液壓傳動(dòng)第二章

1、第第2 2章章 液壓流體力學(xué)液壓流體力學(xué) 液壓流體力學(xué)是研究液體平衡和液壓流體力學(xué)是研究液體平衡和運(yùn)動(dòng)以及液體與固體相互作用的一運(yùn)動(dòng)以及液體與固體相互作用的一門(mén)學(xué)科。內(nèi)容包括：門(mén)學(xué)科。內(nèi)容包括： 液體靜力學(xué)液體靜力學(xué) 液體動(dòng)力學(xué)液體動(dòng)力學(xué) 管路及縫隙中的流動(dòng)問(wèn)題管路及縫隙中的流動(dòng)問(wèn)題流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)靜壓力及其特性靜壓力及其特性靜止液體在單位面積上所受的法向力靜止液體在單位面積上所受的法向力稱(chēng)為靜壓力。稱(chēng)為靜壓力。 p=limF/A （A0）若在液體的面積若在液體的面積A上所受的作用力上所受的作用力F為均勻分布時(shí)，靜壓力可表示為為均勻分布時(shí)，靜壓力可表示為 p = F / A 液體靜壓力在物

2、理學(xué)上稱(chēng)為壓強(qiáng)，工液體靜壓力在物理學(xué)上稱(chēng)為壓強(qiáng)，工程實(shí)際應(yīng)用中習(xí)慣稱(chēng)為壓力程實(shí)際應(yīng)用中習(xí)慣稱(chēng)為壓力靜壓力及其特性靜壓力及其特性 液體靜壓力垂直于承壓面，方向液體靜壓力垂直于承壓面，方向?yàn)樵撁鎯?nèi)法線(xiàn)方向。為該面內(nèi)法線(xiàn)方向。液體內(nèi)任一點(diǎn)所受的靜壓力在各液體內(nèi)任一點(diǎn)所受的靜壓力在各個(gè)方向上都相等。個(gè)方向上都相等。zxo0p0zhzA重力作用下的流體平衡任一位置A處的壓力 p=p0+gh 絕對(duì)真空絕對(duì)真空(p=0)當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Ξ?dāng)?shù)卮髿鈮毫y(cè)量壓力(表壓力表壓力)亦稱(chēng)相對(duì)壓力相對(duì)壓力絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力絕對(duì)壓力相對(duì)壓力相對(duì)壓力,其絕對(duì)值稱(chēng)真空度真空度p壓壓 力力 的的 度度 量量壓力的單位換算壓力的

3、單位換算562211.013 101.0137601101011/11/atmPabarmmHgMPaPabarPaN mMPaN mm液體動(dòng)力學(xué)液體動(dòng)力學(xué) 主要是研究液體流動(dòng)時(shí)流速和壓力的變化規(guī)律。流動(dòng)液體的主要是研究液體流動(dòng)時(shí)流速和壓力的變化規(guī)律。流動(dòng)液體的連續(xù)性方程、伯努利方程、動(dòng)量方程是描述流動(dòng)液體力學(xué)規(guī)連續(xù)性方程、伯努利方程、動(dòng)量方程是描述流動(dòng)液體力學(xué)規(guī)律的三個(gè)基本方程式。前兩個(gè)方程反映了液體的壓力、流速律的三個(gè)基本方程式。前兩個(gè)方程反映了液體的壓力、流速與流量之間的關(guān)系，動(dòng)量方程用來(lái)解決流動(dòng)液體與固體壁面與流量之間的關(guān)系，動(dòng)量方程用來(lái)解決流動(dòng)液體與固體壁面間的作用力問(wèn)題。間的作用力

