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流體振動(dòng)—液壓振動(dòng)技術(shù)全面解析

一、 簡(jiǎn)介
        液壓振動(dòng)技術(shù)是用液壓產(chǎn)生振動(dòng)并利用這種振動(dòng)的技術(shù)。它的原理是把直流液流變?yōu)榻蛔円毫?，使壓力能轉(zhuǎn)換成活塞運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)能，或者將壓力能以某種方式(如氣體的或液體的彈簧)儲(chǔ)存起，而后再釋放形成工作活塞的振動(dòng)。
應(yīng)用液壓直接產(chǎn)生振動(dòng)有如下幾種方法:直流液壓振動(dòng)法、交流液壓振動(dòng)法、液壓自激振蕩法、射流液壓振動(dòng)法和電—液振動(dòng)法。
        液壓振動(dòng)技術(shù)按其工作原理一般具有下述基本特性:
        1) 液壓振動(dòng)以液壓容積傳動(dòng)形式的液壓振動(dòng)器產(chǎn)生，屬一次式液壓傳動(dòng)裝置，即本身既是液壓振動(dòng)發(fā)生裝置，又是液壓振動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
        2) 液壓振動(dòng)器利用油路中交替變化的壓力液流來(lái)傳遞液壓能而直接產(chǎn)生活塞的周期振動(dòng)。
        3) 油路中交替變化的壓力液流是依靠液壓振動(dòng)器在振動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)(如速度、加速度和振幅等)或液體參數(shù)(如壓力、流量等)的變化作為反饋信號(hào)來(lái)控制。
        4) 液壓振動(dòng)器是一個(gè)重復(fù)循環(huán)的周期運(yùn)動(dòng)元件，對(duì)其過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)沒(méi)有嚴(yán)格要求。
        5) 液壓振動(dòng)器是閥——活塞組合的動(dòng)力元件。
產(chǎn)生振動(dòng)的方法有很多，還有電動(dòng)、機(jī)械和氣動(dòng)等方式。但是液壓振動(dòng)較其它振動(dòng)方式，有以下優(yōu)點(diǎn)：
        1) 液壓振動(dòng)機(jī)構(gòu)既能產(chǎn)生低中頻率、大振幅，又能采取措施使之產(chǎn)生高頻率、小振幅，因此應(yīng)用范圍廣。
        2) 輸出功率大。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的工作壓力遠(yuǎn)比風(fēng)動(dòng)工作壓力和電動(dòng)的磁場(chǎng)電力強(qiáng)度高。因而采用液壓振動(dòng)技術(shù)所構(gòu)成的機(jī)械裝置尺寸小，重量輕。
        3) 液壓振動(dòng)技術(shù)能量利用率高。其輸出特性易于調(diào)節(jié)，與風(fēng)動(dòng)相比，消耗能源減少，而效率卻提高50%，且液壓振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率和輸出功率可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的工作條件。
        4) 液壓振動(dòng)器的噪音低，從而改善了勞動(dòng)條件。
        5) 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。液壓振動(dòng)機(jī)構(gòu)屬自控方式工作，整個(gè)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，活動(dòng)件少，并且在油液中動(dòng)作，其潤(rùn)滑性好、磨損少、使用壽命長(zhǎng)。
        6) 適宜于特殊作業(yè)環(huán)境工作。液壓振動(dòng)機(jī)構(gòu)由于具有振動(dòng)和沖擊特性，因此不僅適用于一些需要產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊的場(chǎng)合，還能適應(yīng)于高溫、高壓、水下和惡劣環(huán)境的作業(yè)。
         液壓振動(dòng)機(jī)構(gòu)除具有一般液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以達(dá)到的幾種作業(yè)要求，如壓、推、舉、拉、彎、夾、擴(kuò)和按等以外，還可以擴(kuò)大到鉆、掘、鏟、破、夯、沖、填、剪和振動(dòng)作業(yè)，因而能承擔(dān)鑿巖、破碎、夯實(shí)、打樁、鉆孔、壓力加工、篩分和振動(dòng)等需要，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)。
 

二、 液壓振動(dòng)結(jié)構(gòu)分類(lèi)

液壓振動(dòng)器的分類(lèi)可歸納如下:
        強(qiáng)制配流式液壓振動(dòng)器是指驅(qū)動(dòng)振動(dòng)活塞的交變壓力液流是由一個(gè)被外力帶動(dòng)的配流閥控制的。在這類(lèi)振動(dòng)器中，活塞的運(yùn)動(dòng)狀況并不影響配流閥的工作，而只取決于配流閥的工作，也就是說(shuō)，在活塞與配流閥之間不存在反饋關(guān)系。這類(lèi)型的液壓振動(dòng)器從它們的配流閥結(jié)構(gòu)來(lái)分，可以分為轉(zhuǎn)閥式和滑閥式兩種;從它們的振動(dòng)發(fā)生源分，可以分為機(jī)械傳動(dòng)、電子振蕩和液壓振蕩三種。強(qiáng)制配流式液壓振動(dòng)器目前在國(guó)內(nèi)外尚處于試驗(yàn)研究階段。
          反饋配流液壓振動(dòng)器是指振動(dòng)活塞的運(yùn)動(dòng)與配流閥的動(dòng)作是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著各種反饋關(guān)系。它們的位移、速度、加速度等物理量作為反饋信號(hào)，既互相驅(qū)動(dòng)又互相制約。目前國(guó)內(nèi)外研制較多且付諸實(shí)踐的主要是按位移反饋的液壓振動(dòng)器。位移反饋式液壓振動(dòng)器以配流閥結(jié)構(gòu)和位置來(lái)分，又有無(wú)閥式和有閥式兩種。

