液压是一门实验科学——与学习液压的朋友们交流.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N O ． 1 2 ． 2 01 2 液压是一门实验科学 一 与学习液压的朋友们交流 张海平 上 海h p z h a n g 8 5 6 s i n a ． a n 摘要 该 文回溯液 压技术 的理论基础 ， 提醒读者 ， 液 压是一 门实验科学 ， 只进行数学解析和数字仿真 ， 脱离了实际测试 ， 是不可能真正 提高液压产 品的水平 的。 关键词 液 压技术 数字仿真 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 1 2 0 0 0 1 0 5 Hyd r a u l i c s I s a Te c h n o l og i c a l S c i e n c e Ba s e d o n Ex p e r i me nt a nd Te s t Z HANG Ha i - pi n g S h a n g h a i h p z h a n g 8 5 6 s i n a ． a n Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e l o o k e d b a c k u p o n t h e t h e o r e t i c a l b a s e o f h y d r a u l i c s ， a n d r e mi n d e d r e a d e r t h a t h y d r a u l i c s i s a s c i e n c e b a s e d o n e x p e r i me n t a n d t e s t ． I t i s n o t p o s s i b l e t o i mp r o v e h y d r a u l i c p rod u c t s w h e n p e o p l e o n l y p l a y ma t h e ma t i c s ， d o d i g i t a l s i mu l a t i o n a n d s e p a r a t e i t f r o m r e a l t e s t ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s ； d i g i t a l S i mu l a t i o n O 引言 液压传动与控制技术发展到今天 ，理论上做 了很 多研究 ， 发现 了很多规律 ， 这是毋庸置疑的。现代液压 集液压技术 、 微 电子技术 、 传感检测技术 、 计算 机控制 及现代控制理论等众多学科于一体 ，成为一 门高交叉 性、高综合性的技术学科 。尤其是与计算机技术相结 合 ， 使得液压学科在系统设计 、 控 制、 故障诊断 、 模拟现 实等方面有 了长足 的进步。出现了一些通用 的和液压 专用 的仿真软件 ， 使得建模与求解都很方便 。然而 ， 就 其基本规律来看 ， 液压技术中 ， 液体流动在绝 大多数情 况下 ， 速度较 高 ， 处于紊流状态 液体分子 团之间 的吸 引力 宏观来说 ， 就是粘性力 不如其惯性力 。因此 ， 液 体分子团各行其是。所以， 液压流体的运动规律只能从 统计学的角度来研究 。有一定的规律 ， 但受很多实际情 况的影响 ， 很难精确计算 。所以， 学液压 ， 始终不能忘记 的是 ， 液压技术 ， 就其本质来说 ， 是一门实验科学。为了 说明这一点 ，先回溯一下液压技术的一些理论基础和 基本规律 。 P a s c a 1 提出的静止液体 中压力传递的基本原理。只要 用到了 F p A， 就是用到了帕斯卡原理 。然而 ， 如果液体 是静止的 ， 就只能传递压力 ， 不能传递功率。