1、流體系統(tǒng)沖擊問(wèn)題及防治措施LOGO1234背景液壓沖擊問(wèn)題的主要危害產(chǎn)生流體沖擊問(wèn)題的主要原因液壓沖擊的計(jì)算567減少液壓沖擊的措施減少液壓沖擊問(wèn)題的應(yīng)用舉例結(jié)語(yǔ)1背景 液壓系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲是1個(gè)相當(dāng)普遍的問(wèn)題。近年來(lái),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(dòng)和噪聲也日趨嚴(yán)重,并且成為妨礙液壓技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的因素之一。 振動(dòng)是彈性物的固有特性,振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲,噪聲源于振動(dòng),因此振動(dòng)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(dòng)與噪聲的成因,對(duì)降低或控制振動(dòng)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(dòng)主要來(lái)自機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)、流體工作

2、過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)。簡(jiǎn)單介紹液壓系統(tǒng)中的機(jī)械振動(dòng) 在液壓系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種頻率與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的受迫振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)通過(guò)泵站基礎(chǔ)或管路傳遞到其他管道、油箱和閥件，電動(dòng)機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)在使用過(guò)程中，因磨損等原因使得配合間隙增大、軸承位置竄動(dòng)等。因此將會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，電機(jī)與泵的聯(lián)軸器也會(huì)因兩半軸的不同軸、偏斜過(guò)大產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速同頻率的振動(dòng)。 這些振動(dòng)最常見(jiàn)的表現(xiàn)是液壓系統(tǒng)的噪聲加大，加快運(yùn)動(dòng)機(jī)件的疲勞破壞。當(dāng)振幅超過(guò)一定限度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件產(chǎn)生過(guò)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(dòng)方向突然改變或停止時(shí)，液體流動(dòng)速度發(fā)生急劇變化。

3、由于流動(dòng)液體的慣性和運(yùn)動(dòng)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(gè)壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。液壓沖擊形成的瞬時(shí)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(huì)引起系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)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(huì)引起某些液壓元件產(chǎn)生誤動(dòng)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(duì)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(huì)使系統(tǒng)瞬時(shí)壓力比正常工作壓力高得很多，甚至超過(guò)正常工作壓力的2-3倍以上。如圖1.1是突然關(guān)閉油

4、缸的出油口時(shí)，用示波器實(shí)測(cè)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(shí)，油液壓力約為4.5Mpa，突然關(guān)閉其出油口后，壓力瞬時(shí)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(huì)產(chǎn)生巨大的振動(dòng)和噪聲，且使油溫升高，還會(huì)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(shí)，便發(fā)現(xiàn)有破壞現(xiàn)象，而這種油管的實(shí)際靜止破壞壓力約高達(dá)50-60Mpa，從而可見(jiàn)，除壓力脈動(dòng)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，估算出它的壓力值，并采取抑

5、制和防治措施是非常重要的。2液壓沖擊問(wèn)題的主要危害 液壓沖擊的危害主要有四個(gè)方面： 系統(tǒng)中的部分元件如管道、儀表等因受到過(guò)高的液壓沖擊力而遭到破壞，一般來(lái)說(shuō)液壓沖擊力可以達(dá)到普通工作壓力的3到4倍。 系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性會(huì)收到液壓沖擊的影響，如壓力繼電器會(huì)因液壓沖擊而發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)，干擾液壓系統(tǒng)的正常工作。 系統(tǒng)受到液壓沖擊時(shí)，發(fā)出較大的噪聲和振動(dòng)，并可能令連接件松動(dòng)、壓力閥調(diào)節(jié)壓力改變并出現(xiàn)泄漏。 在液壓沖擊過(guò)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(wèn)題的主要原因液流通道迅速關(guān)閉或換向時(shí)的液壓沖擊 運(yùn)動(dòng)部件在高速運(yùn)動(dòng)中突然被制動(dòng) 流體中空氣引起的液壓沖擊 3.1液