4、問(wèn)題。 基本概念基本概念 流量連續(xù)性方程流量連續(xù)性方程 伯努利方程伯努利方程 動(dòng)量方程動(dòng)量方程液體動(dòng)力學(xué)液體動(dòng)力學(xué)理想液體理想液體 假設(shè)的既無(wú)粘性又不可壓縮的流體稱(chēng)為理想流體。假設(shè)的既無(wú)粘性又不可壓縮的流體稱(chēng)為理想流體。恒定流動(dòng)恒定流動(dòng) 液體流動(dòng)時(shí)，液體中任一點(diǎn)處的壓力、速度和密度都不液體流動(dòng)時(shí)，液體中任一點(diǎn)處的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)，亦稱(chēng)為定常流動(dòng)或非時(shí)變流動(dòng)。隨時(shí)間而變化的流動(dòng)，亦稱(chēng)為定常流動(dòng)或非時(shí)變流動(dòng)。通流截面通流截面 垂直于流動(dòng)方向的截面，也稱(chēng)為過(guò)流截面。垂直于流動(dòng)方向的截面，也稱(chēng)為過(guò)流截面。 流量流量 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一通流截面的液體體積，流量以單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一通

5、流截面的液體體積，流量以q表示，表示，單位為單位為 m3 / s 或或 L/min。 平均流速平均流速 實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)，速度的分布規(guī)律很復(fù)雜。假設(shè)通流截實(shí)際流體流動(dòng)時(shí)，速度的分布規(guī)律很復(fù)雜。假設(shè)通流截面上各點(diǎn)的流速均勻分布，平均流速為面上各點(diǎn)的流速均勻分布，平均流速為v=q/A。AdVdqudAdtqudA流量連續(xù)性方程流量連續(xù)性方程 液體在管內(nèi)作恒定流動(dòng)，任取液體在管內(nèi)作恒定流動(dòng)，任取1、2兩個(gè)通流截面，根據(jù)兩個(gè)通流截面，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)兩個(gè)截面的液體流量相質(zhì)量守恒定律，在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)兩個(gè)截面的液體流量相等，即：等，即： 1v1 A1 = 2v2 A2 不考慮液體的壓縮性

6、則得不考慮液體的壓縮性則得 q = v A = 常量常量 流量連續(xù)性方程說(shuō)明了恒定流動(dòng)中流過(guò)各截面的不可壓流量連續(xù)性方程說(shuō)明了恒定流動(dòng)中流過(guò)各截面的不可壓縮流體的流量是不變的。因而流速與通流截面的面積成反縮流體的流量是不變的。因而流速與通流截面的面積成反比。比。伯努利方程伯努利方程 理想流體的伯努利方程理想流體的伯努利方程(無(wú)粘性無(wú)粘性) p1 /g + Z1 + v12 / 2g = p2 /g + Z2 + v22 / 2g 在管內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)的理想流體具有壓力能，勢(shì)能和動(dòng)能三種形式在管內(nèi)作穩(wěn)定流動(dòng)的理想流體具有壓力能，勢(shì)能和動(dòng)能三種形式的能量，它們可以互相轉(zhuǎn)換，但其總和不變，即能量守恒。的

7、能量，它們可以互相轉(zhuǎn)換，但其總和不變，即能量守恒。 實(shí)際流體的伯努利方程實(shí)際流體的伯努利方程 p1/g + Z1+1v12/ 2g = p2 /g+ Z2+2 v22/ 2g + hw 實(shí)際流體存在粘性，流動(dòng)時(shí)存在能量損失，實(shí)際流體存在粘性，流動(dòng)時(shí)存在能量損失，h hw 為單位質(zhì)量液體在為單位質(zhì)量液體在兩截面之間流動(dòng)的能量損失。兩截面之間流動(dòng)的能量損失。 用平均流速替代實(shí)際流速，用平均流速替代實(shí)際流速， 為動(dòng)能修正系數(shù)。為動(dòng)能修正系數(shù)。 伯努利方程是能量守恒定律在伯努利方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的表達(dá)方式。流體力學(xué)中的表達(dá)方式。 液體在管內(nèi)作恒定流動(dòng)，任取兩個(gè)截液體在管內(nèi)作恒定流動(dòng)，任取兩