在液压技 术 中， 为了传递功率 ， 液体必须流动 。所 以， 在液压技术 中使用帕斯卡原理是有违其前提条件的。只是 ， 在液压 缸 中应用 ， 由于液体运动速度不高 ， 误差不大 。而在液 压 阀中， 由于某些部位 开 口处 的液体运动速度很高 ， 再简单套用 帕斯卡原理 ， 会带来很大误差 。所 以， 引进 了“ 液动力” 的概念 ， 来补偿这一误差[8 1 。不知是否是怕 得罪帕斯 卡先生 ， 国内教材一般都不挑 明说 ， 这时帕斯 卡原理不适用 ， 而只是说 ， 动量改变引起了附加力。 2 欧拉公式 1 7 3 8 年瑞土人欧拉 L ． E u l e r 采用连续介质 的概 念 ． 把静力学 中的压力概念推广到运动流体中 ， 对某一 瞬时 ， 液流的微流束 中一段微元体积 ， 在一维流动的情 况下 ， 建立 了欧拉方程 堕 O s 一 P O s 堕 O s 堕 O t J 1 帕斯卡原理 式中 液压技术 的理论基础是 1 6 4 8年法国人帕斯卡 B ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 1 1 作者简 介 张海平 1 9 4 7 - ， 男 ， 江西湖 口人 ， 博 士 ， 主要从 事液压技术 方 面的工作 。 单位质量力 ； z 铅垂 向上的坐标 s 微元体积的位置 p 微元体积的密度 ； p 微元体积受到的压力 ； 1 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 l 2期 Ⅱ 微元体积的速度 ￡ 时 间 。 但此方程 只适用于无粘性流体 。而在液压技术中 使用的压力介质 ， 基本上都是有相 当粘性 的。因为 ， 我 们需要它的粘性来起润滑作用。所以， 欧拉方程不太适 用于液压技术。 3 纳维一 斯托克斯方程 1 8 2 7年法 国人 纳维 C ． L ．M．N a v i e r 建立 了粘性 流体的基本运动方程 ， 1 8 4 5年英 国人斯托克斯 G． G． S t o k e s 又以更合理 的方法导出 了这组方程 ， 这就是 沿 用至今的 N S方程 。它适用于粘性可压缩流体 的非定 常运动 ， 在直角坐标系中的表现形式为 詈 詈 詈 詈 一 。 。 詈 等 H 誓 等 詈 y 一 。 等 争 。 专 詈 等 H 誓- z - ‘ 誓学 。 軎 詈 等 H 此方程假定流体的动力粘度为常数。而我们知道 。 液压技术 中目前所使用 的所有压力介质 的粘度 ，都会 随温度变化而显著变化 。一般 ， 在油箱里 ， 或散热器出 口， 温度最低 。经过液压泵升压后 ， 每经过一个液阻 ， 压 力降低 ，所损失 的能量基本上都转化为热量 ，温度升 高 ， 粘度就会降低 。所以 ， 即使采用以上那么复杂 的偏 微分方程组 ， 也还是不准确 的。 4 伯努利方程 伯努利 D ． B e r n o u l l i 从经典力学 的能量守恒出发 ， 研究供水管道 中水的流动 ， 进行试验分析 ， 得到了流体 定常运动下的流速 、 压力 、 流道高度之间的关系伯 努利方程。 流线的伯努利方程 b 1 Pl Z 1 ／ ／ 2 P2 式 中 、 ， 液流在流线上点 1和点 2的速度 ； P l 液流在流线上点 1和点 2的压力 ； r重力加速度 ； JD 液体密度 ； 、 点 1 和点 2相对某基准水平面的高度。 流束的伯努利方程 ，假定液流从过流断面 1到过 流断面 2之间未装有液压泵和执行器 2 g P g 十 2 g P g 1‘ 式中 、 ， 液流在流束上过流断面 1和过流断面 2的平 均流 速 ； O L 、 ， 液 流 在 过 流 断 面 1和 过 流 断 面 2的 动能修正系数 ； P 、 p ， 液 流在 流束 上 过 流断 面 1和过 流 断 面 2的平 均压 力 r重力加速度 ； p 液体密度 ； 、 过流断面 1和过流断面 2相对某基准 水平面的高度 ； 液 流从 过 流 断 面 1到过 流 断 面 2的 能 头 损失 ， 包括沿程损失和局部损失 。 