第6、7次---液压流体力学基础

液压与气压传动第2章液压流体力学基础2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.4管路压力损失分析2.4管路压力损失分析实际液体是有粘性的，为了克服粘性摩擦阻力，液体流动时要损耗一部分能量，由于管道中流量不变，因此这种能量损耗表现为压力损失。损耗的能量转变为热量，使液压系统的温度升高，影响系统的工作性能。压力损失分为两种：1)液体在等径直管中流动时因粘性摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失；2)由于管道的截面突然变化、液流方向改变或其他形式的液流阻力(如控制阀阀口)而引起的压力损失，称为局部压力损失。2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动层流时的沿程压力损失液体流经等径d的直管时，管长l段上的沿程压力损失将代入上式，并整理后得22Re6422vdlvdlpvdqvd24Re，，v——液流的平均流速式中ρ——液体的密度λ——沿程阻力系数，理论值λ=64/Re考虑到实际流动时还存在温度变化以及管道变形等问题，因此金属管道取λ=75/Re橡胶软管取λ=80/Re2.4管路压力损失分析qdlp41282021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动紊流时：232222vdldlvp紊流流动现象很复杂的，但紊流状态下液体流动的压力损失仍用上式来计算，式中的λ值不仅与雷诺数Re有关，而且与管壁表面粗糙度有关。λ=0.3164Re-0.25（105Re2.32×103）λ=0.032+0.221Re-0.237（3×106Re105）λ=[1.74+2lg(d/△)]-2（Re3×106或Re900d/△）∵紊流运动时，比层流大∴液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动p2.4管路压力损失分析2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动局部压力损失是液体流经阀口、弯管、通流截面变化等处所引起的压力损失。液流通过这些地方时，方向和流速发生变化，液体在这些地方扰动、搅拌，形成旋涡、尾流，或使边界层剥离，使液体的质点相互撞击，从而产生了较大的能量损耗。2.4.2局部压力损失2.4.2局部压力损失2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动局部压力损失与液流的动能直接相关，可以表达成如下的计算式22vp采用比能形式，可写成gvh22v—液流的平均流速，一般情况下均指局部阻力下游处的流速ς——局部阻力系数2.4.2局部压力损失2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动由于液体流经局部阻力区域的流动情况非常复杂，所以局部阻力系数ς的值仅在少数场合可以采用理论推导的方法求得，一般都必须通过实验来确定。各种局部装置结构的ς的具体数值可从有关液压工程手册中查到。2.4.2局部压力损失2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动对于液流通过各种标准液压阀的局部损失，一般可从产品技术规格中查到，但所查到的数据是在额定流量qn时的压力损失△pn，若实际通过流量与其不一样时，可按下式计算，即：2)(nnVqqpp2.4.2局部压力损失2.4.3管路总压力计算222)(22nnqqpvvdlppp液压系统的管路一般由若干段管道和一些阀、过滤器、管接头、弯头等组成，因此管路总的压力损失就等于所有直管中的沿程压力损失和所有这些元件的局部压力损失之总和。2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.4.3管路总压力计算管路系统的总压力损失：一般在液压传动中，可将压力损失写成如下形式：∑△p=p1-p2∴一般有推荐流速可供参考，见有关手册。减小△p的措施：1、尽量↓L，↓突变2、↑加工质量，力求光滑，ν合适3、↑A，↓v其中v的影响最大过低尺寸↑成本↑过高△p↑∵△p∝v2222)(22nnqqpvvdlppp2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.5小孔流量(Flowrateoforifice)2.5小孔流量小孔可分为三种：l/d≤0.5时，称为薄壁孔；l/d＞4时，称为细长孔；0.5＜l/d≤4时，称为短孔。l为小孔长度；d为小孔孔径。液流经过孔口的流量公式是研究节流调速的理论基础。薄壁小孔流2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动—完全收缩：d1/d≥7，收缩作用不受d1内壁影响；—不完全收缩：d1/d7，d1内壁对液流进入小孔起导向作用。一般薄壁小孔孔口边缘都作成刃口形式流体流动特性:液流通过小孔时在惯性力作用下发生收缩现象：2-2处d2d；2.5.1薄壁小孔的流量2.5小孔流量(Flowrateoforifice)2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动取1-1和2-2截面列伯努利方程为：wppghvpghv22222112112121式中：速度系数。pCppvv2)(211122,21222vpw，式中，，因可以忽略；收缩断面为紊流，21hh121vvv，代入上式可得：1/1Cv2.5小孔流量(Flowrateoforifice)2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动pACpACCvAqTqTcv2222薄壁小孔流由此可得通过薄壁孔口的流量公式为：式中：2222//ddAACCTcc收缩系数，—4/2dAATT孔口的过流断面面积，—cvqqCCCC流量系数，—1/1CvCv速度系数，—。孔口前后的压力差，—21ppppcvqCCC、、的数值由实验确定。当液流完全收缩时，62.0~6.098.0~97.063.0~61.0qcccc，，当不完全收缩时，8.0~7.0qc2.5小孔流量(Flowrateoforifice)2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.5小孔流量流经薄壁小孔的流量不受粘度变化的影响，而只与小孔前后的压差的平方根及小孔的面积有关。