液動力(參考資料)

1、2.3.2.4 作用在閥芯上的液動力問題當液流流經(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出形式的閥腔，如圖2.3-11b和c所示。 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)

2、流的情況，選擇閥腔進、出口過流斷面及腔內壁面為控制面的控制體，運用式（2.3.6）得到閥芯所受軸向穩(wěn)態(tài)液動力Fs為（2.3.24）式中 v滑閥節(jié)流口處的平均流速； 射流方向角，理想直角銳緣滑閥的射流角q690； Q流量。當流體反方向流動，即進口節(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（2.3.25）式中 Cv流速系數(shù)，一般取0.980.99；Cq流量系數(shù)； p閥口前后的壓差； 閥口節(jié)流邊周長，w=d；由于q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閉。當閥芯處于運動狀態(tài)時，閥口的開

3、度x變化而使流量隨時間t發(fā)生變化，閥腔內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Fi，F(xiàn)i可由式（2.3.6）中第二項得到 （2.3.26）式中 當出口節(jié)流時取“”，進口節(jié)流時取“”； L進、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Fi指向左，使閥芯趨于關閉，而在滑閥關閉過程中使滑閥趨于開啟。Fi與閥芯的運動方向相反，是一個穩(wěn)定的因素。若將Fi看作阻尼力，則Fi為正阻尼力。對圖2.3-11b 所示進口節(jié)流情況，F(xiàn)i則與閥芯的運動方向相同，此時瞬態(tài)液動力成

4、為負阻尼力，對閥芯的運動是一個不穩(wěn)定因素，這種情況將危及到滑閥工作穩(wěn)定性，在滑閥的設計中應引起重視。合理布置多個進、出油口的位置，可以控制瞬態(tài)液動力的大小及方向。負阻尼作用有時也是可以加以利用的，瞬態(tài)液動力的負阻尼力可以提高閥的啟閉快速性。 瞬態(tài)液動力Fi的計算式還可以表示為或 （2.3.27）式中 閥口開度變化率，即閥芯移動速度。 由上式可知瞬態(tài)液動力Fi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。當Fi為正阻尼力時，KL取負值；當Fi為負阻尼力時，KL為正值，因為是沿閥腔取控制體，當閥芯移動時，控制體內的液體也將隨閥芯產(chǎn)生牽連運動，當牽連運動存在加速度時，若考慮由此產(chǎn)生的

5、液體慣性力Ff，它作用在閥芯上 （2.3.28）式中 mcv閥腔中所包含全部油液質量。 對于非定常流動，滑閥閥芯總的軸向液動力為 （2.3.29） 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)響應很高的閥（例如伺服閥、高速開關閥、高響應的比例閥）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流式錐閥。錐閥的穩(wěn)態(tài)液動力計算原則與滑閥相同，應用動量定理進行計算。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，液流出口外側的壓力近似為0。當定常流動時，

6、閥芯受到的液動力只有穩(wěn)態(tài)液動力Fs，按動量定理可得。 （2.3.30）式中 v1，v2控制體進、出口斷面上的平均流速； p1控制體進口斷面A1上的壓力； a半錐角即液流角。 a)無閥座 b)有閥座 圖2.3-12 外流式錐閥液動力一般v1v2，略去v1不計，應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 （2.3.31）式中 x閥芯抬起高度，即開度； d閥座內孔直徑。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： （2.3

7、.32）式中Ai閥座錐面面積；pi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。內流式錐閥流動較復雜，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用動量定理。 a)無閥座 b)有閥座 圖2.3-13內流式錐閥液動力對控制體積ABCD應用動量定理，可得： 式中：F1控制體積ABCD內流體對閥芯的軸向作用力。p閥座面AB上的壓力分布；v0AD上的平均流速；yv0與垂直方向夾角；對控制體積BEFG應用動量定理，可得： F2為控制體積BEFG內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：則液動力為： （2.3.33）因此內流式與外流式錐閥液動力計算公