江西九江对于ELBE液压管的流动速率预设探究

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作者:admin     来源:未知       发布时间: 2017-08-07 05:37
导读:ELBE,在高压、大流量液压系统(Hydraulic systems)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、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


对于液压管的流动速率预设探究

  江西九江对于ELBE液压管的流动速率预设探究:在高压、大流量液压系统(Hydraulic systems)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、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液压泵良好的主轴油封,即使在低温环境壳体压力较高时也不会发生泄漏
  按照流体力学理论,ELBE流体分为层流和紊流两种状态农机液压泵柱塞组建便于维修,使用标准工具就可以拆装,所以零件和组件都是通用的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。液体的流速比较高,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(Hydraulic systems)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。
  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(Hydraulic systems)原理简图,液压泵(Hydraulic pumps)为变量柱塞油泵(Deep well pump)。系统工作要求当电磁阀(magnet valve )2d
  T、4dt带电工作时,ELBE液压泵(Hydraulic pumps)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液压阀多路换向阀的滑阀机能,油路形式,A、B口辅助阀的配备,控制及定复位方式 当电磁阀(magnet valve )1d
  T、3d
  T、5dt带电工作时,液压泵(Hydraulic pumps)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,完成一个工作循环在没有先导信号输入时,处于常闭状态。当先导气路的压缩空气进入B腔后,液压减开始工作。
  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313m/s,有杆腔进油流量为886l/min,进油管平均流速为11139m/s;无杆腔回油流量为1881l/min,油管平均流速为12148m/s.很显然,这是一个典型的高流速、大流量液压系统(Hydraulic systems)。
  调试试验及初步运行表明,液压系统(Hydraulic systems)能满足系统工作要求,所选管道、液压元件(Hydraulic element)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。
  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6m/s,回油管道最大为216m/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液压阀是自动降低管路工作压力的专门装置,用于气动回路中,对压缩空气的压力值进行调节,使设定的压力值近于恒定。显然该项目中的流体速度高出推荐值非常多,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δ大于导管壁面粗糙度尺寸ε,即δ>ε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δ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,δ与re成反比,其值可按下式估算。
  δ≈30dreλ式中λ???为摩阻系数;d???管道内径,单位为mm;re???雷诺数。
  2项目中液压系统(Hydraulic systems)在室内安装,选用l-hm46抗磨液压油,40℃时运动黏度为平均值为46mm21s-1,回油口三通前的管道为
  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(不锈耐酸钢)管。橡胶管和不锈钢(不锈耐酸钢)管的粗糙度尺寸最大值分别为0102m
  M、0103mm.
  回油橡胶管、ELBE不锈钢(不锈耐酸钢)管平均流速分别为12148m/
  S、9142m/s,其对应的雷诺数分别为10852、13310,进油管雷诺数为9904.
  上述各种情形下的雷诺数均小于105,其摩阻系数按式计算。
  λ=013164re0125回油橡胶管、不锈钢(不锈耐酸钢)管,进油管的摩阻系数分别为01031、01029、01032.按式估算出对应的层流次层厚度δ分别为01628m
  M、01860m
  M、01677mm.通过数值比较可以看出,无论是橡胶管还是不锈钢(不锈耐酸钢)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,处于上临界雷诺数和下临界雷诺数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2300小于13800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:δp=σδpf σδpr=σλ1dρv2 σξρν2式中δpf???沿程压力损失,单位为pa;δpr???局部压力损失,单位为pa;λ???摩阻系数;l???圆管长度,单位为mm;d???圆管直径,单位为mm;ρ???液体密度,单位为kg/m3;v???液体流速,单位为m/s;ξ???局部阻力系数,可查阅相关手册。
  液压系统(Hydraulic systems)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δp使液流损失了qδp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变为热能,使油液获得的热能为qρcδt,温度升高δt;
  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(不锈耐酸钢)管长5000mm,橡胶管长1500mm,摩阻系数为01032,局部阻力系数ξ取115,油液密度ρ=900kg/m3,则根据可计算出σδp
  F、σδpr分别为303573p
  A、700553pa,总压力损失为:δp=σδpf σδpr=303573 700553=1004126pa=10104bar则单位时间内损失的能量为:n=qδp=886×10-360×=14828w根据:qδp=qρcδt可计算得出:δt=2178℃因此,工作周期内的温升为2178°×012=0156℃按照文献所述,压强降低100bar,将造成约519℃的温升,因此,进油管路产生的温升约为016℃,两种计算方法得出的结果接近。
  同理,回油管路中ELBE负载产生了20mpa的反压,电磁阀(magnet valve )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1118℃。由管路流回油箱的油约8l,而油箱储油量为1440l,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,但温度比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。
  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13800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(Hydraulic element)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(Hydraulic systems)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。