孔德英

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

液壓系統(tǒng)工作中，由于某種原因引起的管道內(nèi)液體速度發(fā)生急劇改變，液體的動能變成壓力能，系統(tǒng)的一些區(qū)域產(chǎn)生了高壓，高壓區(qū)以壓力波的形式在管道內(nèi)傳播，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。

液壓沖擊的危害很大，尤其在高壓、高速及大流量的液壓系統(tǒng)中其危害更嚴(yán)重。一般來說液壓沖擊產(chǎn)生的壓力峰值，最高可達(dá)正常工作壓力的3～4倍，輕則可使儀表測量精度下降，重則可使液壓元件、密封裝置和儀表發(fā)生故障甚至損壞或管路破裂。液壓系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也會受到影響，如壓力繼電器會因液壓沖擊發(fā)出錯誤信號，影響系統(tǒng)正常工作。液壓系統(tǒng)受到液壓沖擊時，常伴隨巨大的噪音和振動，還可能引起系統(tǒng)連接件的松動漏油，壓力閥的調(diào)定壓力發(fā)生改變，甚至使液壓元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞。

1 液壓系統(tǒng)中液壓沖擊的分析

1.1 產(chǎn)生液壓沖擊的主要原因

(1)驟然關(guān)閉或打開液流通道。如液壓系統(tǒng)在突然啟動、停車、變速或換向時，閥口突然關(guān)閉或機(jī)構(gòu)動作突然停止產(chǎn)生液壓沖擊，實質(zhì)是管路中流體因突然停止流動而導(dǎo)致其動能向壓力能的瞬間轉(zhuǎn)變。

(2)高速運(yùn)動的執(zhí)行元件突然被制動。高速運(yùn)動執(zhí)行元件的慣性力引起的液壓沖擊,例如油缸要換向時, 換向閥突然關(guān)閉油缸原來的回油管路,油液不再排出,但活塞由于慣性作用仍在運(yùn)動，從而引起壓力急劇上升產(chǎn)生液壓沖擊。

(3)液壓元件反應(yīng)動作不靈敏。如恒壓變量泵，當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力升高時不能及時減小排量而造成液壓沖擊；系統(tǒng)壓力突然升高，溢流閥不能迅速開啟而造成壓力超調(diào)等。

1.2 液壓沖擊的計算

液壓沖擊是一種動態(tài)過程，影響液壓沖擊的因素很多，很難準(zhǔn)確計算，故一般采用估算。

(1)迅速啟閉液流通道引起的液壓沖擊[1]

若忽略粘性及管徑變化的影響，沖擊波在管道內(nèi)的傳播速度為：

式中，E0為液體體積彈性模量；δ、d為管道的壁厚和內(nèi)徑；E為管道材料的彈性模量。由此看出，為了避免或減少因迅速啟閉液流通道所引起的液壓沖擊，可考慮延長啟閉液流通道的時間t，如用先導(dǎo)閥減緩換向閥換向速度；縮短沖擊波往復(fù)所需時間T，如縮短管道長度；降低沖擊波在管道內(nèi)的傳播速度a，如采用較大的管道內(nèi)徑d等。

(2)液壓缸所驅(qū)動的運(yùn)動部件被制動時，產(chǎn)生的液壓沖擊壓力[1]

式中，m為被制動部件的質(zhì)量；△υ為運(yùn)動部件速度的變化量；A為液壓缸有效作用面積；△t為運(yùn)動部件制動或速度減慢△υ所需時間。由此看出，為了減小運(yùn)動部件制動時產(chǎn)生的液壓沖擊，應(yīng)延長制動時所需的時間△t，或減小運(yùn)動部件速度的變化量△υ，如在液壓缸行程終點(diǎn)采用減速、節(jié)流等緩沖裝置。

2 防止和減輕液壓沖擊的措施

液壓沖擊的瞬態(tài)過程相當(dāng)復(fù)雜，因此分析、計算和防止液壓沖擊是很重要的。有特殊要求時，可按上述情況進(jìn)行計算。在一般液壓系統(tǒng)設(shè)計時，可采取有效防止措施而不做計算。這里主要從液壓系統(tǒng)設(shè)計、裝配和使用角度，介紹防止和減輕液壓沖擊的措施。

2.1 典型液壓回路設(shè)計

(1)液壓系統(tǒng)保壓時，由于液壓缸和管路的彈性變形以及油液壓縮貯存了一部分彈性性能，回程時如果釋放過快，將引起系統(tǒng)劇烈的沖擊、振動和噪聲，甚至導(dǎo)致管路和閥門破裂，故保壓后須緩慢卸壓。圖1是Y型機(jī)能帶液控阻尼調(diào)整器的電液換向閥的液壓回路，用于熱軋機(jī)的導(dǎo)尺控制中。當(dāng)液壓缸保壓完畢要求反向回程時，液控阻尼調(diào)整器為主級閥控制腔中的油液提供一個出口節(jié)流控制，使主級閥芯的速度得到控制，延緩了換向閥的換向時間，從而減輕液壓沖擊。為了獲得最佳的效果，推薦使用恒定的低控制壓力，適用于壓力不太高，油液壓縮量較小的液壓系統(tǒng)。

圖1

(2)圖2是外控式平衡閥組成的平衡回路，此種回路應(yīng)用于大卷重上卸卷小車升降缸的控制中。為控制活塞因自重快速下降而造成的閥的時開時閉，在回油路上串入單向節(jié)流閥，以防止活塞向下運(yùn)動過程中產(chǎn)生的振動和液壓沖擊。