8、個(gè)截面面1、2，有：，有：z1z00微元控制體上伯努利方程的幾何表示微元控制體上伯努利方程的幾何表示斷斷面面 1斷斷面面 2z2gp1gpgp2gu22gu221gu222z任意任意斷面斷面 動(dòng)量方程動(dòng)量方程動(dòng)量方程是動(dòng)量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用，用動(dòng)量方程是動(dòng)量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用，用來(lái)計(jì)算流動(dòng)液體作用在限制其流動(dòng)的固體壁面上的總來(lái)計(jì)算流動(dòng)液體作用在限制其流動(dòng)的固體壁面上的總作用力。作用力。F = （m u）/t = q（v2 - v1）作用在液體控制體積上的外力總和等于單位時(shí)間內(nèi)流出控作用在液體控制體積上的外力總和等于單位時(shí)間內(nèi)流出控制表面與流入控制表面的液體的動(dòng)量之差。制表面與流

9、入控制表面的液體的動(dòng)量之差。應(yīng)用動(dòng)量方程注意：應(yīng)用動(dòng)量方程注意：F、u是矢量；流動(dòng)液體作用在固體壁是矢量；流動(dòng)液體作用在固體壁面上的力與作用在液體上的力大小相等、方向相反。面上的力與作用在液體上的力大小相等、方向相反。動(dòng)量方程動(dòng)量方程例：求液流通過(guò)滑閥時(shí)，對(duì)閥芯的軸向作用例：求液流通過(guò)滑閥時(shí)，對(duì)閥芯的軸向作用力的大小力的大小。 F = q（v2 cos2 - v1cos1） = -qv1cos1 液流有一個(gè)力圖使閥口關(guān)閉的力，這個(gè)力稱(chēng)為液動(dòng)液流有一個(gè)力圖使閥口關(guān)閉的力，這個(gè)力稱(chēng)為液動(dòng)力。力。 F 1=-F =qv1cos12-4 流體流動(dòng)中的壓力損失沿程阻力損失沿程阻力損失局部阻力損失局部阻力

10、損失流態(tài)與雷諾判據(jù) 層流：液體質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有橫向運(yùn)動(dòng)，互不干擾作定向而不混雜地有層次的流動(dòng)。 紊流：求當(dāng)液體的流速大于某一數(shù)值之后。液體除交錯(cuò)而又混亂地沿某一方向運(yùn)動(dòng)外，還有一個(gè)橫向的脈動(dòng)速度。（湍流）通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液體在管道中流動(dòng)時(shí)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液體在管道中流動(dòng)時(shí)存在兩種流動(dòng)狀態(tài)。層流層流粘性力起主導(dǎo)作用粘性力起主導(dǎo)作用紊流紊流慣性力起主導(dǎo)作用慣性力起主導(dǎo)作用液體的流動(dòng)狀態(tài)用雷諾數(shù)來(lái)判斷。液體的流動(dòng)狀態(tài)用雷諾數(shù)來(lái)判斷。雷諾數(shù)雷諾數(shù)Re = v DH / ，v 為管內(nèi)的平均流速為管內(nèi)的平均流速DH為水力直徑為水力直徑為液體的運(yùn)動(dòng)粘度為液體的運(yùn)動(dòng)粘度雷諾數(shù)為無(wú)量綱數(shù)，液體慣性力與粘性力的

11、比值。雷諾數(shù)為無(wú)量綱數(shù)，液體慣性力與粘性力的比值。 如果液流的雷諾數(shù)相同，它的流動(dòng)狀態(tài)亦相同。如果液流的雷諾數(shù)相同，它的流動(dòng)狀態(tài)亦相同。水力直徑水力直徑DH圓形截面管： 非圓形截面管：一般以液體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯睦字Z數(shù)作為判斷一般以液體由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯睦字Z數(shù)作為判斷液體流態(tài)的依據(jù)，稱(chēng)為臨界雷諾數(shù)，記為液體流態(tài)的依據(jù)，稱(chēng)為臨界雷諾數(shù)，記為Rer。 當(dāng)當(dāng)ReRer，為層流；當(dāng)，為層流；當(dāng)ReRer，為紊流。，為紊流。管道內(nèi)徑）(= dDHADH4= 沿程壓力損失 液體在等斷面直管內(nèi)，沿流動(dòng)方向各流層之間的內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的壓力損失，稱(chēng)為沿程壓力損失。 22,22llll VhdglVpghd或?yàn)檠爻?/p>

