徐成东

(四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川618000)



液压冲击的分析计算及减小措施

徐成东

(四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川618000)

从液压冲击发生的机理出发，提出造成液压冲击的两大因素是管道阀门突然关闭和运动部件迅速制动或换向，并对其分别进行了详细的分析和计算，提出了具体的减小措施。

液压冲击；减小措施；压力

在液压系统中，常常由于某些原因而使液体压力突然急剧上升，形成很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击[1]。

系统中出现液压冲击时，液体瞬时压力峰值比正常工作压力大好几倍。液压冲击会损害密封装置、管道或液压元件，还会引起设备振动，产生很大噪声。有时，液压冲击使某些液压元件(如压力继电器、顺序阀等)产生误动作，影响系统正常工作，甚至造成事故[2]。

引起液压冲击的原因大致分为两类：管道阀门突然关闭和运动部件迅速制动或换向。

1 管道阀门突然关闭时引起的液压冲击及减小措施

设管道截面积为A，产生冲击的长度为l,压力冲击波传播的时间为t,液体的密度为ρ，管中液体的流速为v0，阀门关闭后的流速为零，压力冲击波在管中的传播速度为c，液压冲击发生后压力的增量为Δp，由动量定理得：

Δp·A=ρAlv0/t

因此Δp=ρl v0/t=ρcv0

冲击波在管中的传播速度c计算如下[3]：

因此，压力的增量Δp可表示为

变形得

式中,K为液体的体积模量；d为管道的内径；δ为管道的壁厚；E为管壁材料的弹性模量。

将压力增量Δp看成液体的体积模量K的函数，求导并整理得：

从式中可看出，由于液流初始速度v0、管道的内径d、管道的壁厚δ、液体的体积模量K、管壁材料的弹性模量E、液体密度ρ等参数均为正值，因此压力增量Δp对液体的体积模量K的导数值dΔp/dK恒大于零,即在其它参数保持不变的前提下，压力增量Δp为液体的体积模量K的增函数。可见，液体的体积模量K越大，发生液压冲击后造成的压力增量Δp越大，压力峰值也越大。

通过上述分析可以看出，液压冲击发生后压力的增量Δp跟液流初始速度v0、管道的内径d、管道的壁厚δ、液体的体积模量K、管壁材料的弹性模量E、液体密度ρ等有关。为了减小管路中阀门突然关闭时造成的液压冲击，可采取下列措施：

(1)在满足使用要求的前提下，选用密度较小的液压油和弹性模量较小的管路材料，并减小管路壁厚、增大管路内径。

(2)降低液流速度。

(3)必要时可考虑使用体积模量较低的液压油。液压油的体积模量降低时，发生液压冲击后的压力增量Δp减小，压力峰值也随之减小。然而，液压传动的一个缺点是因介质的可压缩性而无法保证严格的传动比，所以只有在对运动精度和传动比要求较低的场合才可以考虑使用弹性模量较低的液压油。

2 运动部件迅速制动或换向时引起的液压冲击及减小措施

由于液压冲击是短时间动态的过程，且影响因素较多，因而难以进行精确计算。可从能量转换的角度分析其规律。

2.1 等效体积模量的引入和计算

液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。液体压缩系数的倒数称为液体的体积模量。但是在实际应用中，由于液体内容易混入空气等污染物，而且液压缸缸筒、管道或其它液压元件等会在压力的作用下发生变形，工程中常用等效体积模量来表示液体抵抗压缩能力的大小[4]，它是等效压缩系数的倒数。

根据体积模量的定义可知：

式中，Ke为液体的等效体积模量；V为液体的初始体积；Δp为压力的变化量；ΔV为受压后油液体积的变化量。

此处，将液压缸看作薄壁圆筒型容器并取该密闭容器及其内的液体作为研究对象。设总容积为V,液体的体积为VL，容器容积为VC，液压冲击后压力的增量为Δp，总容积变化量为ΔV,其中液体的体积变化量为ΔVL，容器容积增加量为ΔVC，则有ΔV=ΔVL-ΔVC。代入上式得：

由于不考虑空气的存在，此处认为液体体积VL等同于总容积V, 因此上式演变为

式中，KL为液体体积模量；KC为容器体积模量。

图1为一充满压力油的液压缸受力示意图。

由于液体的自重所产生的压力极小，完全可以忽略，因而认为液压缸内各点油液的压力处处相等。仍然把液压缸看作薄壁圆筒型容器，以单位长度的容器为研究对象，设容器内壁直径为D。由数学及物理学知识可知，作用在容器内壁上的油液压力的合力大小等于静压力p和曲面在垂直于计算作用力方向的投影面积D的乘积，方向平行于X轴方向。于是有：

图1 液压缸受力示意图

Figure 1 Schematic diagram of hydraulic cylinder force

Fx=Dp

取单位长度容器进行分析，由材料力学知识可知，在纵向断面处，其所受的内力为:

N=σA′=2σδ

式中，σ为容器纵截面上的内应力；δ为容器壁厚；A′为单位长度容器纵截面面积。

内力N的方向同样平行于X轴方向。由于容器处于受力平衡状态，因此作用在纵向截面上的内力N和作用在容器内壁上的油液压力的合力Fx大小相等，方向相反，即

Dp=2δσ

整理得

设容器材料的弹性模量为E，受到应力σ后引起的应变为ε,则σ=Eε，代入上式得：

根据体积模量的定义，容器的体积模量为：

代入式3得到油液的等效体积模量Ke的表达式：

2.2 液压冲击时压力增量的计算及减小措施

图2为一受液压缸驱动的运动部件迅速制动的示意图。

图2 受液压缸驱动的运动部件

迅速制动示意图

Figure 2 Schematic diagram of rapid braking of

moving parts driven by hydraulic cylinder

当执行元件驱动执行机构运动时，如果在某一瞬间，通过控制阀关闭执行元件的进回油管路，则运动部件会在瞬间停止运动。不考虑热能损失，根据能量守恒定律，运动部件的动能和液流的动能全部转化为液体的压力能。