三、 液壓振動(dòng)技術(shù)的工程應(yīng)用
1. 液壓振動(dòng)錘
          在地表淺層的地基無(wú)法滿(mǎn)足建筑物對(duì)地表強(qiáng)度和變形要求時(shí)，淺土里的條形、法閥和箱形等基礎(chǔ)形式就不能采用，而需改用樁基礎(chǔ)作為建筑物基礎(chǔ)，對(duì)高層建筑、載荷大的工業(yè)廠(chǎng)房和建在軟土地基上的多層建筑，樁基礎(chǔ)已成為常用的基礎(chǔ)形式。
打樁設(shè)備就是將混凝土樁、鋼管樁和鋼片樁打入地下的設(shè)備，其主要做功部件是樁捶，有落錘、柴油錘和蒸汽錘等多種形式。上述樁捶的優(yōu)點(diǎn)是錘力大，缺點(diǎn)是可靠性低，噪聲大，振動(dòng)波及范圍大，對(duì)施工附近設(shè)備影響大。近年來(lái)，出現(xiàn)了液壓打樁設(shè)備。
液壓樁捶有兩種形式：高頻振動(dòng)樁捶和低頻大沖程的沖擊型液壓樁捶。高頻振動(dòng)樁捶的特點(diǎn)是振動(dòng)頻率高，但振幅較小。施工時(shí)，可使周?chē)寥酪夯?，樁和土壤之間的摩擦力減少，沉樁力減少。同時(shí)，由于高頻振動(dòng)在土壤中衰減較快，減少振動(dòng)波及范圍，對(duì)施工周?chē)脑O(shè)備影響小，噪聲也小。而沖擊型液壓樁捶保留了柴油錘沖擊能力大的特點(diǎn)，但噪聲卻大為降低。
液壓振動(dòng)錘的參數(shù)（振頻、振幅）可在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)不同的地質(zhì)情況，不同的樁型，可以選擇最佳的振動(dòng)頻率及振幅，保證動(dòng)力系統(tǒng)始終滿(mǎn)載輸出，以獲取最佳的工效。
液壓振動(dòng)錘通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)，使得兩組偏心塊做同速相向旋轉(zhuǎn)，其水平方向偏心力相互抵消，而豎向離心力疊加，從而在垂直方向上形成周期性的激振力，使樁產(chǎn)生豎向的上下振動(dòng)，造成樁及樁周土體處于強(qiáng)迫振動(dòng)狀態(tài)，使得樁周土體液化，沉樁阻力大大減小，于是在樁錘與樁體自重及樁錘激振力作用下，克服慣性阻力而逐漸沉人土中。
2. 液壓振動(dòng)篩
          液壓振動(dòng)篩可分為液壓直線(xiàn)振動(dòng)篩、液壓高頻振動(dòng)篩和液壓?jiǎn)屋S振動(dòng)篩。液壓振動(dòng)裝置可分為兩大類(lèi)：激波器控制油缸式和泵控馬達(dá)式。其中激波器有往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式兩種，泵控馬達(dá)振動(dòng)裝置有單馬達(dá)式和雙馬達(dá)式兩種。
液壓直線(xiàn)振動(dòng)篩和液壓高頻振動(dòng)篩均為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)達(dá)朗伯原理建立其力學(xué)模型如下：

式中：m——系統(tǒng)參振質(zhì)量；
c——系統(tǒng)阻尼；
k——主振彈簧剛度；
——振動(dòng)位移；
F——最大激振力；
w——激波器換向角頻率，；
f——激波器換向頻率。
液壓?jiǎn)屋S振動(dòng)篩是一種作圓運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)篩，篩箱和不平衡塊各自產(chǎn)生的離心力方向相反，并滿(mǎn)足如下關(guān)系：

式中：M——篩箱等參振質(zhì)量；
A——篩箱的振幅；
m——偏心塊的質(zhì)量；
r——偏心塊質(zhì)心至回轉(zhuǎn)中心的距離。
液壓直線(xiàn)振動(dòng)篩由變頻液壓激波器控制差動(dòng)油缸，驅(qū)動(dòng)篩機(jī)產(chǎn)生直線(xiàn)振動(dòng)，完成物料的篩分。其原理圖如圖1。
液壓高頻振動(dòng)篩和液壓?jiǎn)屋S振動(dòng)篩均采用泵控馬達(dá)振動(dòng)裝置，不同之處在于前者為雙馬達(dá)式，后者為單馬達(dá)式，其原理圖如圖2。

