流體系統(tǒng)沖擊問題及防治措施

1、姓 名導(dǎo) 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(chǎn)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(yīng)用舉例結(jié)語1背景 液壓系統(tǒng)的振動與噪聲是1個相當(dāng)普遍的問題。近年來,隨著液壓技術(shù)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(yán)重,并且成為妨礙液壓技術(shù)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(chǎn)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(yuǎn)的意義。 液壓系統(tǒng)的振動主要來自機械系統(tǒng)運動導(dǎo)致

2、的振動、流體工作過程中產(chǎn)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(zhuǎn)軸在高速運轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生一種頻率與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的受迫振動。這種振動會通過泵站基礎(chǔ)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(chǎn)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(chǎn)生與轉(zhuǎn)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(dāng)振幅超過一定限度時，就會導(dǎo)致機械構(gòu)件產(chǎn)生過大的應(yīng)力而失效。 液壓沖擊現(xiàn)象 在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)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(chǎn)生巨大的振動和噪聲，惡化工作條件，導(dǎo)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(chǎn)生誤動作，破壞系統(tǒng)的工作循環(huán)，降低設(shè)備的工作質(zhì)量或造成設(shè)備的損壞。因此，研究液壓沖擊產(chǎn)生的原因及危害，采取減小和預(yù)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(guān)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(guān)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(yán)重的，會產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)生疲勞之外，主要原因是液壓沖擊所致的破壞結(jié)果。所以，搞清液壓沖擊的產(chǎn)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(diào)節(jié)壓力改變并出現(xiàn)泄漏。4 在液壓沖擊過程中，導(dǎo)管中形成的高頻率的重復(fù)載荷，容易使導(dǎo)管疲勞破壞。3產(chǎn)生流體沖擊問題的主要原因123液流通道迅速關(guān)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(guān)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(guān)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(zhuǎn)換為壓力能，于是油液的壓力急劇升高，沖撞液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓沖擊波,并迅速在管道內(nèi)傳播。液壓沖擊波的傳遞、反射、油液方向的變化將反復(fù)進行，直到耗盡引起沖擊的能量，沖擊現(xiàn)象才會結(jié)束。因此，管路中的油液流速突然變化是產(chǎn)生沖擊的外界條件，而油液本身的慣性是產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象的內(nèi)在因素。 例1:液流通道迅速關(guān)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(guān)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(dāng)A處先恢復(fù)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(chǎn)生的沖擊 如圖3.2所示，當(dāng)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(chǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(chǎn)生液壓沖擊。升降設(shè)備的液壓缸在靜止?fàn)顟B(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(chǎn)生沖擊 如圖3.2所示，活塞以正常運動速度vo帶動負(fù)載m向右運動，當(dāng)換向閥突然關(guān)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(nèi)的油液受到壓縮，壓力急劇上升達到某一峰值，產(chǎn)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(dāng)運動部件的動能全部轉(zhuǎn)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(dāng)系統(tǒng)中某個局部低于空氣分離壓力時，就會產(chǎn)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(chǎn)生局部高壓，產(chǎn)生液壓沖擊。4液壓沖擊的計算閥門突然關(guān)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(guān)，即有關(guān)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(chǎn) 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(dāng)缸體不動，活塞運動時，折算到活塞上的運動部件質(zhì)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(zhì)、大小、管壁厚度并適當(dāng)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(chǎn)生較小的沖擊。1、對閥門突然關(guān)閉而產(chǎn)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(guān)閉的速度。具體措施可采用：如減慢滑閥開啟和關(guān)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(dǎo)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(guān)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(chǎn)生液壓沖擊的地方設(shè)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(dāng)?shù)臅r機將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能

13、儲存起來，當(dāng)系統(tǒng)需要時，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜恚匦卵a供給系統(tǒng)。當(dāng)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(nèi)的腔室充氮氣，膠囊外腔室充液體，當(dāng)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(dāng)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(nèi)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(zhì)；以及采用軟管等。 5 減慢換向閥的關(guān)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(diào)節(jié)阻尼以及控制通過先導(dǎo)閥的壓力和流量來減緩主換向閥閥芯的換向（關(guān)閉）速度。 1 可在油缸的入口及出口處設(shè)置反應(yīng)快、靈敏度高的小型安全閥（溢流閥），其調(diào)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(diào)節(jié)值。（詳細(xì)參照案例3） 2、對運動部件突然被制動、減速或停止產(chǎn)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(guān)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(shè)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(dāng)調(diào)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(zhì)(各類可流動的物質(zhì))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(yīng)的管道或容器之間安設(shè)閥門，用以調(diào)節(jié)兩側(cè)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(shè)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(chǎn)生的流量及壓力的波動。5 在液壓缸端部設(shè)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(chǎn)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(yīng)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(shè)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(shè)計液壓系統(tǒng)的機械設(shè)備時，應(yīng)周密地考慮所設(shè)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(nèi)。 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(chǔ)，若電機在油箱的上部或側(cè)面，應(yīng)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(nèi)齒套聯(lián)軸器；在吸油管路上應(yīng)安裝避振喉，在泵的出油管路上也應(yīng)配一段高壓軟管。這樣可以避免電機軸與泵軸不對中產(chǎn)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(yán)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(yīng)當(dāng)采用反應(yīng)快、靈敏度高的小型溢流閥。其調(diào)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(chǎn)生急劇速度變化，停止或反轉(zhuǎn)，均能消除其沖擊力。溢流溢流閥的閥的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成組成工作原理：溢流閥工作時，是利用彈簧的壓力來調(diào)節(jié)、控制液壓油的壓力大小。從圖中可以看到：當(dāng)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(dāng)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(cè)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