流体振动—液压振动技术全面解析

一、 简介
        液压振动技术是用液压产生振动并利用这种振动的技术。它的原理是把直流液流变为交变液流，使压力能转换成活塞运动的振动能，或者将压力能以某种方式(如气体的或液体的弹簧)储存起，而后再释放形成工作活塞的振动。
应用液压直接产生振动有如下几种方法:直流液压振动法、交流液压振动法、液压自激振荡法、射流液压振动法和电—液振动法。
        液压振动技术按其工作原理一般具有下述基本特性:
        1) 液压振动以液压容积传动形式的液压振动器产生，属一次式液压传动装置，即本身既是液压振动发生装置，又是液压振动执行机构。
        2) 液压振动器利用油路中交替变化的压力液流来传递液压能而直接产生活塞的周期振动。
        3) 油路中交替变化的压力液流是依靠液压振动器在振动过程中的运动参数(如速度、加速度和振幅等)或液体参数(如压力、流量等)的变化作为反馈信号来控制。
        4) 液压振动器是一个重复循环的周期运动元件，对其过渡过程品质没有严格要求。
        5) 液压振动器是阀——活塞组合的动力元件。
产生振动的方法有很多，还有电动、机械和气动等方式。但是液压振动较其它振动方式，有以下优点：
        1) 液压振动机构既能产生低中频率、大振幅，又能采取措施使之产生高频率、小振幅，因此应用范围广。
        2) 输出功率大。因为液压系统的工作压力远比风动工作压力和电动的磁场电力强度高。因而采用液压振动技术所构成的机械装置尺寸小，重量轻。
        3) 液压振动技术能量利用率高。其输出特性易于调节，与风动相比，消耗能源减少，而效率却提高50%，且液压振动机构的振动频率和输出功率可进行无级调节，以适应不同的工作条件。
        4) 液压振动器的噪音低，从而改善了劳动条件。
        5) 机构简单、运行可靠。液压振动机构属自控方式工作，整个机构简单，活动件少，并且在油液中动作，其润滑性好、磨损少、使用寿命长。
        6) 适宜于特殊作业环境工作。液压振动机构由于具有振动和冲击特性，因此不仅适用于一些需要产生振动和冲击的场合，还能适应于高温、高压、水下和恶劣环境的作业。
         液压振动机构除具有一般液压传动机构可以达到的几种作业要求，如压、推、举、拉、弯、夹、扩和按等以外，还可以扩大到钻、掘、铲、破、夯、冲、填、剪和振动作业，因而能承担凿岩、破碎、夯实、打桩、钻孔、压力加工、筛分和振动等需要，广泛应用于国民经济各部门。
 

二、 液压振动结构分类

液压振动器的分类可归纳如下:
        强制配流式液压振动器是指驱动振动活塞的交变压力液流是由一个被外力带动的配流阀控制的。在这类振动器中，活塞的运动状况并不影响配流阀的工作，而只取决于配流阀的工作，也就是说，在活塞与配流阀之间不存在反馈关系。这类型的液压振动器从它们的配流阀结构来分，可以分为转阀式和滑阀式两种;从它们的振动发生源分，可以分为机械传动、电子振荡和液压振荡三种。强制配流式液压振动器目前在国内外尚处于试验研究阶段。
          反馈配流液压振动器是指振动活塞的运动与配流阀的动作是相互关联的，它们之间存在着各种反馈关系。它们的位移、速度、加速度等物理量作为反馈信号，既互相驱动又互相制约。目前国内外研制较多且付诸实践的主要是按位移反馈的液压振动器。位移反馈式液压振动器以配流阀结构和位置来分，又有无阀式和有阀式两种。

三、 液压振动技术的工程应用
1. 液压振动锤
          在地表浅层的地基无法满足建筑物对地表强度和变形要求时，浅土里的条形、法阀和箱形等基础形式就不能采用，而需改用桩基础作为建筑物基础，对高层建筑、载荷大的工业厂房和建在软土地基上的多层建筑，桩基础已成为常用的基础形式。
打桩设备就是将混凝土桩、钢管桩和钢片桩打入地下的设备，其主要做功部件是桩捶，有落锤、柴油锤和蒸汽锤等多种形式。上述桩捶的优点是锤力大，缺点是可靠性低，噪声大，振动波及范围大，对施工附近设备影响大。近年来，出现了液压打桩设备。
液压桩捶有两种形式：高频振动桩捶和低频大冲程的冲击型液压桩捶。高频振动桩捶的特点是振动频率高，但振幅较小。施工时，可使周围土壤液化，桩和土壤之间的摩擦力减少，沉桩力减少。同时，由于高频振动在土壤中衰减较快，减少振动波及范围，对施工周围的设备影响小，噪声也小。而冲击型液压桩捶保留了柴油锤冲击能力大的特点，但噪声却大为降低。
液压振动锤的参数（振频、振幅）可在较大范围内进行调节，对不同的地质情况，不同的桩型，可以选择最佳的振动频率及振幅，保证动力系统始终满载输出，以获取最佳的工效。
液压振动锤通过液压驱动，使得两组偏心块做同速相向旋转，其水平方向偏心力相互抵消，而竖向离心力叠加，从而在垂直方向上形成周期性的激振力，使桩产生竖向的上下振动，造成桩及桩周土体处于强迫振动状态，使得桩周土体液化，沉桩阻力大大减小，于是在桩锤与桩体自重及桩锤激振力作用下，克服惯性阻力而逐渐沉人土中。
2. 液压振动筛
          液压振动筛可分为液压直线振动筛、液压高频振动筛和液压单轴振动筛。液压振动装置可分为两大类：激波器控制油缸式和泵控马达式。其中激波器有往复式和旋转式两种，泵控马达振动装置有单马达式和双马达式两种。
液压直线振动筛和液压高频振动筛均为单自由度振动系统，根据达朗伯原理建立其力学模型如下：

