人空气，也可在油泵的压油管路上增加单向阀防止油液倒流回油箱形成空穴，同时提高元器件的密封性以防止空气浸入油液；文献[4、5]采用合理设计油箱结构，增设各种排气阀等措施排出混在油液中的空气。这些方法以开式液压系统(带有与大气相通的油箱)为例研究排气问题，在本试验台设计中也采用了一些类似措施，但实践证明对开式液压系统有效的排气措施却在闭式系统中无法取得应有的排气效果。而闭式液压系统中含气的特征、排气的措施未见文献论述过。本研究结合该油泵性能试验台的调试与排气的工作，分析了空气在闭式液压系统中存在的形式、特征以及排气难的原因，提出了改进系统排气的方案，最终使改造后的试验台达到设计要求。

1 油泵性能试验台及其故障1．1 试验台液压系统简介某型飞机滑油泵使用 小时后需要在试验台上检查油泵的出口压力、流量等重要参数值是否在允许范围内，同时测绘油泵斜盘的工作角度与操纵扭矩之间的关系曲线以判定操控性能是否符合要求。为此，设计液压系统如图1所示的油泵性能试验台 J。虚线区域为被测泵的内部液压系统，它由定量齿轮泵 2和双向变量柱塞泵 8以及若干油滤和安全活门所构成的组合泵。测试时，将油泵安装在试验台的变频拖动电机上，并使其 ABCD四个油口与测试回路的对应接口相连。

试验台的液压系统是由柱塞泵测试系统、齿轮泵测试系统和斜盘扭矩测试系统等组成。如图 1右侧所示，A—B之间液压回路是柱塞泵测试系统，改变柱塞泵的斜盘角度值或调整液压螺旋开关 12、20即可检测出柱塞泵在不同工况下输出的流量及安全阀5、11的设定值；C—D之间回路为齿轮泵测试系统，通断液压螺收稿日期：2013-03．15作者简介：高昆(1969一)，男，安徽蚌埠人，讲师，博士，主要从事航空修理方面的工作。

l00 液压与气动 2013年第 1O期1、 7、10、16、25．油过．德器 2．齿轮象 3～5、11．妥全 恻6、9、13、21．单向阀 8．双向变量柱塞泵12、19、20、22．液压螺旋开关 14 换向模块15、23．涡轮流量计 17、24．加热器 18．冷却器 26．增压油箱27．气体安全阀 28．气压表 29．气体换向阀 30．气体减压阀31．气体过滤器图1 油泵及其液压测试系统工作原理简图旋开关22，比较 C D和 C．B之间的压力差即可检测出齿轮泵2的流量和安全阀 3、4的调定压力；若将液压螺旋开关 12、20和 22切换为三个带有固定节流孑L的当量喷嘴(图2所示)，整个液压系统则转变为斜盘扭矩测试系统，可测量特定条件下斜盘扭矩与角度、系统压力与斜盘角度的关系曲线，检查柱塞泵在变量时的操作性能。整个液压系统的供油由件 26～31组成的气体增压回路提供，以保证齿轮泵进油 口处的油压不低于0．14 MPa。因测试中油口A与 B都可能作为吸油口和压油口使用，油口C与 D都与增压油箱相通，故A—B和 c—D之间均可设计为闭式液压回路。

图 2 固定节流 孔的节流 阀示意图1．2 原排气措施及故障由于试验台需要拖动油泵在较快的工作转速(额定转速为 3680 r／min)、较大的出 口压力 (20～22MPa)和较大的流量(80～70 L／min)情况下进行参数测试，在斜盘操控性能测试时还要接上只有 1～2 mm的当量喷嘴，因此对液压系统中气体的含量要有一定的限制，否则就会影响试验台工作的稳定性和测试数据的准确性。原设计考虑到空气对液压系统的影响，从结构和操作两方面制定了排气方案：在加热器 17和24、冷却器 l8和两个管路过滤器 16和25等大容积元件的上方设置了放气阀，同时在油泵连接口处增设了放气螺栓，操作时先旋松泵口的放气螺栓，低速运行油泵，直到有油液流出后再拧紧，随后再低速运行 10min，打开各个放气阀进行放气。

