第一章 流量特性

第一章流量特性第一頁，共十九頁，2022年，8月28日管道流動(dòng)由于流動(dòng)液體具有粘性，以及流動(dòng)時(shí)突然轉(zhuǎn)彎或通過閥口會(huì)產(chǎn)生撞擊和旋渦，因此液體流動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生阻力。為了克服阻力，流動(dòng)液體會(huì)損耗一部分能量，這種能量損失可用液體的壓力損失來表示。壓力損失即是伯努利方程中的hw項(xiàng)。壓力損失由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成。液流在管道中流動(dòng)時(shí)的壓力損失和液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。流態(tài)、雷諾數(shù)沿程壓力損失局部壓力損失第二頁，共十九頁，2022年，8月28日流態(tài)，雷諾數(shù)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置第三頁，共十九頁，2022年，8月28日通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液體在管道中流動(dòng)時(shí)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)。層流——粘性力起主導(dǎo)作用紊流——慣性力起主導(dǎo)作用液體的流動(dòng)狀態(tài)用雷諾數(shù)來判斷。雷諾數(shù)——Re=vd/υ

，v

為管內(nèi)的平均流速d

為管道內(nèi)徑υ為液體的運(yùn)動(dòng)粘度雷諾數(shù)為無量綱數(shù)。如果液流的雷諾數(shù)相同，它的流動(dòng)狀態(tài)亦相同。一般以液體由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯睦字Z數(shù)作為判斷液體流態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，記為Recr。當(dāng)Re＜Recr，為層流；當(dāng)Re＞Recr，為紊流。常見液流管道的臨界雷諾數(shù)見書中表格。第四頁，共十九頁，2022年，8月28日沿程壓力損失

液體在等直徑管中流動(dòng)時(shí)因摩擦而產(chǎn)生的損失，稱為沿程壓力損失。因液體的流動(dòng)狀態(tài)不同沿程壓力損失的計(jì)算有所區(qū)別。層流時(shí)的沿程壓力損失：通流截面上的流速在半徑方向按拋物線規(guī)律分布。通過管道的流量

q=（πd4/128μl）Δp管道內(nèi)的平均流速v=(d2/32μl)Δp

沿程壓力損失Δpλ=（64/Re)(l/d)ρv2/2=λ（l/d）ρv2/2λ為沿程阻力系數(shù)，實(shí)際計(jì)算時(shí)對(duì)金屬管取λ=75/Re。紊流時(shí)的沿程壓力損失：

Δpλ=λ（l/d）ρv2/2λ除了與雷諾數(shù)有關(guān)外，還與管道的粗糙度有關(guān)。λ=f（Re，Δ/d），Δ為管壁的絕對(duì)粗糙度，Δ/d為相對(duì)粗糙度。第五頁，共十九頁，2022年，8月28日局部壓力損失液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、閥口等處時(shí)，液體流速的大小和方向發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生漩渦并發(fā)生紊動(dòng)現(xiàn)象，由此造成的壓力損失稱為局部壓力損失。Δpξ=ξρv2/2ξ為局部阻力系數(shù)，具體數(shù)值可查有關(guān)手冊(cè)。液流流過各種閥的局部壓力損失可由閥在額定壓力下的壓力損失Δps來換算：Δpξ=Δps（q/qs）2整個(gè)液壓系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有的局部壓力損失之和?！痞=∑Δpλ+∑Δpξ第六頁，共十九頁，2022年，8月28日孔口流動(dòng)在液壓元件特別是液壓控制閥中，對(duì)液流壓力、流量及方向的控制通常是通過特定的孔口來實(shí)現(xiàn)的，它們對(duì)液流形成阻力，使其產(chǎn)生壓力降，其作用類似電阻，稱其為液阻?！翱卓诹鲃?dòng)”主要介紹孔口的流量公式及液阻特性。薄壁小孔當(dāng)長(zhǎng)徑比l/d≤0.5時(shí)稱為薄壁小孔，一般孔口邊緣都做成刃口形式。當(dāng)液流經(jīng)過管道由小孔流出時(shí)，由于液體慣性作用，使通過小孔后的液流形成一個(gè)收縮斷面，然后再擴(kuò)散，這一收縮和擴(kuò)散過程產(chǎn)生很大的能量損失。對(duì)孔前、孔后通道斷面1－1、2－2列伯努利方程，其中的壓力損失包括突然收縮和突然擴(kuò)大兩項(xiàng)損失。

