流體系統(tǒng)沖擊問題及防治措施

1、姓 名導 師流體系統(tǒng)沖擊問題及防治措施LOGO目錄1234背景液壓沖擊問題的主要危害產生流體沖擊問題的主要原因液壓沖擊的計算567減少液壓沖擊的措施減少液壓沖擊問題的應用舉例結語1背景 液壓系統(tǒng)的振動與噪聲是1個相當普遍的問題。近年來,隨著液壓技術向高速、高壓和大功率方面的發(fā)展,液壓系統(tǒng)的振動和噪聲也日趨嚴重,并且成為妨礙液壓技術進一步發(fā)展的因素之一。 振動是彈性物的固有特性,振動會產生噪聲,噪聲源于振動,因此振動和噪聲是液壓系統(tǒng)不可分割的兩種物理現(xiàn)象。 研究和分析液壓系統(tǒng)振動與噪聲的成因,對降低或控制振動和噪聲,并改善液壓系統(tǒng)的性能有著極其深遠的意義。 液壓系統(tǒng)的振動主要來自機械系統(tǒng)運動導致

2、的振動、流體工作過程中產生的振動。簡單介紹液壓系統(tǒng)中的機械振動 在液壓系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在電動機、液壓泵、液壓馬達的轉軸在高速運轉時，會產生一種頻率與轉速相對應的受迫振動。這種振動會通過泵站基礎或管路傳遞到其他管道、油箱和閥件，電動機、液壓泵、液壓馬達在使用過程中，因磨損等原因使得配合間隙增大、軸承位置竄動等。因此將會產生高頻振動，電機與泵的聯(lián)軸器也會因兩半軸的不同軸、偏斜過大產生與轉速同頻率的振動。 這些振動最常見的表現(xiàn)是液壓系統(tǒng)的噪聲加大，加快運動機件的疲勞破壞。當振幅超過一定限度時，就會導致機械構件產生過大的應力而失效。 液壓沖擊現(xiàn)象 在液壓系統(tǒng)中，當液體流動方向突然改變或停止時，液體流動速

3、度發(fā)生急劇變化。由于流動液體的慣性和運動部件的慣性，使系統(tǒng)中的壓力在某一瞬間突然急劇上升，形成一個壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。液壓沖擊形成的瞬時壓力峰值稱為沖擊壓力，其值是正常工作壓力的34倍。它不僅會引起系統(tǒng)產生巨大的振動和噪聲，惡化工作條件，導致密封裝置、管路和液壓元件損壞，還會引起某些液壓元件產生誤動作，破壞系統(tǒng)的工作循環(huán)，降低設備的工作質量或造成設備的損壞。因此，研究液壓沖擊產生的原因及危害，采取減小和預防液壓沖擊的措施，對提高液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和工作性能有著重要的意義。圖1.1 圖1.2 液壓沖擊會使系統(tǒng)瞬時壓力比正常工作壓力高得很多，甚至超過正常工作壓力的2-3倍以上。如圖1

4、.1是突然關閉油缸的出油口時，用示波器實測得到的油缸出油口的壓力曲線（如圖1.2所示）。 由圖可知，在液壓缸正常工作時，油液壓力約為4.5Mpa，突然關閉其出油口后，壓力瞬時增加到近12.0Mpa，增大到原油壓的三倍。 液壓沖擊的危害是很嚴重的，會產生巨大的振動和噪聲，且使油溫升高，還會使密封裝置、管件、連接件及其他元輔件損壞。例如，有一直徑為25mm，壁厚為1.5mm的油管，當系統(tǒng)工作壓力只有7-10Mpa時，便發(fā)現(xiàn)有破壞現(xiàn)象，而這種油管的實際靜止破壞壓力約高達50-60Mpa，從而可見，除壓力脈動使油管產生疲勞之外，主要原因是液壓沖擊所致的破壞結果。所以，搞清液壓沖擊的產生原因，估算出它的

5、壓力值，并采取抑制和防治措施是非常重要的。2液壓沖擊問題的主要危害1 液壓沖擊的危害主要有四個方面： 系統(tǒng)中的部分元件如管道、儀表等因受到過高的液壓沖擊力而遭到破壞，一般來說液壓沖擊力可以達到普通工作壓力的3到4倍。23 系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性會收到液壓沖擊的影響，如壓力繼電器會因液壓沖擊而發(fā)出錯誤信號，干擾液壓系統(tǒng)的正常工作。 系統(tǒng)受到液壓沖擊時，發(fā)出較大的噪聲和振動，并可能令連接件松動、壓力閥調節(jié)壓力改變并出現(xiàn)泄漏。4 在液壓沖擊過程中，導管中形成的高頻率的重復載荷，容易使導管疲勞破壞。3產生流體沖擊問題的主要原因123液流通道迅速關閉或換向時的液壓沖擊 運動部件在高速運動中突然被制動 流體

