封闭容腔与压力流量的关系

2024-09-20 14:02
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液压技术是利用油液,在所谓封闭容腔,即由管道、泵、缸、马达、控制阀等构成的封闭空间里的有压流动(不是水渠、江、河的明渠流),来传递动力,安全、准确、快速、高效地实现机器设备所要求的各种循环动作要求。现代液压技术对主机的作用,有如人体的血液系统和神经系统。因此,研究油液在封闭容腔里的特性,是研究液压技术,设计、使用与维护液压设备的基础。

总体上来讲,在液压技术中会遇到两种封闭容腔:稳态封闭容腔与动态封闭容腔。特别要留意的是,封闭容腔中的油液是可以压缩的(以弹性模量为表征,钢为2.1Χ10^5MPa,液压油为1.4-2Χ10^3MPa,两者相差100倍)。

一、稳态封闭容腔

其特点是在其中的油液,是基本不流动的,也就是既没有油液流到容腔外,也没有从外界补充油液进容腔。在这种封闭容腔中,适用于**的帕斯卡原理,即当外界通过接口对封闭容腔(连通器)加压时,所产生的压力将同时且等值地传递到封闭容腔的各个壁面上。附件所示的千斤顶,就是利用封闭容腔等压传递特性,进行力放大的最典型应用示例。这种封闭容腔,一般比较好理解。

稳态封闭容腔的压力基本公式

一封闭容腔中压力为P时,体积为V;压力加大为P+ΔP时,体积为V-ΔV,由此:

ΔP=Ee×ΔV/V

式中,Ee---有效体积弹性模量(包括油液本身,以及封闭容腔壁面等在内的等价弹性模量,有种含气量的影响很大)。

注意:这里只考察体积变化引起的稳态压力变化,没有时间的因素,所以是一种稳态的考虑。

二、动态封闭容腔

其特点是在其中的油液是流动的,也就是既有油液流进容腔,也有油液从容腔中流出。其基本压力公式,与上述稳态封闭容腔压力公式很相似,但符号的含义有差别。

动态封闭容腔压力公式

ΔP=Ee×Δq×t/V

式中,Ee与V的意思,与稳态封闭容腔一样,其余几个就变了:

Ee:有效体积弹性模量

V:封闭容腔的总容积;

Δq:在t时间里,流入与流出封闭容腔的液流流量之差(不再是容积的变化)

ΔP:在t时间里,封闭容腔压力的变化(或升高,或降低);

而(ΔP/t)就是通常所说的压力飞升速率(单位时间压力的变化)。可见,影响封闭容腔压力变化的主要有Ee 、V和Δq三个主要因素。

三、还需要关注的几个要点

1、油液是可压缩的

液压系统中一般都要考虑油液是可以压缩的,只是在不同压力等级、不同使用场合下,数值上有所差别而已,不要太相信有些书上写的低压时是不可压缩的;

2、不论什么系统,都有层次不同的动态问题

进行任何系统设计,或者进行系统故障分析时,都要留意这个问题,用封闭容腔压力公式算一算。

曾经有一台压制炼钢炉用炭棒的大型压制机,当矿石原料略有变化时经常出现主压制液压缸运行不正常,走走停停,尽出废品。到现场一查,实际上是从液压泵到主压制缸无杆腔是一个封闭容腔,由于流量不足,使液压缸(直径约1.5m,行程约15m)的推力经常低于负载力。液压缸一停下来,封闭容腔暂时不增大,而泵照样来油,就又使封闭容腔压力上升,从而克服负载向前走一走。但当液压缸活塞一运动,封闭容腔总容积就增大,油压一跌下来,活塞又不动了。

实际上,系统油源流量处于不能满足系统要求的边缘状态,估计根本就没有进行封闭容腔参数的计算。该系统主液压缸运动速度很低,按常规不会认为是动态问题,而实际上还是个动态问题(压力随时间的变化比要求的慢),要依靠动态封闭容腔的概念来解决问题。公式中有E、V、Δq三个因素,但从实际出发,要增大油液弹性模量没招;要对钢铁成堆的特大系统进行管路改造以减小封闭容腔总容积,则花不起时间与停产损失(全套生产线从国外引进)。

最后,只能求助于Δq,即将油源流量加大。结果是将原来3台同步变量的变量泵中的2台,改为固定的输入值(相当于定量泵),留1台进行反馈变量(3台全部反馈快速性跟不上,也没有必要),即只在电控器上动点小手术解决了生产中的一个关键难题。

3、有效体积弹性模量影响因素中,油中混入空气影响**

对含气量的影响,应区分是空气溶解在油液中,还是油液中混入空气。

(1)空气溶解于油中

1)空气溶解于油中---对液体性质没有影响,压缩性、黏度都不变化!

2)溶解度与油液上方空气的绝对压力成正比;压力加大时,部分混入的空气,将溶解于液体中;已溶解于液体中的空气,会随压力的降低而逸出(开汽水瓶时逸出二氧化碳);

3)溶解是需要时间的!溶解速度决定于油的压力,油液若被搅动,则气泡溶解速度较快。

(2)油液中混入空气

1)对黏度影响较小,而可使体积弹性模量大为降低!有数据说:混入1%空气,引起有效体积弹性模量从1449MPa下降到1077.5MPa。

2)在压力变化速率很高的情况下,油中的气泡是不稳定的,它们在高压下可能被压破。这就产生所谓的气态气蚀,气泡破坏时产生的压力大到足以使机器破坏,常发生在齿轮泵的高压排油口。

4、区分静态与动态体积弹性模量

静态弹性模量——指静止或运动速度不大的油液具有的弹性模量。

动态弹性模量——在设计控制系统时,油液要从伺服阀、比例阀、节流阀、减压阀阀口高速流出,油液中的气穴量便会增加很多,使油液弹性模量大为降低,油液在这种状态下的弹性模量称动态弹性模量。


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