王新磊

摘要：對(duì)于一個(gè)設(shè)備的液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工作十分重要，可以避免在后期使用過程中出現(xiàn)意想不到的問題，但是在使用的時(shí)候難免會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。其中對(duì)于液壓技術(shù)人員經(jīng)常會(huì)感到棘手的問題之一就是：液壓系統(tǒng)的振動(dòng)問題。振動(dòng)問題不但和液壓系統(tǒng)有關(guān)，同時(shí)也可能和設(shè)備的結(jié)構(gòu)有關(guān)，甚至和電器控制也有關(guān)。本文介紹一個(gè)在實(shí)際碰到的一個(gè)鐵路清篩機(jī)液壓系統(tǒng)的振動(dòng)故障，通過本次的故障分析和處理的過程，推薦一些適用的解決振動(dòng)的方法。

關(guān)鍵詞：鐵路清篩機(jī);液壓共振;負(fù)載敏感;阻尼;方法

0? 引言

流體傳動(dòng)在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中有著很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在很多應(yīng)用場(chǎng)合有著不可替代的作用。但同時(shí)流體傳動(dòng)也有很多其特有的問題，這些問題也帶給設(shè)計(jì)者和使用者很多的麻煩。其中之一就是液壓系統(tǒng)的故障判斷。

在一個(gè)液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生故障，故障的表現(xiàn)形式多種多樣。但是由于液壓技術(shù)的基本形式就是利用流體進(jìn)行能量傳輸，而流體又是在一個(gè)密閉的容器中才能將能量傳遞。這樣就造成了液壓系統(tǒng)一旦產(chǎn)生故障時(shí)，很難觀察到液壓內(nèi)部到底發(fā)生了什么問題，只能根據(jù)設(shè)備故障的外在現(xiàn)象來判斷其產(chǎn)生的原因，比如溫度的升高，噪音的產(chǎn)生，速度的變化及壓力波動(dòng)等等。這樣就給使用者帶來諸多的困難。

在各種的故障中，液壓系統(tǒng)的振動(dòng)又是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的問題。而液壓系統(tǒng)的振動(dòng)對(duì)設(shè)備的危害又是巨大的，諸如造成：降低液壓元件的使用壽命、設(shè)備噪音、損害設(shè)備的整體強(qiáng)度和設(shè)備的使用性能等等。振動(dòng)（噪音）和液壓的漏油現(xiàn)象也是主要限制液壓發(fā)展的基本問題。而隨著現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)速度日益提高，振動(dòng)的危害更為突出。

1? 故障現(xiàn)狀

本文分析的液壓系統(tǒng)是應(yīng)用于一臺(tái)大型的鐵路養(yǎng)護(hù)設(shè)備CQS550清篩機(jī)。在這里需要討論的液壓系統(tǒng)，是控制兩路液壓馬達(dá)。其中一路是控制設(shè)備上的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)篩液壓馬達(dá)，另外一路是控制皮帶傳輸?shù)囊簤厚R達(dá)。這兩個(gè)馬達(dá)需要的壓力和流量分別是：（振動(dòng)篩馬達(dá)：設(shè)定壓力31MPa，輸入流量75L/min;皮帶傳輸馬達(dá)：設(shè)定壓力31MPa，輸入流量75L/min）在設(shè)備工作的時(shí)候兩個(gè)馬達(dá)需要同時(shí)工作，同時(shí)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速需要根據(jù)不同的工況進(jìn)行相應(yīng)的獨(dú)立調(diào)整。

在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了負(fù)載反饋系統(tǒng)，使用了負(fù)載敏感變量泵和負(fù)載敏感比例多路閥來控制這兩路馬達(dá)。通過使用負(fù)載反饋多路閥可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而變化，同時(shí)也可以保證兩個(gè)馬達(dá)在負(fù)載不一樣的時(shí)候也可以同時(shí)工作，再配上負(fù)載敏感控制的變量柱塞泵，輸出的流量根據(jù)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速需求提供，不會(huì)有多余流量的溢流損失，使整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)熱能降低到最小。負(fù)載敏感比例閥的集成性又很高，所以使這個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔和安裝方便。

在樣機(jī)調(diào)試階段，這個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)很好，得到使用者的認(rèn)可。很快就決定投入批量生產(chǎn)。

液壓系統(tǒng)原理圖（如圖1所示）：

這個(gè)系統(tǒng)在樣機(jī)試驗(yàn)階段沒有出現(xiàn)任何振動(dòng)的故障，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，速度調(diào)節(jié)可靠和穩(wěn)定。只是在實(shí)際交付給用戶時(shí)用戶希望能提供振動(dòng)篩的驅(qū)動(dòng)力。通過計(jì)算泵油足夠的流量，于是在不大改動(dòng)液壓系統(tǒng)的情況下最可靠的方法是加大馬達(dá)的排量。于是就選擇了另一品牌的一款馬達(dá)，直接就投入量產(chǎn)。

