基于相似性原理建立液压动力模型及分析研究

2022-11-23 14:09阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/3278183340

前言：液压油路在静态下，一般用帕斯卡原理来描述液压的动力传递模型，但在实际作业情况下，执行元件多处于运动状态，液压流体流动，产生阻力及压损，帕斯卡定律不再适用。
同时，现有流体模拟软件如 FLUENT，AMESim等，需对液压元件内部详细结构进行准确定义，否则可能差之毫厘谬以千里而存在较大误差。事实上，在运用时该软件进行分析时，与实际情况有较大出入，不能准确反映液压的运行情况。实际情况是，液压回路内部的压力（正称压强）较大，流体力学方面的比重显得非常小，可以忽略不计（吸油口部分除外）。
因此，为了准确定义液压系统并精确地计算，需要对液压元件及内部流体液压油找到合适的模型进行定义。

由于液压油基本是没有压缩性的，或压缩率极小，在没有泄露的情况下，可以认为流入某一支点的流量与流出的流量相同。
即Q1+Q2+…=Q3+Q4+...
这一原理符合电路中基尔霍夫定律(Kirchhoff laws)中的电流定律（KCL)：在任一瞬时，流向某一节点的电流之和恒等于由该节点流出的电流之和，如下图1所示：
基于相似性原理建立液压动力模型及分析研究

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图1

> 同时，该原理仅与电路的连接方式有关，而与构成该电路的元器件具有什么样的性质无关——即其内部详细结构如何不影响遵循该定律（只需掌握其整体外在参数）。

同时，液压回路各压降总和为回路中各压降的总和，即P=p1+p2+p3+...
此亦符合基尔霍夫第二定律又称基尔霍夫电压定律（KVL）。
同时，在电路中，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比，这是欧姆定律。
在液压系统中，同样存在此规律（将液压系统的流量Q，对应电路中的电流强度I；电压U，对应液压压力P；电阻R，对应液压系统中的节流器F）。即在一定的节流阻力下，两端压差越大，流量越大。同时由于做功，产生热量。

因此，由基尔霍夫定律及欧姆定律衍生出来的大量的规律而在电路原理上的应用，完全适用于液压系统，而且准确，益于理解和掌握。

而且，基于上述原理而开发的元器件，亦有一定的相似对应关系，见表1

对应相似功能		动力源	流量阻力	单向导通	能量存储	电压/压力限制	小控制大	控制流向	接地/油箱
电气元件符号	符号
电气元件符号	名称	电流源	电阻	二极管	电容器	稳压管	场效应管	双刀双掷开关	接地
液压元件符号	符号
液压元件符号	名称	液压泵源	节流阀	单向阀	蓄能器	溢流阀	液控阀	换向阀	接油箱
说明		液压泵视为流量源（非恒压源）			均能储存能量并瞬间提供大电流或流量	并接在回路中，保护系统不超压	压控方式		电位/压力为零

表1
首先，驱动或消耗功率公式：
电路：P=UI——电压*电流
液压：Pw=ξPQ——ξ*压力*流量（ξ为系数）
是一致的。
基于上述，液压原理的设计、性能分析都可以用相应的电路原理进行分析、解决，下面举例说明。
例一：电路里的高频变压器的原边，常采用电容、二极管、电阻进行组合达到减少震荡，快速衰减的目的，如下图2所示。
基于相似性原理建立液压动力模型及分析研究

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图2
其中的二极管VD5，电阻R1和C4电容组合，对易于产生振荡的变压器原边进行衰减，利于电能的顺利传递。

此原理，完全可以应用于液压回路中有严格减震要求的部分，如混凝土泵车的臂架，要求运行平稳不颤动，亦可采用上述表1相对应的类似元件组合：节流阀加单向阀等，如下图3所示：
基于相似性原理建立液压动力模型及分析研究

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图3 图4
在臂架控制的比例敏感多路阀负载反馈的LS处，增加阻尼元件——节流阀和单向阀，能大大减少振动，使得泵车臂架运行平稳不抖动，增加施工工地的安全性。
（图4为其实际结构）
例二：电容器在电路中常起到滤波，吸收脉冲尖峰的作用，同样，对应的液压元件——储能器，亦有此作用，常用于液压泵端，用于消除液压脉动及带来的噪声，如下图5所示：
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图5
以上为具体实例，类似相似的性质规律还有较多，如液压整流桥，多节流阀分压输出等。对于电路与液压原理均有相似甚至相同的性质规律的特点，随着深入研究，将更方便地掌握液压技术的性质规律，并应用于设计开发和性能分析。
目前，现在电路的电压电流调节为了提高效率，都采用开关方式，如开关电源、电机功率输出，均通过调节脉宽达到调节输出的。如图6所示。

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图6
未来，液压的发展方向必将也采用开关方式以提高效率，无节流损失，减少发热量——随着科技水平、工艺技术的发展，未来的高频耐冲击的高速液压阀能适应这一要求。
同时随着工艺的进步，目前液压系统与电路一样，将来，也正在集成化了，形成电液集成单元，为液压的电气控制带来方便。

总结：基尔霍夫定律在电路中有长期、广泛的应用、已形成成熟的理论指导，利用其在液压原理上的分析，有着简单清晰，准确稳定的特点，对于广大从事液压工程技术人员在设计液压系统，设计、绘制液压原理图方面，大有帮助。特别对于液压系统的模拟和仿真，能提供更准确的结果。

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