03液压基础知识3

实际液体具有粘性，在液体流动时就有力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。能量损失主要表现为压力损失，这就是实际液体伯努利方程中最后一项的意义。压力损失过大，将使功率消耗增加，油液发热，泄漏增加，效率降低，液压系统性能变坏。因此在液压技术中正确估算压力损失的大小，从而找到减少压力损失的途径。§第五节管路压力损失计算液压系统中的压力损失分为两类：一是油液流经直管时的压力损失，称为沿程压力损失。这类压力损失是由液体流动时的内摩擦力引起的。二是油液流经局部障碍时，由于液流的方向和速度突然变换，在局部区域形成漩涡，引起液体质点相互撞击和剧烈摩擦因而产生的压力损失，这种损失称为局部压力损失。一、液体的流态沿程压力损失的大小与液体流动状态无关，因此下面将首先介绍液体的两种流态和判别准则。二、沿程压力损失三、局部压力损失四、管路系统总压力损失层流：液体中质点沿管道作直线运动而没有横向运动，既液体作分层流动，各层间的流体互不混杂。如图所示。一、液体的流态紊流:液体中质点除沿管道轴线运动外，还有横向运动，呈现紊乱混杂状态。雷诺系数RC=V.D/油液在直管中流动的沿程压力损失可用达西公式表示：ΔPλ=λ(l/d)(ρv2/2)式中λ－沿程阻力系数；l－直管长度；d–管道直径；v－油液的平均流速；ρ－油液密度。公式说明了压力损失ΔP与管道长度及流速v的平方成正比，而与管子的内径成反比。至于油液的粘度，管壁粗糙度和流动状态等都包含在λ内。二、沿程压力损失1.层流时沿程阻力系数的确定设液体在一直径为d的圆管中作层流运动，在液流中取微小圆柱体，直径为2r，长为l。作用在这小圆柱体上的两端压力（p1,p2)和圆柱两侧的剪切应力(粘性力)可求得管中流速分布的表达式为U=[(p1-p2)/4l](d2/4-r2)在管中心处，流速最大，其值为Umax=[(p1-p2)/16l].d2vu圆管中液体作层流运动时的速度分布规律（1）液流在直管中流动时的速度分布规律（2）圆管中的流量在单位时间内液体流经直管的流量Q就是该抛物线体的体积，其值可由积分求得。Q=0d/2u.2r.dr=[(p1-p2)/2l].0d/2(d2/4-r2)rdr=d4(p1-p2)/128l=d4p/128l式中d－管道内径；l－直管长度；－油液的动力粘度；p－压力损失或压力降。平均流速v=Q/A=(d4/128l).p/(d2/4)=32l.p（3）沿程阻力系数层流时沿程阻力系数的理论值为：=64/Re水的实际阻力系数和理论值很接近。液压油在金属管中流动时，常取：=75/Re在橡皮管中流动时，取=80/Re在这里应注意，层流的压力损失p与流速v的一次方程成正比，因为在的分母中包含有v的因子。2.紊流时沿程阻力系数紊流流动时的能量损失比层流时要大，截面上速度分布也与层流时不同，除靠近管壁处速度较低外，其余地方速度接近于最大值。其阻力系数由试验求得。当2.3x103Re105时，可用勃拉修斯公式求得：=0.3164Re-0.25三、局部压力损失局部压力损失是液流流经管道截面突然变化的弯管、管接头以及控制阀阀口等局部障碍处时的压力损失。计算式为：Δpζ=ξ(ρv2/2)ξ－局部阻力系数，由试验求得；V－液流流速。液体流经各种阀类的压力损失主要为局部损失.当实际通过的流量不等于额定流量时，可根据局部损失与v2成正比的关系按下式计算。Δpζ=Δpr(Q/Qr)2液压系统中管路通常由若干段管道串联而成。其中每一段又串联一些诸如弯头、控制阀、管接头等形成局部阻力的装置，因此管路系统总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失ΔPλ及所有局部压力损失ΣΔPε之和。即：四、管路系统总压力损失ΔP=ΣΔPλ+ΣΔPε=Σλ(l/d)(ρv2/2)+Σξρ(ρv2/2)结束§2-4液流流经孔口及隙缝的特性本节主要介绍液流流经小孔及缝隙的流量公式。前者是节流调速和液压伺服系统工作原理的基础；后者则是计算和分析液压元件和系统泄漏的根据。一、孔口液流特性二、液流流经细缝的流量1、流经薄壁小孔的流量DpdC通过薄壁小孔的液流一、孔口液流特性当小孔的通流长度L与孔径d之比l/d小于等于0.5时称为薄壁小孔。如图所示。当管道直径D与小孔之直径的比值D/d7时，收缩作用不受大孔侧壁的影响，称为完全收缩。推导出通过薄壁小孔的流量：Q=ac·vc=CC·a·vc=CC·CV·a(2/ρΔpc)1/2=Cd·a[(2/ρ）Δpc]1/2必须指出，当液流通过控制阀口时，要确定其收缩断面的位置，测定收缩断面的压力pc是十分困难的，也无此必要。一般总是用阀的进、出油口两端的压力差Δp=p1-p2来代替，Δpc=p1-pc。故上式可改写为：Q=Cq.a(2/ρ–p)1/2由伯努利方程可知，，故Cq要比Cd略大一些，一般在计算时取Cq=0.62~0.63，Cq称为流量系数。2、流经细长小孔的流量所谓细长小孔，一般是指长径比l/d4的小孔。