伯努利方程从形式上来说 ， 很简洁 ， 适用于液压压 力介质。但是 ， 好看不好用。因为 ， 从这一个等式 ， 为 了 得到一项 ， 必须知道其余所有各项。 拿流束 的伯努利方程来说 ， 即使忽略高度的影 响 ， 还是需要知道其 中4项 ， 才能得到另外 1 项。 拿流线的伯努利方程来说 ，如果知道了在流线上 点 1的压力和速度 ， 并且知道 了点 2的速度 ， 则可 以利 用此方程求出点 2的压力。但是 由于流体 的运动常常 很复杂 ， 在紊流 ， 特别是在通 流截面积变化处 ， 如阀 口、 阻尼孔等等 ， 伴随有涡流 ， 常常无法得到实际速度 的解 析表达式 ， 也就无从得到压力的解析表达式。近年来利 用 C F D 一 流场分析方法做了一些尝试 ，取得 了一些成 果 ， 但 总的来说 ， 还在摸索阶段。 5 流态与雷诺数 众所周知 ， 在液压阀、 液压管道 、 液压泵 、 液压马达 中，液体流动造成的压差对元件乃至系统 的性能起着 极其重要的作用 。而液体的流态 ， 紊流还是层流 ， 又对 压差起着极大的影响。同样的流量 ， 按紊流和按层流计 算 ， 得 到的压差会有几十倍之差 。 而决定是紊流还是层流的雷诺数 ，是雷诺先生经 过上万次实验之后在 1 8 8 3年发现 的。液体流动 ， 在达 到上 临界雷诺数时 ， 流态从层流转为紊流 ； 在另一较低 的下临界雷诺数时 ． 流态又从紊态恢复为层流。这里 的 对园管有效的上临界雷诺数 ，雷诺根据 自己的试验 为 1 20 0 0 ， 后人 曾在特别安静 的环境 中获得 4 00 0 0 ； 下 临 界雷诺数 ， 雷诺建议为 23 0 0 ， 一般取 2 0 0 0 。 同心环缝 的 Hyd r a ul i c s Pne uma t i c s S e a l 8 ／ NO ． 1 2． 2 01 2 下 临界雷诺数为 1 1 0 0， 滑阀阀口的为 2 6 0 。等等这些 ， 都不是根据任何理论公式计算 出来 的，而是通过试验 得到的 。 而各人的试验结果还有差别[1 ] 。 目前常见的雷诺数一 阻力系数图 见图 1 实际上是 在尼古拉兹 J ． N i k u r a d s e 1 9 3 2 等人 的大量试验 见图 2 的基础上拟合出来的。 雷诺 尺 P 图 1 常见的雷诺数一 阻力系数 图网 1 ．0 O 9 O一8 0 ． 7 8 0 ．6 蔷 0 ． 5 04 O 3 02 2 6 3 0 3 4 3 8 4 2 46 5 0 5 4 5 8 2 8 3 2 3 6 4O 44 4 8 5 2 5 6 6O l g Re 1 一 层流理论分布 A 6 4 ／ R e 2 - 紊流经验分布 A 0 ． 3 1 6 4 ／ P ,． e “ 图 2尼 古 拉 茨 图鹤 如果再去 回顾一下 ， 雷诺之后 ， 勃拉修斯 H． B l a s i u s 1 9 1 3 、普 朗 特 尔 L ．P r a n d t l 1 9 2 5 、尼 古 拉 兹 J ． N i k u r a d s e 1 9 3 2 等人在这 方面做 的大量试 验研究报 告 ， 就可 以知道 ， 以上 的表述还是非常非 常简化 了的 ， 还有其他许多因素被忽略不计 了【” 。所 以， 根据那些简 化公式算出来的压差流量的准确性是大可怀疑 的。 6 通过薄壁小孔的流量 在薄壁小孔的孔长小于孔半径 ，管前直径超过小 孔直径 7倍 以上 ， 流态为紊流 见 图 3 等等前提条件满 足时 ， 通过的流量 g与孔两端 的压差 的平方根大致 成线性关系 q o A、 ／ 2 A p ／ V 1 式 中q 通过节流孔 的流量 ； 与阀开 口形状有关的流量系数 节 流孔 面 积 ， I T ； 压 差 ， P 1 - p 2 ； p 液体密度 。 