第六节 管道 流动.ppt

1、第六节 管道 流动,一、流态与雷诺数 （一）层流和紊流 在层流时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线； 在紊流时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。 层流和紊流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能任意运动，粘性力起主导作用；紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。,（二）雷诺数,对于圆形管道： 液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层流时的雷诺数是不同的，后者数值小。所以一般都用后者作为判别流动状态的依据，称为临界雷诺数，记作Recr当雷诺数Re小于临界雷诺数Recr时，液流

2、为层流；反之，液流大多为紊流。 对于非圆截面的管道 ：,二、圆管层流,umax=pR24l =2和=43。,三、圆管紊流,=1 =1,四、压力损失,液体在流动时产生的压力损失分为两种： 一种是液体在等径直管内流动时因摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失； 另一种是液体流径管道的弯头、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，称为局部压力损失。,（一）沿程压力损失,将 代人上式并整理后 得,液体在金属管道中流动时宜取=75Re，在橡胶软管中流动时则取 =80Re。,液体在直管中作紊流流动时其沿程压力损失,由于紊流时管壁附近有一层层流边

3、界层，它在Re较低时厚度较大，把管壁的表面粗糙度掩盖住，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。这时的将和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，这时就称管流进入了它的阻力平方区。,管壁绝对表面粘糙度的值，在粗估时，钢管取 0 .04mm，铜管取 0. 00

4、150.olmm，铝管取 0.00150.06mm，橡胶软管取 0.03mm，铸铁管取 0.25mm。,（二）局部压力损失,（三）液压系统管路的总压力损失,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。,阀和过滤器等液压元件的局部压力损失,第七节 孔 口 流动,一、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。,液体的流量系数Cd,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 Cd=0.964Re-0.05 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。 在液流不

5、完全收缩时，流量系数已可增大至 0.70.8，具体数值见表 l-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。,薄壁小孔的特点,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。 在液压与气压传动中，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。,短孔,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（1-94），但

6、其流量系数Cd应由图131查出。,细长孔,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。,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。,（二）气体流量计算,1不可压缩气体通过节流孔的流量 当气体流速较低（v5m/s）时，可不计压缩性的影响，通过节流孔的流量可按下式计算,一般取 Cd=0.620.64,2.可压缩气体通过节流孔的流量,亚声速 时 超声速 时,例 112,已知某气动阀在环境温度为 20C、气源压力为 0.5MPa（表压）的条件下进行实验，测得气动阀进、出口压差p=0.02M

7、Pa，额定流量q=2.5m3h。试求该阀有效截面S的值。,第八节 缝隙流动,一、平行平板缝隙 微元体的受力平衡方程为 pdy+（+d）dx=（p+dp）dy+dx 经过整理并后有,对上式积分两次得 利用边界条件在y=0处，u=0，在y=h处， u=u0,则得， ， C2=0，此 外dp/dx=(p2-p1)/l=-p/l，把这些关系式代人上式并整理后有,由此得通过平行平板缝隙的流量为 压差流动 剪切流动,二、环形缝隙,（一）流经同心环形缝隙的流量 当长圆柱表面相对短圆柱表面的运动方向与压差流动方向一致时取“+”，反之取“-” 若圆柱体和内孔之间没有相对运动,当缝隙较大时，必须精确计算，经推导其

8、流量公式为 ：,（二）流经偏心环形缝隙的流量,环形缝隙间的流动近似地看作是平行平板缝隙间的流动 hh0-ecos= h0(1-cos)，=eh0 u0=0时,（三）流经圆环平面缝隙的流量,流过的流量为,对上式积分，有 当r=r2时，p=p2，求出C，代人上式得 所以圆环平面缝隙的流量公式为,第九节 瞬变流动,一、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

9、。,设图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 式中 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，,压力冲击波在管道中的传播速度可按下式计算 如果阀门不是全部关闭，而是部分关闭，使液体的流速从v降到v，则,依阀门关闭时间常把液压冲击分为两种,当阀门关闭时间ttc=2l/c时，称为直接液压冲击（又称完全冲击）。 当阀门关闭时间ttc=2l/c时，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，它可近似地按下式计算,不论是哪一种情况，知道了液压冲

