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液压 气动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 4期 液压管道流速设计研究 王 林 张 森 王江三 中航工业西安飞机设计研究所 ，陕西西安7 1 o 0 8 9 摘要 本文通过工程实例，研究讨论了液压系统设计中常见的大流量高流速问题。阐述了 紊流光滑管状态是高速流体保持稳定 状态的必要条件，液体温度升高是制约流速提高关键的观点。得出了液流速度可以在光滑紊流管范畴有条件的突破常规推荐值的 结论。 关键词液压系统；流速；紊流；雷诺数 中图分类号T H1 3 7 ． 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 4 0 0 3 6 0 3 Th e Re s e a r c h a n d De s i g n o f Hy d r a u l i c P i p e l i n e F l o w Ve l o c i W WA NG L i n Z H A NG S e n WA N G J i a n gs a n 3 X i ’a n A i r c r a f t I n s t i t u t e o f C h i n a A v i a t i o n I n d u s t r y C o r p o r a t i o n ， x i ’a n 7 1 0 0 8 9 ， C h i n a A b s t r a c t A p r o j e e t e x a m p l e i s i n t r o d u c e d i n t h e p a r a g r a p h ．A n d r e s e a r c h i n g i n t h e q u e s t i o n o f t h e h i g h s p e e d a n d b i g v o l u m e o f fl o w i n h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n ．Ex p a t i a t i n g o n t u r b u l e n t fl o w t h e s mo o t h p i p e l i n e i s t h e h i g h s p e e d fl o w t o r e t a i n s t a b l e n e c e s s a r y c o n d i t i o n ，a n d i n c r e a s i n g t e mp e r a t u r e i s r e s t r i c t e d fl o w v e l o c i t y t o e n h a n c e ．U l t i ma t e l y ，w e s h o u l d g a i n t h e c o n c l u s i o n w h i c h t h e s mo o t h t u r b u l e n t fl o w p i p e l i n e c a n b e b r e a k i n g r o u t i n e v a l u e i n c e r t a i n c o n d i t i o n ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c s y s t e m；fl o w v e l o c i t y ；t u r b u l e n t fl o w；r e y n o l d s n u mb e r O 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 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 收稿 日期 2 0 0 9 ． 1 2 - 0 2 作者简介 王林 1 9 6 2 一 ， 男， 陕西富平人， 高级工程师， 毕业于沈阳工业 学院， 主要从事飞机保障设备设计。 3 6 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2 D T 、 4 D T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 I D T 、3 D T 、5 D T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2 4 M P a ，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 ． 3 m ／ s ， 有杆腔进油流量 为 8 8 6 I V m i n ，进油管平 均流速 为 l 1 ． 3 9 m ／ s ；无杆腔回油流量为 1 8 8 1 L ／ mi n ，油管平均 流速为l 2 ． 4 8 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。 H y d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 4 ． 2 0 1 0 图 1 液压系统原理简图 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 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6 m ／ 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 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△大于导管壁面粗糙度尺寸 ，即△ s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△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，△与 成反比，其值可按下 式估算。 △ 3 0 1 、 ／ A 式中A 为摩阻系数； d 管道内径，单位为 m m； m雷诺数。 项 目中液压系统在室内安装，选用 LH M 4 6抗 磨液压油，4 O ℃时运动黏度为平均值为 4 6 m m ． s ～， 回油口三通前的管道为 0 m m通径钢丝编织高压橡 胶管，三通至泵站的管道为 ff 6 5 m m通径不锈钢管。 