机床液压系统压力冲击的产因与解决办法

机床液压系统压力冲击的产因与解决办法唐开勇（湖南冶金职业技术学院，株洲４１２０００）摘要：机床液压系统由于油液流动方向迅速改变或突然停止流动，产生压力冲击。

压力冲击会影响液压机构工作稳定性，引起系统中的密封装置、管路、元件的损坏；压力冲击一般产生在液压缸、换向阀及系统部位；出现压力冲击，应根据情况对液压缸、换向阀等进行检修，对系统进行必要的调整，以减缓冲击。

关键词：液压系统压力冲击液压缸方向阀ＴｈｅＲｅａｓｏｎｓａｎｄＳｏｌｕｔｉｏｎｓｔｏｔｈｅＰｒｅｓｓｕｒｅＩｍｐａｃｔｏｆｔｈｅＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｙｓｔｅｍｏｆＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＴＡＮＧＫａｉｙｏｎｇ（ＨｕｎａｎＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｕｚｈｏｕ，４１２０００）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｑｕｉｃｋｃｈａｎｇｅａｎｄｕｎｅｘｐｅｃｔｅｄｓｔｏｐｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｏｉｌｌｉｑｕｉｄ，ｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｐｒｏｄｕｃｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｐａｃｔ．Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｐａｃｔｗｉｌｌｐｒｏｄｕｃｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｔｅａｄｉｎｅｓｓｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｌｅａｄｔｏｔｈｅｄａｍａｇｅｏｆｓｅａｌａｐｐａｒａｔｕｓ，ｐｉｐｉｎｇ，ａｎｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ；ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｐａｃｔａｌｗａｙｓｔａｋｅｓｐｌａｃｅａｔｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒ，ｔｈｅｉｎｖｅｒｔｉｎｇｖａｌｖｅａｎｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｐａｒｔｓ．Ｉｆｔｈｅｒｅａｐｐｅａｒｓａｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｐａｃｔ，ａｎｏｖｅｒｈａｕｌｔｏｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒａｎｄｔｈｅｉｎｖｅｒｔｉｎｇｖａｌｖｅｓｈｏｕｌｄｂｅａｄｏｐｔｅｄａｎｄａｎａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｉｓａｌｓｏｎｅｅｄｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｔａｒｄｔｈｅｉｍｐａｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ，Ｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｐａｃｔ，Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒ，Ｉｎｖｅｒｔｉｎｇｖａｌｖｅ１液压系统的冲击现象及其危害液压系统在工作过程中，由于油液流动方向迅速改变或突然停止流动，在流动液体和运动部件的惯性作用下，油液瞬间被高度压缩，系统压力出现瞬间上升，产生压力冲击。

它是机床液压系统中经常出现的一种故障，一般情况下，这种瞬间上升的压力峰值常常达到正常压力的２￣５倍，这样，它必然会给设备及其工作带来不利影响：一是引起设备强烈振动，造成系统工作不稳定，影响工作过程的顺利进行，降低设备的工作质量，甚至造成相关工具、模具和零部件的损坏；二是瞬时的压力突变会使顺序阀、继电器产生误动作，破坏正常的工作循环，引起系统中的密封装置、管路、元件的损坏，以及系统油温的急剧上升；三是会产生噪音，污染环境，恶化工作条件。

２液压冲击形成的理性分析从液压冲击的特点看，机床液压系统中的冲击可以归纳为流体惯性和执行机构惯性引起的冲击两种。

首先是流体惯性引起的冲击。

当阀门突然打开或关闭，以及系统中某些元件反应的滞后，使液流突然停止运动。

由于管路中液流的惯性及油液的可压缩性等原因，将流体的动能转变为压力能，并迅速逐层形成压力波，产生液压冲击。

其次是执行机构惯性引起的冲击。

当运动部件（如机床工作台）突然启动或停止，由于运动部件的惯性使液压缸和相连管道内的压力产生急剧变化而形成压力波，产生液压冲击。

２．１流体惯性引起的液压冲击分析设有如图１所示的一根等径直管，其上游与一固定油箱的油池相连，出口经一闸门控制。

设管长为Ｌ，截面积为Ａ，在阀门正常开启情况下，管中流速为ｖｏ，压力为Ｐ（不计沿程损失）。

当阀门突然关闭时，首先是紧靠阀门的一层厚度为△Ｌ的液体停止运动，它的动能在极短的时间内转化为压力增量△ｐ，同时液设计与研究１３DOI:10.16107/ki.mmte.2006.04.006现代制造技术与装备２００６第４期总第１７３期体被压缩，压力也升高。

