流体系统冲击问题与防治措施

,姓 名,导 师,流体系统冲击问题及防治措施,LOGO,目录,1,2,3,4,背景,液压冲击问题的主要危害,产生流体冲击问题的主要原因,液压冲击的计算,5,6,7,减少液压冲击的措施,减少液压冲击问题的应用举例,结语,背景,液压系统的振动与噪声是1个相当普遍的问题。近年来,随着液压技术向高速、高压和大功率方面的发展,液压系统的振动和噪声也日趋严重,并且成为妨碍液压技术进一步发展的因素之一。 振动是弹性物的固有特性,振动会产生噪声,噪声源于振动,因此振动和噪声是液压系统不可分割的两种物理现象。 研究和分析液压系统振动与噪声的成因,对降低或控制振动和噪声,并改善液压系统的性能有着极其深远的意义。 液压系统的振动主要来自机械系统运动导致的振动、流体工作过程中产生的振动。,简单介绍液压系统中的机械振动,在液压系统中主要体现在电动机、液压泵、液压马达的转轴在高速运转时，会产生一种频率与转速相对应的受迫振动。这种振动会通过泵站基础或管路传递到其他管道、油箱和阀件，电动机、液压泵、液压马达在使用过程中，因磨损等原因使得配合间隙增大、轴承位置窜动等。因此将会产生高频振动，电机与泵的联轴器也会因两半轴的不同轴、偏斜过大产生与转速同频率的振动。 这些振动最常见的表现是液压系统的噪声加大，加快运动机件的疲劳破坏。当振幅超过一定限度时，就会导致机械构件产生过大的应力而失效。,液压冲击现象,在液压系统中，当液体流动方向突然改变或停止时，液体流动速度发生急剧变化。由于流动液体的惯性和运动部件的惯性，使系统中的压力在某一瞬间突然急剧上升，形成一个压力峰值，这种现象称为液压冲击。液压冲击形成的瞬时压力峰值称为冲击压力，其值是正常工作压力的34倍。它不仅会引起系统产生巨大的振动和噪声，恶化工作条件，导致密封装置、管路和液压元件损坏，还会引起某些液压元件产生误动作，破坏系统的工作循环，降低设备的工作质量或造成设备的损坏。因此，研究液压冲击产生的原因及危害，采取减小和预防液压冲击的措施，对提高液压系统的工作稳定性和工作性能有着重要的意义。,图1.1,图1.2,液压冲击会使系统瞬时压力比正常工作压力高得很多，甚至超过正常工作压力的2-3倍以上。如图1.1是突然关闭油缸的出油口时，用示波器实测得到的油缸出油口的压力曲线（如图1.2所示）。 由图可知，在液压缸正常工作时，油液压力约为4.5Mpa，突然关闭其出油口后，压力瞬时增加到近12.0Mpa，增大到原油压的三倍。 液压冲击的危害是很严重的，会产生巨大的振动和噪声，且使油温升高，还会使密封装置、管件、连接件及其他元辅件损坏。例如，有一直径为25mm，壁厚为1.5mm的油管，当系统工作压力只有7-10Mpa时，便发现有破坏现象，而这种油管的实际静止破坏压力约高达50-60Mpa，从而可见，除压力脉动使油管产生疲劳之外，主要原因是液压冲击所致的破坏结果。所以，搞清液压冲击的产生原因，估算出它的压力值，并采取抑制和防治措施是非常重要的。,液压冲击问题的主要危害,液压冲击的危害主要有四个方面：,系统中的部分元件如管道、仪表等因受到过高的液压冲击力而遭到破坏，一般来说液压冲击力可以达到普通工作压力的3到4倍。,系统的可靠性和稳定性会收到液压冲击的影响，如压力继电器会因液压冲击而发出错误信号，干扰液压系统的正常工作。,系统受到液压冲击时，发出较大的噪声和振动，并可能令连接件松动、压力阀调节压力改变并出现泄漏。,在液压冲击过程中，导管中形成的高频率的重复载荷，容易使导管疲劳破坏。,产生流体冲击问题的主要原因,液流通道迅速关闭或换向时的液压冲击,运动部件在高速运动中突然被制动,流体中空气引起的液压冲击,3.1液流通道迅速关闭时的液压冲击,液压冲击多发生在油液突然停止运动的时候，例如迅速关闭阀门，油液的流动速度突然降为零，这时油液受到挤压，使油液的动能转换为压力能，于是油液的压力急剧升高，冲撞液压系统产生液压冲击波,并迅速在管道内传播。液压冲击波的传递、反射、油液方向的变化将反复进行，直到耗尽引起冲击的能量，冲击现象才会结束。