一种液压回路压力冲击现象的探讨与分析.pdf

２０１６ 年 １ 月 第 ４４ 卷 第 ２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊａｎ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０２􀆱 ０６６ 收稿日期 ２０１４－１１－２４ 作者简介 唐易荣 （１９８５）， 男， 学士， 工程师， 研究方向为炼钢机械维修。 Ｅ－ｍａｉｌ ｘｕａｎｔｉａｎｚｉ１１１＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 一种液压回路压力冲击现象的探讨与分析 唐易荣， 向忠辉 （武钢股份设备维修总厂， 湖北武汉 ４３００８３） 摘要 针对某钢厂转炉滑板挡渣液压系统在日常生产过程中出现的压力冲击现象， 详细分析了液压系统控制原理和压 力冲击的成因， 对压力冲击现象进行了理论数据的计算校验， 并指出在实际工程应用中应如何避免或缓解该类现象。 关键词 液压回路； 压力冲击 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ２－２１６－２ 转炉出钢口滑板挡渣技术， 是在转炉出钢口外端 安装一套滑动水口挡渣闸阀装置， 其工作原理是在出 钢结束时推动滑板快速向前关闭出钢口， 从而阻挡钢 渣进入钢水。 采用该技术， 可以大幅度减少钢水中的 夹杂物， 有效减少 “回磷”， 提高钢水纯净度和产品 质量。 １ 液压控制原理简介 某钢厂于 ２０１４ 年 ７ 月引进转炉滑板挡渣技术， 滑板采用液压驱动， 油缸活塞杆与滑板用销子联接， 一同安装于出钢口上， 液压泵站与控制阀台布置于炉 后平台。 为了实现转炉少渣甚至无渣出钢的工艺要 求， 某钢厂滑板关闭的设计速度非常快， 滑板完成一 个行程的时间控制在 １ ｓ 内。 图 １ 是滑板挡渣的液压 控制原理图。 图 １ 滑板挡渣液压控制原理图 该控制阀台上有 １、 ２、 ３、 ４ 四组叠加阀。 阀组 １ 和 ２ 均为通径 ２５ 的电液换向阀， 一用一备， 用于 正常生产过程中推动滑板快速动作。 阀组 ３ 采用通径 １０ 的电磁换向阀， 并叠加一个节流阀， 用于推动滑 板慢速动作， 实现油缸与滑板联接销的对位和拆装。 阀组 ４ 采用通径 １０ 的手动换向阀， 用于手动应急开 关滑板。 ４ 组叠加阀的换向阀均为三位四通阀， 采用 Ｙ 型中位机能， 且都叠加了一个液压锁， 能在任意位 置将油缸锁定。 １、 ２、 ３ 三组阀置于同一个阀台上， 共用一个进油球阀及两个出口球阀。 为了保证应急元 件控制上的独立性和稳定性， 手动换向阀组 ４ 单独配 备进油球阀及出口球阀。 滑板挡渣液压系统在设计时使用脂肪酸脂为介 质， 采用恒压变量柱塞泵， 型号为 Ａ４ＶＳＯ ７１ＤＲ／ １０Ｒ⁃ＰＰＢ１３Ｎ００， 两用一备， 每台泵的额定流量为 １０６ Ｌ／ ｍｉｎ， 泵的工作压力设定为 １８ ＭＰａ。 滑板油缸 的型号为 ϕ１２５／７０⁃２３５ ｍｍ， 滑板的行程为 ２３０ ｍｍ。 