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液压 气动 与 密 封/ 2 0 1 0年 第 4期 液压管道流速设计研究 王 林 张 森 王江三 中航工业西安飞机设计研究所 ,陕西西安7 1 o 0 8 9 摘要 本文通过工程实例,研究讨论了液压系统设计中常见的大流量高流速问题。阐述了 紊流光滑管状态是高速流体保持稳定 状态的必要条件,液体温度升高是制约流速提高关键的观点。得出了液流速度可以在光滑紊流管范畴有条件的突破常规推荐值的 结论。 关键词液压系统;流速;紊流;雷诺数 中图分类号T H1 3 7 . 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 4 0 0 3 6 0 3 Th e Re s e a r c h a n d De s i g n o f Hy d r a u l i c P i p e l i n e F l o w Ve l o c i W WA NG L i n Z H A NG S e n WA N G J i a n gs a n 3 X i ’a n A i r c r a f t I n s t i t u t e o f C h i n a A v i a t i o n I n d u s t r y C o r p o r a t i o n , x i ’a n 7 1 0 0 8 9 , C h i n a A b s t r a c t A p r o j e e t e x a m p l e i s i n t r o d u c e d i n t h e p a r a g r a p h .A n d r e s e a r c h i n g i n t h e q u e s t i o n o f t h e h i g h s p e e d a n d b i g v o l u m e o f fl o w i n h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n .Ex p a t i a t i n g o n t u r b u l e n t fl o w t h e s mo o t h p i p e l i n e i s t h e h i g h s p e e d fl o w t o r e t a i n s t a b l e n e c e s s a r y c o n d i t i o n ,a n d i n c r e a s i n g t e mp e r a t u r e i s r e s t r i c t e d fl o w v e l o c i t y t o e n h a n c e .U l t i ma t e l y ,w e s h o u l d g a i n t h e c o n c l u s i o n w h i c h t h e s mo o t h t u r b u l e n t fl o w p i p e l i n e c a n b e b r e a k i n g r o u t i n e v a l u e i n c e r t a i n c o n d i t i o n . Ke y W o r d s h y d r a u l i c s y s t e m;fl o w v e l o c i t y ;t u r b u l e n t fl o w;r e y n o l d s n u mb e r O 引言 在高压、大流量液压系统设计中,液压管道流速 是一个十分重要的参数,直接影响流体的流动状态 层流还是紊流 、 流体的温度、黏度、能量损失以及 管道、阀件对流体的阻力等,对于液压管道的选用以 及系统总体设计有着重要影响。 按照流体力学理论,流体分为层流和紊流两种状 态。层流状态的液体流动呈层状,各流层之间互不掺 混,且流速平行于管道轴线。液体的流速较低,质点 受黏性制约,不可随意流动, 黏性力起主导作用。而 紊流状态的液体,管道内质点运动杂乱无章,其速度 无论大小和方向都随时间作无规则的变动,除有平行 于管道轴线的运动外, 还存在剧烈的横向运动。液体 的流速较高,黏性制约作用减弱,惯性力起主导 作用。 液压管路及流体确定后,流体状态取决于雷诺数 的大小, 而雷诺数、管道的平均流速、 流量三者之间 均成正变关系。