在液压技术中常作为阻尼孔。如图所示。油液流经细长小孔时的流动状态一般为层流，因此可用液流流经圆管的流量公式，即：Q=(πd4/128μl)·Δp从上式可看出，油液流经细长小孔的流量和小孔前后压差成正比，而和动力粘度μ成反比，因此流量受油温影响较大，这是和薄壁小孔不同的。液压元件各零件间如有相对运动，就必须有一定的配合间隙。液压油就会从压力较高的配合间隙流到大气中或压力较低的地方，这就是泄漏。泄漏分为内泄漏和外泄漏。泄漏主要是有压力差与间隙造成的。泄漏量与压力差的乘积便是功率损失，因此泄漏的存在将使系统效率降低。同时功率损失也将转化为热量，使系统温度升高，进而影响系统的性能。二、液流流经细缝的流量内泄漏外泄漏（1）流经同心圆柱环形间隙的流量如图所示可得出流经同心圆柱环形间隙的流量为Q=v·A=(Δp/12μl)δ2πd·δ=(πdδ3/12μl)Δp上式即为通过同心圆环间隙的流量公式。它说明了流量与Δp和δ3成正比，即间隙稍有增大，就会引起泄漏大量增加。1、流经圆柱环形间隙的流量tδδ在实际工作中，圆柱与孔的配合很难保持同心，往往有一定偏心，偏心量为e，通过此偏心圆柱形间隙的泄漏量可按下式计算:Q=(πdδ3/12μl)Δp(1+1.5ε2)从上式可知，通过同心圆环形间隙的流量公式只不过是ε=0时偏心园环形间隙流量公式的特例。当完全偏心时e=δ,ε=1,此时Q＝(2.5πdδ3/12μl）Δp可见，完全偏心时的泄漏量是同心时的2.5倍。（2）流经偏心园环形间隙的流量图为一平面缝隙，液压油在压力差Δp作用下自左向右流动。此平面隙缝可以看作是同心圆环形间隙的展开，故可用平面隙缝的宽度b代替同心圆环形间隙流量公式中的d，即得平行平面隙缝的流量公式：Q=bδ3/12μl·Δp2、流经平面隙缝的流量δ3、流经平行圆盘间隙的流量图为相距间隙δ很小的二平行圆盘，液流由中心向四周沿径向呈放射形流出。柱塞泵和马达中的滑阀和斜盘之间，喷嘴挡板阀的喷嘴挡板之间以及某些静压支承均属这种结构。其流量可按下式计算：Q=πδ3Δp/6μln(R/r）R－圆盘的外半径；r－圆盘中心孔半径；μ－油液的动力粘度。Δp－进口压力与出口压力之差。结束在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。§2-5液压冲击液压冲击产生的压力峰值往往比正常工作压力高好几倍，且常伴有噪声和振动，从而损坏液压元件、密封装置、管件等。液压冲击的类型有：1、液流通道迅速关闭或液流迅速换向使液流速度的大小或方向突然变化时，由于液流的惯力引起的液压冲击。2、运动着的工作部件突然制动或换向时，因工作部件的惯性引起的液压冲击。3、某些液压元件动作失灵或不灵敏，使系统压力升高而引起的液压冲击。一、液流通道迅速关闭时的液压冲击二、运动部件制动时产生的液压冲击一、液流通道迅速关闭时的液压冲击(水锤现象）图2-26水锤现象分析如图所示，液体自一具有固定液面的压力容器沿长度为l，直径为d的管道经出口处的阀门以速度v0流出。诺将阀门突然关闭，此时紧靠阀门口B处的一层液体停止流动，压力升高p。其后液体也依次停止流动，动能形成压力波,并以速度c向A传播。此后B处压力降低p，形成压力降波，并向A传播。而后当A处先恢复初始压力，压力波又传向B。则如此循环使液流振荡。振荡终因摩擦损失而停止。让我们计算阀门关闭时的最大压力升高值p。设管路断面积为A1，管长为l，压力波从B传到A的时间为t，液体密度为，管中的起始流速为v0，则有：p=v0.1/t=cv0式中c=1/t为压力波传播速度。如阀门不是完全关闭，而是使流速从v0降到v1则有：p=c(v0-vt)=cv当阀门关闭时间tT=21/c时称为完全冲击，上两式适用于完全冲击。当tT=21/c时称为不完全冲击，此时压力峰值比完全冲击时低。（1）使完全冲击改变为不完全冲击（2）限制管中油液的流速（3）用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸收液压冲击的能量。（4)在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升高的安全阀。可采取下列措施来减少液压冲击：二、运动部件制动时产生的液压冲击图2-27运动部件制动时的液压冲击阀口突然关闭如图所示，活塞以速度v0向左运动，活塞和负载总质量为M。当换向阀突然关闭进出油口通道，油液被封闭在两腔之中，由于运动部件的惯性，活塞将继续运动一段距离后才停止，使液压缸左腔油液受到压缩，从而引起液体压力急剧增加。此时运动部件的动能为回油腔中油液所形成的液体弹簧所吸收。如果不考虑损失，可认为运动部件的动能与回油腔中油液所形成的液体弹簧吸收的能量相等，经推演可得到压力峰值的近似表达式为：Δp=（MK/V）1/2.V0K－油液的体积弹性模量；V－回油腔体积；V0－运动部件初始速度；M－运动部件总质量。由上式可见，运动部件质量越大，初始速度越大，制动时产生的冲击压力也越大。结束