液壓系統(tǒng)中金屬管道振動(dòng)的分析與控制

液壓系統(tǒng)中金屬管道振動(dòng)的分析與控制

0液壓傳動(dòng)振動(dòng)及控制的必要性在過(guò)去的100年里，人們對(duì)金屬管道的振動(dòng)研究取得了巨大的成果。但從查閱的文獻(xiàn)資料看,這些研究主要集中在化工、石油等領(lǐng)域,研究的對(duì)象是大管徑(一般大于200mm)、長(zhǎng)距離(一般大于100m甚至幾十千米)的金屬管道;沒有涉及到液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中金屬管道的振動(dòng)及控制問(wèn)題。究其原因,筆者認(rèn)為,液壓傳動(dòng)最初是以低壓、小流量、近距離傳遞動(dòng)力的特征出現(xiàn)的,由振動(dòng)引發(fā)的噪聲等問(wèn)題小,沒有影響到系統(tǒng)的正常工作,因而沒有引起人們的注意和重視。但是,隨著液壓控制系統(tǒng)在大型水庫(kù)閘門的開啟系統(tǒng)、軍用艦艇、大型洞庫(kù)防護(hù)門開啟系統(tǒng)等應(yīng)用,高壓、大流量、遠(yuǎn)距離傳動(dòng)的液壓控制系統(tǒng)將得到進(jìn)一步發(fā)展,由此出現(xiàn)的液壓硬管的振動(dòng)將引起系統(tǒng)工作噪聲大、管接頭松動(dòng)、泄油等。因此,有必要分析液壓系統(tǒng)中液壓硬管發(fā)生振動(dòng)的原因,并采取相應(yīng)的措施控制管道的振動(dòng),減少故障的發(fā)生,提高這些關(guān)鍵設(shè)備的可靠性。1管道振動(dòng)的原因液壓管道發(fā)生振動(dòng)的原因很多,歸結(jié)起來(lái)主要有以下幾方面的因素:(1)轉(zhuǎn)軸的附加壓力發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力源,它們都是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的輸出軸帶動(dòng)液壓泵工作。即使把轉(zhuǎn)軸看作是剛體,由于材料的不均勻性或制造誤差、安裝誤差等,都可能使轉(zhuǎn)軸偏離中心慣性主軸;這樣,轉(zhuǎn)軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),將對(duì)支撐轉(zhuǎn)軸的軸承產(chǎn)生附加壓力;軸承又把此附加壓力作用于機(jī)座上。該附加壓力的方向不斷變化,因此將引起機(jī)器和液壓管道的振動(dòng)。這點(diǎn)在由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵的系統(tǒng)中尤為明顯。(2)uhal數(shù)s的影響早在1952年,Lightghill就已經(jīng)證明了,流體紊流具有激發(fā)流體壓力與體積流量的聲源行為。此后,更深層次的研究表明,當(dāng)Strouhal數(shù)S(S=fD/v,其中,f為紊流聲源功率譜密度的特征頻率,D為管道的特征尺寸;v為管道中流體的最大流速)較小時(shí),管道中的紊流體就相當(dāng)于一個(gè)聲波壓力源。因此,如果設(shè)計(jì)的管道通徑過(guò)小或流量過(guò)大,將導(dǎo)致管道中的流體速度增加,使流體處于紊流狀態(tài)而引起管道的振動(dòng)和噪音。(3)液壓的作用機(jī)理在液壓系統(tǒng)的管路或元件的通道中,假設(shè)有一段特別狹窄的區(qū)域。根據(jù)不可壓縮流體的質(zhì)量守衡定律和流量不變的假設(shè),當(dāng)流體流經(jīng)這些區(qū)域時(shí),流體的流速將增加很多,有可能使流體處于紊流狀態(tài),如(2)節(jié)分析產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲;另一方面,液壓油中總是含有一定量的空氣?？諝獾暮颗c液壓油的種類、溫度、壓力等有關(guān)。