1.管路内液体流动时的压力损失
实际黏性液体在流动时存在阻力,为了克服阻力就要消耗一部分能量,这样就有能量损失。在液压传动中,能量损失主要表现为压力损失,这就是实际液体流动的伯努利方程式中Δpw项的含义。
液压系统中的压力损失分为两类:一类是沿程压力损失;另一类是局部压力损失。
(1)沿程压力损失
液体在直管中流动时由内、外摩擦力所引起的压力损失,称为沿程压力损失,它主要取决于管路的长度和内径、液流的流速和黏度等。液体的流动状态不同,沿程压力损失也不同。
①层流时的沿程压力损失:在液压传动中,液体的流动状态多数是层流流动,此时液体质点在管中做有规则的流动,因此可以用数学工具对其流动状态进行探讨,并推导出沿程压力损失的理论计算公式。经理论推导和实验证明,层流时的沿程压力损失可用下式计算:
式中:λ——沿程阻力系数,对于圆管层流,其理论值λ=64/Re,考虑到实际圆管截面可能有变形,以及靠近管壁处的液层可能冷却,阻力略有加大,故实际计算时,对金属管取λ=75/Re,橡胶管取λ=80/Re;
l——管道长度(m);
d——管道内径(m);
ρ——液流的密度(kg/m3);
υ——管道中液流的平均流速(m/s)。
②紊流时的沿程压力损失:紊流时的沿程压力损失计算公式在形式上与层流时的计算公式(1-29)相同,但式中的阻力系数λ除了与雷诺数Re有关外,还与管壁的表面粗糙度有关。实际计算时,对于光滑管,当2.32×103≤Re<105时,λ=0.316 4Re-0.25;对于粗糙管,λ的值要根据雷诺数Re和管壁的相对表面粗糙度从相关资料的关系曲线中查取。
(2)局部压力损失
液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口、滤网等局部装置时,由于液流方向和速度均发生变化,形成局部旋涡,使液流质点间以及质点与管壁间相互碰撞和剧烈摩擦而造成的压力损失,称为局部压力损失。当液流通过上述局部装置时,发生强烈的紊流现象,流动状态极为复杂,影响因素较多,故局部压力损失不易从理论上进行分析计算。因此,一般先通过实验来确定局部压力损失的阻力系数,再用相应公式计算局部压力损失值。局部压力损失的计算公式为
式中:ξ——局部阻力系数,通过实验求得,各种局部装置的ξ可查相关手册;
υ——液体在该局部装置中的平均流速(m/s)。
(3)管路系统中的总压力损失
管路系统的总压力损失等于所有沿程压力损失和局部压力损失之和,即
液压系统中的压力损失大部分会转换为热能,造成系统油温升高、泄漏增大,以致影响系统的工作性能。从压力损失的计算公式可以看出,减小液流在管道中的流速、缩短管道长度、减少管道的截面突变和管道弯曲、适当增加管道内径、合理选用阀类元件等都可使压力损失减小。
2.液压冲击
在液压系统中,常常由于某些原因而使液体压力突然急剧上升,形成很高的压力峰值,这种现象称为液压冲击。
(1)液压冲击产生的原因和危害
在阀门突然关闭或液压缸快速制动等情况下,液体在系统中的流动会突然受阻。这时由于液流的惯性作用,液体就从受阻端开始,迅速将动能转换为压力能,因而产生了压力冲击波;此后,又从另一端开始,将压力能转化为动能,液体又反向流动;然后,又再次将动能转换为压力能,如此反复地进行能量转换。由于这种压力波的迅速往复传播,便在系统内形成压力振荡。实际上,由于液体受到摩擦力以及液体和管壁的弹性作用,不断消耗能量,故会使振荡过程逐渐衰减而趋向稳定。
系统中出现液压冲击时,液体瞬时压力峰值可以比正常工作压力大好几倍。液压冲击会损坏密封装置、管道或液压元件,还会引起设备振动,产生很大噪声。有时液压冲击会使某些液压元件如压力继电器、顺序阀等产生错误动作,影响系统正常工作。
(2)冲击压力