6、中空氣引起的液壓沖擊 3.1液流通道迅速關閉時的液壓沖擊 液壓沖擊多發(fā)生在油液突然停止運動的時候，例如迅速關閉閥門，油液的流動速度突然降為零，這時油液受到擠壓，使油液的動能轉換為壓力能，于是油液的壓力急劇升高，沖撞液壓系統(tǒng)產生液壓沖擊波,并迅速在管道內傳播。液壓沖擊波的傳遞、反射、油液方向的變化將反復進行，直到耗盡引起沖擊的能量，沖擊現(xiàn)象才會結束。因此，管路中的油液流速突然變化是產生沖擊的外界條件，而油液本身的慣性是產生沖擊現(xiàn)象的內在因素。 例1:液流通道迅速關閉時的液壓沖擊（水錘現(xiàn)象） 如圖3.1所示，液體自一具有固定液面的壓力容器沿長度為l，直徑為d的管道經(jīng)出口處的閥門以速度v0流出。若將

7、閥門突然關閉，此時緊靠閥門門口B處的一層液體停止流動，壓力升高p。其后液體也依次停止流動，動能形成壓力波，并以速度c向A傳播。此后B處壓力降低p，形成壓力降波，并向A傳播。而后當A處先恢復初始壓力后壓力波又傳向B。則如此循壞使液流振蕩。振蕩終因摩擦損失而停止。圖3.1 例2:液流換向時產生的沖擊 如圖3.2所示，當換向閥移到中間位置時，壓力油突然與液壓缸切斷，但是由于運動部件的慣性作用，使液壓缸一端油腔中的液體受壓縮，壓力突然升高，而另一端油腔中的壓力下降，形成局部真空。因此，液流換向時產生液壓沖擊。圖3.2 3.2 運動部件在高速運動中突然被制動 在液壓系統(tǒng)中，高速運動的部件的慣性力和突然加

8、到設備上的載荷也會引起壓力沖擊，如工作部件換向或制動時，換向閥切斷油路，但是運動部件因慣性的作用還不能立即停止運動，高速運動部件在慣性力作用下擠壓封閉中的液壓油, 使運動部件的動能轉化為液壓油的壓力能。這樣也會引起液壓缸和管路中油壓急劇升高而產生液壓沖擊。升降設備的液壓缸在靜止狀態(tài)下，被施加一個較大的載荷，液壓缸下腔的壓力也會急劇升高。 例2:運動部件制動產生沖擊 如圖3.2所示，活塞以正常運動速度vo帶動負載m向右運動，當換向閥突然關閉時，油液被封死在油缸兩腔及管道中。由于慣性作用，活塞不能立即停止運動，將繼續(xù)向前運動而使右腔內的油液受到壓縮，壓力急劇上升達到某一峰值，產生液壓沖擊。封閉在左

9、腔的油液因容積擴大并沒有油液補充進來將使壓力突然降低。當運動部件的動能全部轉化為油液的彈性能時，活塞將停止向右運動，此時油液的彈性能將釋放出來，使活塞改變其運動方向而向左運動，這樣來回運動將持續(xù)地振蕩一段時間，直到泄漏與摩擦損失耗盡了全部能量為止。圖3.2 3.3 流體中空氣引起的液壓沖擊 由于油液中約含2%的空氣，當系統(tǒng)中某個局部低于空氣分離壓力時，就會產生氣泡，氣泡被帶到高壓區(qū)時體積急劇縮小，又重新急劇凝聚為液體，使局部地區(qū)形成真空，周圍的液體以高速填補這一空間，油液的相互碰撞會產生局部高壓，產生液壓沖擊。4液壓沖擊的計算閥門突然關閉時，由油液引起的壓力升高的最大值可按式（1）計算： p