10、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 pmax=p+p 式中，p为正常工作压力。,（二）运动部件制动引起的液压冲击,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,（三）减小液压冲击的措施,1）适当加大管径，限制管道流速v， 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

11、装安全阀。以限制压力升高。,二、气穴现象,在液压系统中，当流动液体某处的压力低于空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会游离出来，使液体中产生大量气泡，这种现象称为气穴现象。,（一）空气分离压和饱和蒸气压,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。 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。,（二）节流孔口的气穴,（三）减小气穴的措施,l）减小阀孔口前后的压差，一般希望其压力比p1p23.5。 2）正确设计和使用液

12、压泵站。 3）液压系统各元部的联接处要密封可靠，严防空气侵入。 4）采用抗腐蚀能力强的金属材料，提高零件的机械强度，减小零件表面粗糙度。,第二章 能源装置及辅件,第一节 概 述 一、能源装置的组成 能源装置有两大类：液压能源装置和气源装置。 液压能源装置用来向液压系统输送具有一定压力和流量的清洁的工作介质 。 气源装置则向气动系统输送一定压力和流量的洁净的压缩空气。 液压泵站一般由泵、油箱和一些液压辅件（过滤器、温控元件、热交换器、蓄能器、压力表及管件等）组成 。 气源装置则由空压机、压缩空气的净化储存设备（后冷却器、油水分离器、储气罐、干燥器及输送管道）、气动三联件（分水过滤器、油雾器及减压

13、阀）组成 。,二、对能源装置的基本要求,1）能源装置外观应美观，其色泽应与主机协调。 2）对能源装置上所装元件的排列布置应匀称，对之进行调节或维护应方便，更换元件容易。 3）能源装置应节能，在系统不需要高压流体时，能源装置应卸荷或采取其他的节能措施。 4）能源装置应工作平稳，产生振动小，噪声小，噪声水平应符合有关规定。 5）和电气、电子控制结合使用，能远程控制能源装置以符合主机对所需的工作参数（压力、流量等）变化的要求。,对能源装置的基本要求,6）能源装置可利用过载保护或其他适当的措施确保其工作高度可靠。 7）一般情况下，能源装置应尽量采用标准的元件组合而成，万不得已时才进行个别元件的单独设计

14、。 8）能源装置应减少泄漏，液压泵站更应如此，因工作液的泄漏，不仅浪费能源，而且污染环境。 9）对工作介质的温度必须进行严格的监控，因传动和控制的特性和介质的温度有关，且当温度超限时，液压泵站工作液的寿命将大大缩短。,第二节 液压泵,一、液压泵概述 液压泵是一种将机械能转换为液压能的能量转换装置。它为液压系统提供具有一定压力和流量的液体，是液压系统的一个重要组成部分。液压泵性能好坏直接影响液压系统工作的可靠性和稳定性。,（一）液压泵的工作原理,构成液压泵的基本条件是： l）具有密封的工作腔。 2）密封工作腔容积大小交替变化，变大时与吸油口相通，变小时与压油口相通。 3）吸油口和压油口不能连通。

15、,（二）液压泵的主要性能参数,1液压泵的压力 工作压力是指液压泵的出口处的实际压力，其大小取决于负载。 额定压力ps 是指液压泵在连续使用中允许达到的最高压力。 2液压泵的排量、流量 排量V是指在没有泄漏情况下，泵轴转过一转时所能排出的油液体积。排量的大小仅与液压泵的几何尺寸有关。 3功率与效率,1）输入功率pi为驱动液压泵轴的机械功率。 2）输出功率P。为液压泵输出的液压功率。 如果不考虑液压泵在能量转换过程中的损失，则输入功率等于输出功率，即是它们的理论功率 PtpVn=Tt2Ttn 式中Tt液压泵的理论转矩； 泵的角速度； n泵的转速。 实际上，液压泵在能量转换过程中是有损失的，因此输出