更換馬達(dá)后，扭矩達(dá)到了要求，理論上液壓系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)滿足要求。

該車制造完成在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，出現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，單獨(dú)一路馬達(dá)工作的時(shí)候，兩個(gè)馬達(dá)的任何一路的壓力和流量都穩(wěn)定可調(diào)。但在兩組馬達(dá)同時(shí)工作的時(shí)候壓力表顯示壓力波動(dòng)很大，指針大幅擺動(dòng)，同時(shí)馬達(dá)也產(chǎn)生異響。

2? 振動(dòng)故障的初步處理

對(duì)應(yīng)液壓系統(tǒng)的振動(dòng)故障，可能產(chǎn)生的一些基本振動(dòng)的因素如下：

①檢測(cè)油箱內(nèi)過濾器是否堵塞;

②液壓泵是否吸油不暢;

③系統(tǒng)中，如管路和執(zhí)行元件中是否有空氣;

④閥件中的閥芯是否動(dòng)作靈活、是否有卡死現(xiàn)象;

⑤系統(tǒng)卸荷時(shí)是否沖擊過大;

⑥液壓管件、閥件及油箱等是否按照牢靠。

首先排除了上述在安裝過程中可能產(chǎn)生的振動(dòng)原因，但問題依然存在。既然不是因?yàn)榘惭b過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，那么振動(dòng)源就可能是系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的。系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的振動(dòng)，就要將液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)來分析。這樣分析就要基于機(jī)械振動(dòng)理論。

3? 基于機(jī)械振動(dòng)理論的分析

機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如下四個(gè)部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)、變量泵、換向閥、液壓馬達(dá)。

將這個(gè)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的模型（如圖2所示）。

由質(zhì)量、剛度和阻尼各元素以一定形式組成的系統(tǒng)，稱為機(jī)械系統(tǒng)。實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，在分析其振動(dòng)問題時(shí)往往需要把它簡(jiǎn)化為由若干個(gè)“無彈性”的質(zhì)量和“無質(zhì)量”的彈性元件所組成的力學(xué)模型。

將該液壓系統(tǒng)中的液壓馬達(dá)、換向閥和泵簡(jiǎn)化為機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。各個(gè)部位簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。簡(jiǎn)諧振動(dòng)是隨時(shí)間按正弦函數(shù)變化的運(yùn)動(dòng)。這種振動(dòng)可以看作是垂直平面上等速圓周運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)在此平面內(nèi)的鉛垂軸上投影的結(jié)果。它的振動(dòng)位移為：

式中X為振幅，即偏離平衡位置的最大值，亦即振動(dòng)位移的最大值;

t為時(shí)間;

ω為圓頻率（正弦量頻率的2π倍）。它的振動(dòng)速度為：

它的振動(dòng)加速度為：

振動(dòng)也可用向量來表示。向量以等角速度ω作反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，位移向量的模（向量的大?。┚褪钦穹鵄，速度向量的模就是速度的幅值ωA，加速度向量的模就是加速度的幅值ω2A。速度向量比位移向量超前90°，加速度向量比位移向量超前180°。如振動(dòng)開始時(shí)此質(zhì)點(diǎn)不在平衡位置，它的位移可用下式表示：

式中ψ為初相位。完成一次振動(dòng)所需的時(shí)間稱為

周期。

振動(dòng)方程為：

從公式中可以看出，在外部激振力F的作用，系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩的決定因素有三個(gè)，其一：是元件的質(zhì)量（m）;其二是元件的彈性系數(shù)（d）;其三是元件的阻尼系數(shù)（c）。

對(duì)于這個(gè)液壓系統(tǒng)來說，和質(zhì)量系數(shù)相關(guān)的參數(shù)是：液壓馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)體（如柱塞副等）、比例換向閥不同位置閥芯的質(zhì)量和變量泵的運(yùn)動(dòng)體（包括控制塊中閥芯的質(zhì)量）。

在這個(gè)液壓系統(tǒng)中，和彈性系數(shù)相關(guān)的技術(shù)參數(shù)有：液壓管件、油液、換向閥中彈簧和變量泵中控制器的彈簧。

在本廠試驗(yàn)中，將該系統(tǒng)中的馬達(dá)再次更換回原排量的馬達(dá)，該振蕩不再出現(xiàn)。說明這個(gè)機(jī)械振蕩系統(tǒng)中影響最大的是質(zhì)量m這個(gè)參數(shù)，同時(shí)還更換了另一個(gè)品牌的比例多路閥，振蕩現(xiàn)象也消失了，再次證明質(zhì)量系數(shù)在液壓系統(tǒng)中的重要性。

但是前面說了在理論上可以解決很多問題，但是在實(shí)際工作中會(huì)面臨更為復(fù)雜的情況。

該鐵路設(shè)備雖然這個(gè)振動(dòng)現(xiàn)象存在但依然可以工作，只是振動(dòng)將影響元件使用壽命和現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。所以必須得到有效的解決。更換主體元件首先面臨的是成本問題，其次是更換了任何元件，安裝尺寸就會(huì)變化，現(xiàn)場(chǎng)工作量太大。