假设系统的正常工作压力为p,产生液压冲击时的最大压力,即压力冲击波第一波的峰值压力为(www.xing528.com)
式中:Δp——冲击压力的最大升高值。
由于液压冲击流是一种非恒定流动,动态过程非常复杂,影响因素很多,故精确计算Δp值是很困难的。下面介绍两种液压冲击情况下Δp值的近似计算公式。
①管道阀门关闭时的液压冲击:设管道截面积为A,产生冲击的管长为l,压力冲击波第一波在l长度内传播的时间为t1,液体的密度为ρ,管中液体的流速为υ,阀门关闭后的流速为零,则由动量方程得
式中:c——压力冲击波在管中的传播速度,c=l/t1。
应用式(1-33)时,需先知道c值的大小,而c不仅和液体的体积模量K有关,而且还和管道材料的弹性模量E、管道的内径d及壁厚δ有关,c值可按下式计算:
在液压传动中,c值一般为900~1 400 m/s。
若流速υ不是突然降为零,而是降为υ1,则式(1-33)可写为
设压力冲击波在管中往复一次的时间为tc,tc=2l/c。当阀门关闭时间t<tc时,压力峰值很大,称为直接冲击,其Δp值可按式(1-33)或式(1-35)计算。当t>tc时,压力峰值较小,称为间接冲击,这时Δp可按下式计算
②运动部件制动时的液压冲击:设总质量为∑m的运动部件在制动时的减速时间为Δt,速度减小值为Δυ,液压缸有效面积为A,则根据动量定理得
式(1-37)中因忽略了阻尼和泄漏等因素,故计算结果偏大,但比较安全。
(3)减小液压冲击的措施
分析式(1-36)和式(1-37)中Δp的影响因素,可以归纳出减小液压冲击的主要措施:
①延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。实践证明,运动部件制动换向时间若能大于0.2 s,则冲击大为减轻。在液压系统中采用换向时间可调的换向阀就可做到这一点。
②限制管道流速及运动部件速度。例如,在机床液压系统中,通常将管道流速限制在4.5 m/s以下,液压缸所驱动的运动部件速度一般不宜超过10 m/min等。
③适当加大管道直径,尽量缩短管路长度。加大管道直径不仅可以降低流速,而且可以减小压力冲击波速度c值,缩短管道长度的目的是减小压力冲击度的传播时间tc,必要时还可以在冲击区附近安装蓄能器等缓冲装置来达到此目的。
④采用软管,以增加系统的弹性。
3.气穴现象
在液压系统中,如果某处的压力低于空气分离压,原先溶解在液体中的空气就会分离出来,导致液体中出现大量气泡,这种现象称为气穴现象。如果液体中的压力进一步降低到饱和蒸汽压,液体将迅速气化,产生大量蒸汽泡,这时的气穴现象将会更加严重。
当液压系统中出现气穴现象时,大量的气泡破坏了液流的连续性,造成流量和压力脉动,气泡随液流进入高压区时又急剧破灭,以致引起局部液压冲击,发出噪声并引起振动。当附着在金属表面上的气泡破灭时,所产生的局部高温和高压会使金属腐蚀,这种由气穴造成的腐蚀作用称为气蚀。气蚀会使液压元件的工作性能变坏,并使其寿命大大缩短。
气穴多发生在阀口和液压泵的进口处。由于阀口的通道狭窄,液流的速度增大,故压力大幅度下降,以致产生气穴。若泵的安装高度过大,吸油管直径太小,吸油阻力太大,或泵的转速过高,造成进口处真空度过大,亦会产生气穴现象。
为减少气穴现象和气蚀的危害,通常采取下列措施:
①减小小孔或缝隙前后的压力降。一般希望小孔或缝隙前后的压力比值p1/p2<3.5。
②降低泵的吸油高度,适当加大吸油管内径,限制吸油管中液体的流速,尽量减少吸油管路中的压力损失(如及时清洗过滤器或更换滤心等)。对于自吸能力差的泵需用辅助泵供油。
③管路要有良好的密封,防止空气进入。
④提高零件的机械强度,采用抗腐蚀能力强的金属材料。
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