因此，管路中的油液流速突然变化是产生冲击的外界条件，而油液本身的惯性是产生冲击现象的内在因素。,例1:液流通道迅速关闭时的液压冲击（水锤现象）,如图3.1所示，液体自一具有固定液面的压力容器沿长度为l，直径为d的管道经出口处的阀门以速度v0流出。若将阀门突然关闭，此时紧靠阀门门口B处的一层液体停止流动，压力升高p。其后液体也依次停止流动，动能形成压力波，并以速度c向A传播。此后B处压力降低p，形成压力降波，并向A传播。而后当A处先恢复初始压力后压力波又传向B。则如此循坏使液流振荡。振荡终因摩擦损失而停止。,图3.1,例2:液流换向时产生的冲击,如图3.2所示，当换向阀移到中间位置时，压力油突然与液压缸切断，但是由于运动部件的惯性作用，使液压缸一端油腔中的液体受压缩，压力突然升高，而另一端油腔中的压力下降，形成局部真空。因此，液流换向时产生液压冲击。,图3.2,3.2 运动部件在高速运动中突然被制动,在液压系统中，高速运动的部件的惯性力和突然加到设备上的载荷也会引起压力冲击，如工作部件换向或制动时，换向阀切断油路，但是运动部件因惯性的作用还不能立即停止运动，高速运动部件在惯性力作用下挤压封闭中的液压油, 使运动部件的动能转化为液压油的压力能。这样也会引起液压缸和管路中油压急剧升高而产生液压冲击。升降设备的液压缸在静止状态下，被施加一个较大的载荷，液压缸下腔的压力也会急剧升高。,例2:运动部件制动产生冲击,如图3.2所示，活塞以正常运动速度vo带动负载m向右运动，当换向阀突然关闭时，油液被封死在油缸两腔及管道中。由于惯性作用，活塞不能立即停止运动，将继续向前运动而使右腔内的油液受到压缩，压力急剧上升达到某一峰值，产生液压冲击。封闭在左腔的油液因容积扩大并没有油液补充进来将使压力突然降低。当运动部件的动能全部转化为油液的弹性能时，活塞将停止向右运动，此时油液的弹性能将释放出来，使活塞改变其运动方向而向左运动，这样来回运动将持续地振荡一段时间，直到泄漏与摩擦损失耗尽了全部能量为止。,图3.2,3.3 流体中空气引起的液压冲击,由于油液中约含2%的空气，当系统中某个局部低于空气分离压力时，就会产生气泡，气泡被带到高压区时体积急剧缩小，又重新急剧凝聚为液体，使局部地区形成真空，周围的液体以高速填补这一空间，油液的相互碰撞会产生局部高压，产生液压冲击。,液压冲击的计算,阀门突然关闭时，由油液引起的压力升高的最大值可按式（1）计算： p = cv （1） 式中， 流体密度, kg/m3 ； v 管中原来的流速，m/s； c 冲击波的传播速度，m/s。,注意，c与管材弹性、管径、壁厚等有关，即有关系 式：,式中， K流体的体积弹性系数，Pa； D、 管径及管壁厚度，m ； E 管材的弹性模量，Pa。,液压缸运动速度急剧变化时，液压冲击压力最 大升值 p 为液压油惯性冲击和运动部件惯性冲击产 生的压力升值之和，即,（2）,式中，A液压缸活塞面积，m2 ； li 液压油第i段管道的长度，m； Ai 液压油第i段管道的有效面积，m2 ； m 当缸体不动，活塞运动时，折算到活塞上的运动部件质量，kg； v1 ，v2 活塞变化前、后的运动速度，m/s； t 活塞由速度v1到v2的变化时间，s。,减少液压冲击的措施,由式（1）可知，液压冲击的压力和油液的流速成正比，管径与壁厚的比值越大, 冲击传播速度越小。由式（2）可知，由液压缸运动状态发生改变时引起的液压冲击的大小，与其速度变化大小成正比，与其速度变化快慢成反比。为了减小系统的液压冲击可以采取以下措施：,1,合理选择管道的材质、大小、管壁厚度并适当增大其安全系数,减小弯道，使用软管都能减小液压冲击和振动。在同样的流量下增大管径，可以减小油流的流速，降低油液的动能，在其运动状态发生变化时，产生较小的冲击。,1、对阀门突然关闭而产生液压冲击的防治方法,2,在满足动作快慢要求的前提下，尽量减慢阀门的关闭的速度。