液压与气压传动
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2.5 液压冲击和空穴现象

2.5.1 液压冲击

在液压系统中,由于某种原因,液体压力在一瞬间会突然升高,产生很高的压力峰值,这种现象称为液压冲击。液压冲击产生的压力峰值往往比正常工作压力高好几倍,且常伴有噪声和振动,对液压元件、密封装置及元件都有很大的破坏作用,有时还会引起某些液压元件的误动作。所以应尽量避免和减小液压系统中的液压冲击。

产生液压冲击的原因如下:

1)液流通道迅速关闭或液流迅速换向使液流速度的大小或方向突然发生变化,液流的惯性引起液压冲击。

2)运动部件突然制动或换向时,工作部件的惯性引起液压冲击。

3)某些液压元件动作不灵敏,使系统压力升高引起液压冲击。

为了减小液压冲击,可采取以下措施:

1)使完全冲击改变为不完全冲击。可用减慢阀门关闭的速度或减小冲击波传播距离来实现。

2)限制管中油液的速流。

3)用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器,以吸收液压冲击的能量。

4)在容易出现液压冲击的地方安装限制压力峰值的安全阀。

2.5.2 空穴现象

在液流中,如果某一点的压力低于当时温度下液体的空气分离压,溶解于液体中的气体会游离出来,形成气泡。这些气泡混杂在油液中,使充满管道或液压元件中的油液成为不连续状态,这种现象称为空穴现象。

如果液流中发生了空穴现象,当液流中的气泡随液流运动到压力较高的区域时,气泡因承受不了高压而破裂,引起局部的液压冲击,产生局部的高温、高压而使金属剥落、表面粗糙或出现海绵状小洞穴,并且发出强烈的噪声和振动,这种现象称为气蚀。

液压元件中,节流口下游部位、液压泵吸油口(因吸油管直径太小、吸油阻力太大、滤网堵塞或泵的转速太高)容易产生空穴现象。若液压泵产生空穴,会使吸油不足,流量下降,噪声增大,输出的流量和压力剧烈波动,系统无法正常稳定地工作,严重时使泵和机件损坏,寿命大大降低。

为了防止和减小空穴,就要防止液压系统中的压力过度降低,使之不低于液体的空气分离压。具体措施如下:

1)减小阀孔前后的压差,一般希望阀孔前后的压力比小于3.5。

2)正确设计和选择泵的结构、参数,适当加大吸油管直径,限制吸油管中的液流的流速,尽量避免急剧转弯或局部狭窄,过滤器要及时清洗以防堵塞,对自吸能力较差的泵宜采用辅助泵向泵的吸油口供油。

3)增加零件的机械强度,采用抗腐蚀能力强的金属材料,减小零件加工表面的表面粗糙度等以提高零件的抗气蚀能力。

本章小结

作用在液体上的力有两种类型,即质量力和表面力。静止的液体所受的表面力只有液体静压力,液体静压力有两个基本性质:①液体静压力沿作用面的内法线方向;②静止液体内任一点静压强的大小与作用面的方位无关。重力场作用下静止液体的压强分布规律的表达式为:p=p0+ρgh。静止液体作用于固体平面上的作用力F等于压力p与承压面积A的乘积,且作用力方向垂直于承压表面,即F=pA;当壁面为曲面时,作用在曲面某一水平方向x的液压作用力Fx等于压力p与曲面在该方向投影面积Ax的乘积,即Fx=pAx

不考虑黏性的液体称为理想液体;液体在流动中,任意点上的运动参数(包括压强、密度、速度等)不随时间变化的流动状态称为定常流动;当液体的运动参数只是一个空间坐标的函数时,该流动称为一维流动。不可压缩定常流的连续性方程为v1A1=v2A2=q=常数。不可压缩理想液体元流的伯努利方程为978-7-111-54322-0-Part01-109.jpg,对于考虑黏性的总流的伯努利方程为978-7-111-54322-0-Part01-110.jpg,连续性方程和伯努利方程可用来求解流量和压力,采用动量方程可解决流体对固体壁面的作用力问题,恒定流动的动量方程的形式是978-7-111-54322-0-Part01-111.jpg978-7-111-54322-0-Part01-112.jpg

