□徐成東

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

液壓沖擊的分析計算及預(yù)防措施

□徐成東

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

液壓沖擊是液壓系統(tǒng)工作時經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，具有一定的危害性?；谝簤簺_擊產(chǎn)生的機(jī)制，提出引起液壓沖擊的兩大因素：管道閥門突然關(guān)閉和運動部件迅速制動或換向。根據(jù)物理學(xué)知識，對管道閥門突然關(guān)閉引起的液壓沖擊現(xiàn)象進(jìn)行了分析和計算，求出了液壓沖擊時的壓力增量及沖擊波傳播速度，并提出了預(yù)防措施。同時對由于運動部件迅速制動或換向引起的液壓沖擊進(jìn)行了概述，提出了具體的預(yù)防措施。

在液壓系統(tǒng)中，常常由于某些操作而引起液體壓力突然急劇上升，出現(xiàn)很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊[1]。

在閥門突然關(guān)閉或液壓缸快速制動等情況下，液體在系統(tǒng)中的流動會突然受阻。這時，由于液流的慣性作用，會從液體受阻端開始，動能逐漸轉(zhuǎn)化為壓力能，因而產(chǎn)生了壓力沖擊波。此后，從另一端開始，壓力能轉(zhuǎn)化為動能，液體反向流動。之后，動能又再次轉(zhuǎn)化為壓力能，如此反復(fù)地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。由于這種壓力波迅速往復(fù)傳播，在系統(tǒng)內(nèi)形成壓力振蕩。實際上，由于液體受到摩擦力，且液體自身和管壁都有彈性，因此不斷消耗能量，才使振蕩過程逐漸衰減趨向穩(wěn)定[2]。

系統(tǒng)中出現(xiàn)液壓沖擊時，液體瞬時壓力峰值可以是正常工作壓力的幾倍。液壓沖擊會損害液壓系統(tǒng)密封裝置、管道或液壓元件，還會引起設(shè)備振動，產(chǎn)生很大的噪聲。有時，液壓沖擊還會使某些液壓元件（如壓力繼電器、順序閥等）產(chǎn)生誤動作，影響系統(tǒng)正常工作，甚至造成事故[2]。引起液壓沖擊的原因大致可分為兩類：管道閥門突然關(guān)閉和運動部件迅速制動或換向。

1 管道閥門突然關(guān)閉引起的液壓沖擊及預(yù)防措施

由于液壓沖擊是短時間的動態(tài)過程，且影響因素較多，因此難以進(jìn)行精確計算，但可以從能量轉(zhuǎn)換的角度分析其規(guī)律。

1.1 等效體積模量的引入

液體因所受壓力增高而發(fā)生體積縮小的性質(zhì)稱為可壓縮性。液體壓縮因數(shù)的倒數(shù)稱為液體的體積模量。在實際應(yīng)用中，由于液體內(nèi)容易混入空氣等污染物，且管道或其它液壓元件等會在壓力的作用下發(fā)生變形，工程中常用等效體積模量來表示液體抵抗壓縮能力的大小[3]。等效體積模量是等效壓縮因數(shù)的倒數(shù)。

根據(jù)體積模量的定義，可知：

式中：Ke為等效體積模量；V為液體的初始體積；Δp為壓力的變化量；ΔV為受壓后液體體積的變化量。

取一段密閉容器及其內(nèi)的液體作為研究對象，假定液體中沒有進(jìn)入空氣，設(shè)液壓沖擊前液體的壓力為p，總?cè)莘e為V,液體的體積為VL，容器容積為VC；液壓沖擊后壓力的增加量為Δp，總?cè)莘e變化量為ΔV，液體體積變化量為ΔVL，容器容積增加量為ΔVC，則有ΔV=ΔVL-ΔVC。代入式（1）得：

由于不考慮空氣的存在，因此認(rèn)為液體體積VL等同于總?cè)莘eV,式（2）演變?yōu)椋?/p>

式中：KL為液體體積模量；KC為容器體積模量。

1.2 相關(guān)分析計算

如圖1所示為一圓筒形容器的受力示意圖，容器內(nèi)充滿了壓力油。此處，認(rèn)為油液內(nèi)各點壓力均相等，不考慮液體自重。以單位長度的容器為研究對象，設(shè)容器內(nèi)壁半徑為r,在容器上取一微小窄條，對應(yīng)圓弧夾角為dθ，則面積dA=ds=rdθ，因此作用在該面積上的力 dF=pdA=prdθ，力的水平分量dFX=prcosθdθ，則作用在容器內(nèi)壁上的水平力為：