具体措施可采用：如减慢滑阀开启和关闭时的速度，可在阀芯控制边上开V形槽，或作成2°5°左右的锥度（如图5.1所示）；对于电液换向阀，可控制先导阀的流量（用节流阀或单向阀实现），以减缓滑阀的换向速度；选用元件时，尽可能选用带阻尼器的换向阀。,图5.1 阀芯控制边上的锥度,图5.2 减慢滑阀关闭前（换向前)的流速方法,a）开缺口 b）开型槽 c）沿圆周开口，互相错开 d）阀体上通油孔大于油腔,3,在容易产生液压冲击的地方设置蓄能器。蓄能器不但能缩短压力波的传播距离、时间，还能吸收压力冲击。,图5.3 蓄能器,蓄能器是液压气动系统中的一种能量储蓄装置。它在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统。当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分的能量，以保证整个系统压力正常。,图5.4 囊式蓄能器,工作原理：蓄能器壳体由胶囊将其分为两个腔室；胶囊内的腔室充氮气，胶囊外腔室充液体，当液体泵将高压的液压油（液）充入时，发生变形， 则气体体积随压力增加而减小。这样液体储存起来。当液压系统需要压力油（液）补充，而其压力低于蓄能器所储存液压油（液）的压力时，则液压油（液）在气体膨胀压力推动下，经进油阀排到液压系统中；直至压力降到与系统内压力相等为止。,4,缩短冲击波反射的时间。如缩短控制元件到执行元件的管路长度；选用密度较小的液压介质；以及采用软管等。,5,减慢换向阀的关闭速度，即延长换向时间t。例如采用直流电磁阀比交流的液压冲击要小，或采用带阻尼的电液换向阀可通过调节阻尼以及控制通过先导阀的压力和流量来减缓主换向阀阀芯的换向（关闭）速度。,1,可在油缸的入口及出口处设置反应快、灵敏度高的小型安全阀（溢流阀），其调整压力为最高工作压力的105%-125%，这样可防止冲击压力不会超过调节值。（详细参照案例3）,2、对运动部件突然被制动、减速或停止产生的液压冲击的防止方法,2,在油缸的行程终点采用减速阀，由于缓慢关闭油缸而缓和了液压冲击。,图5.5,在液压缸行程的终点附近采用行程阀减速，可有效避免液压冲击。用活塞杆直接操纵行程阀使活塞能在行程的终点缓慢停止。也有用电气控制的，但效果较差。,3,在油缸回油控制油路中，设置平衡阀和背压阀，以控制快速下降或水平运动的前冲冲击，并适当调高背压压力。,4,在发生液压冲击的附近处安装皮囊式波纹形的蓄能器；采用橡胶软管，以吸收液压冲击的能量，防止和排除液压系统中的空气。,图5.6,平衡阀：由于介质(各类可流动的物质)在管道或容器的各个部分存在较大的压力差或流量差，为减小或平衡该差值，在相应的管道或容器之间安设阀门，用以调节两侧压力的相对平衡，或通过分流的方法达到流量的平衡，该阀门就叫平衡阀。,图5.7,背压阀：在管路或是设备容器压力不稳的状态下，背压阀能保持管路所需压力， 使泵能正常输出流量。另在泵的出端由于重力或其它作用常会出现虹吸现象，此时背压阀能消减由于虹吸产生的流量及压力的波动。,5,在液压缸端部设置缓冲装置控制活塞运动到端部时的排油速度，使油缸运动到缸端停止时，平稳无冲击。其工作原理是利用活塞或缸筒移动到接近终点时，将活塞和缸盖之间的一部分油液封住，迫使油液从小孔或缝隙中挤出（如图5.8所示），从而产生很大的阻力，使工作部件平稳制动，并避免活塞和缸盖的相互碰撞。,图5.8 液压缸缓冲装置,减少液压冲击问题的实际应用案例,1,水 锤 现 象,可采取下列措施来减少液压冲击： （1）使完全冲击改变为不完全冲击 （2）限制管中油液的流速 （3）用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸收液压冲击的能量。 （4）在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升高的安全阀。,2,液 压 泵 站,设计液压系统的机械设备时，应周密地考虑所设计的系统会出现哪种振动，以及振动的程度，把振动量控制