因此，常用薄壁小孔作流量控制阀的节流孔，使流量不受粘度变化的影响。2.5小孔流量(Flowrateoforifice)2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动pACqTq22.5.2短孔的流量液体流经短孔的流量计算公式与薄壁小孔相同，只是流量系数Cq不同，一般取Cq=0.82。短孔比薄壁小孔容易加工，因此特别适合要求不高的节流阀用，常用作固定节流器。2.5小孔流量2.5.3细长孔的流量液体流经细长孔时，由于液体的内摩擦力的作用较突出，因此多为层流。细长孔的流量计算公式：pldq1284（2-41）流经细长孔的流量会随液体粘度变化而变化，因此流量受油温影响较大。细长孔可用作控制阀中的阻尼孔。2.5小孔流量(Flowrateoforifice)2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动pCAqT纵观各小孔流量公式，可以归纳出一个通用公式：（2-42）式中:C—由孔的形状、尺寸和液体性质决定的系数。对薄壁小孔、短孔；对细孔。/2qCC)32/(2ldC—孔口两端压力差；pTA。4/2dAT—孔口的过流断面面积；—由孔的长径比决定的指数。薄壁小孔、短孔；细长孔。15.02.5小孔流量2.5小孔流量(Flowrateoforifice)2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动缝隙流量——液压系统的零件之间存在缝隙，油液通过缝隙产生泄漏。流态——缝隙狭窄，与壁面接触面积大，为层流。流动状态：压差流动：由两端压力差造成的流动。剪切流动：由缝隙两壁面相对运动造成的流动。压差剪切流动:两种流动的组合压差流动剪切流动2.6缝隙流动2.6缝隙流动2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动平面缝隙环状缝隙常见缝隙2.6.1平行平面缝隙平行平面缝隙分为固定平行平板缝隙和相对运动平行平板缝隙两种。2.6缝隙流动设缝隙度高为δ，宽度为b，长度为l,两端压力为p1、p2其压差为Δp，从缝隙中取一微小六面体，左右两端所受压力为p和p+dp，上下两侧面所受摩擦切应力为τ+dτ和τ1.固定平行平板缝隙的流量2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动水平方向受力平衡方程：pbdy+（τ+dτ）bdx=（p+dp）bdy+τbdx整理后得：ddpdyddyduddpdyud122)372(21212CyCyddpu式中，C1、C2为积分常数。由边界条件：当y=0，u=0；y=δ，u=0，分别代入得：0,221CdxdpC2.6缝隙流动2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动在缝隙液流中，dp/dx是一常数lplpplppdxdp2112)382()(2yylpu)392(12)(2300plbydyylpbubdyq结论：在压差作用下，通过固定平行平板缝隙的流量与缝隙高度的三次方成正比，这说明，液压元件内缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。2.6缝隙流动2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动buvAq202.流过相对运动平行平板缝隙的流量u02.6缝隙流动当一平板固定，另一平板以速度u0作相对运动时，液体的平均流速v=u0/2，故由于平板相对运动而使液体流过缝隙的流量为：剪切流动2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动3.在平行平板缝隙既有压差流动又有剪切流动的流量bulpbq21203是以上两种的线形叠加，流量公式为：上式中的正负号确定：剪切流动与压差流动方向相同时，取“+”；反之，剪切流动与压差流动方向相反时，取“—”。u0p1p22.6缝隙流动2.6缝隙流动2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.6缝隙流动2.6.2圆柱环状缝隙流量为：dulpdq212032.6缝隙流动1.流过同心圆缝隙的流量上式中的正负号确定：剪切流动与压差流动方向相同时，取“+”；反之，剪切流动与压差流动方向相反时，取“—”。环形缝隙：液压缸缸筒与活塞、阀芯与阀孔分类：同心、偏心设圆柱体直径为d，缝隙厚度为δ，缝隙长度为l,若沿圆周展开，相当于平行平板缝隙。2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.通过偏心圆缝隙的流量dulpdq2)5.11(12023δ—内外圆同心时的缝隙值；ε—相对偏心率，ε=e/δ。2.6缝隙流动若圆环的内外圆不同心，偏心距为e，则形成偏心圆环缝隙。其流量为：结论：1）ε=1时，压差流量q偏=2.5q同2）ε=0时即同心圆环缝隙3）∵q与ε2成正比，ε↑q↑∴应尽量做成同心，以减小泄漏量。2.6缝隙流动2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动小结：缝隙流量中，间隙δ的影响很大，流量与缝隙δ三次方成正比。控制合适间隙非常重要，缝隙增大到一定程度，因泄漏太大而使液压元件报废，在齿轮泵和马达中，为了减小间隙，采用了间隙补偿结构。压差越大，泄漏量也越大，因此液压泵及马达的容积效率随压力增加而减少。当泵出口压力近似为零时，可用实际流量代替理论流量。偏心圆柱环状缝隙的泄漏量比同心环状缝隙大，泄漏极限时是同心时的2.5倍，工程实际中，计算圆柱环状缝隙泄漏量时，常取同心泄漏的1.75倍。缝隙泄漏与粘度有关，因此油温的变化对泄漏量有影响。2.6缝隙流动2.6缝隙流动2021年9月9日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.7空穴现象和液压冲击(CavitationandHydraulicShock)产生噪声，影响元件和系统寿命。1）迅速使油液换向或突然关闭油路，使液体受阻，动能转换为压力能，使压力升高。2）运动部件突然制动或换向，使压力升高。2.7.1液压冲击(HydraulicShock)如：急速关闭自来水管可能使水管发生振动，同时发出