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流體振動—液壓振動技術全面解析

一、 簡介
        液壓振動技術是用液壓產生振動并利用這種振動的技術。它的原理是把直流液流變為交變液流，使壓力能轉換成活塞運動的振動能，或者將壓力能以某種方式(如氣體的或液體的彈簧)儲存起，而后再釋放形成工作活塞的振動。
應用液壓直接產生振動有如下幾種方法:直流液壓振動法、交流液壓振動法、液壓自激振蕩法、射流液壓振動法和電—液振動法。
        液壓振動技術按其工作原理一般具有下述基本特性:
        1) 液壓振動以液壓容積傳動形式的液壓振動器產生，屬一次式液壓傳動裝置，即本身既是液壓振動發生裝置，又是液壓振動執行機構。
        2) 液壓振動器利用油路中交替變化的壓力液流來傳遞液壓能而直接產生活塞的周期振動。
        3) 油路中交替變化的壓力液流是依靠液壓振動器在振動過程中的運動參數(如速度、加速度和振幅等)或液體參數(如壓力、流量等)的變化作為反饋信號來控制。
        4) 液壓振動器是一個重復循環的周期運動元件，對其過渡過程品質沒有嚴格要求。
        5) 液壓振動器是閥——活塞組合的動力元件。
產生振動的方法有很多，還有電動、機械和氣動等方式。但是液壓振動較其它振動方式，有以下優點：
        1) 液壓振動機構既能產生低中頻率、大振幅，又能采取措施使之產生高頻率、小振幅，因此應用范圍廣。
        2) 輸出功率大。因為液壓系統的工作壓力遠比風動工作壓力和電動的磁場電力強度高。因而采用液壓振動技術所構成的機械裝置尺寸小，重量輕。
        3) 液壓振動技術能量利用率高。其輸出特性易于調節，與風動相比，消耗能源減少，而效率卻提高50%，且液壓振動機構的振動頻率和輸出功率可進行無級調節，以適應不同的工作條件。
        4) 液壓振動器的噪音低，從而改善了勞動條件。
        5) 機構簡單、運行可靠。液壓振動機構屬自控方式工作，整個機構簡單，活動件少，并且在油液中動作，其潤滑性好、磨損少、使用壽命長。
        6) 適宜于特殊作業環境工作。液壓振動機構由于具有振動和沖擊特性，因此不僅適用于一些需要產生振動和沖擊的場合，還能適應于高溫、高壓、水下和惡劣環境的作業。
         液壓振動機構除具有一般液壓傳動機構可以達到的幾種作業要求，如壓、推、舉、拉、彎、夾、擴和按等以外，還可以擴大到鉆、掘、鏟、破、夯、沖、填、剪和振動作業，因而能承擔鑿巖、破碎、夯實、打樁、鉆孔、壓力加工、篩分和振動等需要，廣泛應用于國民經濟各部門。
 

二、 液壓振動結構分類

液壓振動器的分類可歸納如下:
        強制配流式液壓振動器是指驅動振動活塞的交變壓力液流是由一個被外力帶動的配流閥控制的。在這類振動器中，活塞的運動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，在活塞與配流閥之間不存在反饋關系。這類型的液壓振動器從它們的配流閥結構來分，可以分為轉閥式和滑閥式兩種;從它們的振動發生源分，可以分為機械傳動、電子振蕩和液壓振蕩三種。強制配流式液壓振動器目前在國內外尚處于試驗研究階段。
          反饋配流液壓振動器是指振動活塞的運動與配流閥的動作是相互關聯的，它們之間存在著各種反饋關系。它們的位移、速度、加速度等物理量作為反饋信號，既互相驅動又互相制約。目前國內外研制較多且付諸實踐的主要是按位移反饋的液壓振動器。位移反饋式液壓振動器以配流閥結構和位置來分，又有無閥式和有閥式兩種。

三、 液壓振動技術的工程應用
1. 液壓振動錘
          在地表淺層的地基無法滿足建筑物對地表強度和變形要求時，淺土里的條形、法閥和箱形等基礎形式就不能采用，而需改用樁基礎作為建筑物基礎，對高層建筑、載荷大的工業廠房和建在軟土地基上的多層建筑，樁基礎已成為常用的基礎形式。
打樁設備就是將混凝土樁、鋼管樁和鋼片樁打入地下的設備，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。上述樁捶的優點是錘力大，缺點是可靠性低，噪聲大，振動波及范圍大，對施工附近設備影響大。近年來，出現了液壓打樁設備。
液壓樁捶有兩種形式：高頻振動樁捶和低頻大沖程的沖擊型液壓樁捶。高頻振動樁捶的特點是振動頻率高，但振幅較小。施工時，可使周圍土壤液化，樁和土壤之間的摩擦力減少，沉樁力減少。同時，由于高頻振動在土壤中衰減較快，減少振動波及范圍，對施工周圍的設備影響小，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，但噪聲卻大為降低。
液壓振動錘的參數（振頻、振幅）可在較大范圍內進行調節，對不同的地質情況，不同的樁型，可以選擇最佳的振動頻率及振幅，保證動力系統始終滿載輸出，以獲取最佳的工效。
液壓振動錘通過液壓驅動，使得兩組偏心塊做同速相向旋轉，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，使樁產生豎向的上下振動，造成樁及樁周土體處于強迫振動狀態，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. 液壓振動篩
          液壓振動篩可分為液壓直線振動篩、液壓高頻振動篩和液壓單軸振動篩。液壓振動裝置可分為兩大類：激波器控制油缸式和泵控馬達式。其中激波器有往復式和旋轉式兩種，泵控馬達振動裝置有單馬達式和雙馬達式兩種。
液壓直線振動篩和液壓高頻振動篩均為單自由度振動系統，根據達朗伯原理建立其力學模型如下：