该液压系统在设计时阀台到油缸采用内径 ϕ２５ ｍｍ、 壁厚 ５ ｍｍ 的钢管， 阀台到油缸的硬管总长度约 ３０ ｍ。 滑板关闭的设计时间约为 ０􀆱 ８ ｓ。 通过操作手柄上的 “快速打开” 和 “快速关闭” 按钮来控制滑板动作。 在钢水冶炼过程中， 滑板处于 打开状态 （油缸活塞杆缩回） 至出钢完毕， 操作 “快速关闭” 按钮， 阀组 １ 的 ＹＡ２ 得电， 油缸无杆腔 进油， 滑板快速前进关闭出钢口， 松开 “快速关闭” 按钮， ＹＡ２ 失电， 换向阀回中位。 将转炉摇至 “０” 位， 操作 “快速打开” 按钮， 阀组 １ 的 ＹＡ１ 得电， 油缸有杆腔进油， 滑板快速缩回， 出钢口打开， 松开 “快速打开” 按钮， ＹＡ１ 失电， 换向阀回中位。 此后 开始下一个冶炼周期。 ２ 现场压力冲击现象描述 某钢厂的滑板挡渣设备投入运行后， 经观察， 存 在不同程度的压力冲击现象， 控制阀台上的测压点 （见图 １） 所测阀后管道压力出现超过恒压泵设定压 力值的现象。 为了进一步研究该现象， 作者分别做了 ３ 次实验， 并将现象记录如下 现象一 用快速阀操作滑板关闭， 在滑板停止的 瞬间， 测得油缸无杆腔管道内压力突然上升至 ２３ ＭＰａ； 操作滑板快速打开， 在滑板停止的瞬间， 测得 油缸有杆腔管道内压力突然上升至 ２１ ＭＰａ。 现象二 当 ２ 台恒压泵运行时， 快速操作滑板关 闭， 滑板停止瞬间， 测得油缸无杆腔管道内压力值突 然上升至 ２３ ＭＰａ； 当仅投入一台恒压泵运行时， 依 然用快速阀操作滑板关闭， 此时观察滑板速度也相对 减缓， 滑板停止瞬间， 油缸无杆腔管道内压力突然上 升至 ２０􀆱 ５ ＭＰａ。 现象三 当用慢速阀操作滑板装置时， 滑板运行 速度缓慢， 滑板慢速开到位约需 ２０ ｓ， 滑板停止瞬间 油缸有杆腔管道内压力值为 １７􀆱 ５ ＭＰａ； 滑板慢速关 到位约需 １６ ｓ， 滑板到位后油缸无杆腔管道内压力值 为 １７􀆱 ５ ＭＰａ， 与恒压泵的设定压力值基本相等。 通过以上 ３ 个实验现象， 发现滑板在快速动作停 止瞬间， 油缸的进油管道内会出现压力冲击现象， 管 内压力超出恒压泵设定工作压力值， 且滑板动作越 快， 压力冲击现象越明显， 而滑板缓慢动作时， 压力 冲击现象不明显。 ３ 压力冲击现象的分析计算和校验 某钢厂引进的该套滑板挡渣设备， 其滑板装置动 作的限位为机械限位， 即当滑板油缸快速动作时， 只 有滑板动作到位才能限制油缸动作。 滑板到达限位后 突然停止， 则与之联接的油缸突然停止， 进油管道内 高速运动的流体也突然停止， 引起液压冲击现象， 从 而导致压力突然冲击。 液压冲击分为完全冲击和不完全冲击， 区别在于 ｔ 与 τ 的大小比较。 当 ｔ＜τ 时， 为完全冲击； 当 ｔ＞τ 时为不完全冲击。 ｔ 是关闭或打开液流通道的时间， τ 是液压管道长度为 Ｌ 时， 液压冲击波往返所需的时 间。 