如何降低液壓沖擊波對系統的影響

李永衡（江西銅業集團公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

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如何降低液壓沖擊波對系統的影響

李永衡
（江西銅業集團公司 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

當流動的液體突然被截斷而停止流動時，都會在液壓系統中產生高壓沖擊波［1-3］，如果不對其進行有效的控制，就會對液壓系統的零部件會造成一定程度損壞，影響到正常的生產，甚至影響到安全。為了減輕高壓沖擊波對系統的不利影響，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的損害程度。

2 液壓沖擊波的形成原理

當液體從油泵口流向換向閥時，如果換向閥突然截斷其通道，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動，然后管道里的油一層一層地逐漸停止運動，流體的動能轉化為壓力能，使流體在閥口處的壓力突然升高，達到最大值，這過程為壓力波的第一波。這時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，周而復始［1-3］。

運用動量定律方程［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為關閉過程中的流速（全閉為υ1＝0）（m/s）；t為第一波產生到結束的時間（s）。

由（1）式兩邊消除S后得：

當完全關閉時：υ1＝0；ΔP＝ρυ0α。

事實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束時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 液壓壓力波對系統的影響

在液壓系統中，為了實現對液壓系統液流方向的控制，安裝了各種形式的換向閥。這些換向閥在換向時，會突然關閉閥門，截斷其通道，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產生振動，影響到設備的正常使用。其危害主要表現在以下兩方面。

（1）液壓系統中的很多元部件（管道、儀表等）會因受到過高的液壓沖擊力而遭到損壞。液壓沖擊產生的峰值壓力，可達到正常工作壓力的3～4倍［4］。輕則使儀器精密度下降，管路因振動而產生松動；嚴重時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）液壓系統的可靠性和穩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出錯誤信號，干擾液壓系統的正常工作。

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有二個因素。第一個因素是液壓沖擊波在液體中傳播速度α；第二個因素是閥門關閉前液體流速υ0-υ1的差值。

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

從上式看出，減少壓力波運行周期T，并增加換向閥關閉時間T0，可以降低壓力沖擊波的值ΔP。如果增加關閉時間T0，雖然減少了壓力波沖擊，但會影響到生產效率，所以一般不將延長關機時間T0作為減小沖擊波的手段，而將如何減少壓力波運行周期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施的經驗和體會。

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與輸送液壓介質管道的彈性模量E有關［1-3］?？捎孟率接嬎銈鞑ニ俣圈粒?/p>

式中：E0為液體體積彈性系數（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區間，2SN高壓軟管E：13×108Pa［6］）。

例如：同為輸送20MPa的液壓油，其內徑都是8mm，鋼管厚2.0mm，2SN高壓軟管增強層厚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%。

根據計算結果可以得出，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動會產生的動量以及液動力的影響，當突然關閉閥口時或與活塞與缸筒端部接觸時，液壓系統會產生很大的振動。如圖1所示，在油缸活塞兩端設有凸臺（2），在缸筒兩端設有進入凹臺（3）。在圖1中，凸臺部分（2）進入到端蓋的凹臺部分（3）時，形成阻尼，降低了活塞在油缸中的運行速度，這時閥門關閉前后液體流速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。如果認識不到緩沖裝置的重要性，就不能充分發揮其作用。

圖1　油缸緩沖裝置

貴溪冶煉廠電解車間的剝片機組安裝有2個對稱小油缸（內徑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，結果還是不到半月又將端蓋沖掉了。通過分析，產品主要有如下問題。

（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真測量、計算、測試，設置的δ值過大（內外徑差達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，采取“寧長勿短”方法，油缸缸筒長度超過5mm。由于機械臂的伸縮長度在設備上已經設定好。其結果是在往上運行時，緩沖裝置幾乎沒起作用。

通過這些分析，對油缸進行了改進，首先對缸筒長度進行了修正；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，逐漸變小，直至0.2mm。起到了平穩減速作用，經檢測，活塞運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　改進后的油缸緩沖裝置

5.3科學設置儲能器

儲能器在液壓系統中，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備壓模機。運行時管路振動非常大，經常出現管路裂縫，極大地影響了生產。檢修時在靠近壓模機的閥接口處安裝了一個儲能器，才緩解了這個沖擊。

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備陽極板整形裝置附近。利用內徑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接管。儲能器利用內徑80mm的無縫鋼管與陽極板整形裝置聯接，這樣首先向大型設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管路損壞的現象。

同樣都安裝了儲能器，為什么減振效果不一樣呢？這是因為當儲能器遠離使用設備，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。同時關閉閥口時形成的第一波沖擊已經對系統造成影響，而儲能器吸收的是第二波沖擊，所以減振效果較差；當儲能器靠近閥口時，事實上首先是儲能器向設備供油，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］。同時關閉閥口時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 結論

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

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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，機械工程師，主要從事礦山機械設備的設計、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

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3842（2016）01-0073-04

關健詞：閥口；液壓沖擊波；傳播速度；緩沖裝置；彈性模量E；儲能器