12、壓力損失系數(shù)，與流態(tài)有關(guān)為沿程壓力損失系數(shù)，與流態(tài)有關(guān) 圓管層流的壓力損失系數(shù)n 水的層流流動(dòng)64Ren金屬管中油的層流運(yùn)動(dòng) n橡膠軟管中油的層流運(yùn)動(dòng)75Re80Re湍流結(jié)構(gòu)及流速分布湍流結(jié)構(gòu)及流速分布1 1層流次層層流次層 2 2過(guò)渡層過(guò)渡層 3 3湍流核湍流核心區(qū)心區(qū)321d12 p112 p2rly圓管紊流運(yùn)動(dòng)圓管紊流運(yùn)動(dòng) 圓管紊流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) a、 壓力損失比層流時(shí)大 b、 管截面的速度分布同層流不一樣 c、 壓力損失系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與管道內(nèi)壁的表面粗糙度（紊流粗糙管和紊流光滑管）有關(guān) 圓管紊流運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) a、 壓力損失比層流時(shí)大 b、 管截面的速度分布同層流不一樣 c、 壓力損

13、失系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與管道內(nèi)壁的表面粗糙度（紊流粗糙管和紊流光滑管）有關(guān)判斷紊流粗糙管和紊流光滑管的經(jīng)驗(yàn)公式： 30Red近壁層流層的厚度時(shí)：紊流光滑管時(shí)：紊流粗糙管管內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度的平均值 (2)圓管紊流的壓力損失系數(shù) a、沿程壓力損失系數(shù)圖 b、經(jīng)驗(yàn)公式： 紊流光滑區(qū)（3X103 Re 106）時(shí)：尼古拉 茲公式0.25Re/316. 0=-2(2lg1.74)d液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失局部壓力損失壓力損失的物理原因： 液體的內(nèi)摩擦，流體質(zhì)點(diǎn)相互之間的碰撞。（局部流動(dòng)的速度大小和方向變化，產(chǎn)生旋渦、分離脫流現(xiàn)象）2,2mVhg 式中， 為局部損失（阻力）系數(shù)；V為過(guò)流斷面平均速度； 為流

14、體密度。或2,2Vp管路系統(tǒng)總壓力損失 總壓力損失等于所有的沿程壓損失和所有局部損失之和。22222222lmflmlvvpppdl vvhhhdgg 總管路系統(tǒng)總壓力損失與管長(zhǎng)、管徑、液體粘度和流速等因素有關(guān)。總壓力損失與流速的平方成正比，適當(dāng)限制流速是減小管路壓力損失的重要措施之一。2-5 孔口和縫隙流動(dòng)孔口流動(dòng)一、液體流經(jīng)小孔的普遍規(guī)律 液體流經(jīng)孔口的流量普遍表達(dá)式 流量系數(shù) 流速系數(shù) 孔口收縮系數(shù)pACqq2=cvqCCC=)/(+11=0dlCv孔口截面積液流出口的控流面積=cC一、液體流經(jīng)小孔的普遍規(guī)律薄壁小孔(l/d00.5)流動(dòng)特點(diǎn) a、截面收縮在孔外； b、無(wú)沿程損失，只有進(jìn)

15、口局部損失 流速系數(shù) 孔口收縮系數(shù))()(=02AACc孔口截面積液流出口的控流面積ivC+11=一、液體流經(jīng)小孔的普遍規(guī)律薄壁小孔(l/d00.5)流動(dòng)特點(diǎn) 薄壁孔口流量02qpqC A液壓系統(tǒng)中的閥口流量系數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定。 薄壁小孔的流量系數(shù)： Cq=0.610.63一、液體流經(jīng)小孔的普遍規(guī)律 （2）厚壁小孔(0.5l/d04)流動(dòng)特點(diǎn) a、收縮發(fā)生在孔內(nèi)； b、局部損失有：進(jìn)口壓力損失（系數(shù)i）和收縮后的擴(kuò)散損失（系數(shù)a） ； c、收縮后的沿程壓力損失； 一、液體流經(jīng)小孔的普遍規(guī)律 （2）厚壁小孔(0.5l/d04)流動(dòng)特點(diǎn) 0011(/)1viacqvcvCldCCC CC流速系數(shù)孔口收

