液壓沖擊和空穴現(xiàn)象

1、high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動Part 2.9 瞬變流動在液壓與氣動系統(tǒng)中有時會出現(xiàn)流體的流速在極短的瞬間發(fā)生很大變化的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致壓力的急劇變化，這就是所謂瞬變流動。瞬變流動會給系統(tǒng)帶來很大的危害，應(yīng)盡量予以避免。本節(jié)主要介紹液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象以及它們的減小措施。high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動Part 2.9.1 液壓沖擊在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)突然關(guān)閉或開啟液

2、流通道時，在通道內(nèi)液體壓力發(fā)生急劇交替升降的波動過程稱為液壓沖擊。出現(xiàn)液壓沖擊時，液體中的瞬時峰值壓力往往比正常工作壓力高好幾倍，它不僅會損壞密封裝置、管道和液壓元件，而且還會引起振動和噪聲；有時使某些壓力控制的液壓元件產(chǎn)生誤動作，造成事故。high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動1. 管內(nèi)液流速度突變引起的液壓沖擊有一液位恒定并能保持液面壓力不變的容器如圖2-40所示。容器底部連一管道，在管道的輸出端裝有一個閥門。管道內(nèi)的液體經(jīng)閥門B出流。若將閥門突然關(guān)閉，則緊靠閥門的這部

3、分液體立刻停止運(yùn)動，液體的動能瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，產(chǎn)生沖擊壓力，接著后面的液體依次停止運(yùn)動，依次將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，在管道?nèi)形成壓力沖擊波，并以速度c由B向A傳播。圖2-40 液流速度突變引起的液壓沖擊high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動設(shè)圖2-40中管道的截面積和長度分別為A和l，管道中液體的流速為v，密度為，則根據(jù)能量守恒定律，液體的動能轉(zhuǎn)化成液體的壓力能，即所以(2-121）式中 pmax液壓沖擊時壓力的升高值； K計(jì)及管壁彈性后的液體等效體積模量； c壓力沖擊波在管

4、道中的傳播速度，即high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動壓力沖擊波在管道中的傳播速度可按下式計(jì)算(2-112）式中 K液體的體積模量； d管道的內(nèi)徑； 管道的壁厚； E管道材料的彈性模量。壓力沖擊波在管道中液壓液內(nèi)的傳播速度c一般在8901420m/s范圍內(nèi)。high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動如果閥門不是全部關(guān)閉，而是部分關(guān)閉，使液體的流速v降到v，

5、則只要在式(2-121）中以（v-v）代替v，便可求得這種情況下的壓力升高值，即(2-123）一般，依閥門閉時間常把液壓沖擊分為兩種：當(dāng)閥門關(guān)閉時間 時，稱為直接液壓沖擊（又稱完全沖擊）。當(dāng)閥門關(guān)閉時間 ，稱為間接液壓沖擊（又稱不完全沖擊）。此時壓力升高值比直接沖擊時小。 (2-124）high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動各種情況下關(guān)閉液流通道時管內(nèi)液壓沖擊的壓力升高值歸納于表2-20。 表2-20 關(guān)閉液流通道時管內(nèi)液壓沖擊的壓力升高值pmax=cvpr=c(v-v)不

6、論是哪一種情況，知道了液壓沖擊的壓力升高值p后，便可求得出現(xiàn)沖擊時管道中的最高壓力(2-125）式中，p為正常工作壓力。high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動2. 運(yùn)動部件制動引起的液壓沖擊 圖2-41 運(yùn)動部件制動引起的液壓沖擊原理：如圖2-41所示，活塞以速度v驅(qū)動負(fù)載m向左運(yùn)動，活塞和負(fù)載的總質(zhì)量為m。當(dāng)突然關(guān)閉出口通道時，液體被封閉在左腔中。但由于運(yùn)動部件的慣性而使腔內(nèi)液體受壓，引起液體壓力急劇上升。運(yùn)動部件則因受到左腔內(nèi)液體壓力產(chǎn)生的阻力而制動。設(shè)運(yùn)動部件在制動時

7、的減速時間為t，速度的減小值為v，則根據(jù)動量定律可近似地求得左腔內(nèi)的沖擊壓力p，由于high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動故有(2-126）式中 m運(yùn)動部件（包括活塞和負(fù)載）的總質(zhì)量； A液壓缸的有效工作面積； t運(yùn)動部件制動時間； v運(yùn)動部件速度的變化值，v=v-v； v運(yùn)動部件制動前的速度； v運(yùn)動部件經(jīng)過t 時間后的速度。上式的計(jì)算忽略了阻尼、泄漏等因素，其值比實(shí)際的要大些，因而是偏安全的。high-technical institute of Shanghai Di