16、功率总是比输入功率小。两者之差值即为功率损失。,（1）容积损失,因内泄漏、气穴和油液在高压下受压缩而造成的流量上的损失，内泄漏是主要原因。因而泵的压力增高，输出的实际流量就减小。用容积效率v来表征容积损失的大小. 泄漏是由于液压泵内工作构件之间存在间隙所造成的，泄漏油液的流态可以看作为层流，泄漏量q就与泵的输出压力成正比，即，k1为泄漏系数。有,（2）机械损失,因泵内摩擦而造成的转矩上的损失。设转矩损失为T，实际输入转矩为T=Tt+T，用机械效率m来表征机械损失，可表示为 对液压泵而言，驱动泵的转矩总是大于理论上需要的转矩。 总效率是指液压泵的输出功率与输入功率之比，即 由上式表明，液压泵的总

17、效率等于容积效率和机械效率之乘积。,（三）液压泵的特性曲线,(四）液压泵的分类,按泵的排量可否调节，可分为定量泵和变量泵。其中变量泵有单作用叶片泵、径向柱塞泵、轴向柱塞泵等。 按结构形式，可分为柱塞泵、叶片泵、齿轮泵和螺杆泵等。每类中还有多种型式，例如柱塞泵有径向式和轴向式之分；叶片泵有单作用式、双作用式和凸轮转子式之分；齿轮泵有外啮合式和内啮合式之分；螺杆泵有双螺杆泵和单螺杆泵之分；,二、柱塞液压泵,2、流量,（二）斜轴式轴向柱塞泵,（三）径向柱塞泵,三、叶片液压泵,排量计算,(二）双作用叶片泵,流量计算,式中R，r叶片泵定于内表面圆弧部分长、短半径； 叶片倾角；s叶片厚度。 泵的实际输出流

18、量为,改善高压双作用叶片泵叶片受力状况的措施,减小通往吸油区叶片根部的油液压力，即在吸油区叶片根部与压油腔之间串联一减压阀或阻尼槽，使压油腔的压力油经减压后再与叶片根部相通。 减小叶片底部承受压力油作用的面积。,（三）限压式变量叶片泵,限压式变量叶片泵是一种输出流量随工作压力变化而变化的泵。当工作压力大到泵所产生的流量全部用于补偿泄漏时，泵的输出流量为零，不管外负载再怎样加大，泵的输出压力不会再升高，所以这种泵被称为限压式变量叶片泵。限压式变量叶片泵可分为外反馈式和内反馈式两种。,请注意以下几点：,通过调节弹簧预压缩量x0，便可改变pc和pmax的值，BC段曲线左右平移。 调节图214右端流量

19、调节螺钉6，可改变emax，从而改变泵的最大流量，AB段曲线上下平移，pc值稍有变化。 如果更换刚度不同的弹簧，则可改变BC段的斜率，弹簧越“软”，BC段越陡，反之，弹簧越“硬”，BC段越平坦。,四、齿轮液压泵,(一）外啮合齿轮泵,（二）内啮合齿轮泵,（三）螺杆泵,(一）外啮合齿轮泵,工作原理,流量和脉动,几个问题,提高压力的措施,流量和脉动,外啮合齿轮泵排量的精确计算可按啮合原理来进行。近似计算时，可认为排量等于它的两个齿轮的齿间槽容积之和。设齿间槽容积等于轮齿体积，则当齿轮齿数为z、节圆直径为D、齿高为h、模数为m、齿宽为b时，泵的排量为 考虑到齿间槽容积比轮齿体积稍大，所以通常取 V=6

20、.66 泵的实际流量为 由于齿轮啮合过程中工作腔容积变化率不是常数，因此，齿轮泵的瞬时流量是脉动的。运用流量脉动率。来评价瞬时流量的脉动。设qmax、qmin表示最大瞬时流量和最小瞬时流量。流量脉动率可用下式表示,几个问题,（1）泄漏 外啮合齿轮泵高压腔的压力油可通过齿轮两侧面和两端盖间轴向间隙、泵体内孔和齿顶圆间的径向间隙及齿轮啮合线处的间隙泄漏到低压腔中去。其中对泄漏影响最大的是轴向间隙，可占总泄漏量的7580。它是影响齿轮泵压力提高的首要问题。 （2）径向不平衡力 （3）因油,几种异形因油卸荷槽,外啮合齿轮泵的优点 和缺点,优点是结构简单，尺寸小，制造方便，价格低廉，自吸性能好，工作可靠