10、= cv （1）式中， 流體密度, kg/m3 ； v 管中原來的流速，m/s； c 沖擊波的傳播速度，m/s。注意，c與管材彈性、管徑、壁厚等有關，即有關系式：式中， K流體的體積彈性系數(shù)，Pa； D、 管徑及管壁厚度，m ； E 管材的彈性模量，Pa。 液壓缸運動速度急劇變化時，液壓沖擊壓力最 大升值 p 為液壓油慣性沖擊和運動部件慣性沖擊產 生的壓力升值之和，即 （2）式中，A液壓缸活塞面積，m2 ； li 液壓油第i段管道的長度，m； Ai 液壓油第i段管道的有效面積，m2 ； m 當缸體不動，活塞運動時，折算到活塞上的運動部件質量，kg； v1 ，v2 活塞變化前、后的運動速度，m/

11、s； t 活塞由速度v1到v2的變化時間，s。5減少液壓沖擊的措施 由式（1）可知，液壓沖擊的壓力和油液的流速成正比，管徑與壁厚的比值越大, 沖擊傳播速度越小。由式（2）可知，由液壓缸運動狀態(tài)發(fā)生改變時引起的液壓沖擊的大小，與其速度變化大小成正比，與其速度變化快慢成反比。為了減小系統(tǒng)的液壓沖擊可以采取以下措施：1 合理選擇管道的材質、大小、管壁厚度并適當增大其安全系數(shù),減小彎道，使用軟管都能減小液壓沖擊和振動。在同樣的流量下增大管徑，可以減小油流的流速，降低油液的動能，在其運動狀態(tài)發(fā)生變化時，產生較小的沖擊。1、對閥門突然關閉而產生液壓沖擊的防治方法2 在滿足動作快慢要求的前提下，盡量減慢閥門

12、的關閉的速度。具體措施可采用：如減慢滑閥開啟和關閉時的速度，可在閥芯控制邊上開V形槽，或作成25左右的錐度（如圖5.1所示）；對于電液換向閥，可控制先導閥的流量（用節(jié)流閥或單向閥實現(xiàn)），以減緩滑閥的換向速度；選用元件時，盡可能選用帶阻尼器的換向閥。 圖5.1 閥芯控制邊上的錐度圖5.2 減慢滑閥關閉前（換向前)的流速方法a）開缺口 b）開型槽 c）沿圓周開口，互相錯開 d）閥體上通油孔大于油腔3 在容易產生液壓沖擊的地方設置蓄能器。蓄能器不但能縮短壓力波的傳播距離、時間，還能吸收壓力沖擊。圖5.3 蓄能器 蓄能器是液壓氣動系統(tǒng)中的一種能量儲蓄裝置。它在適當?shù)臅r機將系統(tǒng)中的能量轉變?yōu)閴嚎s能或位能

13、儲存起來，當系統(tǒng)需要時，又將壓縮能或位能轉變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?，重新補供給系統(tǒng)。當系統(tǒng)瞬間壓力增大時，它可以吸收這部分的能量，以保證整個系統(tǒng)壓力正常。圖5.4 囊式蓄能器工作原理：蓄能器殼體由膠囊將其分為兩個腔室；膠囊內的腔室充氮氣，膠囊外腔室充液體，當液體泵將高壓的液壓油（液）充入時，發(fā)生變形， 則氣體體積隨壓力增加而減小。這樣液體儲存起來。當液壓系統(tǒng)需要壓力油（液）補充，而其壓力低于蓄能器所儲存液壓油（液）的壓力時，則液壓油（液）在氣體膨脹壓力推動下，經(jīng)進油閥排到液壓系統(tǒng)中；直至壓力降到與系統(tǒng)內壓力相等為止。4 縮短沖擊波反射的時間。如縮短控制元件到執(zhí)行元件的管路長度；選用密度較小

14、的液壓介質；以及采用軟管等。 5 減慢換向閥的關閉速度，即延長換向時間t。例如采用直流電磁閥比交流的液壓沖擊要小，或采用帶阻尼的電液換向閥可通過調節(jié)阻尼以及控制通過先導閥的壓力和流量來減緩主換向閥閥芯的換向（關閉）速度。 1 可在油缸的入口及出口處設置反應快、靈敏度高的小型安全閥（溢流閥），其調整壓力為最高工作壓力的105%-125%，這樣可防止沖擊壓力不會超過調節(jié)值。（詳細參照案例3） 2、對運動部件突然被制動、減速或停止產生的液壓沖擊的防止方法2 在油缸的行程終點采用減速閥，由于緩慢關閉油缸而緩和了液壓沖擊。圖5.5在液壓缸行程的終點附近采用行程閥減速，可有效避免液壓沖擊。用活塞桿直接操縱

