李永衡（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

?

如何降低液壓沖擊波對系統(tǒng)的影響

李永衡
（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

摘 要：分析了液壓沖擊波形成的原理及對液壓系統(tǒng)造成的危害，提出了影響壓力沖擊波大小的主要因素是：液壓沖擊波在液體中的傳播速度α、閥口關(guān)閉前液體流速υ0-υ1的差值及壓力源到閥口的距離L。通過對軟管彈性模量、油缸緩沖裝置及儲能器的認(rèn)識，提出了降低壓力沖擊波的幾種方法。

Keyword: valve port；hydraulic shock wave；propagation velocity；elastic buffer device；modulus E of elastici-ty；energy storage device

1 引言

當(dāng)流動的液體突然被截?cái)喽Ｖ沽鲃訒r(shí)，都會在液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生高壓沖擊波［1-3］，如果不對其進(jìn)行有效的控制，就會對液壓系統(tǒng)的零部件會造成一定程度損壞，影響到正常的生產(chǎn)，甚至影響到安全。為了減輕高壓沖擊波對系統(tǒng)的不利影響，我們就要分析液壓沖擊波的原理，通過有效的方法減輕其對系統(tǒng)的損害程度。

2 液壓沖擊波的形成原理

當(dāng)液體從油泵口流向換向閥時(shí)，如果換向閥突然截?cái)嗥渫ǖ?，使流速突然降到零，在這一瞬間，緊靠閥口的第一層油停止運(yùn)動，然后管道里的油一層一層地逐漸停止運(yùn)動，流體的動能轉(zhuǎn)化為壓力能，使流體在閥口處的壓力突然升高，達(dá)到最大值，這過程為壓力波的第一波。這時(shí)油泵口的壓力小于閥口處的壓力，壓力波又以很高的速度α向油泵口方向傳播，此時(shí)閥口處壓力開始下降并小于泵口壓力，這過程為第二波，周而復(fù)始［1-3］。

運(yùn)用動量定律方程［1-3］，可得第一波最高值：

式中：ΔP為壓力升高值（N/m2）；S為管道流通面積（m2）；L為壓力源到閥口的距離（m）；ρ為液體的密度（kg/m3）；υ0為管中起始流速（m/s）；υ1為關(guān)閉過程中的流速（全閉為υ1＝0）（m/s）；t為第一波產(chǎn)生到結(jié)束的時(shí)間（s）。

由（1）式兩邊消除S后得：

當(dāng)完全關(guān)閉時(shí)：υ1＝0；ΔP＝ρυ0α。

事實(shí)上由于存在能量損失，沖擊波因逐漸衰減而消失。要考慮的是第一波剛結(jié)束時(shí)閥口處的最大壓力升高值是多少，并如何降低這一波的沖擊。這一波壓力如能降低，將最大限度地減少壓力沖擊波對管路的損壞。

3 液壓壓力波對系統(tǒng)的影響

在液壓系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)液流方向的控制，安裝了各種形式的換向閥。這些換向閥在換向時(shí)，會突然關(guān)閉閥門，截?cái)嗥渫ǖ?，使流體中的壓力突然升高而形成液壓沖擊波。這種突然升高的壓力所形成的壓力波會使系統(tǒng)產(chǎn)生振動，影響到設(shè)備的正常使用。其危害主要表現(xiàn)在以下兩方面。

（1）液壓系統(tǒng)中的很多元部件（管道、儀表等）會因受到過高的液壓沖擊力而遭到損壞。液壓沖擊產(chǎn)生的峰值壓力，可達(dá)到正常工作壓力的3～4倍［4］。輕則使儀器精密度下降，管路因振動而產(chǎn)生松動；嚴(yán)重時(shí)會使液壓元件及測量儀表損壞，甚至管路破裂造成安全事故。

（2）液壓系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性也會受到液壓沖擊的影響。如壓力繼電器會因液壓沖擊而發(fā)出錯(cuò)誤信號，干擾液壓系統(tǒng)的正常工作。

4 影響壓力波大小的因素

要減少壓力沖擊波對液壓系統(tǒng)的影響，就要了解影響壓力波大小的因素。由（3）式可以得出影響壓力升高值ΔP有二個(gè)因素。第一個(gè)因素是液壓沖擊波在液體中傳播速度α；第二個(gè)因素是閥門關(guān)閉前液體流速υ0-υ1的差值。

式（3）表示的ΔP是液壓沖擊中可能產(chǎn)生的最大壓力升高值。設(shè)沖擊波從起始點(diǎn)開始再返回到起始點(diǎn)時(shí)間為T，換向閥關(guān)閉的時(shí)間為T0。當(dāng)T0＜T時(shí)，這種情況為瞬間關(guān)閉，也稱為完全液壓沖擊，瞬間壓力增加3～4倍［3］；當(dāng)T0＞T時(shí)，這種情況為逐漸關(guān)閉，可用下式近似計(jì)算ΔP的值［1-3］：