8、an Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動3. 減小液壓沖擊的措施針對上述各式中影響沖擊壓力p的因素，可采取以下措施來減小液壓沖擊；1）適當(dāng)加大管徑，限制管道流速v，一般在液壓系統(tǒng)中把v控制在 4.5m/s以內(nèi)，使pmax不超過5MPa就可以認(rèn)為是安全的。2）正確設(shè)計(jì)閥口或設(shè)置制動裝置，使運(yùn)動部件制動時速度變化比較均 勻。3）延長閥門關(guān)閉和運(yùn)動部件制動換向的時間，可采用換向時間可調(diào)的 換向閥。4）盡可能縮短管長，以減小壓力沖擊波的傳播時間，變直接沖擊為間 接沖擊。5）在容易發(fā)生液壓沖擊的部位采用橡膠軟管或設(shè)置蓄能器，以吸收沖 擊壓力；也可以在這些部位安裝

9、安全閥，以限制壓力升高。high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動圖2-42 氣體溶解度以及從油液中放出的氣體體積與壓力間的關(guān)系a）溶解度壓力間的關(guān)系 b）油液中放出氣體體積與壓力間的關(guān)系如圖2-42a所示。在常溫常壓下，石油基液壓油的空氣溶解度約等于（612）%。溶解在液體中的空氣對液體的體積模量沒有影響，但當(dāng)液體的壓力降低時，這些氣體就會從液體中分離出來，如圖2-42b所示。high-technical institute of Shanghai Dian Ji Unive

10、rsity 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動在一定溫度下，當(dāng)液體壓力低于某值時，溶解在液體中的空氣將會突然地迅速從液體中分離出來，產(chǎn)生大量氣泡，這個壓力稱為液體在該溫度下的空氣分離壓。 有氣泡的液體其體積模量將明顯減小。氣泡越多，液體的體積模量越小。當(dāng)液體在某一溫度下其壓力繼續(xù)下降而低于一定數(shù)值時，液體本身便迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸氣，這時的壓力稱為液體在該溫度下的飽和蒸氣壓。 一般說來，液體的飽和蒸氣壓比空氣分離壓要小得多。 high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓

11、傳動幾種液體的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系如圖2-43所示。圖2-43 飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系油-水乳化液 水-乙二醇液 氯化烴液 合成液 石油基油液 硅酸酯液 磷酸酯液 硅酮液high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動2. 節(jié)流孔口的氣穴氣穴的產(chǎn)生：當(dāng)液體流到圖2-44所示的節(jié)流口的喉部位置時，由于流速很高，根據(jù)能量方程，該處的壓力會很低。如那里的壓力低于液體工作溫度下的空氣分離壓，就會出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。同樣，在液壓泵的自吸過程中，如果泵的吸油管太細(xì)、阻力太大，濾網(wǎng)堵塞，或泵安裝位置過

12、高、轉(zhuǎn)速過快等，也會使其吸油腔的壓力低于工作溫度下的空氣分離壓，從而產(chǎn)生氣穴。 圖2-44 節(jié)流口的氣穴現(xiàn)象high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液壓傳動當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象時，大量的氣泡使液流的流動特性變壞，造成流量不穩(wěn)，噪聲驟增。特別是當(dāng)帶有氣泡的液流進(jìn)入下游高壓區(qū)時，氣泡受到周圍高壓的壓縮，迅速破滅，使局部產(chǎn)生非常高的溫度和沖擊壓力。這樣的局部高溫和沖擊壓力，一方面使金屬表面疲勞，另一方面又使工作介質(zhì)變質(zhì)，對金屬產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，從而使液壓元件表面受到侵蝕、剝落，甚至出現(xiàn)海綿狀的小洞穴。 因氣穴而對金屬表面產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象稱為氣蝕。 氣蝕會嚴(yán)重?fù)p傷元件表面質(zhì)量，大大縮短其使用壽命，因而必須加以防范。 high-technical institute of Shanghai Dian Ji University 上海電機(jī)學(xué)院高職學(xué)院第二章 液壓傳動基礎(chǔ)液