液压管道流速设计研究

　　0　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2DT、4DT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1DT、3DT、5DT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24MPa,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3·3m/s, 有杆腔进油流量为886L/min,进油管平均流速为11·39m/s;无杆腔回油流量为1881L/min,油管平均流速为12·48 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。

　　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[1]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6m/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?