薄壁小孔液流第七頁，共十九頁，2022年，8月28日

經(jīng)整理得到流經(jīng)薄壁小孔流量q=CdAo（2Δp/ρ）1/2

A0—小孔截面積；Cd—流量系數(shù)，Cd=CvCc

Cv稱為速度系數(shù)；Cc稱為截面收縮系數(shù)。流量系數(shù)Cd的大小一般由實(shí)驗(yàn)確定，在液流完全收縮的情況下，當(dāng)Re>105時(shí)，可以認(rèn)為是不變的常數(shù)，計(jì)算時(shí)按Cd=0.60~0.61選取薄壁小孔因沿程阻力損失小，q

對(duì)油溫變化不敏感，因此多被用作調(diào)節(jié)流量的節(jié)流器。第八頁，共十九頁，2022年，8月28日滑閥閥口滑閥閥口可視為薄壁小孔，流經(jīng)閥口的流量為q＝CdπDxv(2Δp/ρ)1/2式中Cd－流量系數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)查圖1－20

D－滑閥閥芯臺(tái)肩直徑

xv－閥口開度，xv＝2～4mm錐閥閥口錐閥閥口與薄壁小孔類似，流經(jīng)閥口的流量為q＝Cdπdmxvsinα(2Δp/ρ)1/2式中Cd－流量系數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)查圖1－22dm－閥座孔直徑

xv－閥芯抬起高度

α－閥芯半錐角第九頁，共十九頁，2022年，8月28日短孔和細(xì)長(zhǎng)孔當(dāng)長(zhǎng)徑比0.5＜l/d≤4時(shí)，稱為短孔。流經(jīng)短孔的流量q=CdA0(2Δp/ρ)1/2Cd應(yīng)按曲線查得，雷諾數(shù)較大時(shí)，Cd基本穩(wěn)定在0.8左右。短管常用作固定節(jié)流器。當(dāng)長(zhǎng)徑比l/d＞4時(shí)，稱為細(xì)長(zhǎng)孔。流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)孔的流量q=（πd

4/128μl）Δp液流經(jīng)過細(xì)長(zhǎng)孔的流量和孔前后壓差成正比，和液體粘度成反比。流量受液體溫度影響較大。液阻定義孔口前后壓力降與穩(wěn)態(tài)流量的比值為液阻，即在穩(wěn)態(tài)下，它與流量變化所需要的壓差變化成正比。R=d(Δp)/dq=Δp1-m/KLAm液阻的特性：R與通流面積A成反比，A=0，R為無限大；A足夠大時(shí)，R＝0。Δp一定，調(diào)節(jié)A，可以改變R，從而調(diào)節(jié)流經(jīng)孔口的流量。A一定，改變q，Δp隨之改變，這種液阻的阻力特性用于壓力控制閥的內(nèi)部控制。多個(gè)孔口串聯(lián)或并聯(lián)，總液阻類似電阻的計(jì)算。第十頁，共十九頁，2022年，8月28日縫隙流動(dòng)

通過平板縫隙的流量q=bh

3Δp/12μl±u

obh/2在壓差作用下，流量q與縫隙值h的三次方成正比，這說明液壓元件內(nèi)縫隙的大小對(duì)泄漏量的影響非常大。

平板縫隙兩平行平板縫隙間充滿液體時(shí)，壓差作用會(huì)使液體產(chǎn)生流動(dòng)（壓差流動(dòng)）；兩平板相對(duì)運(yùn)動(dòng)也會(huì)使液體產(chǎn)生流動(dòng)（剪切流動(dòng)）。第十一頁，共十九頁，2022年，8月28日環(huán)形縫隙通過同心圓柱環(huán)形縫隙的流量公式：

q=（πdh

3/12μl）Δp±πdh

uo/2

當(dāng)圓柱體移動(dòng)方向和壓差方向相同時(shí)取正號(hào)，方向相反時(shí)取負(fù)號(hào)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)的圓柱體與孔之間的間隙為圓柱環(huán)形間隙。根據(jù)兩者是否同心又分為同心圓柱環(huán)形間隙和偏心環(huán)形間隙。通過其間的流量也包括壓差流動(dòng)流量和剪切流動(dòng)流量。設(shè)圓柱體直徑為d，縫隙值為h，縫隙長(zhǎng)度為l。第十二頁，共十九頁，2022年，8月28日