當(dāng)通流面積減少時(shí),流體的速度將增加,致使壓力降低;當(dāng)壓力降低到空氣分離壓以下時(shí),溶解于油中的空氣將分離產(chǎn)生氣泡,當(dāng)壓力繼續(xù)降低到溫度的飽和蒸氣壓以下時(shí),油液即汽化沸騰而產(chǎn)生大量氣泡,形成所謂的空穴和氣蝕現(xiàn)象。當(dāng)這些氣泡被流體再次帶到高壓區(qū)時(shí),氣穴的體積將急劇縮小、潰滅,其產(chǎn)生的潰滅壓力將導(dǎo)致其余氣泡相繼激烈潰滅,形成所謂的Domino效應(yīng)(多米諾骨效應(yīng)),從而產(chǎn)生巨大的局部壓力沖擊作用到液壓管道的壁上,引起強(qiáng)烈的噪聲和振動(dòng)。(4)頻率和自振頻率葉片泵、柱塞泵和齒輪泵都能產(chǎn)生壓力脈動(dòng),其中以齒輪泵的壓力脈動(dòng)最顯著。當(dāng)流體的脈動(dòng)頻率和原動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)綜合后產(chǎn)生的頻率與液壓管道的自振頻率相等或相近時(shí),將引起液壓管道強(qiáng)烈的共振,產(chǎn)生噪聲。此外,若油路設(shè)計(jì)不當(dāng),如對(duì)于升降液壓控制系統(tǒng),如果平衡閥選用不當(dāng)或關(guān)閉不嚴(yán),當(dāng)負(fù)載下行時(shí),可能出現(xiàn)回油路流體不連續(xù)、回流壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)。(5)流體流速根據(jù)流體動(dòng)力學(xué),當(dāng)流體的流向發(fā)生改變時(shí),將在變向處對(duì)液壓管道產(chǎn)生動(dòng)壓力F=ρQ(v?2?v?1)F=ρQ(v→2-v→1)(其中,ρ為流體的密度,Q為流體的流量,v?v→2、v?v→1分別為流體的末、始速度矢量)。因此,若流體流向改變?cè)酱?則該動(dòng)壓力越大,對(duì)管壁產(chǎn)生的沖擊也越大,產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲也越大。此外,流向的突然改變還會(huì)引起壓力損失,形成液流渦旋區(qū),并在渦旋區(qū)流體變成紊流而產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)和噪聲。(6)系統(tǒng)壓力沖擊換向閥和壓力閥是液壓系統(tǒng)中不可或缺的液壓元件。換向閥在改變壓力流體流動(dòng)方向的瞬間,由于工作部件的慣性,有可能引起液壓系統(tǒng)的壓力沖擊。典型的如挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)馬達(dá)在制動(dòng)或換向時(shí),回油管內(nèi)突然斷油,但回轉(zhuǎn)臺(tái)由于慣性還將繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),引起壓力油管內(nèi)的壓力急劇升高而產(chǎn)生液壓沖擊;對(duì)于動(dòng)作不靈敏的溢流閥和其它類型的壓力控制閥,當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí),它們不能及時(shí)迅速打開而造成壓力超調(diào),從而引起液壓沖擊。這些液壓沖擊都能引起噪聲和液壓管道的振動(dòng)。2液壓管道振動(dòng)和噪聲隨著液壓傳動(dòng)系統(tǒng)向著高壓、大流量、遠(yuǎn)距離傳動(dòng)方向發(fā)展,液流的速度將增加,管道的變向、通徑的變化、控制回路的變化等也將更復(fù)雜,將會(huì)造成更大的振動(dòng)和噪聲。除了噪聲外,液壓管道的振動(dòng)還將引起管接頭松動(dòng)、泄油;對(duì)管道施加交變力,引起薄壁管道的疲勞開裂;管道相對(duì)位移對(duì)其中的密封件如O形圈產(chǎn)生交變應(yīng)力,甚至產(chǎn)生過(guò)大的相對(duì)位移,引起密封件的剪切破壞等。