液压系统中液压冲击的分析及其防止和减轻措施

孔德英

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

液压系统工作中，由于某种原因引起的管道内液体速度发生急剧改变，液体的动能变成压力能，系统的一些区域产生了高压，高压区以压力波的形式在管道内传播，这种现象称为液压冲击。

液压冲击的危害很大，尤其在高压、高速及大流量的液压系统中其危害更严重。一般来说液压冲击产生的压力峰值，最高可达正常工作压力的3～4倍，轻则可使仪表测量精度下降，重则可使液压元件、密封装置和仪表发生故障甚至损坏或管路破裂。液压系统的可靠性和稳定性也会受到影响，如压力继电器会因液压冲击发出错误信号，影响系统正常工作。液压系统受到液压冲击时，常伴随巨大的噪音和振动，还可能引起系统连接件的松动漏油，压力阀的调定压力发生改变，甚至使液压元件内部结构损坏。

1 液压系统中液压冲击的分析

1.1 产生液压冲击的主要原因

(1)骤然关闭或打开液流通道。如液压系统在突然启动、停车、变速或换向时，阀口突然关闭或机构动作突然停止产生液压冲击，实质是管路中流体因突然停止流动而导致其动能向压力能的瞬间转变。

(2)高速运动的执行元件突然被制动。高速运动执行元件的惯性力引起的液压冲击,例如油缸要换向时, 换向阀突然关闭油缸原来的回油管路,油液不再排出,但活塞由于惯性作用仍在运动，从而引起压力急剧上升产生液压冲击。

(3)液压元件反应动作不灵敏。如恒压变量泵，当液压系统压力升高时不能及时减小排量而造成液压冲击；系统压力突然升高，溢流阀不能迅速开启而造成压力超调等。

1.2 液压冲击的计算

液压冲击是一种动态过程，影响液压冲击的因素很多，很难准确计算，故一般采用估算。

(1)迅速启闭液流通道引起的液压冲击[1]

若忽略粘性及管径变化的影响，冲击波在管道内的传播速度为：

式中，E0为液体体积弹性模量；δ、d为管道的壁厚和内径；E为管道材料的弹性模量。由此看出，为了避免或减少因迅速启闭液流通道所引起的液压冲击，可考虑延长启闭液流通道的时间t，如用先导阀减缓换向阀换向速度；缩短冲击波往复所需时间T，如缩短管道长度；降低冲击波在管道内的传播速度a，如采用较大的管道内径d等。

(2)液压缸所驱动的运动部件被制动时，产生的液压冲击压力[1]

式中，m为被制动部件的质量；△υ为运动部件速度的变化量；A为液压缸有效作用面积；△t为运动部件制动或速度减慢△υ所需时间。由此看出，为了减小运动部件制动时产生的液压冲击，应延长制动时所需的时间△t，或减小运动部件速度的变化量△υ，如在液压缸行程终点采用减速、节流等缓冲装置。

2 防止和减轻液压冲击的措施

液压冲击的瞬态过程相当复杂，因此分析、计算和防止液压冲击是很重要的。有特殊要求时，可按上述情况进行计算。在一般液压系统设计时，可采取有效防止措施而不做计算。这里主要从液压系统设计、装配和使用角度，介绍防止和减轻液压冲击的措施。

2.1 典型液压回路设计

(1)液压系统保压时，由于液压缸和管路的弹性变形以及油液压缩贮存了一部分弹性性能，回程时如果释放过快，将引起系统剧烈的冲击、振动和噪声，甚至导致管路和阀门破裂，故保压后须缓慢卸压。图1是Y型机能带液控阻尼调整器的电液换向阀的液压回路，用于热轧机的导尺控制中。当液压缸保压完毕要求反向回程时，液控阻尼调整器为主级阀控制腔中的油液提供一个出口节流控制，使主级阀芯的速度得到控制，延缓了换向阀的换向时间，从而减轻液压冲击。为了获得最佳的效果，推荐使用恒定的低控制压力，适用于压力不太高，油液压缩量较小的液压系统。

图1

(2)图2是外控式平衡阀组成的平衡回路，此种回路应用于大卷重上卸卷小车升降缸的控制中。为控制活塞因自重快速下降而造成的阀的时开时闭，在回油路上串入单向节流阀，以防止活塞向下运动过程中产生的振动和液压冲击。

