液壓系統(tǒng)中液壓沖擊的分析及其防止和減輕措施

孔德英

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

液壓系統(tǒng)工作中，由于某種原因引起的管道內(nèi)液體速度發(fā)生急劇改變，液體的動(dòng)能變成壓力能，系統(tǒng)的一些區(qū)域產(chǎn)生了高壓，高壓區(qū)以壓力波的形式在管道內(nèi)傳播，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。

液壓沖擊的危害很大，尤其在高壓、高速及大流量的液壓系統(tǒng)中其危害更嚴(yán)重。一般來說液壓沖擊產(chǎn)生的壓力峰值，最高可達(dá)正常工作壓力的3～4倍，輕則可使儀表測(cè)量精度下降，重則可使液壓元件、密封裝置和儀表發(fā)生故障甚至損壞或管路破裂。液壓系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也會(huì)受到影響，如壓力繼電器會(huì)因液壓沖擊發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)，影響系統(tǒng)正常工作。液壓系統(tǒng)受到液壓沖擊時(shí)，常伴隨巨大的噪音和振動(dòng)，還可能引起系統(tǒng)連接件的松動(dòng)漏油，壓力閥的調(diào)定壓力發(fā)生改變，甚至使液壓元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。

1 液壓系統(tǒng)中液壓沖擊的分析

1.1 產(chǎn)生液壓沖擊的主要原因

(1)驟然關(guān)閉或打開液流通道。如液壓系統(tǒng)在突然啟動(dòng)、停車、變速或換向時(shí)，閥口突然關(guān)閉或機(jī)構(gòu)動(dòng)作突然停止產(chǎn)生液壓沖擊，實(shí)質(zhì)是管路中流體因突然停止流動(dòng)而導(dǎo)致其動(dòng)能向壓力能的瞬間轉(zhuǎn)變。

(2)高速運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件突然被制動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件的慣性力引起的液壓沖擊,例如油缸要換向時(shí), 換向閥突然關(guān)閉油缸原來的回油管路,油液不再排出,但活塞由于慣性作用仍在運(yùn)動(dòng)，從而引起壓力急劇上升產(chǎn)生液壓沖擊。

(3)液壓元件反應(yīng)動(dòng)作不靈敏。如恒壓變量泵，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力升高時(shí)不能及時(shí)減小排量而造成液壓沖擊；系統(tǒng)壓力突然升高，溢流閥不能迅速開啟而造成壓力超調(diào)等。

1.2 液壓沖擊的計(jì)算

液壓沖擊是一種動(dòng)態(tài)過程，影響液壓沖擊的因素很多，很難準(zhǔn)確計(jì)算，故一般采用估算。

(1)迅速啟閉液流通道引起的液壓沖擊[1]

若忽略粘性及管徑變化的影響，沖擊波在管道內(nèi)的傳播速度為：

式中，E0為液體體積彈性模量；δ、d為管道的壁厚和內(nèi)徑；E為管道材料的彈性模量。由此看出，為了避免或減少因迅速啟閉液流通道所引起的液壓沖擊，可考慮延長(zhǎng)啟閉液流通道的時(shí)間t，如用先導(dǎo)閥減緩換向閥換向速度；縮短沖擊波往復(fù)所需時(shí)間T，如縮短管道長(zhǎng)度；降低沖擊波在管道內(nèi)的傳播速度a，如采用較大的管道內(nèi)徑d等。

(2)液壓缸所驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件被制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的液壓沖擊壓力[1]

式中，m為被制動(dòng)部件的質(zhì)量；△υ為運(yùn)動(dòng)部件速度的變化量；A為液壓缸有效作用面積；△t為運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)或速度減慢△υ所需時(shí)間。由此看出，為了減小運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的液壓沖擊，應(yīng)延長(zhǎng)制動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間△t，或減小運(yùn)動(dòng)部件速度的變化量△υ，如在液壓缸行程終點(diǎn)采用減速、節(jié)流等緩沖裝置。

2 防止和減輕液壓沖擊的措施

液壓沖擊的瞬態(tài)過程相當(dāng)復(fù)雜，因此分析、計(jì)算和防止液壓沖擊是很重要的。有特殊要求時(shí)，可按上述情況進(jìn)行計(jì)算。在一般液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可采取有效防止措施而不做計(jì)算。這里主要從液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、裝配和使用角度，介紹防止和減輕液壓沖擊的措施。

2.1 典型液壓回路設(shè)計(jì)

(1)液壓系統(tǒng)保壓時(shí)，由于液壓缸和管路的彈性變形以及油液壓縮貯存了一部分彈性性能，回程時(shí)如果釋放過快，將引起系統(tǒng)劇烈的沖擊、振動(dòng)和噪聲，甚至導(dǎo)致管路和閥門破裂，故保壓后須緩慢卸壓。圖1是Y型機(jī)能帶液控阻尼調(diào)整器的電液換向閥的液壓回路，用于熱軋機(jī)的導(dǎo)尺控制中。當(dāng)液壓缸保壓完畢要求反向回程時(shí)，液控阻尼調(diào)整器為主級(jí)閥控制腔中的油液提供一個(gè)出口節(jié)流控制，使主級(jí)閥芯的速度得到控制，延緩了換向閥的換向時(shí)間，從而減輕液壓沖擊。為了獲得最佳的效果，推薦使用恒定的低控制壓力，適用于壓力不太高，油液壓縮量較小的液壓系統(tǒng)。

圖1

(2)圖2是外控式平衡閥組成的平衡回路，此種回路應(yīng)用于大卷重上卸卷小車升降缸的控制中。為控制活塞因自重快速下降而造成的閥的時(shí)開時(shí)閉，在回油路上串入單向節(jié)流閥，以防止活塞向下運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和液壓沖擊。