16、縮系數(shù)（出口控流面積與孔面積相等）流量系數(shù)一、液體流經(jīng)小孔的普遍規(guī)律（3）細(xì)長(zhǎng)孔(l/d04)流動(dòng)特點(diǎn)分兩種情況 a、小孔內(nèi)液體層流運(yùn)動(dòng)（油介質(zhì)）； b、小孔內(nèi)液體紊流運(yùn)動(dòng)（水介質(zhì)）， 同其它的孔口一樣需要實(shí)驗(yàn)確定。 lpdq128=40二、縫隙流動(dòng)縫隙流動(dòng)特點(diǎn) a、縫隙高度相對(duì)其長(zhǎng)度和寬度而言要小得多； b、縫隙流動(dòng)通常按層流處理（特別是油介質(zhì)）二、縫隙流動(dòng)液壓元件中的縫隙流動(dòng)a、齒輪泵（馬達(dá)）的齒側(cè)和齒頂間隙；b、滑閥的閥芯與閥套，柱塞泵的柱塞與缸孔；c、柱塞泵的滑靴與斜盤(pán)，缸體端面與配流盤(pán)；二、縫隙流動(dòng)（1）平行平板縫隙流 a、壓差流（Poiseuille流） 131( -z)212pu

17、zlbpql流速流量b縫隙寬度二、縫隙流動(dòng) b、剪切流（Couette流） 22( /)2uvzbqv流速流量（b為縫隙寬度）二、縫隙流動(dòng)c、壓差與剪切聯(lián)合作用下的流動(dòng) zvzz-lpuuu)(2=21vblpbqqq212=321二、縫隙流動(dòng)（2）圓柱環(huán)狀縫隙流 a、同心環(huán)狀縫隙流vdlpdq212=3vdlpdq2)5 . 1+1 (12=23b、偏心環(huán)狀縫隙流=e/ ）二、縫隙流動(dòng)（3）平行圓盤(pán)縫隙流 液體從孔中沿徑向向四周流出（源流），出口壓力為零的情況下： prrq)/ln(6=123)()/ln(2=2122121r-rrrpF1122)/ln()/ln(=prrrrp壓力分布：圓

18、盤(pán)所受的軸向力：2-6 液壓沖擊與氣蝕現(xiàn)象一、液壓沖擊（1）液壓沖擊的物理本質(zhì) 液壓系統(tǒng)中，由于液壓元件的工作狀態(tài)的突變而引起的油壓瞬時(shí)急劇上升，產(chǎn)生很高的壓力峰值，出現(xiàn)沖擊波的傳遞過(guò)程，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為液壓沖擊（水錘現(xiàn)象）（2）液壓沖擊的危害 產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲；引起管道、元件和密封件的損壞；使元件動(dòng)作失靈等沖擊壓力峰值（水錘壓力）pcv c:管道中的聲速：K: 液體體積彈性模量；E: 管道材料彈性模量；d: 管道直徑；:管道壁厚。 1Kcd KE減輕液壓沖擊的措施 延長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間，減緩閥芯的換向速度； 適當(dāng)加大管徑以降低液體流速（高壓管路35m/s) 設(shè)置安全閥限制壓力的升高； 設(shè)置液壓緩沖裝置；減緩大慣性的運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)的速度變化； 使用蓄能器和橡膠軟管吸收液壓沖擊能量。 二、 氣穴和氣蝕 （1）氣穴現(xiàn)象 據(jù)伯努利方程，液壓介質(zhì)流經(jīng)閥口的收縮截面時(shí)，該處的壓力要降低，壓力降低而形成氣泡。 有關(guān)氣穴的兩種物理解釋?zhuān)?a、當(dāng)壓力減低到介質(zhì)的飽和蒸汽壓力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，形成大量的蒸汽泡； b、當(dāng)壓力減低到介質(zhì)的空氣分離壓力時(shí)，就會(huì)有大量的空氣從液體中析出，形成大量的空氣泡。 液壓油的空氣分離壓力比飽和蒸汽壓力高. 二、氣穴和氣蝕（2）氣蝕現(xiàn)象 氣泡隨液流被帶到下游的高壓區(qū)，氣泡的體積急劇縮小或潰滅，