因此,为了保证系统的平稳运行,流 体速度应尽可能低,流动状态最好处于层流。而工程 实际中, 受管道通径、阀口大小、设备体积等其他条 件的影响, 液流速度可能会比较高,流体往往处于紊 流状态。本文将通过工程实例研究讨论大流量高流速 收稿 日期 2 0 0 9 . 1 2 - 0 2 作者简介 王林 1 9 6 2 一 , 男, 陕西富平人, 高级工程师, 毕业于沈阳工业 学院, 主要从事飞机保障设备设计。 3 6 液压系统设计问题、分析紊流光滑管状态下流体的特 性,温度变化情况,提出了流速突破常规推荐值后应 注意的问题。 1 工程实例简介 某机构负载固定在转轴上,并在液压缸带动下绕 转轴中心作局部回转运动,液压缸无杆腔端通过铰链 与安装架连接,活塞杆与负载铰接。液压系统原理简 图见图 1 ,液压泵为变量柱塞油泵。系统工作要求当 电磁阀2 D T 、 4 D T带电工作时, 液压泵给液压缸无杆 腔和蓄能器同时供油,活塞杆伸出,推动负载到达工 作位置,并使蓄能器充液达到设定压力。当电磁阀 I D T 、3 D T 、5 D T带电工作时,液压泵和蓄能器同时给 液压缸有杆腔供油,活塞杆在零点几秒内快速收回, 完成一个工作循环。 系统最高工作压力为2 4 M P a ,最高流速和流量出 现在活塞杆快速收回阶段。根据液压缸结构尺寸和运 动要求可计算出活塞快速收回时平均速度为3 . 3 m / s , 有杆腔进油流量 为 8 8 6 I V m i n ,进油管平 均流速 为 l 1 . 3 9 m / s ;无杆腔回油流量为 1 8 8 1 L / mi n ,油管平均 流速为l 2 . 4 8 m / s 。很显然, 这是一个典型的高流速、 大流量液压系统。 调试试验及初步运行表明,液压系统能满足系统 工作要求, 所选管道、液压元件恰当,系统流量、流 速适应于特定的运行环境。除了液压冲击较大,系统 振动剧烈、 躁声大外, 未发现其他异常现象。 H y d r a u l i c s P n e u ma t i c s& S e a l s / N o . 4 . 2 0 1 0 图 1 液压系统原理简图 2 紊流光滑管状态是高速流体保持稳态 的必要条件 有关设计手册、教科书 中给出了液压管道流速 的推荐值, 一般情况下对于压力油最大为6 m / s ,回油 管道最大为 2 . 6 m / s 。按照所推荐 的速度 ,液压管道 中的流动基本上属于紊流光滑管范畴,有时也可能出 现层流。显然该项 目中的流体速度高出推荐值很多, 那么管道中的流体呈何种状态呢 所谓的光滑管是一个研究紊流特性的相对概念, 当紊流层流次层⋯的厚度△大于导管壁面粗糙度尺寸 ,即△ s时,粗糙凸出的尺寸淹没在层流次层中, 粗糙度尺寸对液流没有影响,而 由于层流次层的存 在, 液体黏度对阻力有一定影响,这种管道称为光滑 管, 否则就为粗糙管。层流次层的厚度△与主流的紊 动程度有关,紊动程度越剧烈,层流次层越薄 ,而紊 动程度又与雷诺数有关,△与 成反比,其值可按下 式估算。 △ 3 0 1 、 / A 式中A 为摩阻系数; d 管道内径,单位为 m m; m雷诺数。 项 目中液压系统在室内安装,选用 LH M 4 6抗 磨液压油,4 O ℃时运动黏度为平均值为 4 6 m m . s ~, 回油口三通前的管道为 0 m m通径钢丝编织高压橡 胶管,三通至泵站的管道为 ff 6 5 m m通径不锈钢管。 进油管与液压缸连接的一段也为高压橡胶管, 其余为 不锈钢管。橡胶管和不锈钢管的粗糙度尺寸最大值分 别为0 . 0 2 m m、0 . 0 3 m m。 回油橡胶管、 不锈钢管平均流速分别为 1 2 . 4 8 m / s 、 9 . 4 2 m / s ,其对应的雷诺数分别为 1 0 8 5 2 、1 3 3 1 0 ,进 油管雷诺数为 9 9 0 4 。 上述各种情形下的雷诺数均小于 l 0 ,其摩阻系 数按 2 式计算。 A Re 2 u ’‘ J 回油橡胶管、不锈钢管,进油管的摩阻系数分别 为0 . 0 3 1 、 0 . 0 2 9 、0 . 0 3 2 。按 1 式估算出对应的层 流 次 层 厚 度△ 分 别 为 0 . 6 2 8 mm、0 . 8 6 0 m m、 0 . 6 7 7 m m 。通过数值比较可以看出,无论是橡胶管还 是不锈钢管,无论是进油管还是回油管,它们的层流 次层厚度均大于导管的粗糙度尺寸,因此均属于紊流 光滑管。 试验和初步运行结果表明,虽然进油 、回油管的 流速远远超出文献资料中的推荐值,但液流仍在紊流 光滑管范畴内,仍保持了稳定状态,管壁粗糙度对流 体未产生影响。 