调试中，在 2500 r／min转速下，油泵工作基本稳定。但随着油泵转速提高和斜盘角度增大，试验台液压系统出现异常的噪声和明显的管路振动，并随之加大，导致大流量下的各种试验项目无法进行。另外，在斜盘扭矩试验中也发现采集的扭矩与斜盘丁作角度不匹配，数据明显滞后等问题。针对上述现象初步判定液压系统中混有过量的空气。通过液压管路的取样阀进行检查，发现油液为乳白色，这也证实了故障判断。

反复使用上述排气方法，故障依然存在。

2 故障原因分析2．1 闭式液压 系统的含气量特点试验台的闭式液压系统采用气体增压油箱来防止油泵吸油不足，势必会提升系统的整体压力，增加空气在油中的溶解度，使得油液中含气量远高于一般的开式系统。这些含有丰富气体的油液在系统的低压区域(如油泵的吸油区，节流口和阀口等通流截面突然变窄处等)会形成游离气泡，使油液变为混有大量气泡的不连续状态，进而引发“气穴”，产生局部液压冲击、局部压力和温度的突变等导致被测油泵及试验台系统出现强烈的噪声和振动 。油泵运行速度越高，输出的流量越大，故障表象也就越明显。与此同时，油液的弹性模量、黏度等指标也会发生较大的变化，导致系统刚度和运动特性变差，造成各种测量仪表的示数滞后影响精度。另外，气泡破灭时产生的瞬间高温、高压不仅会对这一区域的元器件内表面产生“气蚀”，还会造成油液氧化、油液性能降低 的结果。又因闭式系统只会在油液泄漏的情况下才进行补油，故油液污染速度和程度要远高于开式系统。

2．2 闭式液压系统的空气存在形式根据液体对气体的溶解特性，油液中的空气一般以自由式(气泡直径大于 1 mm)、浸入式(气泡直径为0．05～0．5 mm)和溶解式(以分子形式) 等方式存在，且随液压系统的压力、温度以及液流情况的变化，各方式之间还可相互转换，如图 3所示。只有油液中出现自由式空气并进一步汇聚成较大的气泡后，排气阀才能将空气排出液压系统。本例试验台液压系统中的压力油在经过执行元件后迅速地进入油泵的吸油口投入到下一次工作循环，油液中的空气既没有时间转化成 自由式空气，也没有空间做进一步汇集，而多以浸2013年第10期 液压与气动 101人式的微小气泡随着油液流动、搅拌，并使油液呈现乳白色，最多只会在过滤器、冷却器等大容积元件的顶部形成少量的气泡。实际中，采用在这些大容积元器件上方加装排气阀的排气方法，无法排除混在油液中的空气，难以解决系统故障。

图3 空气在油液存在的形式及其转换条件2．3 闭式液压 系统排气的先天缺 陷油箱在液压系统的作用不仅是储油，还起着散发油液中的热量，逸出油液中的空气等作用。油液经过油箱的降压、降温后，混入的空气可以转化成自由式空气并汇聚成较大气泡从油液中逸出，故开放式油箱是液压系统主要的排气元件 。排气阀也是常用排气元件，主要安装在油泵附近及执行元件的腔体上，用来排出系统初始运行前所形成空气泡，一旦空气以油气混合的浸人式方式存在后，排气阀就失去作用。因此，闭式系统没有油箱，只在管路上使用排气阀是达不到排气效果的，因此造成闭式液压系统排气难。

综上分析，空气在闭式系统中有着与开式系统不同的特征 ，简单使用开式系统的排气措施与方法一般是难以奏效的，只有在闭式系统中设置油气分离装置，将浸入式空气转化为 自由式，并进一步将空气汇聚到油液上方才能够顺利排出。