6、流通道迅速關(guān)閉時(shí)的液壓沖擊 液壓沖擊多發(fā)生在油液突然停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，例如迅速關(guān)閉閥門(mén)，油液的流動(dòng)速度突然降為零，這時(shí)油液受到擠壓，使油液的動(dòng)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(jìn)行，直到耗盡引起沖擊的能量，沖擊現(xiàn)象才會(huì)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(shí)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(zhǎng)度為l，直徑為d的管道經(jīng)出口處的閥門(mén)以速度v0流出。若將閥門(mén)突然關(guān)閉，此時(shí)緊靠閥門(mén)門(mén)口

7、B處的一層液體停止流動(dòng)，壓力升高p。其后液體也依次停止流動(dòng)，動(dòng)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?jí)毫髩毫Σㄓ謧飨駼。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(shí)產(chǎn)生的沖擊 如圖3.2所示，當(dāng)換向閥移到中間位置時(shí)，壓力油突然與液壓缸切斷，但是由于運(yùn)動(dòng)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(shí)產(chǎn)生液壓沖擊。圖3.2 3.2 運(yùn)動(dòng)部件在高速運(yùn)動(dòng)中突然被制動(dòng) 在液壓系統(tǒng)中，高速運(yùn)動(dòng)的部件的慣性力和突然加到設(shè)備上的載荷也會(huì)引起壓力沖擊

8、，如工作部件換向或制動(dòng)時(shí)，換向閥切斷油路，但是運(yùn)動(dòng)部件因慣性的作用還不能立即停止運(yùn)動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)部件在慣性力作用下擠壓封閉中的液壓油, 使運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能。這樣也會(huì)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(gè)較大的載荷，液壓缸下腔的壓力也會(huì)急劇升高。 例2:運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)產(chǎn)生沖擊 如圖3.2所示，活塞以正常運(yùn)動(dòng)速度vo帶動(dòng)負(fù)載m向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)換向閥突然關(guān)閉時(shí)，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(yùn)動(dòng)，將繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)而使右腔內(nèi)的油液受到壓縮，壓力急劇上升達(dá)到某一峰值，產(chǎn)生液壓沖擊。封閉在左腔的油液因容積擴(kuò)大并沒(méi)有油液補(bǔ)

9、充進(jìn)來(lái)將使壓力突然降低。當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為油液的彈性能時(shí)，活塞將停止向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)油液的彈性能將釋放出來(lái)，使活塞改變其運(yùn)動(dòng)方向而向左運(yùn)動(dòng)，這樣來(lái)回運(yùn)動(dòng)將持續(xù)地振蕩一段時(shí)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(gè)局部低于空氣分離壓力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生氣泡，氣泡被帶到高壓區(qū)時(shí)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(bǔ)這一空間，油液的相互碰撞會(huì)產(chǎn)生局部高壓，產(chǎn)生液壓沖擊。4液壓沖擊的計(jì)算閥門(mén)突然關(guān)閉時(shí)，由油液引起的壓力升高的最大值可按式（1）計(jì)算： p = cv （1）式中， 流體密

10、度, kg/m3 ； v 管中原來(lái)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(yùn)動(dòng)速度急劇變化時(shí)，液壓沖擊壓力最 大升值 p 為液壓油慣性沖擊和運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度，m； Ai 液壓油第i段管道的有效面積，m2 ； m 當(dāng)缸體不動(dòng)，活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到活塞上的運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，kg； v1 ，v2 活塞變化前、后的運(yùn)動(dòng)速度，m/s； t 活塞由速度v1到v2

11、的變化時(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)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(dòng)。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(dòng)能，在其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生較小的沖擊。1、對(duì)閥門(mén)突然關(guān)閉而產(chǎn)生液壓沖擊的防治方法2 在滿足動(dòng)作快慢要求的前提下，盡量減慢閥門(mén)的關(guān)閉的速度。具體措施可采用：

