基于数控机床液压系统中气泡危害的研究

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机床是所有机械生产的基础，而数控技术是现代制造技术的基础，它的广泛应用使普通机床逐渐的被数控机床所代替。众所周知，衡量机床质量的1个重要 指标就是：工序能力指数(CP值) 。设计机床时在考虑如何保证工序能力指数(CP值) ，可能更多关心的是：选用好的主轴系统，导轨的几何精度高等。往往忽略了由于液压系统性能造成的加工工序的能力指数(CP值)严重下降的问题。研究表明： 液压系统中气泡是影响工序能力指数(CP值)最重要的因数之一。为了提高数控机床的加工工序能力指数，必须要去除液压系统中的气泡。1　液压系统中气泡的来源及危害1. 液压系统中气泡的来源数 控机床常用的液压系统为开放式液压系统，液压油中含有空气是不可避免的。液压油中的空气称为掺混空气，掺混空气以直径很小的球状气泡悬浮于油中，主要是通过油箱与泵的吸入管掺混入油内。例如：油箱油面太低、泵吸入管口半露于油面或淹深很浅时、泵的进油管路漏气、系统回油管口高于油箱油面、高速喷射的系统回 油等，都可能使空气进入油中。油被油泵带入系统的同时空气也就进入了液压系统。由于油液中空气的含量随压力的增加而增加，当溶解了一定数量的空气处于饱和状态的油液流经节流口或泵入口段，当绝对压力下降到油液的空气分离压时，油液中过饱和的空气就会被析出，使本来溶解于油中的微细气泡聚集成较大的气泡出现 在液压系统中。2. 气泡对数控机床液压系统的危害数控机床的液压系统控制着机床器件表面的 精细动作，所以数控机床液压系统的性能直接影响被加工件的质量。而液压油中气泡是影响液压系统性能最主要的原因。主要体现在几个方面： ①影响油液的连续性，使系统工作不良。如：自动控制失灵、工作机构产生间歇运动使被加工件的废品率增大、产品的精度差、产品的质量不稳定、损坏模具等。② 气泡还可能引起机床的误动作而引发机械及人身事故。③油温升高会导致工序能力指数下降，还会加速油液的氧化、降低油液的润滑性能、加速密封元件的老化等。 ④导致气蚀的发生。由于液体质点间相互碰撞产生局部高压形成液压冲击，使局部压力升高可达数百甚至上千个大气压力。如果这种局部液压冲击作用在零件的金属表面上，使金属表面产生腐蚀将对液压系统的危害性很大。⑤气穴现象会引起振动和噪音，不但对影响机床的性能还会造成人身伤害。2 传统气泡去除方法常 用的气泡去除方法总是在油箱上下工夫，即利用液压系统中必备的油箱进行气泡的去除，例如在油箱设计时让其水平截面积大于油液深度、设置隔板延长油液在油箱中停留的时间、进出油口尽量设置得远些以及体积要大等。从原理上来看就是靠气泡自身的浮力自行浮到液面而容入大气。由于气泡的直径很小约 0.25～0.5mm，而油液对气泡有摩擦阻力。根据斯托克斯法可知气泡上浮速度与气泡大小成正比，与油液粘度成反比，如直径为0.3mm的气泡在粘度为 10^-4m²/s的油液中每分钟只上浮30mm，所以靠自浮去除效果很差。

图1 气泡去除器结构示意图

3 气泡去除器1. 基 本结构与原理：气泡去除器的基本结构与原理如图1所示。主要由进油腔、工作腔、导向叶轮、出油腔及排气管等组成。当油液从导向叶轮的切线方向进入油腔时， 以一定的动能冲向导向轮叶片，在导向叶轮的作用下，油液作螺旋加速运动，由于油液密度大于气泡密度，在离心力的作用下，气泡向中心轴线处聚集，中心轴线上的压力随着液体螺旋加速度的增加而递减，在工作腔最小直径处的中心压力最低，气泡在中心轴线上的压差和接近中心液流的连带作用下向工作腔最小直径处运动聚 集，在工作腔与排油腔结合处的右侧附近，液流由于没有螺旋运动，所以此处的压力高于出油腔入口处的压力，大量聚积起来的气体在压力的作用下通过排气管排出装置之外。其工作原理如图2所示。

图2 结构与原理对应关系示意图

2. 图2 中线段说明：将油液在去除装置中流过的路径分为4段。①01段为进油腔(内装导向叶轮) 。其中对应的两线段分别是： 0′1′为轴线方向的压力值; 0″1″为轴线方向原有气泡含量。②12段为工作腔。其中对应的两线段分别是: 1′2′为轴线中心处的压力变化趋势; 1″2″为轴线中心处的气泡析出量变化趋势。③23为排气段(为出油腔右侧很小一部分) 。其中对应的两条线段分别是: 2′3′为轴线中心处的压力变化趋势; 2″3为排出气体量变化趋势。④34段为出油腔。其中对应的3′4为气泡排除后油液流经出油腔的压力变化趋势。

3. 该 装置的主要特点: ①由于液流在工作腔的旋流半径比较小，气泡容易向中心方向移动。在工作腔的液体有较大的离心加速度，所以在半径方向上形成了较大的压力梯度，十分有助于气泡的排出。②进入到工作腔的液体在导向叶轮的作用下具有较大的角动能，使液体能够维持较长距离的加速旋转运动，这就增加了气泡随油液在工作腔内的旋转次数，所以气泡的去除效率相当高。③该装置具有较大的压差范围，所以有较大的流量适应区域即对于某一规格的装置来说，最大流量不小于最小流量的3倍，通过控 制进油压力，可使该装置在一定流量范围内的任一流量下去除气泡。④适用于动力传递介质的任何粘度油液的气泡去除。⑤该装置体积较小，可以忽略其内部通流液 体的质量，所以安装位置比较灵活，而不影响气泡去除效果。4. 使用方法和效果:该装置安装方便，组成简单。①如单独使用，将该装置的进油腔 与系统回油路相接，出油腔直接通向油箱，一次气泡去除率最高可达99%。②与泵组合使用，将该装置的进油腔与系统回油路相接，出油腔与泵的进油口相接，一次去除效果最高可达99.9%。2种方式均将该装置安装于油箱内不用考虑泄漏，不需用专门动力，节省能源。4 结语为了更好保证数控机床加工过程的稳定性和可靠性，保证机床的加工质量，防止热变形，减少维修工作量。关键的问题是要解决好油中气泡对油液危害的最大难题。开发和应用液压油气泡去除装置有十分重要的意义。

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