以下几点要注意 1 关于薄壁在实际应用 中 ， 因为加工不便 ， 孔 长小于孔半径这一条件很少能满足 ，能做到孔长小于 孑 L 直径就不错了。实际应用中常常使用 的如图 4所示 ， 在一个 内六角螺堵 中钻一个孔。这些 ， 甚 至有现成产 品 可购 ， 也便于更换 ， 但一般都达不到理想的薄壁小孔所 要求 的条件 。 图 3通 过 薄 壁 小 孔 的 流 量 图 4实 际 应 用 的 薄 壁 孔 2 流动方 向的影 响 式 1 仅对 图 5 a成立 ， 如果 液流反 向， 如图 5 b ， 则通过 的流量会有显著增加 。 3 若小孔 如图 6所示 ， 有测试报告称 ， 当 d l 、 无 倒角 图 6 a 时 ， 为 0 ． 7 2 ～ 0 ． 7 7 。在略有倒角时 图 6 b ， 可能达到 1 。这表示在 同样压差下 ， 通过 的流量要大 得 多 。 a 正 向 b 反 向 图 5 薄壁孔 的方 向 g p1 a 无倒角 b 有倒角 图 6不 完全薄壁小孔 4 其实 ， 随着孔形状的不 同， 不仅流量系数要变 ， 就连平方根 的关 系也不一定能保证 。因此 ， 有的文献把 小孔 的流量压差关系表成 g 2 △ p m 式 中m O ． 5 ～ 1 。 7 滑 阀节 流 口 实际工作 中 ，滑阀节 流 口的通流量经常套用薄壁 4 , T L 的公式来计算 ， 这肯定会有误差 的。因为 1 实际应用 的滑阀节流 口有多种形状 ， 图 7所示 仅为其 中很少一部分 。它们的通流特性肯定和薄壁小 孔有差别 。 a 全圆周 b 矩形槽 d 三角槽 e 锥形阀芯 f 圆孔通道 图 7不 同形状的滑 阀节流 口 3 加 m ∞ ∞￡ 叭 O 0 0O O 0 O 0 O 籁 R丑 ． 一 一 一 n 懵 一 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 1 2期 2 对节流效果起决定性作用 的， 一般是液流通道 中最小的截面。所以 ， 不能光看开 口的径向投影面积 。 还要将其与轴向通道的横截面积 比较 ，才能确定反映 节流效果。 8 液动力 由于对液动力的本质没有从违反帕斯卡原理前提 的角度去认识 ，国内有些多年使用的教材把液动力的 方 向都搞错 了嗍 。文献【 4 J 对一个 N G 2 0的二通插装阀的 稳态液动力做了详尽的研究 ，理论计算与实测作 了对 比， 指 出， 用动量变化算 出的液动力往往大于实测 。该 文献用了多个曲线 图介绍不同形式的锥 阀的液动力随 开口的变化， 图 8为其中的一个。 需 图 8一 个 NG2 0二 通 插 装 阀的 j 匣动 力 曲线 9 弹性模量 液压技术中使用的压力介质都是可压缩的 ．通常 用弹性模量来表征 。此参数对液压元件 和系统的动态 性能起着重要影响。 图 9为液压技术 中常用的 H L P 4 6号矿物油 。几乎 不含空气时实测 的弹性模量。从中可以看出 。 矿物油 的 弹性模量随压力和温度变化。 舌 p／ M Pa P 一 压力E l_弹性模量 图 9 H L P 4 6矿物油的弹性模量 I F A S 同 混在压力介质 中的未溶解的空气会 降低压力介质 的实际弹性模量 ， 特别是在低压时， 非常显著。l ％的含 气量 ． 会使实际弹性模量下降到大约只有三分之一。而 随着压力的升高 ， 压力介质的空气溶解量增大 ， 而未溶 解的空气 由于被压缩 ，本身 的弹性模量也在升高。结 4 果 ， 压力介质的实际弹性模量会明显升高。 另外 ， 在液压系统中， 管道的刚性也会对系统的实 际 弹性模 量产 生影 响 。图 1 0为一对 比测试 结 果 。从 中 可以看出。 在工作压力从低压上升到 2 0 MP a时 ， 使用厚 壁 钢 管 的实 际 弹性 模 量 约从 7 0 0 MP a上 升 到 2 0 0 0 MP a 左右 ； 而使用软管的实际弹性模量约从 3 0 0 MP a上升到 6 0 0 MP a左右 ， 仅为钢管的三分之一左右。 