12、如減慢滑閥開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的速度，可在閥芯控制邊上開(kāi)V形槽，或作成25左右的錐度（如圖5.1所示）；對(duì)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(shí)現(xiàn)），以減緩滑閥的換向速度；選用元件時(shí)，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(kāi)缺口 b）開(kāi)型槽 c）沿圓周開(kāi)口，互相錯(cuò)開(kāi) 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(shí)間，還能吸收壓力沖擊。圖5.3 蓄能器 蓄能器是液壓氣動(dòng)系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)蓄裝置。它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，又將壓

13、縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?lái)，重新補(bǔ)供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時(shí)，它可以吸收這部分的能量，以保證整個(gè)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(gè)腔室；膠囊內(nèi)的腔室充氮?dú)?，膠囊外腔室充液體，當(dāng)液體泵將高壓的液壓油（液）充入時(shí)，發(fā)生變形， 則氣體體積隨壓力增加而減小。這樣液體儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)液壓系統(tǒng)需要壓力油（液）補(bǔ)充，而其壓力低于蓄能器所儲(chǔ)存液壓油（液）的壓力時(shí)，則液壓油（液）在氣體膨脹壓力推動(dòng)下，經(jīng)進(jìn)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(shí)間。如縮短控制元件到執(zhí)行元件的管路長(zhǎng)度；選用密度較小的液壓介質(zhì)；以及采用軟管等。

14、5 減慢換向閥的關(guān)閉速度，即延長(zhǎng)換向時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)阻尼以及控制通過(guò)先導(dǎo)閥的壓力和流量來(lái)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(huì)超過(guò)調(diào)節(jié)值。（詳細(xì)參照案例3） 2、對(duì)運(yùn)動(dòng)部件突然被制動(dòng)、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(diǎn)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(diǎn)附近采用行程閥減速，可有效避免液壓沖擊。用活塞桿直接操縱行程閥使活塞能在行程的終點(diǎn)緩慢

15、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(yùn)動(dòng)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(dòng)的物質(zhì))在管道或容器的各個(gè)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(mén)，用以調(diào)節(jié)兩側(cè)壓力的相對(duì)平衡，或通過(guò)分流的方法達(dá)到流量的平衡，該閥門(mén)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， 使泵能正常輸出流量。另在泵的出端由于重力或其

16、它作用常會(huì)出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象，此時(shí)背壓閥能消減由于虹吸產(chǎn)生的流量及壓力的波動(dòng)。5 在液壓缸端部設(shè)置緩沖裝置控制活塞運(yùn)動(dòng)到端部時(shí)的排油速度，使油缸運(yùn)動(dòng)到缸端停止時(shí)，平穩(wěn)無(wú)沖擊。其工作原理是利用活塞或缸筒移動(dòng)到接近終點(diǎn)時(shí)，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(dòng)，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(wèn)題的實(shí)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(lái)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，以吸收液壓沖擊的能量。（4）在容易出現(xiàn)液

17、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(jì)液壓系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備時(shí)，應(yīng)周密地考慮所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)哪種振動(dòng)，以及振動(dòng)的程度，把振動(dòng)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(dòng)機(jī)和油箱均共用同一基礎(chǔ)，若電機(jī)在油箱的上部或側(cè)面，應(yīng)在電機(jī)底座下安裝隔振墊圈；泵與電機(jī)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(jī)軸與泵軸不對(duì)中產(chǎn)生的振動(dòng)傳給油箱。泵傳動(dòng)軸的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)要有嚴(yán)格的誤差要求，一般要求為0.04-0.06mm，泵傳動(dòng)軸與電機(jī)輸出軸要求同軸度誤差小于0.1mm，不允許用皮帶輪、齒輪、鏈輪等作

18、為傳動(dòng)件傳動(dòng)，使泵和電機(jī)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(guò)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(dòng)，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(shí)，是利用彈簧的壓力來(lái)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(shí)，閥芯被彈簧壓在液壓油的流入口，當(dāng)液壓油的壓力超過(guò)其工作允許壓力即大于彈簧壓力時(shí)，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(jìn)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總要