如此继续下去，管中液体一层接一层地逐步停止运动。

同时压力升高，在停止流动液体形成的高压区和尚在流动液体的原有低压区的分界面（即为增压液面），以速度ａ向油池方向传递，称为压力波传播。

ａ是液压冲击波的传播速度，其值等于液体中音速。

在阀门关闭后的ｔ１＝Ｌ／ａ时刻，第一次液压冲击波从阀门传到了管道入口端，此时管中的油液全部停止流动，而且油液处于压缩状态，使管内压力大于水池中的压力，处于一种不平衡状态。

于是管中紧邻入口处的第一层厚为△Ｌ的液体将会以速度ｖｏ向油池冲击。

与此同时，该层液体结束了受压状态，液体的压力增量随即消失，恢复到正常压强。

这样，管中油液依次结束受压状态，油液高压区和低压区的分界面即为减压波面。

在阀门关闭后ｔ２＝２Ｌ／ａ时刻，管内全部液体的压力和体积都恢复了原状。

但由于惯性作用，紧靠阀门的油液仍然企图以速度ｖｏ流向油池，这就使得紧靠阀门的第一层液体开始受到拉松，因而使压力突然降低△Ｐ大小。

同样，紧接各层液体依次放松，这就形成一减压波面，并以速度ａ向水池方向传去。

经ｔ３＝３Ｌ／ａ时刻后，减压波面传到管道入口处，管内全部油液都处于低压而且是静止的状态。

这时油池中压力大于管中压力，在此压差作用下，油液又由油池向管中冲去。

这又使管道入口处第一层液体首先恢复原来正常情况下的压力和速度，接着依次一层一层地以速度ａ向阀门方向恢复原状。

直到ｔ４＝４Ｌ／ａ时刻，管内全部液体的压力和速度都恢复到正常情况，即油液仍以速度ｖｏ流向阀门。

这时若阀门仍然关闭着，则将重复上述四个过程。

若无能量消耗，则上述情况将永远继续下去。

实际上由于油液的粘性和管壁变形都将消耗油液的能量，液压冲击产生的能量将逐渐散失，于是压力波将逐渐减弱而直至消失。

最大压力升高值可以按能量守恒定理进行计算。

设油液的密度为ρ，等效体积弹性模量为Ｋ，当阀门突然关闭时，在一无限短Δｔ的时间内，紧靠阀门的一层厚度为ΔＬ的油液停止运动，油液的动能转化为弹性势能，即：ρＡＬｖｏ２／２＝△ｐΔＬＡ／２＝△ｐΔＶ／２＝△ｐ２ＡＬ／２Ｋ由此得到最大压力升高值：△ｐ＝ａρｖ０式中冲击波在油液中的传播速度ａ＝（Ｋ／ρ）１／２，具体大小不再探讨。

２．２执行机构惯性引起的冲击分析如图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。

同样利用能量守恒定律，可以求出冲击压力峰值△ｐ。

设突然关闭阀门后活塞移动的距离为ΔＬ，油液的刚性系数为Ｋｈ，则有：ｍｖｏ２／２＝ＫｈΔＬ２／２式中：Ｋｈ为油液的刚性系数，若设活塞右腔油液的体积为Ｖ、活塞面积为Ａ，则其值为Ｋｈ＝ＫＡ２／Ｖ［４］根据力学知识有：△ｐＡ＝ＫｈΔＬ通过整理以上两式可得到最大压力冲击值：△ｐ＝ｖｏ（ｍＫ／Ｖ）１／２由上式可以看出，运动部件质量越大，起始运动速度越大，产生的冲击压力也越大。