文中， 由于滑板油缸是因机械限位而突然停止， 因此可认为 ｔ 趋近于 ０， 可以按照完全冲击来计算管 道内产生的冲击压力值 Δｐ＝ＣρΔｖ Ｃ ＝ Ｋ ρ １ ＋ ＫＤ δＥ 式中 ρ 为流体密度 （ｋｇ／ ｍ３）； Δｖ 为流体速度变化值 （ｍ／ ｓ）； Ｋ 为流体的体积弹性模量 （Ｐａ）； Ｄ 为管道内径 （ｍ）； δ 为管道壁厚 （ｍ）； Ｅ 为管道材料的弹性系数 （Ｐａ）。 将滑板挡渣液压系统的各项参数代入， 计算出 Ｃ ＝ Ｋ ρ １ ＋ ＫＤ δＥ ＝ １０９ ９００ １ ＋ １０９ ０􀆱 ０２５ ０􀆱 ００５ ２􀆱 ０６ １０５ １０６ ＝ １ ０４１ ｍ／ ｓ 在现场用秒表测得滑板实际打开和关闭时间均在 １ ｓ 左右， 由恒压泵排量、 油缸型号及滑板行程， 计 算滑板打开过程中进油管道内的平均流速 ｖ１＝ Ｖ有杆腔 Ｓ油管 ＝ ３􀆱 １４１２５１２５－３􀆱 １４７０７０ ３􀆱 １４２５２５１ ０００ ２３０ ＝ ３􀆱 ９ ｍ／ ｓ 滑板关闭过程中， 进油管道内的平均流速 ｖ２＝ Ｖ无杆腔 Ｓ油管 ＝ ３􀆱 １４１２５１２５ ３􀆱 １４２５２５１ ０００２３０＝５􀆱 ７ ｍ／ ｓ 故滑板开关时产生的冲击压力值分别为 Δｐ开＝ＣρΔｖ１＝１ ０４１９００３􀆱 ９＝３􀆱 ７ ＭＰａ Δｐ关＝ＣρΔｖ２＝１ ０４１９００５􀆱 ７＝５􀆱 ３ ＭＰａ 根据现象一中采集的现场压力数据， 当滑板打开 时， 冲击压力值为 ２１－１８ ＝ ３ ＭＰａ， 当滑板关闭时， 冲击压力值为 ２３－１８ ＝ ５ ＭＰａ， 与理论计算的冲击压 力值基本相符。 在现象二中， 当 ２ 台恒压泵运行时， 冲击压力值 Δｐ＝２３－１８＝５ ＭＰａ； 当仅投入一台恒压泵运行时， 冲 击压力值 Δｐ＝ ２０􀆱 ５－１８ ＝ ２􀆱 ５ ＭＰａ。 其原因是当单台 泵运行时， 系统提供的流量减少， 进油管道内的流速 下降， Δｖ 值变小， 所以产生的冲击压力值也随之下 降。 在现象三中， 当滑板慢速开关动作时， 进油管内 流体速度很慢， Δｖ 的值很小， 因此液压冲击现象不 明显， 油缸停止运动后进油腔压力值与泵设定值基本 相等。 通过以上分析计算可知， 压力冲击现象与流体速 度的突然变化密切相关， 在同一套液压系统中， 管道 内流体速度突然变化值 Δｖ 越大， 则产生的冲击压力 值 Δｐ 也越高。 ４ 结束语 冲击压力过高对液压系统中的密封件、 油管及油 缸的使用寿命影响大， 会降低液压元件的运行寿命， 提高设备故障率。 大流量液压控制系统或油缸快速动 作的液压回路中， 油缸的突然制动特性是产生液压冲 击的关键。 在实际工程应用中， 要结合现场实际与装 备特点， 综合平衡与利用， 采取措施减少液压冲击。 可考虑在液压冲击点附近增设蓄能器、 在液压缸内设 置缓冲装置、 采用橡胶软管吸收液压冲击能量等措 施， 以避免或缓解液压冲击现象。 参考文献 ［１］ 王益群，高殿荣．液压工程师技术手册［Ｍ］．北京化学 工业出版社，２０１３． ［２］ 曹玉平，阎祥安．液压传动与控制［Ｍ］．天津天津大学 出版社，２００３． ７１２第 ２ 期唐易荣 等 一种液压回路压力冲击现象的探讨与分析