圖2

(3)液壓執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)質(zhì)量和速度較大的工作部件時(shí)，當(dāng)其在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下突然停止或換向，由于工作部件具有較大的動(dòng)能，液壓回路中會(huì)產(chǎn)生很大的液壓沖擊和振動(dòng)影響工作部件的定位精度，妨礙機(jī)器正常工作。圖3中馬達(dá)兩側(cè)油路上設(shè)置一個(gè)反應(yīng)靈敏的溢流閥進(jìn)行雙向緩沖。由于溢流閥只需溢流很小一部分油液即可減小液壓沖擊，故只需采用小型溢流閥，為使液壓系統(tǒng)能正常工作，溢流閥調(diào)節(jié)壓力要比正常工作時(shí)最高壓力高10%。此回路在冷軋機(jī)的上、卸卷小車行走油馬達(dá)控制中比較常見。

圖3

2.2 增加各類輔助液壓元件防止產(chǎn)生液壓沖擊

(1)在液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生液壓沖擊的部位裝設(shè)蓄能器是減輕液壓沖擊的有效措施之一。當(dāng)壓力升高時(shí)，蓄能器可以吸收液體，這就減慢了管路中液體動(dòng)量變化的速度，從而減輕液壓沖擊；

(2)變量泵液壓系統(tǒng)使用安全閥；

(3)對(duì)液壓缸到達(dá)行程終點(diǎn)因慣性引起的液壓沖擊，可在液壓缸端部設(shè)緩沖裝置或采用行程節(jié)流閥回路；

(4)對(duì)負(fù)載突然發(fā)生變化(如工作負(fù)載突然消失)時(shí)產(chǎn)生的液壓沖擊，可在回路上加背壓閥；

(5)若為沖擊性載荷，可在執(zhí)行元件的進(jìn)出口處設(shè)置動(dòng)作靈敏的超載安全閥；

(6)減少非必要彎曲或采用有卸除沖擊力作用的橡膠軟管等方式，來減小液體流速的變化，以幫助換向閥關(guān)閉時(shí)減少瞬時(shí)壓力，來防止液壓沖擊的出現(xiàn)；

(7)系統(tǒng)選擇電磁換向閥時(shí)，選用直流電磁鐵的比交流電磁鐵的要好，可緩沖液壓沖擊，因交流電磁鐵在行程開始時(shí)起動(dòng)電流值高，而在末端保持低電流，而直流電磁鐵在通電時(shí)恒定電流值低；

(8)比例電磁閥可用在很多不同的場(chǎng)合改變壓力、流量或者既改變流量又改變方向。它們可以用來減輕由快速壓力變化或沉重物體快速起動(dòng)或停止引起的沖擊。

2.3 疊加閥液壓系統(tǒng)裝配中注意疊加順序防止產(chǎn)生液壓沖擊

(1)液控單向閥與單向節(jié)流閥組合時(shí)須注意的疊加順序

圖4中，液控單向閥與單向節(jié)流閥組合使用時(shí)，應(yīng)使單向節(jié)流閥靠近液壓缸。反之，如果按圖5所示配置，當(dāng)B口進(jìn)油、A口回油時(shí)，由于單向節(jié)流閥的節(jié)流作用，在回油路的a-b段會(huì)產(chǎn)生壓力，當(dāng)液壓缸需要停止時(shí)，液控單向閥不能及時(shí)關(guān)閉，有時(shí)還會(huì)反復(fù)關(guān)、開，使液壓缸產(chǎn)生液壓沖擊。

(2)減壓閥和單向節(jié)流閥組合時(shí)須注意的疊加順序

圖4中，減壓閥和單向節(jié)流閥組合使用時(shí)，應(yīng)使單向節(jié)流閥靠近液壓缸。反之，如果按圖5所示配置，當(dāng)A口進(jìn)油、B口回油時(shí)，由于單向節(jié)流閥的節(jié)流作用，使液壓缸B腔與單向節(jié)流閥之間這段油路的壓力升高，這個(gè)壓力可能使減壓閥開口度減小，出口壓力變小，造成供給液壓缸的壓力不足；當(dāng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)趨于停止時(shí)，液壓缸B腔壓力又會(huì)降下來，減壓閥開口度增大，出口壓力又增加。這樣壓力反復(fù)減小、增加的變化會(huì)使液壓缸運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，使液壓缸產(chǎn)生液壓沖擊和振動(dòng)。

圖4

圖5

2.4 使用液壓系統(tǒng)時(shí)為防止液壓沖擊應(yīng)注意的事項(xiàng)

空載起動(dòng)液壓泵；排除液壓系統(tǒng)中的空氣；排除溢流閥故障；適當(dāng)提高背壓閥調(diào)定壓力；通過電氣控制方式如啟動(dòng)電磁閥時(shí)先輸出閥控制信號(hào)，后輸出壓力、流量控制信號(hào)，關(guān)閉閥時(shí)先清零壓力、流量控制信號(hào)，后關(guān)閉閥控制信號(hào)，這樣就可以保證開、關(guān)閥時(shí)系統(tǒng)環(huán)境是低壓狀態(tài)，可有效減輕液壓沖擊。

3 結(jié)束語

本文對(duì)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓沖擊的主要原因進(jìn)行了分析，闡述了一些防止和減輕液壓沖擊的措施，在此提供一些思路供大家參考，針對(duì)具體的液壓回路和工況可對(duì)液壓元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，也可在液壓回路中增加各類輔助液壓元件等。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]官忠范.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工程出版社，1997

[3]VICKERS液壓及電子技術(shù)樣本.工業(yè)技術(shù)用元件及系統(tǒng).VICKERS.1995.