液压介质波速影响因素分析

　　液压介质中压力波波速是影响系统动态特性极为重要的动态特性参数,其影响因素的理论分析是建立在气液两相流的基础上,这方面的理论分析主要在化工领域内进行。这种分析需要许多假设条件,这些条件在化工领域内从一定程度上可以满足,对于系统压力较低的液压系统也能满足^[1-4],但随着密封技术的进步,近年来液压系统压力越来越高,该分析结果在液压工程中的适用受到很大限制,有必要重新加以分析。

　　1　气液双相流中压力波速的理论分析

　　1.1　气液两相流压力波速理论公式

　　气液两相流的流动过程理论上由平衡过程和常量过程来决定[5],首先假定压力波在传播过程中两相之间(各种弛豫过程、动量交换、热交换和相变等)处于平衡态。分析时作了如下基本假设:①流体各向同性;②每部分的质量保持固定;③气体为理想气体,满足状态方程;④忽略流体可压缩性;⑤2个相的速度始终保持一致;⑥不计表面张力,2个相的压强相等;⑦扰动的特征时间很短,被扰微团与周围介质绝热,声速为绝热声速。通过以上假设将两相流动的复杂问题大为简化。不计缓态压力变化对声速的效应,仅考虑介质均匀夹气对声速的影响。

　　气液二相均质流的声速可用(1)式计算

　　式中:a为声速,ρ为密度,Ø为气液质量比(Ø=Mg/ML);下标:0代表混合介质, l为纯液体,g代表纯气体。文献[6]采用类似的假设条件,同样得出式(1)的关系。分析这些假设及对照大量该领域文献的出处发现,这个关系的得出主要是化工界的技术成果,上述假设是在化学工程的技术条件下提出的,液压工程中对该关系直接借用,但是其假设条件发生了变化,应当重新考虑。

　　1.2　气液两相流压力波速基本假设的分析

　　(1)流体各向同性

　　流体的各项同性是流体力学的基础。对无机溶液,这种分析的误差很小,但是由于油液的主要成分为正烷烃,并且链数较长,这种假设引起的误差肯定较大。但是,对于这种假设引起的误差的分析,十分困难,目前还没有文献作类似分析。对于管内流体,由于微小气泡分布的不均匀性,把各个部位的物性按同样的数据分析,结果也会差别很大。因此,近年来对管路动态特性分析中,大都采用分段集中参数法,即在相对较短的管段采用相同的参数,对下一个管段,采用另外的参数。至于各段参数的选择方法,多数文献没有给出。

　　(2)每部分的质量保持固定

　　即忽略气体的溶解性变化。液压介质从吸入泵体到被压缩的过程时间很短,这个过程即使由于压力、温度的变化引起气体溶解度的变化,气体也来不及溶解。从泵出口到做功完毕卸压这个过程的时间稍长,与溶解与析出时间有一定的可比性[4],因此溶解性的变化会引起每部分的质量发生变化。对于气体溶解度与溶解速度的变化规律,目前的研究都是在低压条件下进行的^[2-4]。对于高压条件下上述分析是否成立,目前没有定论。(3)气体为理想气体,满足理想气体状态方程如果采用范德华方程,分析会复杂很多。但是,对于目前的液压系统压力经常达到10-30MPa的情况,如果对比理想气体状态方程与范德华方程就会发现两者的误差其实很大,并且后者近年来也有更精确的形式。