假设运动部件制动前液流的初始速度为v0, 液体密度为ρ，液体所占的体积为V， 运动部件的质量为M，发生液压冲击后的压力增量为Δp。液压冲击发生前的动能为液流的动能与运动部件的动能之和，即ρVv02/2+Mv02/2。液压冲击发生后的压力能为VΔp2/2Ke，式中Ke为液体的等效体积模量。依照上述分析有：

整理上式后得到压力增量Δp的表达式：

将式4代入上式得：

将发生液压冲击后的压力增量Δp看作是液体的体积模量KL的函数, 求导并整理得：

不难发现，由于等号右边各类参数均为正值，因此压力增量Δp对液体的体积模量KL的导数值dΔp/dKL恒大于零,即压力增量Δp为液体的体积模量KL的增函数。可见，液体的体积模量KL越大，发生液压冲击后造成的压力增量Δp越大，压力峰值也越大。

采用同样方法可得出类似结论：压力增量Δp同样为容器材料的弹性模量E、容器壁厚δ的增函数。

此外，通过式5可知，当运动部件的质量M增大或液压油的密度ρ增大时，压力增量Δp随之增大。容器的内径D增大时，压力增量Δp随之减小。

通过上述分析可知，针对运动部件迅速制动或换向时引起的液压冲击，可采取以下减小措施：

(1)限制运动部件的运动速度。在不影响系统正常工作的前提下，适当降低运动部件的速度可减小液压冲击。

(2)在可行的情况下，降低运动部件的质量。质量越小，液压冲击时引起的压力增量越小，产生的压力峰值就越小。

(3)在满足系统要求的前提下，使用体积模量较低的液压油。

(4)在满足使用要求的前提下，选用密度较小的液压油和弹性模量较小的缸筒材料，并减小缸筒壁厚、增大缸筒内径。

(5)在冲击源处设置蓄能器、安全阀，可在液压冲击发生时吸收或释放冲击能量，起到过载保护作用。由于直动型溢流阀反应灵敏，因而安全阀最好使用直动型溢流阀。如果是双作用液压缸或者液压马达，安全阀一般成对使用，且安装方向相反。另外，使用橡胶软管可有效吸收产生的压力冲击，降低压力峰值。

此外，正确、合理、科学地使用、维护与保养液压系统、元件、工作介质，努力控制液压污染的发生，对于防止或减小液压冲击等故障都是大有益处的。如果不及时对液压系统或者说系统内的相关液压元件进行正确、科学的维护和保养，久而久之，可能会造成液压元件的功能受限甚至动作失灵。液压油内的污染物危害极大，目前采用的各类液压阀仍然为传统的滑阀结构，当污染物在各类控制元件内积聚时，可能会堵塞滑阀阀芯通道、阻尼孔等，进而会影响控制阀阀芯的功能，造成阀芯运动时出现迟缓、卡阻等故障，最终造成各类不良现象，包括液压冲击。

4 结论

液压冲击是液压系统工作过程中必然发生的一种现象，形成的原因也是多种多样的。液压冲击的本质是液体流速的突变或运动部件迅速停止的一瞬间发生的能量转换过程。到目前为止，要完全避免和消除冲击对液压系统造成的的危害是不可能的，也是不现实的[5]。但是，这并不意味着我们对液压冲击现象束手无策。要减小液压冲击，一方面要设法降低系统中液流速度的突变；另一方面要采取措施吸收或释放液压冲击时产生的急剧增加的压力，降低压力峰值。广大从业人员应加强对液压冲击的研究，扩充自己的理论知识、提高自己的技术水平和不断总结使用过程中的经验。可通过对系统回路的改进以及液压元件的重新选型来加以控制和消除[6]，同时也要重视对液压系统及时的维护和保养。条件具备时，可通过计算、实验模拟等手段积极寻找所用液压系统的改进措施，把液压冲击的危害降到最低限度，确保液压系统运行时的安全和效率。

[1] 毛智勇, 刘宝权. 液压与气压传动[M] 北京：机械工业出版社, 2008(1)：16.

[2] 李芝. 液压传动[M]. 北京：机械工业出版社, 2001：32.

[3] 章宏甲，黄谊. 液压传动[M]. 北京：机械工业出版社, 1998：45.

[4] 张庚云. 煤矿机械中液压冲击的机理分析与控制方法[J]. 煤矿机械，2010,31(9):171-173.

[5] 侯顺强，程居山，张丽丽. 液压冲击产生的原因分析及其减小、排除措施[J]，煤矿机械，2005(5):133-135.

[6] 王志武. 掘进机行走机构液压系统液压冲击的分析与处理[J]. 机床与液压，2013,41(4):108-109.

编辑 李韦萤

Analysis and Calculation of Hydraulic Impact and its Reduction Measures

Xu Chengdong

Based on the occurrence mechanism of hydraulic impact, it is put forward that two causes of hydraulic impact are sudden closing of the pipeline valve and quick braking or reversing of the moving part. Detailed analysis and calculation have been performed respectively and specific reduction measures have been proposed.

hydraulic impact; reduction measures; pressure

2016—06—30

徐成东(1982—)，男，硕士，工程师，四川建筑职业技术学院交通与市政工程系教师，主要从事工程机械液压系统分析及故障诊断方向的教学与研究。

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