小孔和间隙的流量.ppt

,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,Part2.6.4压力损失,实际液体是有粘性的，所以流动时粘性阻力要损耗一定能量，这种能量损耗表现为压力损失。损耗的能量转变为热量，使液压系统温度升高，甚至性能变差。因此在设计液压系统时，应考虑尽量减小压力损失。,液体在流动时产生的压力损失分两种：沿程压力损失和局部压力损失。沿程压力损失：液体在等径直管内流动时因摩擦而产生的压力损失。局部压力损失：液体流经管道的弯头、接头、阀口以及突然变化的截面等处时，因流速或流向发生急剧变化而在局部区域产生流动阻力所造成的压力损失。,由圆管层流的流量公式(2-82）可求得，即为沿程压力损失,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,1.沿程压力损失,(2-86）,将代入上式并整理后得,(2-87）,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,液体在直管中作湍流流动时，其沿程压力损失的计算公式与层流时相同，即仍为,式中液体的密度；沿程阻力系数，理论值。考虑到实际流动时还存在温度变化等问题，因此液体在金属管道中流动时宜取，在橡胶软管中流动时则取。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,不过式中的沿程阻力系数有所不同。由于湍流时管壁附近有一层层流边界层，它在Re较低时厚度较大，把管壁的表面精糙度掩盖住，使之不影响液体的流动，像让液体流过一根光滑管一样（称为水力光滑管）。这时的仅和Re有关，和表面粗糙度无关，即=f(Re)。当Re增大时，层流边界层厚度减薄。当它小于管壁表面粗糙度时，管壁表面粗糙度就突出在层流边界层之外（称为水力粗糙管），对液体的压力损失产生影响。这时的将与Re以及管壁的相对表面粗糙度/d（为管壁的绝对表面粗糙度，d为管子内径）有关，即=f(Re，/d)。当管流的Re再进一步增大时，将仅与相对表面粗糙度/d有关，即=f(/d)，这时就称管流进入了它的阻力平方区。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,圆管的沿程阻力系数的计算公式列于表118中。,表1-18圆管的沿程阻力系数的计算公式,管壁绝对表面粗糙度的值，在粗估时，钢管取0.04mm，铜管取0.00150.01mm，铝管取0.00150.06mm，橡胶软管取0.03mm，铸铁管取0.25mm。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,2.局部压力损失,局部压力损失p与液流的动能直接有关，一般可按下式计算,(2-88）,式中液体的密度；v液体的平均流速；局部阻力系数。由于液体流经局部阻力区域的流动情况非常复杂，所以的值仅在个别场合可用理论求得，一般都必须通过实验来确定。的具体数值可从有关手册查到。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,3.液压系统管路的总压力损失,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p和所有这些元件的局部压力损失p之总和，即,(2-89）,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,必须指出，上式仅在两相邻局部压力损失之间的距离大于管道内径1020倍时才是正确的。因为液流经过局部阻力区域后受到很大的干扰，要经过一段距离才能稳定下来。如果距离太短，液流还未稳定就又要经历后一个局部阻力，它所受到的扰动将更为严重，这时的阻力系数可能会比正常值大好几倍。,通常情况下，液压系统的管路并不长，所以沿程压力损失比较小，而阀等元件的局部压力损失却较大。因此管路总的压力损失一般以局部损失为主。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,对于阀和过滤器等液压元件往往并不应用式(2-88）来计算其局部压力损失，因为液流情况比较复杂，难以计算。它们的压力损失数值可从产品样本提供的曲线中直接查到。但是有的产品样本提供的是元件在额定流量qr下的压力损失pr。当实际通过的流量q不等于额定流量qr时，可依据局部压力损失p与速度v2成正比的关系按下式计算,(2-90）,Back,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,Part2.7孔口流动,小孔在液压传动中的应用十分广泛。