由于实际流体具有黏性,所以液体在管中流动时会产生局部损失和沿程损失,其总压力损失978-7-111-54322-0-Part01-113.jpg

通过孔口的流量与孔口的面积、孔口前后的压力差以及孔口形式决定的特性系数有关:

Q=CATΔpm

式中 C———节流口形式、液体流态和性质决定的系数;

AT———孔口通流面积;

Δp———孔口前后压差;

m———由节流口形式决定的系数,其值在0.5~1.0,对薄壁小孔m=0.5,对细长小孔m=1.0。

液体在间隙中的流动根据原因不同可分为两种:一是由间隙两端压力差引起的流动,称为压差流动;二是由组成间隙的两壁面相对运动而造成的流动,称为剪切流动。

在液压系统中,由于某种原因致使系统或系统中某局部压力瞬时急剧上升,形成压力峰值的现象称为液压冲击,液压冲击的压力峰值往往比正常工作压力高出几倍。泵吸入管路连接、密封不严使空气进入管道,回油管高出油面使空气冲入油中而被泵吸油管吸入油路,以及泵吸油管道阻力过大、流速过高,均是造成空穴的原因。

思考题和习题

2-1 液体静压力的方向如何确定?

2-2 什么是等压面?怎样得到等压面方程?

2-3 什么是理想液体?什么是恒定流动?

2-4 理想液体的伯努利方程的形式是什么,其物理意义是什么?

2-5 管路中的压力损失有哪几种?其值与哪些因素有关系?

2-6 空穴现象产生的原因和危害是什么,如何减小这些危害?

2-7 如图2-22所示,容器A和B中均为密度等于1.2g/cm3的溶液,设zA=1m,zB=0.5m,汞柱高h=50cm,求压差。

2-8 用多管水银测压计测压,图2-23中标高的单位为m,试求水面的压强p0

2-9 图2-24所示水池中方形闸门每边长均为2m,转轴O距离底边为0.9m,试确定使闸门自动开启的水位高度H

2-10 图2-25所示为一弧形闸门,宽2m,圆心角α=30°,半径R=3m,闸门转轴与水面齐平,求作用于闸门上的静水总压力的大小和方向。

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图2-22 题2-7图

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图2-23 题2-8图

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图2-24 题2-9图

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图2-25 题2-10图

2-11如图2-26所示,有一直径d=100mm的圆柱体,其质量m=50kg,在力F=520N的作用下,当淹深h=0.5m时处于静止状态,求测压管中水柱的高度H

2-12管路系统如图2-27所示,A点的标高为10m,B点的标高为12m,管径d=250mm,管长l=1000m,求管中的流量Q(沿程阻力系数λ=0.03;局部阻力系数:入口ξ1=0.5,弯管ξ2=0.2,出口ξ3=1.0)。

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图2-26 题2-11图

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图2-27 题2-12图

2-13 如图2-28所示,齿轮泵从油箱吸油。如果齿轮泵安装在油面之上0.4m处,泵的流量为25L/min,吸油管内径d=30mm,设滤网及吸油管道内总的压降为3×104Pa,油的密度为900kg/m3。求泵吸油时泵腔的真空度。

2-14 圆柱形滑阀如图2-29所示,已知阀芯直径d=2cm,进口压力p1=9.8MPa,出口压力p2=0.9MPa,油液的密度ρ=900kg/m3,通过阀口时的流量系数Cd=0.65,阀口开度x=0.2cm,试求通过阀口的流量(提示:按薄壁孔口来计算)。

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图2-28 题2-13图

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图2-29 题2-14图

2-15 如图2-30所示,已知液压泵供油压力为3.2MPa,薄壁小孔节流阀Ⅰ的开口为0.02cm2,薄壁小孔节流阀Ⅱ的开口为0.01cm2,试求活塞向右运动的速度v。缸中活塞面积A=100cm2,油液的密度ρ=900kg/m3,负载F=16000N,液流的流量系数Cd=0.6。

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图2-30 题2-15图