式中：m——系统参振质量；
c——系统阻尼；
k——主振弹簧刚度；
——振动位移；
F——最大激振力；
w——激波器换向角频率，；
f——激波器换向频率。
液压单轴振动筛是一种作圆运动的振动筛，筛箱和不平衡块各自产生的离心力方向相反，并满足如下关系：

式中：M——筛箱等参振质量；
A——筛箱的振幅；
m——偏心块的质量；
r——偏心块质心至回转中心的距离。
液压直线振动筛由变频液压激波器控制差动油缸，驱动筛机产生直线振动，完成物料的筛分。其原理图如图1。
液压高频振动筛和液压单轴振动筛均采用泵控马达振动装置，不同之处在于前者为双马达式，后者为单马达式，其原理图如图2。

 
压直线振动筛原理方框图 1

 
压高频筛和单轴筛原理方框图 2

3. 液压振动技术应用于压路机

目前，国内双钢轮振动压路机振动系统多采用双频双幅形式，即低频率高振幅和高频率低振幅两种振动模式。一般低频率高振幅组合用于厚铺层压实，而高频率低振幅用于薄铺层或路面最终压实。
振动压路机的振动系统为液压传动系统，振动泵驱动前后振动轮上安装的振动马达，带动激振器正反转，产生变频变幅的振动作用。如果改变振动马达的旋转方向，就可以实现低频率高振幅和高频率低振幅之间的转换。振动频率主要由振动泵、振动马达的排量共同决定，最终取决于振动马达的输出转速。振幅的大小是由激振器的结构决定的，与激振器的偏心距有关，偏心距越大，振幅越大，反之越小；同时还与振动质量有关，质量越大，振幅越小。振动状态可以通过仪表盘上的振动开关来选择，振动状态有全轮振动、前轮振动和后轮振动。全轮振动时，要求前后两轮的振动频率要尽可能相近，这样对整个压路机的结构件有相当大的好处。
综上所述，目前国内双钢轮振动压路机有3个基本技术要求：首先，振动系统为全液压传动系统；其次，振动模式可以根据工况需要选择低频率高振幅或者高频率低振幅；最后，振动状态也可以根据工况需要选择全轮振动、前轮振动或后轮振动。
4. 液压振动技术应用于非开挖建设
 跨越公路、铁路、河床、铺设地下管道、地下电缆和煤气管道等，目前，该种作业常用大开挖施工方法，即把完好的路面挖开，铺设管道后再修复路面。由于开挖路面，致使交通中断，这对繁忙的交通是一个很严重的问题，由此可见，采用非开挖施工的意义是显而易见的，现有的非开挖地下管线施工技术已达百余种，按照其用途可分为管线铺设、管线更换和管线修复三大类。
5. 液压振动技术在大方坯连铸机上的应用
传统结晶器的机械式振动的振动曲线和负滑脱系数不能任意调节，而且运行一段时间后，由于磨损振动参数易变化，目前已基本上被液压比例阀振动技术所代替。液压比例阀振动技术是一种新型的结晶器振动技术，弥补了机械式振动装置的不足，简化了系统结构，维护简单方便，系统响应时间短，能够根据连铸工艺要求方便地改变振动波形，并能在线改变振动频率和幅值等参数，从而有效地改善控制精度，提高连铸自动化水平，实际应用效果较好。
6. 流体振动设备在其他施工方面的应用
流体振动设备在施工中应用十分广泛。例如，利用风墙等高频振动机械破碎路面。这些流体振动设备多为旋转式，即利用液压马达驱动偏心块旋转，产生振动做功。
在矿山及建筑部门，使用气动冲击设备钻爆破孔、修饰孔等：在矿山破碎大石块、建筑部门挖掘基坑，挖掘冻土，也可使用流体振动冲击设备。在金属结构车间打击铆钉，在工厂进行装配，消除铸造零件的毛刺，同样可以利用振动冲击原理来实现。