本节将分析流体经过薄壁小孔、短孔和细长孔等小孔的流动情况，并推导出相应的流量公式，这些是以后学习节流调速和伺服系统工作原理的理论基础。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,Part2.7.1薄壁小孔,薄壁小孔是指小孔的长度和直径之比l/d0.5的孔，一般孔口边缘做成刃口形式如图126所示。各种结构形式的阀口就是薄壁小孔的实际例子。,图1-26通过薄壁小孔的流体,当流体流经薄壁小孔时，由于流体的惯性作用，使通过小孔后的流体形成一个收缩截面Ac（见图126），然后再扩大，这一收缩和扩大过程便产生了局部能量损失。当管道直径与小孔直径之比d/d07时，流体的收缩作用不受孔前管道内壁的影响，这时称流体完全收缩；当d/d07时，孔前管道内壁对流体进入小孔有导向作用，这时称流体不完全收缩。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,列出图126中截面11和22的能量方程，并设动能修正系数=1，有,式中，h为流体流经小孔的局部能量损失，它包括两部分：流体流经截面突然缩小时的h1和突然扩大时的h2。,由前知,经查手册得,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,由于AcA2，所以,将上式代入能量方程，并注意到A1=A2时，v1=v2，则得,(2-91）,式中Cv小孔速度系数，；p小孔前后的压差，。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,由此得流经小孔的流量为,(2-92）,式中A0小孔的截面积；Cc截面收缩系数，Cc=Ac/A0；Cd流量系数，Cd=CcCv。,液体流经薄壁小孔的收缩系数Cc可从图1-27中查得。,图1-27液体的收缩系数,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,气体流经节流孔的收缩系数Cc由图1-28查出。,图1-28气体流经节流孔的收缩系数,液体的流量系数Cd的值由实验确定。在液流完全收缩的情况下，当Re=8005000时，Cd可按下式计算,(2-93）,当Re105时，Cd可以认为是不变的常数，计算时取平均值Cd=0.600.61。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,在液流不完全收缩时，流量系数Cd可增大至0.70.8，具体数值见表1-19。当小孔不是刃口形式而是带棱边或小倒角的孔时，Cd值将更大。,表1-19不完全收缩时液体流量系数Cd的值,气体的流量系数一般取Cd=0.620.64。,由式(2-92）可知，流经薄壁小孔的流量q与小孔前后的压差p的平方根以及小孔面积A0成正比，而与粘度无关。由于薄壁小孔具有沿程压力损失小、通过小孔的流量对工作介质温度的变化不敏感等特性，所以常被用作调节流量的器件。正因为如此，在液压传动中，常采用一些与薄壁小孔流动特性相近的阀口作为可调节孔口，如锥阀、滑阀、喷嘴挡板阀等。流体流过这些阀口的流量公式仍满足式(2-92），但其流量系数Cd则随着孔口形式的不同而有较大的区别，在精确控制中尤其要进行认真的分析。详细内容可参考附录A。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,Part2.7.2短孔和细长孔,当孔的长度和直径之比0.5l/d4时，称为短孔，短孔加工比薄壁小孔容易，因此特别适合于作固定节流器使用。,短孔的流量公式依然是式(2-92），但其流量系数Cd应由图1-29查出。由图中可知，当Re2000时，Cd基本保持在0.8左右。,图1-29液体流经短孔的流量系数,当孔的长度和直径之比l/d4时，称为细长孔。流经细长孔的液流一般都是层流，所以细长孔的流量公式可以应用前面推导的圆管层流流量公式(2-82），即,式中，液体流经细长孔的流量和孔前后压差p成正比，而和液体粘度成反比。因此流量受液体温度变化的影响较大。这一点和薄壁小孔的特性明显不同。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,Part2.8缝隙流动,在液压与气动元件的各组成零件间总存在着某种配合间隙，不论它们是静止的还是变动的，都与工作介质的泄漏问题有关。