4? 解決方法

4.1 改變阻尼系數(shù)減少振動(dòng)

如果設(shè)備中的液壓系統(tǒng)出現(xiàn)超過允許范圍的振動(dòng)時(shí)，需要采取減振措施。為了減小機(jī)械設(shè)備本身的振動(dòng)，可配置各類減振元件。對(duì)于液壓系統(tǒng)中最常見的減振元件就是阻尼，系統(tǒng)中的阻尼元件減小振幅和延長(zhǎng)振動(dòng)的周期。同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)中的高頻振動(dòng)（小的質(zhì)量系統(tǒng)），這種高頻振動(dòng)對(duì)液壓系統(tǒng)非常有害，阻尼元件是一種非常有效的方法。

而增加阻尼根本的原因是改變固有頻率。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)元件的固有頻率理想公式為：

增加阻尼元件其目的也是加大固有頻率和負(fù)載頻率之間的差距。（如圖3所示）黑圈的地方增加了阻尼。在不同的阻尼作用下，振動(dòng)現(xiàn)象是有減少，但是還是不能徹底解決。而且這種阻尼的解決方案沒有可重復(fù)性。即某種阻尼在某臺(tái)設(shè)備上產(chǎn)生了效果，但在其他設(shè)備上可能根本沒有作用。而且可能設(shè)備某個(gè)時(shí)間上增加了阻尼有了效果，車輛去工地施工后，振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)再次發(fā)生。所以必須找一個(gè)完全不受外界條件及因素干擾，確實(shí)可以徹底解決問題的方案。

4.2 隔斷共振元件排除振動(dòng)故障

基于現(xiàn)場(chǎng)處理問題的條件，原來將減振的方法一直局限在了將兩個(gè)共振的元件的自有頻率拉開。在技術(shù)討論中發(fā)現(xiàn)解決共振的問題上還有一個(gè)方法，就是隔斷兩個(gè)共振的元件。

對(duì)于一組負(fù)載反饋比例多路閥，如果需要二路以上執(zhí)行元件同時(shí)工作的話，每片換向閥中需要配置補(bǔ)償元件，或者叫定差元件，以保證負(fù)載壓力不同的情況下也可以根據(jù)負(fù)載需要輸出相應(yīng)的流量。（如圖4所示）

（如圖5所示）而換向閥上的這個(gè)補(bǔ)償元件，其作用是平衡同時(shí)工作的幾組執(zhí)行元件的壓力，這個(gè)閥芯是處于常開狀態(tài)的。兩組執(zhí)行元件間的壓力差越大其中壓力低的一片的補(bǔ)償閥開口量越小，相反當(dāng)兩個(gè)執(zhí)行元件間的負(fù)載壓力接近，閥芯的開口量就越大。在這個(gè)設(shè)備上就是這個(gè)情況，兩個(gè)馬達(dá)負(fù)載壓力很接近，補(bǔ)償閥處于開口量很大，一旦其中一個(gè)馬達(dá)壓力產(chǎn)生波動(dòng)，振動(dòng)波很容易通過比例換向閥片傳遞到另一個(gè)馬達(dá)上，而兩路馬達(dá)和比例閥元件產(chǎn)生共振，實(shí)際上在其他油路上增加阻尼元件不會(huì)起到太大的減震作用。

在這個(gè)比例換向閥上更換了具有負(fù)載阻斷功能的補(bǔ)償閥芯，將兩條油路在負(fù)載接近時(shí)和負(fù)載差距加大的時(shí)候，閥芯都處于向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。從閥芯的外型圖可以看出兩個(gè)閥芯的最大區(qū)別就是遮蓋面加大了，這樣在中位無補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候閥芯也是處于關(guān)閉狀態(tài)。

將這個(gè)閥芯更換上去后，振動(dòng)現(xiàn)象消失，問題解決。

5? 結(jié)論

①在設(shè)計(jì)選型過程中，元件與元件的匹配可能是造成共振的因素。②在本次調(diào)試過程中可以感受到，解決共振最有效的方法是改變振動(dòng)因素中的質(zhì)量因素。如泵和馬達(dá)的排量，或閥的規(guī)格等。③增加阻尼在很多設(shè)備的調(diào)試過程中會(huì)經(jīng)常被使用的一種方法，畢竟加上不同的阻尼其成本不高，在很多情況下也好操作。但是在一些工況下可能治標(biāo)不治本。④解決共振的另外一個(gè)方式就是將兩個(gè)或更多個(gè)共振元件間的相通油路阻斷，但是必須找到合適的位置。

總之現(xiàn)場(chǎng)處理液壓故障過程中，受到現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境的制約因素很多，制定一個(gè)確實(shí)可行的改進(jìn)方案需要多方面考慮。

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