3 液体温度升高是制约流速提高的关键 如前所述,在紊流光滑管范畴的液体保持了稳态 运行,但从能量转换的角度分析又是什么情形呢 根据雷诺数及流动状态判定原则 ,处于上临界雷 诺数 R e 1 3 8 0 0 和下临界雷诺数 R e2 3 0 0 之间的流体为过渡区,显然该项目的流体处于过渡 区。流体在雷诺数大于 2 3 0 0小于 1 3 8 0 0的区域 ,可 能是层流,也可能是紊流,工程上一般将把这一区域 当作紊流状态来处理。在紊流状态的管路系统的总损 失等于所有沿程压力损失与所有局部压力损失之 和 ,即 A P ∑ △ p S a p 寺 警 ∑ 3 式中△ p , 沿程压力损失,单位为 P a ; 卸 局部压力损失,单位为P a ; A 摩阻系数; f 圆管长度,单位为 m m; d _圆管直径,单位为 mm; p 液体密度, 单位为k g / m ; 液体流速,单位为 m / s ; 局部阻力系数,可查阅相关手册。 液压系统的压力损失绝大部分转换成热能,造成 系统油温升高,泄漏增大, 使系统效率降低。紊流状 态下单位时间内的的能量关系是 ①流量的压降△ p 使液流损失了Q △ p的能量; ②油液内由于黏性作用产 生的内摩擦也要损失能量; ③损失的能量绝大部分转 7 液 压 气 动 与 密 封/ 2 0 1 0年 第 4期 变为热能, 使油液获得的热能为Q p c A t ,温度升高A t ; ④另一部分能量则通过管壁传到周围环境。油液内摩 擦产生的热量较少,可以认为通过管壁传到周围环境 的热量与油液内摩擦产生的热量相平衡, 压降的能量 全部用于使油温升高。 我们先计算进油管路的压降,该段管不锈钢管长 5 0 0 0 ra m,橡胶管长 1 5 0 0 m m,摩阻系数为 0 . 0 3 2 ,局 部阻力系数 取 1 . 5 ,油液密度P 9 0 0 k g / m , 则根 据 3 可 计算 出 ∑ 、∑ △ p 分别 为 3 0 3 5 7 3 P a、7 0 0 5 5 3 Pa, 总压力损失为 A p ∑ △ p f ∑ 卸 3 03 5 7 3 7 0 0 5 5 3 l 0 0 4 1 2 6 P a 1 0 . 0 4b a r 贝 0 单位时间内损失的能量为 N Q A p 3 0 3 5 7 3 7 0 0 5 5 3 1 4 8 2 8 w 根据 Q A p Q p c a t 可计算得出 , At2 . 7 8 o C 因此,工作周期内的温升为2 . 7 8 。 0 . 2 0 . 5 6 ℃ 按照文献 [ 1 ]所述,压强降低 1 0 0 b a r , 将造成 约5 . 9 ℃的温升,因此,进 油管路产生 的温升约为 0 . 6 C,两种计算方法得出的结果接近。 同理,回油管路 中负载产生 了 2 0 M P a的反压, 电磁阀打开后回油经过插装阀后流回油箱,使回油压 力迅速降为零 ,因此,回油管路 产生 的温升 约 为 1 1 . 8 c 【 。由管路流回油箱的油约 8 L ,而油箱储油量为 1 4 4 0 L ,工作一次,油温上升很小。 因此,短时间工作时进油管路产生的热量很小 , 油温上升较少。虽然回油路产生的热量虽较多,但温 度较高的油液进入油箱后会很快散热。系统连续工作 时,必须有良好的散热条件,确保流体温度的上升不 会对系统运行产生影响,可见液体温度上升才是决定 流速能否提高的关键。 4 结论 综上所述, 液流速度可以有条件的突破常规推荐 值,但应使流体保持在紊流光滑管范畴,雷诺数以不 超过上临界雷诺数 1 3 8 0 0为宜,且系统工作时间不宜 太长。较长时间连续工作时,必须有 良好的散热条 件, 使油温不超过设计值,保持液体黏度的基本稳 定。还应注意,在管道阀门突然关闭或高速运动部件 突然换向或快速制动等情况下,液体在系统中的流动 会突然受阻,在油液惯性、运动部件惯性作用下,系 统将会产生强烈的液压冲击,负载运动也会产生机械 冲 击, 这必将导致系统产生剧烈振动、晃动,足以使 密封装置、管道或液压元件损坏 ,甚至导致设备损 坏,系统瘫痪。因此 ,在短时高速运动液压系统中, 应设置严密的措施减小液压冲击和负载机械冲击,并 且应有足够的措施 ,将冲击的危害减小到最低程度。 在粗糙管范畴, 情况则更为复杂,液流紊乱程度 更高,阻力更大,产生的热量更多,必须慎用。 参考文献 [ 1 ] 盛敬超. 液压流体力学[ M ] . 北京 机械工业出版社, 1 9 8 0 . 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