本节介绍流体经过各种缝隙的流动特性及其流量公式，作为分析和计算元件泄漏的依据。,与空气相比液体的泄漏引起的功率损失和对环境的污染危害更大，所以下面阐述液体通过缝隙的流动，即液体的泄漏问题。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,Part2.8.1平行平板缝隙,图134所示为在两块平行平板所形成的缝隙间充满了液体，缝隙高度为h，缝隙宽度和长度为b和l，且一般恒有bh和lh。若缝隙两端存在压差p=p1-p2，液体就会产生流动；即使没有压差p的作用，如果两块平板有相对运动，由于液体粘性的作用，液体也会被平板带着产生流动。,图1-34平行平板缝隙间的液流,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,分析液体在平行平板缝隙中最一般的流动情况，即既有压差的作用，又受平板相对运动的作用。,在液流中取一个微元体dxdy（宽度方向取单位长），作用在其左右两端面上的压力为p和p+dp，上下两面所受到的切应力为+d和，因此微元体的受力平衡方程为,经过整理并将代入后有,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,对上式积分两次得,(2-109）,式中，C1、C2为积分常数，可利用边界条件求出：当平行平板间的相对运动速度为u0时，在y=0处，u=0，在y=h处，u=u0，则,此外，液流作层流时p只是x的线性函数，即把这些关系式代入上式并整理后有,(2-110）,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,由此得通过平行平板缝隙的流量为,(2-111）,如果将上面的这些流量理解为元件缝隙中的泄漏量，那么从式(2-112）可以看到，在压差作用下，通过缝隙的流量与缝隙值的三次方成正比，这说明元件内缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。,H&P,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,Part2.8.2环形缝隙,液压和气动元件各零件间的配合间隙大多数为圆环形间隙，如滑阀与阀套之间、活塞与缸筒之间等等。理想情况下为同心环形缝隙；但实际上，一般多为偏心环形缝隙。,1.流经同心环形缝隙的流量,图1-35同心环形缝隙间的液流a）缝隙较小b）缝隙较大,图135所示为液体在同心环形缝隙间的流动。图135a中圆柱体直径为d，缝隙大小为h，缝隙长度为l。当缝隙h较小时，可将环形缝隙沿圆周方向展开，把它近似地看作是平行平板缝隙间的流动。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,将b=d代入式(2-111），可得同心环形缝隙的流量公式,(2-114）,当圆柱体移动方向与压差方向相反时，上式第二项应取负号。,若圆柱体和内孔之间没有相对运动，即u0=0，则此时的同心环形缝隙流量公式为,(2-115）,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,当缝隙较大时（见图135b），必须精确计算。经推导其流量公式为,(2-116）,式中符号意义见图135b所示。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,2.流经偏心环形缝隙的流量,图1-36所示为液体在偏心环形缝隙间的流动。设内外圆间的偏心量为e，在任意角度处的缝隙为h。因缝隙很小，r1r2r可把微元圆弧db所对应的环形缝隙间的流动近似地看作是平行平板缝隙间的流动。将db=rd代入式(2-111）得,图1-36偏心环形缝隙间的液流,由图136的几何关系，可以得到,式中h0内外圆同心时半径方向的缝隙值；相对偏心率，=e/h0。,H&P,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,将h值代入上式并积分后，便得偏心环形缝隙的流量公式为,(2-117）,当内外圆之间没有轴向相对移动，即u0=0时，其流量公式为,(2-118）,由上式可以看出，当=0时，它就是同心环形缝隙的流量公式；当=1，即有最大偏心量时，其流量为同心环形缝隙流量的2.5倍。因此在液压与气动元件中，为了减小缝隙泄漏量，应采取措施，尽量使其配合处于同心状态。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,3.