从以上非常简短 的回溯可以看到 ，液压常用 的基 本规律、 公式 ， 或是从一些理想化状态下推导 出来 的 ， 或是从试 验中归纳出来的 ， 仅在一定条件下成立 ， 超过 了这个范 围使用 ， 就会得到谬误。 p ／ MP a l 一 钢管 外径 3 O， 壁厚 4 ， 3 m长 2 - 高压软管 内径 3 O ， 3 m长 E 实际弹性模量 图 1 0液压 油的实际弹性模■对比测试 I F A S 旧 很多经验数据 ， 是他人在一定环境条件下获得的 ， 换一个环境条件并不一定完全有效。而有些试验的环 境条件并未详细告知 ，简单套用其结果 ，准确性大可 怀 疑 。 例 n m- r 偏差对间隙的影响。 举例来说 ， 一个 2 0 的阀， 即使加工偏差达到 了要求 的 H 7 ／ f 7 ， 那 阀孑 L 偏差 为 0至 O ． 0 2 1 。 阀芯 的加 工偏 差 在一 0 ． 0 2 0至一 0 ． 0 4 1 。两 者之间可能的径 向间隙就在 0 ． 0 2 0到 0 ． 0 6 2之间 ， 3倍 之差。而通过间隙的泄漏量 ， 一般与间隙的 3次方成正 比。所以 ， 实际泄漏量 ， 假定始终还是层流的话 ， 也可能 有 2 7倍的差别。这里还忽略了肯定会有 的加工形状位 置偏差 、 温度变化带来 的粘度变化、 等等 。 1 O 结束语 从以上的分析可以引出下列结论 。 1 这些基础理论公式 ， 用于分析是很有用的 ， 但 用于计算 ，则计算结果 由于很多 因素被忽略而很可能 不准确。 因此 ． 要非常重视测试 ， 要把测试放在第一位 。实 际测试是万万不可缺少的。要把能测量液压系统 的压 力流量变化过程作为硕士生 、助理工程师必须掌握的 基本技能。试问 ， 不会使用万用表 ， 能 当电工吗那么， 凭什么 ， 当液压助理工程师就可以不会使用液压“ 万用 一 一 O O O O 伽 姗 瑚 Hyd r a u l i c s Pn e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 1 2． 2 01 2 表 ” 呢 刚离开学校来到工作 岗位 ， 特别是工厂、 研究所的 毕业生 ，建议先到装配调试修理部门去摸爬滚打一段 时 间 ， 学会测试 ， 了解实 际情况 ， 了解 顾客和企业 的需 求后 ， 再到技术部门去 ， 搞些产品改进。工作不满三年 ， 不要去搞新产品设计 。这样 ， 对 自己对单位 ， 才不会遭 遇“ 滑铁卢” 。满三年后 ， 你就知道 ， 国内的液压企业中， 有多少在搞设计 ， 多少在搞测绘仿造 ， 你 的企业现在到 底需要什么。 德 国工业强大 的原因之一 ，就是 因为他们崇 尚实 际 。在德 国工业界广为流传着一句谚语 “ 什么是理论 家 他什么都懂 ， 就是解决不 了问题 。 什么是实干家 他 解决 了问题 ， 但不知道为什么。” 创新是靠实际干出来 的 ， 靠建立无用的数学模型是创不 了新的。德 国还有句 人人知 晓的谚语 “ P r o b i e r e n g e h t v o r S t u d i e r e n试验 胜 过啃书” ， 也值得我们借鉴 。 2 数字仿真就是根据那些理论公式 ， 建立数学模 型 ， 把微 分方程差分化 ， 输人参数 ， 利用计算机 的高速 计算能力 ， 计算 出结果 。数学模型不全面 ， 输入参数不 准确 ， 计算结果也就不准确。从前 面对这些基础的常见 的公式及参数的回溯可知 ，准确描述液压元件 的实际 工况远不是那么简单 的。所以 ， 仿真结果的准确性就很 值得怀疑。 数字仿真 的 目的是为 了预测被仿 真对象 的特性 ， 从而改进优化之。为此 ， “ 真” 是对仿真最重要 的要求 。 要知道是否“ 真” ， 就是要和实测对 比。 如果偏差不大 ，说 明这个数学模型和这组参数 比 较接近实 际 ， 是 比较“ 真 ” 的 ， 可 以用之预测 对象 的性 能 ， 可以在此基础上进行优化 ， 缩短研发时间。 