图2

(3)液压执行元件驱动质量和速度较大的工作部件时，当其在运动状态下突然停止或换向，由于工作部件具有较大的动能，液压回路中会产生很大的液压冲击和振动影响工作部件的定位精度，妨碍机器正常工作。图3中马达两侧油路上设置一个反应灵敏的溢流阀进行双向缓冲。由于溢流阀只需溢流很小一部分油液即可减小液压冲击，故只需采用小型溢流阀，为使液压系统能正常工作，溢流阀调节压力要比正常工作时最高压力高10%。此回路在冷轧机的上、卸卷小车行走油马达控制中比较常见。

图3

2.2 增加各类辅助液压元件防止产生液压冲击

(1)在液压系统中产生液压冲击的部位装设蓄能器是减轻液压冲击的有效措施之一。当压力升高时，蓄能器可以吸收液体，这就减慢了管路中液体动量变化的速度，从而减轻液压冲击；

(2)变量泵液压系统使用安全阀；

(3)对液压缸到达行程终点因惯性引起的液压冲击，可在液压缸端部设缓冲装置或采用行程节流阀回路；

(4)对负载突然发生变化(如工作负载突然消失)时产生的液压冲击，可在回路上加背压阀；

(5)若为冲击性载荷，可在执行元件的进出口处设置动作灵敏的超载安全阀；

(6)减少非必要弯曲或采用有卸除冲击力作用的橡胶软管等方式，来减小液体流速的变化，以帮助换向阀关闭时减少瞬时压力，来防止液压冲击的出现；

(7)系统选择电磁换向阀时，选用直流电磁铁的比交流电磁铁的要好，可缓冲液压冲击，因交流电磁铁在行程开始时起动电流值高，而在末端保持低电流，而直流电磁铁在通电时恒定电流值低；

(8)比例电磁阀可用在很多不同的场合改变压力、流量或者既改变流量又改变方向。它们可以用来减轻由快速压力变化或沉重物体快速起动或停止引起的冲击。

2.3 叠加阀液压系统装配中注意叠加顺序防止产生液压冲击

(1)液控单向阀与单向节流阀组合时须注意的叠加顺序

图4中，液控单向阀与单向节流阀组合使用时，应使单向节流阀靠近液压缸。反之，如果按图5所示配置，当B口进油、A口回油时，由于单向节流阀的节流作用，在回油路的a-b段会产生压力，当液压缸需要停止时，液控单向阀不能及时关闭，有时还会反复关、开，使液压缸产生液压冲击。

(2)减压阀和单向节流阀组合时须注意的叠加顺序

图4中，减压阀和单向节流阀组合使用时，应使单向节流阀靠近液压缸。反之，如果按图5所示配置，当A口进油、B口回油时，由于单向节流阀的节流作用，使液压缸B腔与单向节流阀之间这段油路的压力升高，这个压力可能使减压阀开口度减小，出口压力变小，造成供给液压缸的压力不足；当液压缸的运动趋于停止时，液压缸B腔压力又会降下来，减压阀开口度增大，出口压力又增加。这样压力反复减小、增加的变化会使液压缸运动不稳定，使液压缸产生液压冲击和振动。

图4

图5

2.4 使用液压系统时为防止液压冲击应注意的事项

空载起动液压泵；排除液压系统中的空气；排除溢流阀故障；适当提高背压阀调定压力；通过电气控制方式如启动电磁阀时先输出阀控制信号，后输出压力、流量控制信号，关闭阀时先清零压力、流量控制信号，后关闭阀控制信号，这样就可以保证开、关阀时系统环境是低压状态，可有效减轻液压冲击。

3 结束语

本文对液压系统产生液压冲击的主要原因进行了分析，阐述了一些防止和减轻液压冲击的措施，在此提供一些思路供大家参考，针对具体的液压回路和工况可对液压元件结构进行改进，也可在液压回路中增加各类辅助液压元件等。

[1]成大先.机械设计手册(第4卷)[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]官忠范.液压传动系统[M].北京：机械工程出版社，1997

[3]VICKERS液压及电子技术样本.工业技术用元件及系统.VICKERS.1995.