對兩種液壓沖擊現象的分析

（青島港灣職業技術學院,山東 青島 266400）

在《液壓傳動》的相關課本中，對關于液壓沖擊的問題往往不進行分析，只給出公式和結論，甚至一帶而過，使得學生只知其然，而不知其所以然。而液壓沖擊作為工作中經常遇見的問題，畢業生若不能從根上去分析機理，對于沖擊問題也就不能夠對癥下藥、有效處理。

課本中關于液壓沖擊的描述：在液壓系統中，管路內流動的液體常常會因閥門突然關閉，換向閥快速換向或運動部件突然制動時，會在管路內形成很高的壓力峰值，這種現象稱為液壓沖擊。壓力峰值的危害比較嚴重，它會引起系統的振動和噪聲，順序閥、壓力繼電器等產生誤動作，密封部件破壞，工作失靈。因此，在設計和使用中需要搞清楚沖擊問題。

現行的課本中介紹了兩種液壓沖擊現象：一種是液壓管路中流動的液體突然由于閥門關閉而產生的液壓沖擊現象；另一種是運動的帶有負載的液壓缸突然關閉排油管路而導致排油腔的壓力沖擊現象。下面分別進行分析。

1 管路中流動液體閥門關閉時的液壓沖擊

圖1

如圖1所示，管路A的進端安裝蓄能器，出端安裝通斷電磁閥。當閥處于通態，管中的流速為V0。若閥突然關閉，管路便會產生壓力沖擊。設管路截面為A，管長為l，管中液體的初始速度為V0，液體的密度為?ρ，壓力波從閥端B傳至A端的時間為t，沖擊壓力的最大升高值為?ρ，運用動量方程得：

若流速V0不是突然降為零，而是降為V1，則上式可改寫為：

在液壓傳動中，液體壓力波的傳遞速度c一般為890～1 250 m/s。

沖擊波在管路中往復一次的時間T=2l/c，當閥門關閉的時間t＜T時，可看作是瞬時關閉，這時由于液體速度改變所引起的能量全部轉化為壓力能，因而系統中的壓力峰值很大，這種液壓沖擊稱為完全沖擊。壓力升高值可按式（1）和式（2）計算。

如果t＞T時，由速度改變所引起的能量變化僅有一部分（相當于T/t的部分）轉變為液壓能，故系統壓力峰值較小，這種液壓沖擊為非完全沖擊。這時管道內壓力的增大值?p可近似地按下式計算：

如果閥門不是完全關閉，而是部分關閉，使液體速度從V0降為V1，這時管道內壓力增大值為：

由上面分析可知，要減小液壓沖擊，應減慢閥門的關閉速度（增大t），或減小沖擊波的傳播距離（減小T）。

2 運動部件制動時產生的液壓沖擊

如圖2所示，設液壓系統的運動部件的總質量為∑m，活塞有效作用面積為A，瞬時運動速度為V0。當液壓缸的排油管路換向閥突然關閉時，由于運動部件的慣性作用，緊急制動導致液壓缸內的液壓力急劇上升，引起壓力沖擊。同樣運用動量方程，對運動部件進行分析：

圖2 部件制動產生的液壓沖擊

式中：E0為油液體積彈性模量；V為回油腔容積；

V0為運動部件的瞬時速度；∑m為運動部件的總質量。

由上式可見，運動部件的沖擊壓力與運動部件質量、速度成正比，而與回油腔容積成反比。

3 總結

根據以上對兩種液壓沖擊狀況的分析液壓沖擊產生的原因：

（1）閥門突然關閉，液流慣性會引起的液壓沖擊。對于管路中流動液體因閥門突然關閉，液流速度驟然降低到零，液體的動能瞬間轉化為壓力能，使管路形成壓力沖擊波；

（2）運動部件的慣性力引起的液壓沖擊。高速運動的液壓輪斗，工業機械手、液壓挖掘機的回轉馬達等在制動和換向或意外卡阻時，由于慣性運轉，將會引起壓力急劇升高。

根據上述推導的公式，要減小液壓沖擊，可以采取以下措施。

（1）延長閥門關閉時間和運動部件制動換向時間。實踐已經證明，運動部件制動換向時間若能大于0.2 s，液壓沖擊就大為減輕。因此，可采用時間可調的節流換向閥。

（2）限制管道流速及運動部件速度。通常將管道的流速限制在4.5 m/s以下，液壓缸所驅動的運動部件速度不超過10m/min，可認為是安全的，?p一般不超過5 MPa。

（3）適當加大管道直徑，縮短管道長度。加大管道直徑的目的是降低流速，縮短管道長度降低以沖擊波的傳播速度。

（4）在沖擊區附近安裝蓄能器或采用軟管，以增加系統的彈性，吸收、消耗沖擊能量，也可采用響應速度快的溢流閥，放油減壓。