液壓系統中金屬管道振動的分析與控制

0液壓傳動振動及控制的必要性在過去的100年里，人們對金屬管道的振動研究取得了巨大的成果。但從查閱的文獻資料看,這些研究主要集中在化工、石油等領域,研究的對象是大管徑(一般大于200mm)、長距離(一般大于100m甚至幾十千米)的金屬管道;沒有涉及到液壓傳動系統中金屬管道的振動及控制問題。究其原因,筆者認為,液壓傳動最初是以低壓、小流量、近距離傳遞動力的特征出現的,由振動引發的噪聲等問題小,沒有影響到系統的正常工作,因而沒有引起人們的注意和重視。但是,隨著液壓控制系統在大型水庫閘門的開啟系統、軍用艦艇、大型洞庫防護門開啟系統等應用,高壓、大流量、遠距離傳動的液壓控制系統將得到進一步發展,由此出現的液壓硬管的振動將引起系統工作噪聲大、管接頭松動、泄油等。因此,有必要分析液壓系統中液壓硬管發生振動的原因,并采取相應的措施控制管道的振動,減少故障的發生,提高這些關鍵設備的可靠性。1管道振動的原因液壓管道發生振動的原因很多,歸結起來主要有以下幾方面的因素:(1)轉軸的附加壓力發動機或電機是液壓傳動系統的動力源,它們都是通過高速旋轉的輸出軸帶動液壓泵工作。即使把轉軸看作是剛體,由于材料的不均勻性或制造誤差、安裝誤差等,都可能使轉軸偏離中心慣性主軸;這樣,轉軸在高速旋轉時,將對支撐轉軸的軸承產生附加壓力;軸承又把此附加壓力作用于機座上。該附加壓力的方向不斷變化,因此將引起機器和液壓管道的振動。這點在由發動機驅動液壓泵的系統中尤為明顯。(2)uhal數s的影響早在1952年,Lightghill就已經證明了,流體紊流具有激發流體壓力與體積流量的聲源行為。此后,更深層次的研究表明,當Strouhal數S(S=fD/v,其中,f為紊流聲源功率譜密度的特征頻率,D為管道的特征尺寸;v為管道中流體的最大流速)較小時,管道中的紊流體就相當于一個聲波壓力源。因此,如果設計的管道通徑過小或流量過大,將導致管道中的流體速度增加,使流體處于紊流狀態而引起管道的振動和噪音。(3)液壓的作用機理在液壓系統的管路或元件的通道中,假設有一段特別狹窄的區域。根據不可壓縮流體的質量守衡定律和流量不變的假設,當流體流經這些區域時,流體的流速將增加很多,有可能使流體處于紊流狀態,如(2)節分析產生振動和噪聲;另一方面,液壓油中總是含有一定量的空氣。空氣的含量與液壓油的種類、溫度、壓力等有關。當通流面積減少時,流體的速度將增加,致使壓力降低;當壓力降低到空氣分離壓以下時,溶解于油中的空氣將分離產生氣泡,當壓力繼續降低到溫度的飽和蒸氣壓以下時,油液即汽化沸騰而產生大量氣泡,形成所謂的空穴和氣蝕現象。當這些氣泡被流體再次帶到高壓區時,氣穴的體積將急劇縮小、潰滅,其產生的潰滅壓力將導致其余氣泡相繼激烈潰滅,形成所謂的Domino效應(多米諾骨效應),從而產生巨大的局部壓力沖擊作用到液壓管道的壁上,引起強烈的噪聲和振動。(4)頻率和自振頻率葉片泵、柱塞泵和齒輪泵都能產生壓力脈動,其中以齒輪泵的壓力脈動最顯著。當流體的脈動頻率和原動機機械振動綜合后產生的頻率與液壓管道的自振頻率相等或相近時,將引起液壓管道強烈的共振,產生噪聲。此外,若油路設計不當,如對于升降液壓控制系統,如果平衡閥選用不當或關閉不嚴,當負載下行時,可能出現回油路流體不連續、回流壓力脈動而產生振動。(5)流體流速根據流體動力學,當流體的流向發生改變時,將在變向處對液壓管道產生動壓力F=ρQ(v?2?v?1)F=ρQ(v→2-v→1)(其中,ρ為流體的密度,Q為流體的流量,v?v→2、v?v→1分別為流體的末、始速度矢量)。