压力波动对液压系统稳定性的影响

2023-02-14

1 问题的提出

在铁路驼峰编组场中, 为提高解编能力, 保证调车作业和人身安全, 减轻劳动强度, 都安装调速设备即车辆减速器, 通过车辆减速器对溜放车辆进行制动, 达到调速的目的。车辆减速器的动力是靠液压系统提供的, 通过高压的液压油驱动液压油缸带动执行机构及制动轨对溜放车辆的车轮施加磨擦力, 达到对溜放车辆进行制动的目的。在车辆减速器的液压系统中, 随着制动、缓解时液压油流动的变化, 其压力在液压管路中常出现短暂的较大波动, 油管也随之发生急剧的振颤, 导致有些管件 (如接头等) 发生损坏。徐州北编组站上行编组场的第14股、第15股道车辆减速器就曾发生过两次因为液压管路闸阀处螺纹接头破损, 接头从闸阀处脱出, 造成高压油大量外泄而导致的液压油泄漏故障, 使整个液压系统瘫痪近一个小时。现通过对液压系统稳定性影响较大的压力波动的分析, 来寻找造成车辆减速器液压管路接头损坏的主要原因。

2 压力波动的过程

对车辆减速器的动作控制是通过三位五通液控换向阀34DYY-20B来实现的, 通过三位五通阀液控换向阀对车辆减速器的工作油缸供油, 为保证车辆减速器对溜放车辆速度的控制精度, 就要求车辆减速器的制动和缓解动作要迅速。由于三位五通阀的快速动作, 引起系统中受扰部分的压力突然升高, 产生对固体管壁的撞击, 即液压撞击, 造成液压系统的压力波动。液压撞击现象的发生对系统带来许多不良影响引起管道及附件壳体的破裂, 引起系统的振动, 产生噪音, 使接头螺栓松动导致泄漏, 严重时甚至使系统受到破坏。

通过对液压撞击的分析, 可以将其分解为四个过程。

2.1 撞击的减速增压过程

当阀门突然关闭时, 液压管路内的液压油立即停止流动, 整个管内液体压力在瞬间升高到某一值。由于液体的可压缩性及液压导管的弹性, 管内液体压力将沿管长逐渐变化, 压力波有个传递的过程。阀门突然关闭的瞬间, 紧靠阀门的一层液体首先撞到阀门上, 当管内液体停止流动, 压力升高, 该层液体受到了压缩, 其所接触的管壁发生了膨胀, 后一层的液体仍向前运动, 撞击前一层的液体, 并使压力升高, 在这段时间在管内依次有一层层的液体撞击前层液体后停止并升压, 从而在管内形成从阀门向蓄压器传播的减速增压过程。若撞击压力波的传递速度为c, 管长位l, 则到t=l/c时刻, 管内液体全部停止流动, 全管液体处于压缩状态。

2.2 撞击的增速减压过程

在此之后, 管内液体不能维持平衡, 它将在压差作用下向蓄压器方向流动, 同时膨胀恢复体积, 压力恢复到常压, 这样在管内形成从蓄压器向阀门传播的增速减压过程。卸压的压力波自t=l/c到t=2l/c时刻, 管内液体全部恢复到常压, 全管液体仍向蓄压器方向流动。

2.3 撞击的减速减压过程

这时, 靠近阀门的液体虽然恢复到常压, 但由于惯性作用, 液体仍向蓄压器方向流动, 由于阀门关闭, 没有液体补充, 则压力下降, 直到液体两端的阻止其运动, 速度为零, 从而在管内形成从阀门向蓄压器传播的减速减压过程。卸压的压力波到t=3l/c时刻, 卸压的压力波到达管内紧靠蓄压器处, 全管液体处于降压静止状态。

2.4 撞击的增速增压过程

但管内紧靠蓄压器处的液体不能维持平衡, 它将在压差作用下向阀门方向流动。同时体积压缩, 压力回升到常压, 从而在管内形成从蓄压器向阀门传播的增速增压过程。到t=4l/c时刻, 压力波到达管内紧靠阀门处, 全管液体恢复阀门关闭前的状态。这时阀门仍关闭, 管内液体又开始重复以上四个过程。由于液压油的粘性和液压管路的弹性变形, 将引起能量的损失, 管路内的压力波动随着撞击能量的迅速散逸, 波动将迅速减弱而快速消失。

3 液压撞击压力的影响因素

液压撞击的效果是由撞击压力决定的。液压撞击压力与阀门关闭时间的长短有关, 如果阀门关闭时间小于2l/c, 形成直接液压撞击, 此时撞击压力最大;若阀门关闭时间大于2l/c, 则阀门关闭的开始时刻产生的经反射回来的卸压压力波将与阀门关闭的后一时刻产生的压力波抵消一部分, 同时也使部分波动能量通过阀门处向外传递, 结果使撞击压力减小。液压撞击压力还与液压管路内液压油的流速有关, 流速越大, 则撞击压力越大, 反之则小。直接液压撞击压力ΔP的大小可由以下公式计算:ΔP=1.21V/ (1+E0D/Eδ) 1/2, 式中, V是阀门关闭时管路内液压油的流速, E0是液压油的体积弹性模数, E是油管材料的弹性模数, D是油管的内径, δ是油管的壁厚。由此可看出, 撞击压力还与管路的结构和材质有关。车辆计算器液压管路闸阀与三位五通液控换向阀间采用的是Φ28х4的无缝钢管, 液压油的流速约为3.57m/s, 液压油的体积弹性模数为1.6GPa, 钢管的弹性模数为210GPa, 按以上公式可计算出车辆计算器制动时管路中的直接液压撞击压力为4.23MPa。长时间在这样的撞击压力下, 管路接头容易产生疲劳破坏, 对接头螺纹起到较大的破坏作用, 徐州北站上行编组场的第14、15股道车辆减速器发生的两次液压管路闸阀处螺纹接头破损故障就是这种原因造成的。液压撞击不仅造成接头损坏, 还可因振颤使管路与管路架及管路固定件间摩擦加剧, 长时间可将钢管壁磨穿, 还可以造成管路固定支架松动失效等不良后果。