15、行程閥使活塞能在行程的終點緩慢停止。也有用電氣控制的，但效果較差。3 在油缸回油控制油路中，設置平衡閥和背壓閥，以控制快速下降或水平運動的前沖沖擊，并適當調高背壓壓力。4 在發(fā)生液壓沖擊的附近處安裝皮囊式波紋形的蓄能器；采用橡膠軟管，以吸收液壓沖擊的能量，防止和排除液壓系統(tǒng)中的空氣。圖5.6平衡閥：由于介質(各類可流動的物質)在管道或容器的各個部分存在較大的壓力差或流量差，為減小或平衡該差值，在相應的管道或容器之間安設閥門，用以調節(jié)兩側壓力的相對平衡，或通過分流的方法達到流量的平衡，該閥門就叫平衡閥。圖5.7背壓閥：在管路或是設備容器壓力不穩(wěn)的狀態(tài)下，背壓閥能保持管路所需壓力， 使泵能正常輸出

16、流量。另在泵的出端由于重力或其它作用常會出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象，此時背壓閥能消減由于虹吸產生的流量及壓力的波動。5 在液壓缸端部設置緩沖裝置控制活塞運動到端部時的排油速度，使油缸運動到缸端停止時，平穩(wěn)無沖擊。其工作原理是利用活塞或缸筒移動到接近終點時，將活塞和缸蓋之間的一部分油液封住，迫使油液從小孔或縫隙中擠出（如圖5.8所示），從而產生很大的阻力，使工作部件平穩(wěn)制動，并避免活塞和缸蓋的相互碰撞。圖5.8 液壓缸緩沖裝置6減少液壓沖擊問題的實際應用案例1水水錘錘現(xiàn)現(xiàn)象象可采取下列措施來減少液壓沖擊：（1）使完全沖擊改變?yōu)椴煌耆珱_擊（2）限制管中油液的流速（3）用橡膠軟管或在沖擊源處設置蓄能器，以吸收液壓

17、沖擊的能量。（4）在容易出現(xiàn)液壓沖擊的地方，安裝限制壓力升高的安全閥。2液液壓壓泵泵站站 設計液壓系統(tǒng)的機械設備時，應周密地考慮所設計的系統(tǒng)會出現(xiàn)哪種振動，以及振動的程度，把振動量控制在允許范圍內。 冶金行業(yè)的液壓站，一般泵組的電動機和油箱均共用同一基礎，若電機在油箱的上部或側面，應在電機底座下安裝隔振墊圈；泵與電機采用彈性梅花聯(lián)軸器或尼龍內齒套聯(lián)軸器；在吸油管路上應安裝避振喉，在泵的出油管路上也應配一段高壓軟管。這樣可以避免電機軸與泵軸不對中產生的振動傳給油箱。泵傳動軸的軸向竄動和徑向跳動要有嚴格的誤差要求，一般要求為0.04-0.06mm，泵傳動軸與電機輸出軸要求同軸度誤差小于0.1mm，

18、不允許用皮帶輪、齒輪、鏈輪等作為傳動件傳動，使泵和電機受到徑向力的作用。3采用溢采用溢流閥消流閥消除液壓除液壓沖擊沖擊 在液壓缸的入口及出口處安裝過載滋流閥，如圖所示。此種溢流閥(安全閥)應當采用反應快、靈敏度高的小型溢流閥。其調整壓力必須按不同載荷情況決定，一般可選定為最大操作壓力的5%-10%。此種裝置，不論活塞在行程中的任何位置，載荷發(fā)生劇烈變動，產生急劇速度變化，停止或反轉，均能消除其沖擊力。溢流溢流閥的閥的結構結構組成組成工作原理：溢流閥工作時，是利用彈簧的壓力來調節(jié)、控制液壓油的壓力大小。從圖中可以看到：當液壓油的壓力小于工作需要壓力時，閥芯被彈簧壓在液壓油的流入口，當液壓油的壓力超過其工作允許壓力即大于彈簧壓力時，閥芯被液壓油頂起，液壓油流入，從圖示方向右側口流出，回油箱。液壓油的壓力越大，閥芯被液壓油頂起得越髙，液壓油經(jīng)溢流閥流回油箱的流量越大，如果液壓油的壓力小于或等于彈簧壓力，則閥芯落下，封住液壓油進口。由于油泵輸出的液壓油壓力固定，而工作油缸用液壓油的壓力