如果偏差很大 ，就说 明这个数学模型中还遗漏了 一 些重要因素未考虑到。找出不同处 ， 改进仿真模型 ， 可以加深对系统 的理解。 如果根 本不去 与实测对 比 ，那 除 了说 明你会 玩 A ME S i m外 ， 什么都说 明不 了。 “ 画鬼容易画人难 ” ． 此之 谓 也 。 ‘ 作为研发工具 ， 数字仿 真就 像阿拉伯数 字“ 0 ” ， 实 测就像数字 “ 1 ” 。孤立地脱离实测地搞仿真 。 什么价值 也没有 。仿真和实测结合起来 。 就可以把实测的价值放 大 1 0倍 。 世界流体动力技术泰斗巴克教授 。从上世纪七十 年代就着手组织研究液压元件与系统数字仿真。然而 ， 他始终坚持 不能测试的不仿真 ， 一定要建立 了测试能 力才搞仿真 。同 有位过来人在 网上建议其他网友 ， “ 无聊再仿真” ， 虽然看似戏谑 ， 却也不是毫无道理的。 3 我们需要前瞻 ， 但更需要从现实情况 出发 。 脚 踏实 地地面对 和解决 现有 的问题 。要不然 。 “ 虚拟样 机 ” 、 “ 软测量” ， 名词不断翻新 ， 追赶潮流 。 实际工业水 平却远远落后 ， 成为泥足巨人 。 如果因为学了一些理论公式 ， 就忘记了“ 液压是一门 实验科学” 这一基本点 ， 就会在实际工作中受到惩罚 注 I F A S是I n s t i t u t f a r n u i d t e c h n i s c h e An t r i e b e u n d S t e u e r u n g e n ， R WT H A a c h e n德 国亚琛工业 大学 流 体传动与控制技术研究所的简称 。 参考 文 献 [ 1 ]1 盛敬超 编． 液压流体力学[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 8 0 ． 【 2 】 章宏 甲主编． 金属切削机床液压传动[ M】 ． 南京 江苏科学技术 出版社 ． 1 9 8 0 ． [ 3 】 路 甬祥 ， 胡大绂 编著． 电液 比例 控制技术[ M 】 ． 北京 机械 工业 出版社 ． 1 9 8 8 ． [ 4 ] L u Y o n g x i a n g ． E n t w i c k l u n g v o r g e s t e u e r t e r P r o p o r t i o n a l v e n t i l e mi t 2- We g e- E i n b a u v e n t i l a l s S t e l l g l i e d u n d mi t g e r a t e i n t e me r R t l c k f t l h r u n g [ D ] ． T H A a c h e n ． 1 9 8 1 6 9 7 4 。 [ 5 】 U n i v ． 一 P r o f ． D r ． 一 I n g ． Mu r r e n h o ff ． G r u n d l a g e n d e r O l h y d r a u l i k [ M] ． 5 ． A u f l a g e ． I F A S ， R WT H A a c h e n ． A a c h e n S h a n k e r Ve d a g ， 2 0 0 7 ． [ 6 ] 张 海 平 ． 液 压 螺 纹 插 装 阀 [ M] ． 北 京 机 械 工 业 出 版 社 ， 2 0 1 1 ． [ 7 】 张海平． 测试是液压 的灵魂 [J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 ， 6 ． 【 8 】 张海平． 纠正一些关 于稳态液动力 的错误认识【 J ] ． 液压 气动与 密封 ， 2 0 1 0 ， 9 ． 5