圖1 圓筒形容器受力示意圖

式中：D為容器內(nèi)壁直徑；p為容器內(nèi)油液壓力。

可見，作用在容器內(nèi)壁上的水平力，其值等于靜壓力p和曲面在垂直于計算作用力方向的投影面積2r的乘積。

將液壓管道看作薄壁圓筒形容器，取單位長度容器進(jìn)行分析。由材料力學(xué)知識可知，在縱向斷面處所受的內(nèi)力為：

式中：A'為單位長度容器縱向斷面面積；σ為容器縱截面上內(nèi)應(yīng)力；δ為容器壁厚。

不難得出，內(nèi)力N和作用在容器內(nèi)壁上的水平力FX大小相等，方向相反，則Dp=2δσ，得：

設(shè)容器材料的彈性模量為E，受到應(yīng)力σ后引起的應(yīng)變?yōu)棣?則σ=Eε，代入式（6）得：

容器的體積模量為：

假設(shè)液壓沖擊前液體的流速為v0,體積為VL,密度為ρ，則液體的動能為ρVLv02/2。液壓沖擊發(fā)生后，考慮到總?cè)莘e的變化量dV為負(fù)值，則沖擊后的壓力能為-dpdV/2。不考慮能量損耗，根據(jù)能量守恒定律，管道中流動的液壓油動能瞬時轉(zhuǎn)化為壓力能[4]，因此：

根據(jù)式（1）等效體積模量的定義，式（9）改寫為：

求解得：

不考慮液體內(nèi)的空氣，即液體體積VL等于總?cè)莘eV，于是有：

將式（3）和式（8）代入式（12），整理得：

設(shè)管道截面積為A，產(chǎn)生沖擊的長度為l，壓力沖擊波傳播的時間為t，液體的密度為ρ，管道中液體的流速為v0，閥門關(guān)閉后流速為0，由動量定理得dpA=ρAlv0/t，因此有：

式中：c為壓力沖擊波在管道中的傳播速度。

聯(lián)立式（13）、式（14），得沖擊波傳播速度為：

1.3 預(yù)防措施

通過式（13）可以看出，液壓沖擊發(fā)生后壓力的增量與液流的初始速度、液體密度、容器內(nèi)徑、容器壁厚、容器材料彈性模量等有關(guān)。為了預(yù)防管道中閥門突然關(guān)閉時引起液壓沖擊，可采取如下措施。

（1）在滿足使用要求的前提下，選用密度較小的液壓油和彈性模量較小的管道材料，減小管道壁厚，增大管道內(nèi)徑。

（2）降低液流速度。

2 運動部件迅速制動或換向時引起的液壓沖擊及預(yù)防措施

采用液壓傳動的機(jī)械運行時，通過控制閥關(guān)閉執(zhí)行元件的回油管道使工作部件換向或制動，運動部件的動能將迅速轉(zhuǎn)化為液體的壓力能，在執(zhí)行元件的回油腔和管道內(nèi)引起液壓沖擊。此外，工作過程中由于外負(fù)載突然加大等因素，也會造成運動部件瞬時制動，導(dǎo)致進(jìn)油腔壓力瞬時升高，形成壓力峰值，造成液壓沖擊。

運動部件迅速制動時，根據(jù)能量守恒定律，此時運動部件的動能和液流的動能瞬時轉(zhuǎn)化為壓力能，致使壓力迅速升高，出現(xiàn)壓力峰值。可采取以下預(yù)防措施。

（1）在雙作用液壓缸或液壓伺服電機(jī)的兩進(jìn)油腔設(shè)置溢流閥作為安全閥，起過載保護(hù)作用，如圖2所示。由于直動式溢流閥反應(yīng)靈敏，因此優(yōu)先選用直動式溢流閥。此時溢流閥的調(diào)定壓力應(yīng)大于其最高壓力的5%～10%。

