液動力知識講解

液動力（參考資料）

2.3.2.4作用在閥芯上的液動力問題當(dāng)液流流經(jīng)液壓閥閥腔時，由于液流的動量發(fā)生變化，液流對液壓閥會產(chǎn)生作用力，這個力稱液動力，液動力是作用在閥芯上的主要軸向力之一。液動力問題一直是液壓界關(guān)注的一個重要問題，液動力不僅會影響閥的操縱力，而且還可能引起閥的自激振動，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。1.作用在滑閥閥芯上的液動力圖2.3-11a所示為一四邊滑閥，該滑閥具有兩種不同油液進(jìn)出形式的閥腔，如圖2.3-11b和c所示。a）四邊滑閥b）出口節(jié)流c）a）四邊滑閥b）出口節(jié)流c）進(jìn)口節(jié)流圖2.3-11滑閥的液動力計算對于某一固定的閥口開度X來說，閥芯固定不動，閥腔中的流動為定常流動，液流對閥芯的作用力為穩(wěn)態(tài)液動力。圖2.3-11a為流體從閥腔流出時被節(jié)流的情況，選擇閥腔進(jìn)、出口過流斷面及腔內(nèi)壁面為控制面的控制體，運(yùn)用式（2.3.6）得到閥芯所受軸向穩(wěn)態(tài)液動力Fs為F=-pQvcos0s（2.3.24）式中v—滑閥節(jié)流口處的平均流速；。一射流方向角，理想直角銳緣滑閥的射流角0=690；Q—流量。當(dāng)流體反方向流動，即進(jìn)口節(jié)流時，如圖2.3-11b所示，穩(wěn)態(tài)液動力仍為式(2.3.24)。應(yīng)用閥口流速和流量公式，穩(wěn)態(tài)液動力Fs的計算式還可以表示為F=-2CCwxApcos0(2.3.25)式中q一流速系數(shù)，一般取0.98~0.99；C一流量系數(shù)；qAp一閥口前后的壓差；w—閥口節(jié)流邊周長，w=nd;由于0角總是小于900，因此不論流動方向如何，穩(wěn)態(tài)液動力方向始終使閥口趨于關(guān)閉。當(dāng)閥芯處于運(yùn)動狀態(tài)時，閥口的開度x變化而使流量隨時間t發(fā)生變化，閥腔內(nèi)的液流速度也將隨時間而變，因此屬非定常流動的情況，此時除了上述穩(wěn)態(tài)液動力以外，閥芯還受到軸向瞬態(tài)液動力F，F(xiàn).可由式(2.3.6)中第二項得到F=-|tjpvdi=PPL岑 (2.3.26)式中p一當(dāng)出口節(jié)流時取“-”，進(jìn)口節(jié)流時取“+”；L一進(jìn)、出口中心距離；由上式可知，對圖2.3-11a所示的出口節(jié)流情況，在滑閥開啟過程中，由于流量增大，作用在閥芯上的瞬態(tài)液動力F指向左，使閥芯趨于關(guān)閉，而在滑閥關(guān)閉過程中使滑閥趨于開啟。F.與閥芯的運(yùn)動方向相反，是一個穩(wěn)定的因素。若將F?看作阻尼力，則F.為正阻尼力。對圖2.3-11b所示進(jìn)口節(jié)流情況，氣則與閥芯的運(yùn)動方向相同，此時瞬態(tài)液動力成為負(fù)阻尼力，對閥芯的運(yùn)動是一個不穩(wěn)定因素，這種情況將危及到滑閥工作穩(wěn)定性，在滑閥的設(shè)計中應(yīng)引起重視。合理布置多個進(jìn)、出油口的位置，可以控制瞬態(tài)液動力的大小及方向。負(fù)阻尼作用有時也是可以加以利用的，瞬態(tài)液動力的負(fù)阻尼力可以提高閥的啟閉快速性。瞬態(tài)液動力F的計算式還可以表示為F=rCwL疽2pAp辱或F=K當(dāng) （2.3.27）iLdtK=rCwL\.：2pApdx式中d一閥口開度變化率，即閥芯移動速度。dtdx 一.. 一.…由上式可知瞬態(tài)液動力F.與閥芯移動速度*成正比。kl稱為阻尼系數(shù)，kl與閥腔長度L有關(guān)。