從上式看出，減少壓力波運(yùn)行周期T，并增加換向閥關(guān)閉時(shí)間T0，可以降低壓力沖擊波的值ΔP。如果增加關(guān)閉時(shí)間T0，雖然減少了壓力波沖擊，但會影響到生產(chǎn)效率，所以一般不將延長關(guān)機(jī)時(shí)間T0作為減小沖擊波的手段，而將如何減少壓力波運(yùn)行周期T，作為降低壓力沖擊波的值ΔP的手段。由于壓力源到閥口的距離為L，則T＝2L/α,代入上式，得：

從上式看出，L是影響壓力升高值ΔP的第三個(gè)因素。就是將減少壓力源到閥口的距離L，作為減小ΔP值的手段。這樣在不影響工作效率的情況下，降低了液壓沖擊力。

5 在實(shí)際工作中減少液壓沖擊力的幾種方法

液壓力沖擊在液壓系統(tǒng)中是無法避免的，但可以通過一些方法來降低液壓力的沖擊對管路的影響。如要降低ΔP的最大值，可以考慮降低沖擊波在液體中傳播速度α、降低閥口關(guān)閉前液體流速υ0-υ1的差值以及減少壓力源到閥口的距離L。以下幾種方法是工作中實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)和體會。

5.1液壓軟管在減少壓力沖擊波中的作用

液壓沖擊波在液體中傳播速度α與輸送液壓介質(zhì)管道的彈性模量E有關(guān)［1-3］?？捎孟率接?jì)算傳播速度α：

式中：E0為液體體積彈性系數(shù)（石油基液壓油E0=1.67×109Pa）［3］；ρ為液體的密度（石油基液壓油ρ=920kg/m3）；D為管道內(nèi)徑（m）；δ為管壁厚度（m）；E為彈性模量（鋼E：2.1×1011Pa［1］；壓力范圍在10～20MPa區(qū)間，2SN高壓軟管E：13×108Pa［6］）。

例如：同為輸送20MPa的液壓油，其內(nèi)徑都是8mm，鋼管厚2.0mm，2SN高壓軟管增強(qiáng)層厚2mm，分別求出在鋼管和在軟管中的傳播速度α。

在鋼管中的傳播速度：

在高壓軟管中的傳播速度：

液壓沖擊波在高壓軟管中與在鋼管中的速度比值：i=α軟管/α鋼管=542/1325=41%。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出，壓力波在高壓軟管中的傳播速度約為鋼管中傳播速度的41%，如其它因素不變，在閥口至壓力源處使用高壓軟管，最大壓力升高值ΔP只有鋼管中的41%，所以軟管具有較好的減振作用。

5.2油缸端部緩沖裝置的重要性

油缸活塞及活塞桿由于自身運(yùn)動會產(chǎn)生的動量以及液動力的影響，當(dāng)突然關(guān)閉閥口時(shí)或與活塞與缸筒端部接觸時(shí)，液壓系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的振動。如圖1所示，在油缸活塞兩端設(shè)有凸臺（2），在缸筒兩端設(shè)有進(jìn)入凹臺（3）。在圖1中，凸臺部分（2）進(jìn)入到端蓋的凹臺部分（3）時(shí)，形成阻尼，降低了活塞在油缸中的運(yùn)行速度，這時(shí)閥門關(guān)閉前后液體流速υ0-υ1的差值就會緩慢降低，從而起到緩沖的作用［4-5］。為了更好地均勻減速，其凸臺部分還可以做成錐形，拋物線形等等［4-5］，其目的就是更好地起到緩沖的作用。如果認(rèn)識不到緩沖裝置的重要性，就不能充分發(fā)揮其作用。

圖1　油缸緩沖裝置

貴溪冶煉廠電解車間的剝片機(jī)組安裝有2個(gè)對稱小油缸（內(nèi)徑40mm，行程900mm）其動作是上下撕開陰極板，每天頻繁動作，油缸損耗較大。進(jìn)口原裝油缸可以用到1年以上，而我們第一次加工的油缸使用不到半月端蓋就沖掉了。之后我們又將端蓋螺栓加大，并提高材料工藝水平，結(jié)果還是不到半月又將端蓋沖掉了。通過分析，產(chǎn)品主要有如下問題。

（1）忽視了緩沖裝置的重要性，對于緩沖裝置的凹凸臺之間的間隙沒有認(rèn)真測量、計(jì)算、測試，設(shè)置的δ值過大（內(nèi)外徑差達(dá)6mm，如圖1所示），使緩沖裝置沒有起到有效的緩沖作用。

（2）加工油缸長度時(shí)，采取“寧長勿短”方法，油缸缸筒長度超過5mm。由于機(jī)械臂的伸縮長度在設(shè)備上已經(jīng)設(shè)定好。其結(jié)果是在往上運(yùn)行時(shí)，緩沖裝置幾乎沒起作用。

通過這些分析，對油缸進(jìn)行了改進(jìn)，首先對缸筒長度進(jìn)行了修正；其次將活塞上緩沖凸臺做成錐形，如下圖2所示。δ值隨著活塞的推進(jìn)，逐漸變小，直至0.2mm。起到了平穩(wěn)減速作用，經(jīng)檢測，活塞運(yùn)行至油缸端部的壓力增加25%，符合要求［1-2］，其效果良好。