設(shè)內(nèi)外圓的偏心量為e，流經(jīng)偏心圓柱環(huán)形縫隙的流量公式：

q=（πd

ho3/12μl）Δp（1+1.5ε2）式中ho為內(nèi)外圓同心時(shí)半徑方向的縫隙值

ε為相對(duì)偏心率，ε＝e/ho當(dāng)偏心量e=ho，即ε＝1

時(shí)（最大偏心狀態(tài)），其通過的流量是同心環(huán)形間隙流量的2.5倍。因此在液壓元件中應(yīng)盡量使配合零件同心。第十三頁，共十九頁，2022年，8月28日?qǐng)A錐環(huán)形縫隙的流量

及液壓卡緊現(xiàn)象當(dāng)柱塞或柱塞孔，閥芯或閥體孔帶有一定錐度時(shí)，兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件之間的間隙為圓錐環(huán)形間隙，間隙大小沿軸線方向變化。閥芯大端為高壓，液流由大端流向小端，稱為倒錐，閥芯小端為高壓，液流由小端流向大端，稱為順錐。閥芯存在錐度不僅影響流經(jīng)間隙的流量，而且影響縫隙中的壓力分布。如果閥芯在閥體孔內(nèi)出現(xiàn)偏心，作用在閥芯一側(cè)的壓力將大于另一側(cè)的壓力，使閥芯受到一個(gè)液壓側(cè)向力的作用。第十四頁，共十九頁，2022年，8月28日液壓卡緊現(xiàn)象倒錐的液壓側(cè)向力使偏心距加大，當(dāng)液壓側(cè)向力足夠大時(shí)，閥芯將緊貼孔的壁面，產(chǎn)生所謂液壓卡緊現(xiàn)象；而順錐的液壓側(cè)向力則力圖使偏心距減小，不會(huì)出現(xiàn)液壓卡緊現(xiàn)象。為減少液壓側(cè)向力，一般在閥芯或柱塞的圓柱面開徑向均壓槽，使槽內(nèi)液體壓力在圓周方向處處相等，槽深和寬為0.3～1.0mm。第十五頁，共十九頁，2022年，8月28日液壓沖擊液壓沖擊——因某些原因液體壓力在一瞬間會(huì)突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。瞬間壓力沖擊不僅引起振動(dòng)和噪聲，而且會(huì)損壞密封裝置、管道、元件，造成設(shè)備事故。液壓沖擊的類型管道閥門突然關(guān)閉時(shí)的液壓沖擊運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的液壓沖擊第十六頁，共十九頁，2022年，8月28日減少液壓沖擊的措施：延長(zhǎng)閥門關(guān)閉和運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)換向的時(shí)間。限制管道流速及運(yùn)動(dòng)部件的速度。適當(dāng)增大管徑，以減小沖擊波的傳播速度。盡量縮短管道長(zhǎng)度，減小壓力波的傳播時(shí)間。用橡膠軟管或設(shè)置蓄能器吸收沖擊的能量。

第十七頁，共十九頁，2022年，8月28日氣穴現(xiàn)象

氣穴現(xiàn)象——液壓系統(tǒng)中，某點(diǎn)壓力低于液壓油液所在溫度下的空氣分離壓時(shí)，原先溶于液體中的空氣會(huì)分離出來，使液體產(chǎn)生大量的氣泡，這種現(xiàn)象稱為氣穴現(xiàn)象。當(dāng)壓力進(jìn)一步減小低于液體的飽和蒸汽壓時(shí)，液體將迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸汽氣泡使氣穴現(xiàn)象更加嚴(yán)重。氣穴現(xiàn)象多發(fā)生在閥口和泵的吸油口。氣穴現(xiàn)象的危害大量氣泡使液流的流動(dòng)特性變壞，造成流量和壓力不穩(wěn)定；氣泡進(jìn)入高壓區(qū)，高壓會(huì)使氣泡迅速崩潰，使局部產(chǎn)生非常高的溫度和沖擊壓力，引起振動(dòng)和噪聲；當(dāng)附著在金屬表面的氣泡破滅時(shí)，局部產(chǎn)生的高溫和