基于龍門液壓雙柱式舉升機液壓系統振動分析

衛江

（陜西廣播電視大學工程管理系，西安 710119）

0 引言

隨著汽車行業的不斷發展，汽車維修設備發展到一個更高的階段。龍門液壓雙柱舉升機具有高承載能力，易于安裝和維護，適應性強，適應于不同類型的車輛維修。

研究和分析龍門液壓雙柱式舉升機的設計和使用有非常重要的意義，對提升液壓舉升設備工作品質、技術的經濟性能很有必要。而且研究和分析其液壓系統運動和動力學，可為后續研發和改進提供幫助。

龍門液壓雙柱式舉升機通過集流閥來實現雙柱的同步運動，液壓沖擊是造成液壓系統振動的主要原因。液壓系統中的振動［1］主要來自機械系統和液壓系統（液壓泵、閥元件），以及液流振蕩等。振動包括自激式振動、強迫式振動兩種［2］：強迫式振動主要是由液壓泵及壓力控制閥的流量脈動導致的；自激式振動主要是由液壓（質量、相互作用力、流量、壓力等）系統參數導致的，同時管路中液體的渦流引起閥體壁振動以及導閥（如先導式溢流閥）經常會處于不穩定的高頻振動［3］。

1 液流力的動態特性分析

1）穩態液流力。

穩態液流力是指通過閥腔液流的流量不變時，根據動量定理，可得射流力

式中：m 為液流質量；uj為通過控制窗口的液流速度；t 為油液流過的時間。

式中，θ 為射流角。

式中：c1為收縮系數，常取0.62；x 為閥芯移動位移。

由以上公式可得出射流角與閥芯位移的關系曲線如圖1 所示。

圖1 射流角與閥芯位移的關系圖

由圖1 可知，射流角θ 隨x/cr而變化，閥芯的位移x 越小，導致徑向間隙cr對于射流角θ 影響越大。

2）瞬態液流力。瞬態液流力是指當閥芯的窗口面積突然改變時，會導致閥腔中液流速度發生改變，形成軸線方向的液流力Ft，Ft與加速度有關，如圖2。

圖2 瞬態滑閥液流力示意圖

根據牛頓第二定律，有以下關系：

2.4 兩組患者心肌酶、LVEF、E峰／A峰比值水平比較 觀察組患者CK-MB水平高于對照組，LVEF、E峰／A峰比值水平低于對照組，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表3。

式中：A 為閥腔液流斷面積；L 為進油與控制窗口距離；v為閥腔內液流速度；t 為油液流過的時間。

由Q=vA，得dv/dt=dQ/Adt。

將ΔP 設為常數，經簡化有

液流流入與流出控制窗口的瞬態液流力方向不同。

由此可以得出，閥芯沿軸向的總液流力：

式中：Kf為類似彈簧剛度；Kt為相當于阻尼系數。

2 元件的動態特性分析

1）單向閥。單向閥芯與彈簧構成“質量—彈簧”振動系統［4］，在工作狀態時易發生振動。

其單向錐閥的開口截面面積可表示為：

由薄壁小孔的節流原理可知：

式中：A1=為類似彈簧的剛度；x 為閥的開度。

當忽略摩擦力及液動力的情況下，可得到開度為x0時閥芯運動的微分方程式：

式中：m 為閥芯及彈簧質量1/3 之和；F 為閥芯所承受的壓力差有效面積。

其振動圓頻率表示為

代入式（13）得：

為避免共振和激烈振動，必須要求此頻率和液壓泵或者其它振動圓頻率不同，同時還需要對單向閥本身的自激振動進行分析。

當油液流經單向閥時由于局部阻力的原因，導致節流損失：

式中：ξ 為阻力系數；P1、P2為閥芯節流的前后壓力。

ξ（x）為閥芯開度x 的函數。由上式可知，當P1為常數，同時Q 不變時，則P2取決ξ（x）的值，關系如圖3。

圖3 可以得出，ξ（x）是非單值函數。實線是閥芯沿著打開的方向運動的ξ（x）值；虛線是閥芯沿關閉的方向運動的ξ（x）值。當x 在x1和x2之間，ξ（x）具有上升的特性，在此范圍工作的閥芯就會發生自激式振動。

為了防止自激振動的發生，須避免ξ（x）在x1和x2之間工作，確保ξ（x）在其工作的范圍中具有單值下降特性。

圖3 單向閥ξ（x）與x 關系圖

2）溢流閥的振動。系統使用先導式溢流閥。由于先導閥芯的質量和黏滯阻力通常非常小，可以忽略不計，所以通過主閥的流量：

主閥芯運動的平衡條件：

對其拉氏變換可得：

式中：KQ＝QR1/x；KP=QR1/（2P）。

溢流閥的信號傳遞函數為：

3 液壓系統的振動的解決方法

由以上分析，實際調控可利用以下方法：

1）增加阻尼。在換向液控單向閥的支路油口處，加裝一個阻尼，從而限制單向閥開啟的速度，此方法簡單便于操作。

2）增加節流閥。在液控單向閥出口安裝單向節流閥，液壓缸舉升時油液流經單向閥，節流閥此時不起作用，液壓缸回落時單向閥關閉，回油被迫流經節流閥，此時節流閥具有節流與調速的作用，使得液壓缸的回油流量不發生突變，同步閥閥芯可以起到同步控制的作用。

4 結論

本文通過對龍門液壓雙柱式舉升機的振動分析，找出振動產生的原因，并對系統中液壓元件進行動態特性分析［5］，建立振動的數學模型，經拉氏變換，得到特征方程與系統傳遞函數，并導出主要的液壓閥參數（阻尼振動頻率、阻尼系數及頻率），提出并找到解決液壓系統的振動方案，經實驗驗證，舉升機工作時系統振動大幅度減少，滿足實際要求。

［1］王存堂.工程機械液壓系統及故障維修［M］.北京：化學工業出版社，2007：267-269.

［2］張應杰：汽車舉升機作業安全技術［M］.北京：中國計量出版社，2005.

［3］田繼宏.專用液壓提升機控制系統研究［D］.大連：大連理工大學，2004：30-47.

［4］陸一心.液壓與氣動技術［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［5］衛江.龍門雙柱式液壓舉升機的液壓系統建模仿真與控制研究［D］.西安：西安電子科技大學，2008：47-52.