式中：m——系統參振質量；
c——系統阻尼；
k——主振彈簧剛度；
——振動位移；
F——最大激振力；
w——激波器換向角頻率，；
f——激波器換向頻率。
液壓單軸振動篩是一種作圓運動的振動篩，篩箱和不平衡塊各自產生的離心力方向相反，并滿足如下關系：

式中：M——篩箱等參振質量；
A——篩箱的振幅；
m——偏心塊的質量；
r——偏心塊質心至回轉中心的距離。
液壓直線振動篩由變頻液壓激波器控制差動油缸，驅動篩機產生直線振動，完成物料的篩分。其原理圖如圖1。
液壓高頻振動篩和液壓單軸振動篩均采用泵控馬達振動裝置，不同之處在于前者為雙馬達式，后者為單馬達式，其原理圖如圖2。

 
壓直線振動篩原理方框圖 1

 
壓高頻篩和單軸篩原理方框圖 2

3. 液壓振動技術應用于壓路機

目前，國內雙鋼輪振動壓路機振動系統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模式。一般低頻率高振幅組合用于厚鋪層壓實，而高頻率低振幅用于薄鋪層或路面最終壓實。
振動壓路機的振動系統為液壓傳動系統，振動泵驅動前后振動輪上安裝的振動馬達，帶動激振器正反轉，產生變頻變幅的振動作用。如果改變振動馬達的旋轉方向，就可以實現低頻率高振幅和高頻率低振幅之間的轉換。振動頻率主要由振動泵、振動馬達的排量共同決定，最終取決于振動馬達的輸出轉速。振幅的大小是由激振器的結構決定的，與激振器的偏心距有關，偏心距越大，振幅越大，反之越小；同時還與振動質量有關，質量越大，振幅越小。振動狀態可以通過儀表盤上的振動開關來選擇，振動狀態有全輪振動、前輪振動和后輪振動。全輪振動時，要求前后兩輪的振動頻率要盡可能相近，這樣對整個壓路機的結構件有相當大的好處。
綜上所述，目前國內雙鋼輪振動壓路機有3個基本技術要求：首先，振動系統為全液壓傳動系統；其次，振動模式可以根據工況需要選擇低頻率高振幅或者高頻率低振幅；最后，振動狀態也可以根據工況需要選擇全輪振動、前輪振動或后輪振動。
4. 液壓振動技術應用于非開挖建設
 跨越公路、鐵路、河床、鋪設地下管道、地下電纜和煤氣管道等，目前，該種作業常用大開挖施工方法，即把完好的路面挖開，鋪設管道后再修復路面。由于開挖路面，致使交通中斷，這對繁忙的交通是一個很嚴重的問題，由此可見，采用非開挖施工的意義是顯而易見的，現有的非開挖地下管線施工技術已達百余種，按照其用途可分為管線鋪設、管線更換和管線修復三大類。
5. 液壓振動技術在大方坯連鑄機上的應用
傳統結晶器的機械式振動的振動曲線和負滑脫系數不能任意調節，而且運行一段時間后，由于磨損振動參數易變化，目前已基本上被液壓比例閥振動技術所代替。液壓比例閥振動技術是一種新型的結晶器振動技術，彌補了機械式振動裝置的不足，簡化了系統結構，維護簡單方便，系統響應時間短，能夠根據連鑄工藝要求方便地改變振動波形，并能在線改變振動頻率和幅值等參數，從而有效地改善控制精度，提高連鑄自動化水平，實際應用效果較好。
6. 流體振動設備在其他施工方面的應用
流體振動設備在施工中應用十分廣泛。例如，利用風墻等高頻振動機械破碎路面。這些流體振動設備多為旋轉式，即利用液壓馬達驅動偏心塊旋轉，產生振動做功。
在礦山及建筑部門，使用氣動沖擊設備鉆爆破孔、修飾孔等：在礦山破碎大石塊、建筑部門挖掘基坑，挖掘凍土，也可使用流體振動沖擊設備。在金屬結構車間打擊鉚釘，在工廠進行裝配，消除鑄造零件的毛刺，同樣可以利用振動沖擊原理來實現。