21、，对油液污染不敏感，维护方便。 其缺点是流量脉动大，因而压力脉动和噪声都较大。,提高压力的措施,要提高齿轮泵工作压力，首要的问题是解决轴向泄漏。而造成轴向泄漏的原因是齿轮端面和端盖侧面的间隙。解决这问题的关键是要在齿轮泵长期工作时，如何控制齿轮端面和端盖侧面之间的具有一个合适的间隙。在高、中压齿轮泵中，一般采用浮动轴套来实现轴向间隙自动补偿的办法。,（二）内啮合齿轮泵,内啮合齿轮泵有渐开线齿轮泵和摆线齿轮泵（又名转子泵）两种。,内啮合齿轮泵的优点 和缺点,优点：内啮合齿轮泵结构紧凑，尺寸小，重量轻；由于齿轮同向旋转，相对滑动速度小，磨损小，使用寿命长；流量脉动小，因而压力脉动和噪声都较小；油液

22、在离心力作用下易充满齿间槽，故允许高速旋转，容积效率高。摆线内啮合齿轮泵结构更简单，啮合重叠系数大，传动平稳。吸油条件更为良好。 缺点：齿形复杂，加工精度要求高，因此造价较贵。,（三）螺杆泵,螺杆泵结构简单，紧凑，体积小，重量轻，运转平稳，输油均匀，噪声小，容积效率高，允许采用高转速，对油液污染不敏感。主要缺点是加工较困难。不易保证精度。,六、液压泵的噪声,（一）产生噪声的原因,（二）降低噪声的措施,（一）产生噪声的原因,1）泵的流量脉动引起压力脉动，这是造成泵振动的动力源。 2）液压泵在其工作过程中，当吸油容积突然和压油腔接通，或压油容积突然和吸油腔接通时，会产生流量和压力的突变而产生噪声。

23、 3）气穴现象。 4）泵内流道具有突然扩大或收缩、急拐弯、通道面积过小等而导致油液紊流、旋涡而产生噪声。 5）管道、支架、联轴节等机械部分产生的噪声。,（二）降低噪声的措施,1）吸收泵的流量和压力脉动，在泵的出口处安装蓄能器或消声器。 2）消除泵内液压急剧变化，如在配油盘吸、压油窗口开三角形阻尼槽。 3）装在油箱厂的电动机和泵使用橡胶垫减振，安装时电机轴和泵轴的同轴度要好，要采用弹性联轴节。 4）压油管的某一段采用橡胶软管，对泵和管路的连接进行隔振。 5）防止气穴现象和油中渗混空气现象。,七、液压泵的选用,一般在负载小、功率小的机械设备中，可用齿轮泵和双作用叶片泵；精度较高的机械设备（例如磨床

24、）可用螺杆泵和双作用叶片泵；在负载较大并有快速和慢速行程的机械设备（例如组合机床）可用限压式变量叶片泵；负载大、功率大的机械设备可使用柱塞泵；机械设备的辅助装置，如送料、夹紧等要求不太高的地方，可使用价廉的齿轮泵。,第三节 油 箱,一、功用,二、结构,三、油箱的容量,一、功用,1）贮存供系统循环所需的油液； 2）散发系统工作时所产生的热量； 3）释出混在油液中的气体； 4）为系统中元件的安装提供位置。,二、结构,液压系统中的油箱有整体式油箱、分离式油箱；开式油箱、闭式油箱；上置式油箱，下置式油箱、旁置式油箱等之分。 整体式油箱是利用主机的内腔作为油箱，结构紧凑，易于回收漏油，但维修不便，散热条件不好，且会使主机产生热变形。分离式油箱单独设置