因此,必須針對(duì)上述產(chǎn)生振動(dòng)的原因,采取相應(yīng)的措施控制管道的振動(dòng)和噪聲。2.1電機(jī)和泵耦合件的設(shè)計(jì)原動(dòng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)液壓系統(tǒng)管道的振動(dòng)影響比較大,尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵的情況。因此,在設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)考慮原動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)液壓管道的影響。對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵的系統(tǒng),盡量設(shè)計(jì)成電機(jī)和泵的耦合件;若不允許這樣的耦合設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)使用彈性聯(lián)軸器,將電極的輸出軸與泵的輸入軸聯(lián)結(jié),減少由于旋轉(zhuǎn)軸與慣性主軸不同心而造成的振動(dòng)。2.2管道等效質(zhì)量—設(shè)計(jì)合理的管道內(nèi)徑和壁厚,適當(dāng)減小管架間距,以增加管道固有頻率對(duì)于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的金屬管道,可以將其作為兩端固支或鉸支的梁,其一階固有頻率的計(jì)算公式為:f=3.56EJ/(Mel3)?????????√(1)f=3.56EJ/(Μel3)(1)式中:f為管道的一階固有頻率;E為彈性模量;J為慣性矩;Me為計(jì)算兩點(diǎn)之間管道的等效質(zhì)量;l為兩點(diǎn)之間的管道長(zhǎng)度。因此,在確保工作速度滿足要求的前提下,可以適當(dāng)選用內(nèi)徑大、管壁厚的管道。一方面,較大的通徑可以保證其中的流態(tài)是穩(wěn)定的層流而不是紊流,減少振動(dòng)和噪聲;另一方面,可以增加管道的一階固有頻率,遠(yuǎn)離外部的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率,避免出現(xiàn)共振。此外,適當(dāng)減少管架間距,可以增加管道的剛度和一階固有頻率。2.3接撓性管路減振由計(jì)算公式(1),將具有阻尼的管套安裝到液壓金屬管道中,將剛性管架換成帶阻尼吸振的管架,雖然降低了金屬管道的一階固有頻率,但阻尼材料能夠吸收管道的振動(dòng),使振動(dòng)得到衰減,能有效地起到減振作用。有試驗(yàn)表明,使用此方法的阻尼減振與接撓性軟管減振具有相當(dāng)?shù)男Ч?而且它有自身的優(yōu)勢(shì):不改變管路的原有結(jié)構(gòu),對(duì)系統(tǒng)可靠性沒有不利影響;其次,在理論上,阻尼具有可設(shè)計(jì)性,可以控制其減振效果。2.4吸油過(guò)濾器的壓力差取液壓油箱液面為參考面,由伯努利方程得p=p0?(h+v22g)γ(2)p=p0-(h+v22g)γ(2)式中:p為泵的出口壓力,p0為大氣壓力,h為泵的吸油口與油箱液面的高度差,v為泵出口流速,γ為流體的比重。分析式(2),當(dāng)h過(guò)大時(shí),泵的出口壓力p將減小,有可能降低到空氣的飽和壓力以下,將引起氣穴現(xiàn)象,從而導(dǎo)致與泵相連的管道的噪聲和振動(dòng)加大。同理,吸油過(guò)濾器的壓力差也不能過(guò)大;否則,也產(chǎn)生氣穴,導(dǎo)致管道發(fā)生振動(dòng)和噪聲。2.5撓性熱管的安裝設(shè)計(jì)大直徑的彎路,盡量避免管道的急劇彎曲,可以設(shè)計(jì)撓性軟管來(lái)改善管道的急劇轉(zhuǎn)向。管道內(nèi)徑的變化要平緩,以避免由于通徑的突變而形成氣穴或渦