圖2

(3)液壓執(zhí)行元件驅(qū)動質(zhì)量和速度較大的工作部件時，當(dāng)其在運(yùn)動狀態(tài)下突然停止或換向，由于工作部件具有較大的動能，液壓回路中會產(chǎn)生很大的液壓沖擊和振動影響工作部件的定位精度，妨礙機(jī)器正常工作。圖3中馬達(dá)兩側(cè)油路上設(shè)置一個反應(yīng)靈敏的溢流閥進(jìn)行雙向緩沖。由于溢流閥只需溢流很小一部分油液即可減小液壓沖擊，故只需采用小型溢流閥，為使液壓系統(tǒng)能正常工作，溢流閥調(diào)節(jié)壓力要比正常工作時最高壓力高10%。此回路在冷軋機(jī)的上、卸卷小車行走油馬達(dá)控制中比較常見。

圖3

2.2 增加各類輔助液壓元件防止產(chǎn)生液壓沖擊

(1)在液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生液壓沖擊的部位裝設(shè)蓄能器是減輕液壓沖擊的有效措施之一。當(dāng)壓力升高時，蓄能器可以吸收液體，這就減慢了管路中液體動量變化的速度，從而減輕液壓沖擊；

(2)變量泵液壓系統(tǒng)使用安全閥；

(3)對液壓缸到達(dá)行程終點(diǎn)因慣性引起的液壓沖擊，可在液壓缸端部設(shè)緩沖裝置或采用行程節(jié)流閥回路；

(4)對負(fù)載突然發(fā)生變化(如工作負(fù)載突然消失)時產(chǎn)生的液壓沖擊，可在回路上加背壓閥；

(5)若為沖擊性載荷，可在執(zhí)行元件的進(jìn)出口處設(shè)置動作靈敏的超載安全閥；

(6)減少非必要彎曲或采用有卸除沖擊力作用的橡膠軟管等方式，來減小液體流速的變化，以幫助換向閥關(guān)閉時減少瞬時壓力，來防止液壓沖擊的出現(xiàn)；

(7)系統(tǒng)選擇電磁換向閥時，選用直流電磁鐵的比交流電磁鐵的要好，可緩沖液壓沖擊，因交流電磁鐵在行程開始時起動電流值高，而在末端保持低電流，而直流電磁鐵在通電時恒定電流值低；

(8)比例電磁閥可用在很多不同的場合改變壓力、流量或者既改變流量又改變方向。它們可以用來減輕由快速壓力變化或沉重物體快速起動或停止引起的沖擊。

2.3 疊加閥液壓系統(tǒng)裝配中注意疊加順序防止產(chǎn)生液壓沖擊

(1)液控單向閥與單向節(jié)流閥組合時須注意的疊加順序

圖4中，液控單向閥與單向節(jié)流閥組合使用時，應(yīng)使單向節(jié)流閥靠近液壓缸。反之，如果按圖5所示配置，當(dāng)B口進(jìn)油、A口回油時，由于單向節(jié)流閥的節(jié)流作用，在回油路的a-b段會產(chǎn)生壓力，當(dāng)液壓缸需要停止時，液控單向閥不能及時關(guān)閉，有時還會反復(fù)關(guān)、開，使液壓缸產(chǎn)生液壓沖擊。

(2)減壓閥和單向節(jié)流閥組合時須注意的疊加順序

圖4中，減壓閥和單向節(jié)流閥組合使用時，應(yīng)使單向節(jié)流閥靠近液壓缸。反之，如果按圖5所示配置，當(dāng)A口進(jìn)油、B口回油時，由于單向節(jié)流閥的節(jié)流作用，使液壓缸B腔與單向節(jié)流閥之間這段油路的壓力升高，這個壓力可能使減壓閥開口度減小，出口壓力變小，造成供給液壓缸的壓力不足；當(dāng)液壓缸的運(yùn)動趨于停止時，液壓缸B腔壓力又會降下來，減壓閥開口度增大，出口壓力又增加。這樣壓力反復(fù)減小、增加的變化會使液壓缸運(yùn)動不穩(wěn)定，使液壓缸產(chǎn)生液壓沖擊和振動。

圖4

圖5

2.4 使用液壓系統(tǒng)時為防止液壓沖擊應(yīng)注意的事項

空載起動液壓泵；排除液壓系統(tǒng)中的空氣；排除溢流閥故障；適當(dāng)提高背壓閥調(diào)定壓力；通過電氣控制方式如啟動電磁閥時先輸出閥控制信號，后輸出壓力、流量控制信號，關(guān)閉閥時先清零壓力、流量控制信號，后關(guān)閉閥控制信號，這樣就可以保證開、關(guān)閥時系統(tǒng)環(huán)境是低壓狀態(tài)，可有效減輕液壓沖擊。

3 結(jié)束語

本文對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生液壓沖擊的主要原因進(jìn)行了分析，闡述了一些防止和減輕液壓沖擊的措施，在此提供一些思路供大家參考，針對具體的液壓回路和工況可對液壓元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，也可在液壓回路中增加各類輔助液壓元件等。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊(第4卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]官忠范.液壓傳動系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工程出版社，1997

[3]VICKERS液壓及電子技術(shù)樣本.工業(yè)技術(shù)用元件及系統(tǒng).VICKERS.1995.