因此,若流體流向改變越大,則該動壓力越大,對管壁產生的沖擊也越大,產生的振動和噪聲也越大。此外,流向的突然改變還會引起壓力損失,形成液流渦旋區,并在渦旋區流體變成紊流而產生較強的振動和噪聲。(6)系統壓力沖擊換向閥和壓力閥是液壓系統中不可或缺的液壓元件。換向閥在改變壓力流體流動方向的瞬間,由于工作部件的慣性,有可能引起液壓系統的壓力沖擊。典型的如挖掘機回轉馬達在制動或換向時,回油管內突然斷油,但回轉臺由于慣性還將繼續轉動,引起壓力油管內的壓力急劇升高而產生液壓沖擊;對于動作不靈敏的溢流閥和其它類型的壓力控制閥,當系統壓力升高時,它們不能及時迅速打開而造成壓力超調,從而引起液壓沖擊。這些液壓沖擊都能引起噪聲和液壓管道的振動。2液壓管道振動和噪聲隨著液壓傳動系統向著高壓、大流量、遠距離傳動方向發展,液流的速度將增加,管道的變向、通徑的變化、控制回路的變化等也將更復雜,將會造成更大的振動和噪聲。除了噪聲外,液壓管道的振動還將引起管接頭松動、泄油;對管道施加交變力,引起薄壁管道的疲勞開裂;管道相對位移對其中的密封件如O形圈產生交變應力,甚至產生過大的相對位移,引起密封件的剪切破壞等。因此,必須針對上述產生振動的原因,采取相應的措施控制管道的振動和噪聲。2.1電機和泵耦合件的設計原動機的振動對液壓系統管道的振動影響比較大,尤其是發動機驅動液壓泵的情況。因此,在設計和安裝過程中,應當考慮原動機振動對液壓管道的影響。對電機驅動液壓泵的系統,盡量設計成電機和泵的耦合件;若不允許這樣的耦合設計時,應當使用彈性聯軸器,將電極的輸出軸與泵的輸入軸聯結,減少由于旋轉軸與慣性主軸不同心而造成的振動。2.2管道等效質量—設計合理的管道內徑和壁厚,適當減小管架間距,以增加管道固有頻率對于液壓傳動系統中的金屬管道,可以將其作為兩端固支或鉸支的梁,其一階固有頻率的計算公式為:f=3.56EJ/(Mel3)?????????√(1)f=3.56EJ/(Μel3)(1)式中:f為管道的一階固有頻率;E為彈性模量;J為慣性矩;Me為計算兩點之間管道的等效質量;l為兩點之間的管道長度。因此,在確保工作速度滿足要求的前提下,可以適當選用內徑大、管壁厚的管道。一方面,較大的通徑可以保證其中的流態是穩定的層流而不是紊流,減少振動和噪聲;另一方面,可以增加管道的一階固有頻率,遠離外部的強迫振動頻率,避免出現共振。此外,適當減少管架間距,可以增加管道的剛度和一階固有頻率。2.3接撓性管路減振由計算公式(1),將具有阻尼的管套安裝到液壓金屬管道中,將剛性管架換成帶阻尼吸振的管架,雖然降低了金屬管道的一階固有頻率,但阻尼材料能夠吸收管道的振動,使振動得到衰減,能有效地起到減振作用。有試驗表明,使用此方法的阻尼減振與接撓性軟管減振具有相當的效果,而且它有自身的優勢:不改變管路的原有結構,對系統可靠性沒有不利影響;其次,在理論上,阻尼具有可設計性,可以控制其減振效果。2.4吸油過濾器的壓力差取液壓油箱液面為參考面,由伯努利方程得p=p0?(h+v22g)γ(2)p=p0-(h+v22g)γ(2)式中:p為泵的出口壓力,p0為大氣壓力,h為泵的吸油口與油箱液面的高度差,v為泵出口流速,γ為流體的比重。分析式(2),當h過大時,泵的出口壓力p將減小,有可能降低到空氣的飽和壓力以下,將引起氣穴現象,從而導致與泵相連的管道的噪聲和振動加大。同理,吸油過濾器的壓力差也不能過大;否則,也產生氣穴,導致管道發生振動和噪聲。2.5撓性熱管的安裝設計大直徑的彎路,盡量避免管道的急劇彎曲,可以設計撓性軟管來改善管道的急劇轉向。管道內徑的變化要平緩,以避免由于通徑的突變而形成氣穴或渦