基于热边界层理论的液压传动系统效率分析

　　0前言

　　液压传动与机械传动、电力传动相比具有许多优点—可实现大范围的无级调速，易于实现过载保护，操纵灵活，控制方便，易于实现自动化等，但液压传动系统由于同时存在容积损失和机械损失，其传动效率较低，其中容积损失是导致液压传动系统低效率的主要因素。 本文以缝隙流理论为切入点，利用热边界层理论，以齿轮泵为例，分析齿轮泵的泄漏机理，并提出提高液压传动系统效率的措施和应注意的问题。

　　1齿轮泵的泄漏

　　齿轮泵在运转过程中， 引起其泄漏的途径有3种：(1)径向泄漏。 指通过齿轮外圆与泵体配合处径向间隙的泄漏;(2)啮合线泄漏。 指通过2 个齿轮的啮合线处的泄漏;(3)轴向泄漏。 指通过齿轮端面与侧盖板之间的轴向间隙的泄漏。 在这3 种泄漏中，影响齿轮泵容积效率的主要泄漏是轴向泄漏，约占泵总泄漏量的80%。

　　2齿轮泵轴向泄漏量的计算

　　齿轮泵的轴向间隙可以简化为平行平面缝隙，下面应用缝隙流的理论进行齿轮泵轴向泄漏量的计算。 如图1 所示，简化模型(l>h)为上平面以速度U 移动，下平面不动，Δp≠0，p1>p2因此平面间流体的流动为压差流和剪切流叠加形成的流动。

　　对于平行平面缝隙流，缝隙中流体流动的速度为

　　说明：“+” 表示上平面移动方向与液体的流动方向相同;“-” 表示下平面移动方向与液体流动方向相反。

　　从式(3)可以看出，在一定的间隙h 下，随着温度的升高，液压油的黏度 μ 降低，齿轮泵的径向和轴向泄漏量Q 增加。

　　3边界层

　　如图2 所示为均匀来流绕平板的绕流运动。由于液体本身所具有的黏性作用， 使紧靠平板表面的质点流速为零。 在垂直于平板方向，流速急剧增加，迅速接近没有受到扰动时的流速。 这样，流场中就出现了2 个性质不相同的流动区域—边界层和势流区。 紧贴平板表面的薄层为边界层，流速低于μ，边界层以外，速度保持原有速度μ 的区域为势流区。

　　由于速度在壁面法线方向的变化出现了流动边界层，同样，当主流和壁之间有温差时，由于温度在壁面法线方向的变化， 将会产生热边界层。图3 为主流温度为tf，当液体被冷却时 ，壁面法线流体温度变化的示意图。 在y=0 处，流体温度等于壁温tw， 而离壁 厚度δt这一区域称为热边界层，δt就是热边界层厚度。 只有在热边界层中才有温度变化，而在热边界层以外可认为温度梯度等于零，视作等温流动区。

　　调研发现， 许多液压泵站空间狭小， 空气不流通，这进一步造成液压设备所处的环境温度过高，使得设备本身温度过高，比如液压泵的轴向间隙和径向间隙、换向滑阀阀芯和阀体间的径向间隙等，易于形成热边界层，在边界层内，就会形成热岛现象，间隙处的温度在热边界层内会进一步升高，使得液压油的黏度降低，因此加剧了液压设备的内泄漏，导致整个液压系统传动效率过低。