流经圆环平面缝隙的流量,图1-37所示为液体在圆环平面缝隙间的流动。这里，圆环与平面之间无相对运动，液体自圆环中心向外辐射流出。设圆环的大、小半径为r2和r1，它与平面间的缝隙值为h，则由式(2-110），并令u0=0，可得在半径为r、离下平面z处的径向速度为,流过的流量为,即,图1-37圆环平面缝隙间的液流,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,对上式积分，有,当r=r2时，p=p2，求出C，代入上式得,又当r=r1时，p=p1，所以圆环平面缝隙的流量公式为,(2-119）,Back,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,Part2.9瞬变流动,在液压与气动系统中有时会出现流体的流速在极短的瞬间发生很大变化的现象，从而导致压力的急剧变化，这就是所谓瞬变流动。瞬变流动会给系统带来很大的危害，应尽量予以避免。,本节主要介绍液压冲击和气穴现象以及它们的减小措施。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,Part2.9.1液压冲击,在液压系统中，当突然关闭或开启液流通道时，在通道内液体压力发生急剧交替升降的波动过程称为液压冲击。出现液压冲击时，液体中的瞬时峰值压力往往比正常工作压力高好几倍，它不仅会损坏密封装置、管道和液压元件，而且还会引起振动和噪声；有时使某些压力控制的液压元件产生误动作，造成事故。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,1.管内液流速度突变引起的液压冲击,有一液位恒定并能保持液面压力不变的容器如图1-40所示。容器底部连一管道，在管道的输出端装有一个阀门。管道内的液体经阀门B出流。若将阀门突然关闭，则紧靠阀门的这部分液体立刻停止运动，液体的动能瞬时转变为压力能，产生冲击压力，接着后面的液体依次停止运动，依次将动能转变为压力能，在管道内形成压力冲击波，并以速度c由B向A传播。,图1-40液流速度突变引起的液压冲击,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,设图1-40中管道的截面积和长度分别为A和l，管道中液体的流速为v，密度为，则根据能量守恒定律，液体的动能转化成液体的压力能，即,所以,(2-121）,式中pmax液压冲击时压力的升高值；K计及管壁弹性后的液体等效体积模量；c压力冲击波在管道中的传播速度，即,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,压力冲击波在管道中的传播速度可按下式计算,(2-112）,式中K液体的体积模量；d管道的内径；管道的壁厚；E管道材料的弹性模量。,压力冲击波在管道中液压液内的传播速度c一般在8901420m/s范围内。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,如果阀门不是全部关闭，而是部分关闭，使液体的流速v降到v，则只要在式(2-121）中以（v-v）代替v，便可求得这种情况下的压力升高值，即,(2-123）,一般，依阀门闭时间常把液压冲击分为两种：,当阀门关闭时间时，称为直接液压冲击（又称完全冲击）。,当阀门关闭时间，称为间接液压冲击（又称不完全冲击）。此时压力升高值比直接冲击时小。(2-124）,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,各种情况下关闭液流通道时管内液压冲击的压力升高值归纳于表1-20。,表1-20关闭液流通道时管内液压冲击的压力升高值,pmax=cv,pr=c(v-v),不论是哪一种情况，知道了液压冲击的压力升高值p后，便可求得出现冲击时管道中的最高压力,(2-125）,式中，p为正常工作压力。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,2.运动部件制动引起的液压冲击,图1-41运动部件制动引起的液压冲击,原理：如图1-41所示，活塞以速度v驱动负载m向左运动，活塞和负载的总质量为m。当突然关闭出口通道时，液体被封闭在左腔中。但由于运动部件的惯性而使腔内液体受压，引起液体压力急剧上升。运动部件则因受到左腔内液体压力产生的阻力而制动。