进油管与液压缸连接的一段也为高压橡胶管， 其余为 不锈钢管。橡胶管和不锈钢管的粗糙度尺寸最大值分 别为0 ． 0 2 m m、0 ． 0 3 m m。 回油橡胶管、 不锈钢管平均流速分别为 1 2 ． 4 8 m ／ s 、 9 ． 4 2 m ／ s ，其对应的雷诺数分别为 1 0 8 5 2 、1 3 3 1 0 ，进 油管雷诺数为 9 9 0 4 。 上述各种情形下的雷诺数均小于 l 0 ，其摩阻系 数按 2 式计算。 A Re 2 u ’‘ J 回油橡胶管、不锈钢管，进油管的摩阻系数分别 为0 ． 0 3 1 、 0 ． 0 2 9 、0 ． 0 3 2 。按 1 式估算出对应的层 流 次 层 厚 度△ 分 别 为 0 ． 6 2 8 mm、0 ． 8 6 0 m m、 0 ． 6 7 7 m m 。通过数值比较可以看出，无论是橡胶管还 是不锈钢管，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 R e 1 3 8 0 0 和下临界雷诺数 R e2 3 0 0 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 2 3 0 0小于 1 3 8 0 0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 A P ∑ △ p S a p 寺 警 ∑ 3 式中△ p ， 沿程压力损失，单位为 P a ； 卸 局部压力损失，单位为P a ； A 摩阻系数； f 圆管长度，单位为 m m； d _圆管直径，单位为 mm； p 液体密度， 单位为k g ／ m ； 液体流速，单位为 m ／ s ； 局部阻力系数，可查阅相关手册。 液压系统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△ p 使液流损失了Q △ p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 7 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 4期 变为热能， 使油液获得的热能为Q p c A t ，温度升高A t ； 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，该段管不锈钢管长 5 0 0 0 ra m，橡胶管长 1 5 0 0 m m，摩阻系数为 0 ． 0 3 2 ，局 部阻力系数 取 1 ． 5 ，油液密度P 9 0 0 k g ／ m ， 则根 据 3 可 计算 出 ∑ 、∑ △ p 分别 为 3 0 3 5 7 3 P a、7 0 0 5 5 3 Pa， 总压力损失为 A p ∑ △ p f ∑ 卸 3 03 5 7 3 7 0 0 5 5 3 l 0 0 4 1 2 6 P a 1 0 ． 0 4b a r 贝 0 单位时间内损失的能量为 N Q A p 3 0 3 5 7 3 7 0 0 5 5 3 1 4 8 2 8 w 根据 Q A p Q p c a t 可计算得出 ， At2 ． 7 8 o C 因此，工作周期内的温升为2 ． 7 8 。 0 ． 2 0 ． 5 6 ℃ 按照文献 [ 1 ]所述，压强降低 1 0 0 b a r ， 将造成 约5 ． 9 ℃的温升，因此，进 油管路产生 的温升约为 0 ． 6 C，两种计算方法得出的结果接近。 同理，回油管路 中负载产生 了 2 0 M P a的反压， 电磁阀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 1 1 ． 8 c 【 。由管路流回油箱的油约 8 L ，而油箱储油量为 1 4 4 0 L ，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。 4 结论 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 1 3 8 0 0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。 参考文献 [ 1 ] 盛敬超． 液压流体力学[ M ] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 0 ． [ 2 ] 卢光贤． 机床液压传动与控制[ M] ． 西安 西北工业大学出 版社， 1 9 8 4 ． [ 3 ] 简引霞， 孙兆元． 液压与气动技术[ M] ． 北京 国防工业出 版社， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 飞机设计手册总编委会． 飞机设计手册飞行控制系统 和液压系统设计分册[ M] ． 北京 航空工业出版社， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 王占林． 飞机高压液压能源系统[ M] ． 北京 北京航空航天 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 6 ] 王秀霞． 飞机液压系统的温度控制方法研究[ J ] ． 液压气 动与密封， 2 0 0 9 2 ． [ 7 ] 谢建． 液压系统综合测试仪研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 3 3 ． 安全阀常识 安全阀是一种安全保护用阀，它的启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升 高，超过规定值时自 动开启，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值。安全阀 属于自动阀类，主要用于锅炉、压力容器和管道上， 控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重 要保护作用。 按安全阀阀瓣开启高度可分为微启式安全阀和全启式安全阀，微启式安全阀的开启行程高度为≤ 0 ． 0 5 d 。 最小排放喉部口径 ；全启式安全阀开启高度为≤ O ． 2 5 d 。 最小排放喉部口径 。 安全阀的安装和维护应注意以下事项 ①各种安全阀都应垂直安装。 ②安全阀出13 处应无阻力， 避免产 生受压现象。 ③安全阀在安装前应专I -J N试， 并检查其密封性。 ④对使用中的安全阀应作定期检查。 3 8