值得提出的是，以上两种液压冲击的分析都没有考虑管道的弹性，否则最大冲击压力的计算会复图１管流中因阀门突然关闭而产生液压冲击图２运动部件制动产生冲击１４杂得多。

对以上两种情况分析得出，液压冲击现象对管道和液压机械都是十分有害的，因此应设法将其消除或减弱。

首先是缓慢关闭阀门。

若使阀门关闭时间ｔｃ＞２Ｌ／ａ，则当返回的减压波回到阀门时，阀门在关闭过程中，这后来产生的压力升高值将与返回的减压波抵消掉一部分。

因此，液压冲击压力峰值将减小。

其次是尽可能缩短管子长度Ｌ，也即使ｔｃ＞２Ｌ／ａ减小，同样可达到前项所说的效果。

第三是限制管中油液的流速ｖｏ。

第四是在靠近液压冲击源处安装安全阀、蓄能器等装置，减缓冲击。

３冲击产生的原因与解决办法相对机床液压系统的其它故障而言，压力冲击是一个比较单一、故障部位和产生原因涉及面较小的故障，它一般产生在液压缸、换向阀和系统部位。

３．１液压缸产生压力冲击的原因与解决办法３．１．１油缸两端没有缓冲装置。

由于油缸两端没有缓冲装置，活塞换向时没有缓冲作用，换向前后速度变化过于突然而产生压力冲击，如机床的立式动力头及油压床拖板快速下降时，产生重力加速度运动，形成冲击。

要防止冲击，可以在油缸的两端设置缓冲装置，减缓换向时的速度突变，比如在恰当的部位上增设平衡锤或背压阀，以解除冲击。

３．１．２缓冲装置失灵引起冲击液压缸两端的缓冲装置调节不当，节流螺钉有松动，或者液压缸内的小活塞与端盖孔配合间隙过大，都会引起液压冲击，此外，单向阀封油不良而致使节流阀调节无效也会引起冲击。

如磨床中液压操纵箱两端盖板中的节流阀调节不当，或由于单向阀封油不良而致使节流阀调节无效。

此时应将节流阀的调节螺钉适当旋紧，增加缓冲阻尼，若仍不起作用，应检查单向阀的封油情况是否良好。

如果封油状况不好，就应修复单向阀，保证单向阀封油正常。

此外，外圆磨床砂轮输架快速前进或后退时，引起冲击的因素主要是由于单向阀封油不良，纸垫冲破，锁紧螺母松动，活塞和缸体孔配合间隙太大等。

此时应调换钢球，研磨阀座，更换纸垫，旋紧螺帽，重做活塞使之间隙在０．０３￣０．０４毫米范围内［２］，然后按如下方法进行调整：将定位螺钉旋出，按最大行程快速前引砂轮架，千分表座固定在工作台面上，表针触及砂轮架，得出某一读数，这时，将定位螺钉顺时针旋进，迫使丝杆后退０．１５￣０．２５毫米（此值由千分表反映），然后将砂轮架前引后退十余次，看其读数变动值（可用千分表测定）。

若变动在０．００３毫米范围内，且无冲击现象发即可［１］。

这样既能消除冲击，又保证定位准确。

再比如内圆磨床工作台换向时，由于活塞外圆与端盖的内孔严重磨损，间隙过大后，加工在小活塞上起缓冲作用的三角缓冲槽不起缓冲作用而产生冲击。

此时应重新配做活塞，根据端盖内孔选配间隙。

３．１．３运动部件的动能引起冲击液压缸的两端装配的缓冲装置正常工作，全行程工作都无冲击，但在中途换向时，由于动量比较大，运动部件的动能引起冲击。

此时，可以在液压缸的进出口处设置灵敏度较高的小型溢流阀，以减缓冲击。

此外，活塞行程调节不当，活塞杆连接螺母松动等，也会使活塞与缸盖碰撞产生冲击，此时只要重心调整行程，适当拧紧液压缸两端活塞杆的连接螺母即可消除冲击。

３．２换向阀因素引起的压力冲击与解决办法３．２．１电磁换向阀引起冲击对于高压、大流量的液压系统，当油泵的出口压力由高压切换到几乎为零压或由零压迅速切换上升到高压时，必然在换向阀切换时产生液压冲击。