,设运动部件在制动时的减速时间为t，速度的减小值为v，则根据动量定律可近似地求得左腔内的冲击压力p，由于,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,故有,(2-126）,式中m运动部件（包括活塞和负载）的总质量；A液压缸的有效工作面积；t运动部件制动时间；v运动部件速度的变化值，v=v-v；v运动部件制动前的速度；v运动部件经过t时间后的速度。,上式的计算忽略了阻尼、泄漏等因素，其值比实际的要大些，因而是偏安全的。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,3.减小液压冲击的措施,针对上述各式中影响冲击压力p的因素，可采取以下措施来减小液压冲击；,1）适当加大管径，限制管道流速v，一般在液压系统中把v控制在4.5m/s以内，使pmax不超过5MPa就可以认为是安全的。2）正确设计阀口或设置制动装置，使运动部件制动时速度变化比较均匀。3）延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间，可采用换向时间可调的换向阀。4）尽可能缩短管长，以减小压力冲击波的传播时间，变直接冲击为间接冲击。5）在容易发生液压冲击的部位采用橡胶软管或设置蓄能器，以吸收冲击压力；也可以在这些部位安装安全阀，以限制压力升高。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,图1-42气体溶解度以及从油液中放出的气体体积与压力间的关系a）溶解度压力间的关系b）油液中放出气体体积与压力间的关系,如图1-42a所示。在常温常压下，石油基液压油的空气溶解度约等于（612）%。,溶解在液体中的空气对液体的体积模量没有影响，但当液体的压力降低时，这些气体就会从液体中分离出来，如图1-42b所示。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,在一定温度下，当液体压力低于某值时，溶解在液体中的空气将会突然地迅速从液体中分离出来，产生大量气泡，这个压力称为液体在该温度下的空气分离压。,有气泡的液体其体积模量将明显减小。气泡越多，液体的体积模量越小。,当液体在某一温度下其压力继续下降而低于一定数值时，液体本身便迅速汽化，产生大量蒸气，这时的压力称为液体在该温度下的饱和蒸气压。,一般说来，液体的饱和蒸气压比空气分离压要小得多。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,几种液体的饱和蒸气压与温度的关系如图1-43所示。,图1-43饱和蒸气压与温度的关系油-水乳化液水-乙二醇液氯化烃液合成液石油基油液硅酸酯液磷酸酯液硅酮液,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,2.节流孔口的气穴,气穴的产生：当液体流到图1-44所示的节流口的喉部位置时，由于流速很高，根据能量方程，该处的压力会很低。如那里的压力低于液体工作温度下的空气分离压，就会出现气穴现象。同样，在液压泵的自吸过程中，如果泵的吸油管太细、阻力太大，滤网堵塞，或泵安装位置过高、转速过快等，也会使其吸油腔的压力低于工作温度下的空气分离压，从而产生气穴。,图1-44节流口的气穴现象,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,当液压系统出现气穴现象时，大量的气泡使液流的流动特性变坏，造成流量不稳，噪声骤增。特别是当带有气泡的液流进入下游高压区时，气泡受到周围高压的压缩，迅速破灭，使局部产生非常高的温度和冲击压力。这样的局部高温和冲击压力，一方面使金属表面疲劳，另一方面又使工作介质变质，对金属产生化学腐蚀作用，从而使液压元件表面受到侵蚀、剥落，甚至出现海绵状的小洞穴。,因气穴而对金属表面产生腐蚀的现象称为气蚀。,气蚀会严重损伤元件表面质量，大大缩短其使用寿命，因而必须加以防范。,high-technicalinstituteofShanghaiDianJiUniversity,上海电机学院高职学院,第二章液压传动基础,液压传动,3.减小气穴的措施,在液压系统中，哪里压力低于空气分离压，那里就会产生气穴现象。为了防止气穴现象的发生，最根本的一条是避免液压系统中的压力过分降低。具体措施有：,1）减小阀孔口前后的压差，一般希望其压力比p1/p23.5。2）正确设计和使用液压泵站3）液压系统各元部件的连接处要密封可靠，严防空气侵入。4）采用抗腐蚀能力强的金属材料，提高零件的高职强度，减小零件表面粗糙度值。,Back,