圖2 雙作用液壓缸回路

（2）限制運動部件的運動速度。在不影響系統(tǒng)正常工作的前提下，適當(dāng)降低運動部件的速度，可預(yù)防或減小液壓沖擊。

（3）合理采用換向閥機(jī)能。圖3所示為推土機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng)。由于推土機(jī)工作時推土板可能因為地形不平滑而受到外界阻力，因此會產(chǎn)生液壓沖擊現(xiàn)象?；谶@一原因，換向閥設(shè)置了H型機(jī)能。換向閥處于H型機(jī)能時，推土板處于浮動工況。浮動位置使液壓缸兩腔與進(jìn)油路、回油路均相通，推土板自由支地，可隨地形高低而浮動，這對于推土板平整地面作業(yè)有積極意義[5]。

圖3 推土機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)

（4）合理選用電磁閥類型，延長換向和復(fù)位時間。選用換向時間和復(fù)位時間較長的電磁閥，可使液流速度發(fā)生較平穩(wěn)的改變，從而減小液壓沖擊。例如，交流電磁閥的換向時間約為0.03～0.05 s，換向沖擊大，噪聲大，換向頻率低（每分鐘約30次），而且當(dāng)閥芯被卡住或由于電壓低等原因吸合不上時，線圈容易燒壞[6]，這無形中增加了液壓沖擊發(fā)生的可能性。直流電磁閥換向時間約為0.1～0.3 s，換向沖擊較小[7]，換向頻率允許值較高，最高可達(dá)每分鐘240次，且有恒電流特性,當(dāng)電磁鐵吸合不上時，線圈不會被燒壞，工作可靠性高。

（5）正確設(shè)計閥的結(jié)構(gòu)，使運動部件制動時速度變化較均勻。例如，可改進(jìn)換向閥閥芯，在閥芯的回油控制邊加工軸向三角槽，使換向閥動作時液流運動狀態(tài)逐漸改變，降低液壓沖擊[8]。

（6）采用新型液壓控制元件。傳統(tǒng)的液壓控制閥多為滑閥型結(jié)構(gòu)，具有一定的密封長度，閥口開閉時存在死區(qū)，靈敏性差，通流能力有限，在閥芯動作時易造成液流瞬時速度改變，從而加劇了液壓沖擊。此外，因為閥芯和閥體通道之間留有一定的間隙，久而久之，油液中的污染物可能會堵塞閥體通道，致使閥芯動作時受到影響，也會加劇液壓沖擊。近年來，新型液壓控制元件不斷問世，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如：插裝閥結(jié)構(gòu)新穎，由具有錐閥結(jié)構(gòu)的基本組件、閥塊、蓋板和不同類型的先導(dǎo)閥組合而成，錐閥結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的滑閥結(jié)構(gòu)，具有良好的密封性，動作靈敏，通流能力強(qiáng)，抗污染，因此應(yīng)用日益廣泛。使用此類新型液壓控制閥取代傳統(tǒng)的滑閥結(jié)構(gòu)控制閥，可改變液流的動態(tài)特性，延緩液流的速度突變，減小液壓沖擊。

3 結(jié)束語

液壓沖擊是液壓系統(tǒng)工作過程中經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，且具有較大危害。液壓沖擊的本質(zhì)是動能向壓力能瞬時轉(zhuǎn)變的過程。到目前為止，要完全避免和消除沖擊對液壓系統(tǒng)造成的的危害是不可能的，也是不現(xiàn)實的[9]。廣大從業(yè)人員應(yīng)加強(qiáng)對液壓沖擊的研究，通過對系統(tǒng)回路的改進(jìn)及液壓元件的重新選型來加以控制和消除[10]。條件具備時，可通過計算、試驗?zāi)M等手段積極尋找所用液壓系統(tǒng)的改進(jìn)措施，將液壓沖擊的危害降到最低。

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Hydraulic shock is a phenomenon that often occurs when the hydraulic system is working and it has certain dangers.Based mechanisms generated by hydraulic shock,two factors that caused the hydraulic shock were identified,i.e.the sudden closure of pipeline valves and rapid braking or switchover of the moving parts.According to physics knowledge,the hydraulic shock caused by sudden closure of the pipeline valve was analyzed and calculated to get the pressure increment and the speed of shock wave propagation in order to put forward preventive measures.At the same time the hydraulic shock caused by rapid braking or switchover of the moving parts was investigated toprovide specific preventive measures.

液壓沖擊；分析；計算；預(yù)防

Hydraulic Shock；Analyses；Calculation；Prevention

TH137

A

1672-0555（2016）04-056-04

2016年5月

徐成東（1982—），男，碩士，工程師，主要從事工程機(jī)械液壓系統(tǒng)分析及故障診斷教學(xué)與研究工作