圖2　改進(jìn)后的油缸緩沖裝置

5.3科學(xué)設(shè)置儲能器

儲能器在液壓系統(tǒng)中，對壓力沖擊波起到緩沖的作用。但如果安裝的位置不同，其緩沖的效果就不一樣。下面我們對比兩家儲能器使用情況，來說明儲能器安裝位置的重要性。

一家是江西婺源膠木板廠，其儲能器靠近液壓站安裝。利用內(nèi)徑80mm，長度約35m的無縫鋼管，儲能器與液壓站共同將壓力油輸送至大型設(shè)備壓模機(jī)。運(yùn)行時(shí)管路振動非常大，經(jīng)常出現(xiàn)管路裂縫，極大地影響了生產(chǎn)。檢修時(shí)在靠近壓模機(jī)的閥接口處安裝了一個(gè)儲能器，才緩解了這個(gè)沖擊。

另一家是江銅貴溪冶煉廠電解車間，其儲能器安裝在大型設(shè)備陽極板整形裝置附近。利用內(nèi)徑42mm，長度約35m的無縫鋼管，將液壓站的壓力油輸送至儲能器的聯(lián)接管。儲能器利用內(nèi)徑80mm的無縫鋼管與陽極板整形裝置聯(lián)接，這樣首先向大型設(shè)備陽極板整形裝置供油是儲能器，管路振動較小，在長期使用中很少出現(xiàn)管路損壞的現(xiàn)象。

同樣都安裝了儲能器，為什么減振效果不一樣呢？這是因?yàn)楫?dāng)儲能器遠(yuǎn)離使用設(shè)備，即增加了供油口與閥口距離L，由式（5）可以看出，增加了L，就增加了ΔP。同時(shí)關(guān)閉閥口時(shí)形成的第一波沖擊已經(jīng)對系統(tǒng)造成影響，而儲能器吸收的是第二波沖擊，所以減振效果較差；當(dāng)儲能器靠近閥口時(shí)，事實(shí)上首先是儲能器向設(shè)備供油，即縮短供油口與閥口距離L，由式（5）可以看出，減少了L，就減少了ΔP［7-8］。同時(shí)關(guān)閉閥口時(shí)形成的第一波的沖擊大部分被儲能器很快吸收，所以減振效果較好。

6 結(jié)論

液壓沖擊力對液壓系統(tǒng)帶來的損壞是經(jīng)常性的，尤其是頻繁動作的液壓設(shè)備，壓力沖擊波對其影響更大。這就需要技術(shù)人員去分析它，通過一此科學(xué)的方法減輕其對設(shè)備的不利影響。同時(shí)，在零部件國產(chǎn)化的過程中，要努力把握細(xì)節(jié)，仔細(xì)研究其元件的各種設(shè)計(jì)，了解其目的及作用，不要簡單的仿造，這樣才能真正做好產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

［1］王文斌. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2004:183-184.

［2］路甬祥. 液壓氣動手冊[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002:1-52.

［3］馬憲亭, 尹新愛. 液壓沖擊計(jì)算與控制方法[J]. 煤礦機(jī)械, 2009(3):157-158.

［4］高欽和, 宋海洲. 液壓油缸圓柱形緩沖裝置緩沖過程仿真與參數(shù)優(yōu)化研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2012(3):145-147.

［5］楊毅, 趙永杰. 高速油缸的緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電設(shè)備, 2013(5):41-43.

［6］叢恒斌. 液壓油和軟管的等效體積彈性模量測定[J]. 機(jī)床與液壓, 2010(5):81-83.

［7］康健, 吳衛(wèi), 丁常紅. 大型高爐出鐵場液壓站共用蓄能器站的實(shí)現(xiàn)與改進(jìn)[J]. 液壓與氣動, 2015(3):99-101.

［8］張路軍, 李繼志, 顧心懌, 等. 蓄能器類型及應(yīng)用綜述[J]. 機(jī)床與液壓, 2001(6):5-7.

How to Reduce the Influence of Hydraulic Shock Wave on the System

LI Yong-heng
（Dexing Copper Mine, Jiangxi Copper Corporation, Dexing 334224, Jiangxi, China）

Abstract:The principle of the hydraulic shock wave and the damage to the hydraulic system are analyzed. The main factors that influence the size of the pressure shock wave are: Propagation velocity α of hydraulic shock wave in liquidthe、Close the valve port before the liquid velocity υ0-υ1difference and Pressure source to the valve port distance L.Through understanding of the elastic modulus of the hose, the buffer device of the cylinder and the energy storage device, several methods to reduce the pressure shock wave are proposed.

作者簡介：李永衡（1960-），男，湖南衡陽人，機(jī)械工程師，主要從事礦山機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)、制作及維修工作。E-mail: liyongheng3886@163.com

收稿日期：2015-11-13

中圖分類號：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3842（2016）01-0073-04

關(guān)健詞：閥口；液壓沖擊波；傳播速度；緩沖裝置；彈性模量E；儲能器