液压管路内流量和压力脉动问题的定性分析研究要点

第17卷第1期 1999年3月河南科学 HENAN SCIENCE Vol 17 No 1

Mar 1999液压管路内流量和压力脉动问题的

定性分析研究

苗全生

(郑州煤田职工地质学院,郑州 450053)

摘要液压管路内的流量和压力脉动问题,是一个复杂而又难以解决的问题。

本文从推出液压管路中的瞬时流量和压力公式入手,指出了减小流量和

压力脉动幅频的基本途径,定性地分析了产生流量和压力脉动的主要因

素,并给出了控制办法。

关键词液阻惯性脉动率动态特性谐振脉动衰减率

分类号 TH137

液压管路内的流量和压力脉动,必然会在系统的终端产生反射波,并在管内形成波的叠加和驻波现象,引起液体和管路振动,执行元件的力或力矩脉动,降低系统的可靠性和使用寿命。而控制流量和压力脉动技术包括脉动源、传递特性和响应特性的研究和改善等项内容。如减小泵的流量脉动,采用衰减、吸收、消谐、减小回路的动态阻力等措施。但影响流量和压力脉动的回路阻力或传递函数的改善受到很多限制,因此国内外液压技术专家就如何消除流量和压力脉动这一问题进行了广泛的研究。

减少流量和压力脉动的基本途径

图1 泵出口处的圆管内的液流

Fig.1 Theliquidflowrateintheoutputofthepumpofthepipe

44 河南科学第17卷第1期图1所示为液体在管长为L的圆管中流动,入口处的流量,压力分别为Q1和p1,出口处的流量、压力分别为Q2和p2

,其瞬时流量和压力值可按下式求得

p2=p1Ch( L)-ZcQ1Sh( L)

Q2=-p1Sh( L)+Q1Ch( L)Zc用矩阵形式总示

Ch( L)p2= Q2-Sh( L)Zc

式中,Zc=

为传播因子。

上式说明,降低液压泵的流量脉动率,减小回路的动态阻力,保持串联油路中的液阻抗Z0和并联油路中的流量衰减y0基本恒定并匹配得当,是减小液压管路内流量和压力脉动幅频的基本途径。0= -ZcSh( L) Ch( L) 脉动p1Q10y00为液管的特性阻抗,Z0为串联液阻抗;y0为并联液导纳; =0

2 产生流量和压力脉动的原因分析

2.1 容积式液压泵由于固有的几何学上的周期变化,瞬时流量是脉动的(如外啮合齿轮泵的流量脉动率达27%),由此引起压力的脉动。交变的脉动流量和压力以波的方式传递。这是管路内产生流量和压力脉动的主要原因。

2.2 直管或弯曲的管路以及液压元件中混入空气时,液体由于可压缩性增加产生较大的弹性变形而存在波动。当空气和液体被压缩使压力增大时,管道则因弹性变形而容积增大,被一定量的液体补入后,当供油压力能够克服执行元件的静磨擦阻力时,执行元件开始启动,管内压力又迅速降低,供油量减小,执行元件的速度变慢。由于油泵不断向管内供压力油,空气和液体被压缩,压力又升高,执行元件又开始向前冲行。如此周而复始,形成压力波在管中振荡。

2.3 与管道串联或并联的控制阀在阻尼孔或节流口被污物堵塞或者液压元件内零件磨损严重使磨擦阻力发生了变化时以及不恒定的外载等,均导致管内液阻发生变化,造成流量和压力脉动。如节流阀的节流口较小时,由于杂质很容易附着在节流口处,使液体通过阀口时的流量减小,液阻和压力损失增大。压力脉动又将污物从节流口处冲走,使通过节流口处的流量又增大,液阻和压力损失又减小。如此反复循环,引起管内流量和压力剧烈波动。

2.4 换向阀迅速换向或执行元件迅速停止或变速时,液体流速急速改变,但管中液体仍在惯性作用下向阀门方向挤去,使阀口处出现压力增量,并一层一层地沿系统反向传播,使管内压力升高。但油泵使管中液体的压力又一层一层地向系统传播过去直至阀口。还是由于液体的惯性,在阀口处形成瞬间的高压,此高压又传播回管内。如果溢流阀的动态特性差或者限压式变量泵在油压升高时不能及时排油,便使系统出现压力峰值。

2.5 溢流阀的主阀芯和导阀芯均与弹箕构成质量与弹簧系统,都有其各自的固有频率,若

1999年3月液压管路内流量和压力脉动问题的定性分析研究 45 簧系统的固有圆频率表达式为:

1V11141

Me1

导阀芯的固有圆频率为: 1=22V222

Me2

式中C1、C2、CV1、CV2为主阀和导阀口的流量和速度系数, 为主阀口出流角, 为导阀芯 2=锥角,h1、h2为主阀和导阀的弹簧刚度,Me1、Me2为主阀和导阀的参振质量,p1、p2为主阀和导阀的进口压力,p4为阀的出口压力。

上述两式表明,溢流阀的主阀和导阀的质量与弹簧系统的固有频率均与系统的压力调定值和弹簧的刚度有关。压力调定值和弹簧的刚度越大,阀的固有频率越大。同时,导阀芯的锥角越大,

固有频率就越大。

3 减小流量和压力脉动的办法

优化系统性能参数,着眼于回路设计和元件选择是最积极的方法。主要措施如下: 3.1 尽可能选用流量脉动率小的液压泵。当两个或几个泵同时向一个系统供油时,由于波动的合拍,会使压力波动振幅增加。因此当几个泵轴刚性连接时,应使其波动相位相互错开以减小波幅。

3.2 在液压泵输出管道

的支路上或在容易引起压

力波动的部位附近安置惯

性小的波纹式气囊蓄能

器,同时应使连接蓄能器

的短管的液阻为最小,改

变管路系统的因有频率,

以缓和或吸收流量和压力

脉动。

对用于衰减脉动的蓄

能器,可按图2所示的实

验装置测试其在不同压力

工况下的压力脉动衰减

率。系统压力由溢流阀1

调节,蓄能器进、出口压力由压力传感器测定。

目前国内已研制并生产出压力脉动衰减率达0.987的新型消振蓄能器,具有明显的抑制压力脉动作用。

3.3 新设备运转前,可以采用图3所示的装置对溢流阀进行动态特性实验。拨摆电磁阀3使其忽开忽关,就在系统中加了一个阶跃信号,通过记录纸自动描绘出溢流阀的动态特性曲图2 压力脉动衰减率试验装置原理图Fig.2 Theprincipleoftestdeviceofpressurepulsatingradiation

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对于因阻尼孔径、导河南科学第17卷第1期

阀前缓冲孔径过小或阀口

处出现点接触等原因所造

成的动态特性差的溢流

阀,应及时修复,不能修复

的应更换新件。

溢流阀在使用时,为

避免系统发生谐振,可以