 
壓直線(xiàn)振動(dòng)篩原理方框圖 1

 
壓高頻篩和單軸篩原理方框圖 2

3. 液壓振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于壓路機(jī)

目前，國(guó)內(nèi)雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)多采用雙頻雙幅形式，即低頻率高振幅和高頻率低振幅兩種振動(dòng)模式。一般低頻率高振幅組合用于厚鋪層壓實(shí)，而高頻率低振幅用于薄鋪層或路面最終壓實(shí)。
振動(dòng)壓路機(jī)的振動(dòng)系統(tǒng)為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，振動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)前后振動(dòng)輪上安裝的振動(dòng)馬達(dá)，帶動(dòng)激振器正反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生變頻變幅的振動(dòng)作用。如果改變振動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向，就可以實(shí)現(xiàn)低頻率高振幅和高頻率低振幅之間的轉(zhuǎn)換。振動(dòng)頻率主要由振動(dòng)泵、振動(dòng)馬達(dá)的排量共同決定，最終取決于振動(dòng)馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速。振幅的大小是由激振器的結(jié)構(gòu)決定的，與激振器的偏心距有關(guān)，偏心距越大，振幅越大，反之越??；同時(shí)還與振動(dòng)質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越大，振幅越小。振動(dòng)狀態(tài)可以通過(guò)儀表盤(pán)上的振動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)選擇，振動(dòng)狀態(tài)有全輪振動(dòng)、前輪振動(dòng)和后輪振動(dòng)。全輪振動(dòng)時(shí)，要求前后兩輪的振動(dòng)頻率要盡可能相近，這樣對(duì)整個(gè)壓路機(jī)的結(jié)構(gòu)件有相當(dāng)大的好處。
綜上所述，目前國(guó)內(nèi)雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)有3個(gè)基本技術(shù)要求：首先，振動(dòng)系統(tǒng)為全液壓傳動(dòng)系統(tǒng)；其次，振動(dòng)模式可以根據(jù)工況需要選擇低頻率高振幅或者高頻率低振幅；最后，振動(dòng)狀態(tài)也可以根據(jù)工況需要選擇全輪振動(dòng)、前輪振動(dòng)或后輪振動(dòng)。
4. 液壓振動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于非開(kāi)挖建設(shè)
 跨越公路、鐵路、河床、鋪設(shè)地下管道、地下電纜和煤氣管道等，目前，該種作業(yè)常用大開(kāi)挖施工方法，即把完好的路面挖開(kāi)，鋪設(shè)管道后再修復(fù)路面。由于開(kāi)挖路面，致使交通中斷，這對(duì)繁忙的交通是一個(gè)很?chē)?yán)重的問(wèn)題，由此可見(jiàn)，采用非開(kāi)挖施工的意義是顯而易見(jiàn)的，現(xiàn)有的非開(kāi)挖地下管線(xiàn)施工技術(shù)已達(dá)百余種，按照其用途可分為管線(xiàn)鋪設(shè)、管線(xiàn)更換和管線(xiàn)修復(fù)三大類(lèi)。
5. 液壓振動(dòng)技術(shù)在大方坯連鑄機(jī)上的應(yīng)用
傳統(tǒng)結(jié)晶器的機(jī)械式振動(dòng)的振動(dòng)曲線(xiàn)和負(fù)滑脫系數(shù)不能任意調(diào)節(jié)，而且運(yùn)行一段時(shí)間后，由于磨損振動(dòng)參數(shù)易變化，目前已基本上被液壓比例閥振動(dòng)技術(shù)所代替。液壓比例閥振動(dòng)技術(shù)是一種新型的結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)，彌補(bǔ)了機(jī)械式振動(dòng)裝置的不足，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，能夠根據(jù)連鑄工藝要求方便地改變振動(dòng)波形，并能在線(xiàn)改變振動(dòng)頻率和幅值等參數(shù)，從而有效地改善控制精度，提高連鑄自動(dòng)化水平，實(shí)際應(yīng)用效果較好。
6. 流體振動(dòng)設(shè)備在其他施工方面的應(yīng)用
流體振動(dòng)設(shè)備在施工中應(yīng)用十分廣泛。例如，利用風(fēng)墻等高頻振動(dòng)機(jī)械破碎路面。這些流體振動(dòng)設(shè)備多為旋轉(zhuǎn)式，即利用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)偏心塊旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生振動(dòng)做功。
在礦山及建筑部門(mén)，使用氣動(dòng)沖擊設(shè)備鉆爆破孔、修飾孔等：在礦山破碎大石塊、建筑部門(mén)挖掘基坑，挖掘凍土，也可使用流體振動(dòng)沖擊設(shè)備。在金屬結(jié)構(gòu)車(chē)間打擊鉚釘，在工廠(chǎng)進(jìn)行裝配，消除鑄造零件的毛刺，同樣可以利用振動(dòng)沖擊原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。