3 排气措施的改进3．1 设计油气分离器常见的油气分离器主要有以下几种：一是用来分离、过滤流动气体中液体杂质的分离器，如气源中的水与空气的分离，一般采用过滤、沉淀等手段分离水与空气，文献[9]介绍了这类分离器的常见结构形式，分析和比较了各 自的分离效果；二是用来分离静态液体容器中空气的分离器，如分离汽油储罐和精密液压油储罐中混有的空气，常采用抽真空方式使空气从油液中游离出来，文献[10]介绍了利用真空泵和冷凝器去除导弹液压系统中的空气与水分的油气分离器；三是分离流动液体中空气的分离器，主要用于石油开采及化工领域开采中油气的分离，文献[11]介绍了工作原理与分离效果。以上类型的分离器均不能直接适用于本例分离流动液体介质中的空气，必须设计用于分离闭式液压系统的油气分离器。为简化结构，减少改动量和节省成本，选定将主系统的加热器(图1中的 17)改造成油气分离器，采用离心分离原理实现油气分离，同时还具备加热功能。

首先将原来的卧式加热器改为立式加热器，如图4所示。进、出油口均改为切向形式，进油口1内部设计成斜向上开口，出油 口7设计为斜向下开口。这些位置和结构形式的变化使油气混合体能在分离器内快速环绕流动，借助液体和气体惯性力不同的特点，使比重大的液体在外圈流动而空气会汇集在容器外侧，而气泡因惯性力小处于分离器的心部位置，达到了油气分离的目的_1 J。其次，加大进出油口1和 7之间的轴向距离，增加油气混合体在分离器停滞的时间，以便有空间、有时间地将空气从侵人式转化为 自由式。进行充分的油气分离。最后，在分离器顶部的中心位置设置放气口3，将容器心部汇聚的空气放出。

根据计算与试验表明，分离器的容积越大，液流停滞时间越长，油气分离效果越好 ¨ J。但容积过大，也会带来液压系统的体积增大和用油成本提高的问题，故分离器的容积一般取泵流量的2—3倍即可。

2 3 4 5A1．进油口 2．电加热器 3．放气口 4．端盖 5．消泡网6．加热器壳体 7．出油口图4 加热器结构简图3．2 设 计 油 气分 离回路试验表明，从油气分离器放气口3放出的油气混合体因含气量大而呈泡沫状，如果将其直接排人系统的主油箱(即图 1中的件26)里，则油气分离效果并不好。其原因是系统油箱为增压油箱，内部存在不小于0．14 MPa的压力，这个压力会阻碍和延缓空气从油液中游离出来的速度，并再次循环进入试验台液压系统中。为此需要增添油气分离回路，其 目的就是消除油气分离器的背压，获得较好的分离效果。具体措施如图5所示。在分离器与增压油箱之间设立一个与大气相通的开放式油箱 3¨ ，打开截止阀 1可从油气分离器顶部放出混有大量空气的油气混合体，让混合体，
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一、1O2 液压与气动 2013年第 lO期中的空气在这个开放式油箱中分离、汇集、逸出；明胶管制成的观察管2可以观察混合体的排出情况；若放油过多导致油箱 3的液面高于设定位置(由液位开关控制，图中未画出)，则启动齿轮泵4将油液泵入增压油箱6再次循环使用。

1．截止Jij；l 2．观祭管 3．临时油箱 4．齿轮泵5．单向阀 6．增压油箱图S 放气部分液压原理图3．3 操作方法与排 气效果试验台液压系统改造后试运行，在低速时仍采取原设计的排气方法。当逐渐提高油泵运行速度出现震动时，打开放气阀(图3中的截止阀1)，明显可见混合有大量气泡的混合体逸出，系统工作状况逐渐稳定。

当流经观察管的油液清亮不再有气泡时，关闭放气开关，油泵的各项性能测试顺利进行，振动、参数滞后等故障现象没有再出现。经多次反复试验后得知：一般放气要在初次运行，或在更换试验油泵和改变系统温度时进行；放气时先低速运行排管道中的大股空气，再升速提高流量，进而提高分离器内环流的速度，以加速分离，最后再排放出分离的空气。

4 结论(1)设计了用于分离流动液体中空气的油气分离器和便于观察与控制的放气回路，消除了试验台的故障，达到了试验台功能要求；(2)闭式系统中的空气主要是以浸入式存在，这是导致闭式系统排气难的主要原因，因此不能简单采用普通开式系统的排气措施，必须先将浸入式空气转化为自由式空气才能进行排气；(3)影响油气分离器分离效果的是分离器的容积大小、分离器放气口的背压，试验表明，容积越大，出口背压越小，油气分离效果越好。

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