當(dāng)F.為正阻尼力時，Kl取負(fù)值；當(dāng)F.為負(fù)阻尼力時，Kl為正值，因為是沿閥腔取控制體，當(dāng)閥芯移動時，控制體內(nèi)的液體也將隨閥芯產(chǎn)生牽連運(yùn)動，當(dāng)牽連運(yùn)動存在加速度時，若考慮由此產(chǎn)生的液體慣性力F，它作用在閥芯上七=-m異 （2.3.28）式中m^一閥腔中所包含全部油液質(zhì)量。對于非定常流動，滑閥閥芯總的軸向液動力為F=F+F+F=-2CCwxApcos0rCwL.2pAp竺-m^—X （2.3.29）SifqV q dtcvdt2一般液壓控制閥，閥芯所受的各種作用力中，瞬態(tài)液動力所占的比例不大，常常予以忽略，動態(tài)響應(yīng)很高的閥(例如伺服閥、高速開關(guān)閥、高響應(yīng)的比例閥)中需要計算瞬態(tài)液動力。2.作用在錐閥閥芯上的液動力按液流在錐閥中的流動方向不同，錐閥可分為外流式錐閥和內(nèi)流式錐閥。錐閥的穩(wěn)態(tài)液動力計算原則與滑閥相同，應(yīng)用動量定理進(jìn)行計算。首先討論外流式錐閥，選取的控制體如圖2.3-12a所示。忽略液體與閥座孔壁間的粘性力和液體重力，液流出口外側(cè)的壓力近似為0。當(dāng)定常流動時，閥芯受到的液動力只有穩(wěn)態(tài)液動力氣，按動量定理可得。F=pA一pq(vcosa一v) (2.3.30)s11v2 1式中v1，v2-控制體進(jìn)、出口斷面上的平均流速；P］一控制體進(jìn)口斷面A1上的壓力；一般V】《v2，略去七不計，應(yīng)用閥口速度和流量公式，則穩(wěn)態(tài)液動力Fs的計算式還可以表示為xF=Rp1(1-4CC-sin2a)（2.3.31）式中L閥芯抬起高度，即開度；刁一閥座內(nèi)孔直徑。對于外流式錐閥，軸向穩(wěn)態(tài)液動力隨閥開度增加而減小，因此當(dāng)閥芯抬起時，由于軸向穩(wěn)態(tài)液動力的減小而使閥芯趨于關(guān)閉。對于有閥座的錐閥，可選取如圖2.3-12b所示的控制體，列軸向動量方程，則可得閥芯所受液動力有：F=Ap+jpsinadA-pqvcos以 （2.3.32）11A.i vAl式中A,?—閥座錐面面積；p-閥座錐面上的壓力分布。由于閥座上的錐面具有一定的壓力分布，錐面的軸向投影面積寬度越大，對軸向液動力的影響越大。內(nèi)流式錐閥流動較復(fù)雜，傳統(tǒng)的分析方法只著眼于上流閥腔控制體或只著眼于下流閥腔控制體。內(nèi)流式錐閥閥芯的受力分析，必須同時考慮上流與下流閥腔中流體動量變化對閥芯產(chǎn)生的作用力。如圖2.3-13所示的內(nèi)流式錐閥，建立兩個控制體，控制體ABCD和控制體積BEFG，分別對兩個控制體積應(yīng)用動量定理。a）無閥座 b）有閥座圖2.3-13內(nèi)流式錐閥液動力對控制體積ABCD應(yīng)用動量定理，可得:F-jd02p2—rdr一p(—dxsina)cosa=pqvcosa-pqvcosw1d/2 BC v v0式中：F1——控制體積ABCD內(nèi)流體對閥芯的軸向作用力。p——閥座面AB上的壓力分布；v0——AD上的平均流速；V v0與垂直方向夾角；對控制體積BEFG應(yīng)用動量定理，可得:—F-—d2p+p(—dxsin以)cos以=pqv-pqvcos以2 4 2BC v2vF2為控制體積BEFG內(nèi)流體對閥芯的軸向作用力。同時考慮兩個控制體對閥芯的作用，上述兩式相加得:(F+F)-(jd0/2p2—rdr+—d2p)=pqv-pqvcosW1 2 d/2 4 2 v2 八則液動力為：(2.3.33)F=(F+F)=—d2p+jdo/22p冗rdr+pqv-pqvcosWs12 4 2 v2