電子教案液壓與氣動技術(第三版)第2章液壓流體力學基礎課件

1、第2章 液壓流體力學基礎液壓與氣動技術高等教育出版社01 液壓油02 流體靜力學03 流體動力學目錄CONTENTS04 管路中液體的壓力損失05 液體流經孔口及縫隙的流量 - 壓力特性06 液壓沖擊及氣穴現(xiàn)象液 壓 油012.1.1 液壓油的物理性質一、液體的密度液體單位體積內的質量稱為密度，通常用 表示：液壓油的密度隨壓力的增加而加大，隨溫度的升高而減小。 一般情況下，由壓力和溫度引起的這種變化都較小，可將其近似地視為常數。二、 液體的粘性液體在外力作用下流動時，分子間的內聚力會阻礙分子間的相對運動而產生一種內摩擦力，這一特性稱做液體的粘性。 2.1.1 液壓油的物理性質二、 液體的粘性在

2、實驗測定指出，液體流動時相鄰液層間的內摩擦力 F 與液層間的接觸面積 A 及液層間的相對運動速度 du 成正比，而與液層間的距離 dy 成反比，即如以 表示切應力，即單位面積上的內摩擦力，則2.1.1 液壓油的物理性質二、 液體的粘性1. 動力粘度 由此可知，動力粘度的物理意義是液體在單位速度梯度下流動時，液層間單位面積上產生的內摩擦力。 動力粘度 又稱絕對粘度。2. 運動粘度 動力粘度 與液體密度 之比叫做運動粘度 ，即其單位中有長度和時間的量綱，故稱為運動粘度。2.1.1 液壓油的物理性質二、 液體的粘性3. 相對粘度Et恩氏粘度用恩氏粘度計測定。 其方法是：將 200 mL溫度為 t（以

3、 為單位）的被測液體裝入粘度計的容器，經其底部直徑為 2.8 mm 的小孔流出，測出液體流盡所需時間 t1，再測出 200 mL溫度為 20 的蒸餾水在同一粘度計中流盡所需時間 t2；這兩個時間的比值即為被測液體在溫度t 下的恩氏粘度，即工程中常采用先測出液體的相對粘度，再根據關系式換算出動力粘度或運動粘度的測量粘度方法。 2.1.1 液壓油的物理性質三、 液體的可壓縮性液體受壓力作用而體積縮小的性質稱為液體的可壓縮性。 可壓縮性用體積壓縮系數 k 表示，并定義為單位壓力變化下的液體體積的相對變化量。液體的壓縮系數 k 的倒數稱為液體的體積彈性模量，用 表示。 即2.1.1 液壓油的物理性質四

4、、 其他性質1. 粘度與壓力的關系液體分子間的距離隨壓力增加而減小，內聚力增大，其粘度也隨之增大。當壓力不高且變化不大時，壓力對粘度的影響較小，一般可忽略不計。當壓力較高（大于 107 Pa）或壓力變化較大時，需要考慮這種影響。2. 粘溫特性溫度變化對液體的粘度影響較大，液體的溫度升高其粘度下降。 液體粘度隨溫度變化的性質稱為粘溫特性。2.1.2 對液壓油的要求及選用一、 對液壓油的要求1） 合適的粘度和良好的粘溫特性。2） 潤滑性能好。3） 純凈度好，雜質少。4） 對熱、氧化、水解都有良好的穩(wěn)定性，使用壽命長。5） 對液壓系統(tǒng)所用金屬及密封件材料等有良好的相容性。6） 抗泡沫性、抗乳化性和防

5、銹性好，腐蝕性小。7） 比熱容和傳熱系數大，體積膨脹系數小，閃點和燃點高，流動點和凝固點低。二、 液壓油的選用液壓系統(tǒng)通常采用礦物油，常用的有機械油、精密機床液壓油、汽輪機油和變壓器油等。一般根據液壓系統(tǒng)的使用性能和工作環(huán)境等因素確定液壓油的品種，當選購不到合適粘度的液壓油時，可采用調和的方法得到滿足粘度要求的調和油。2.1.3 液壓油的污染及控制一、 污染物的種類及危害1） 固體顆粒會加速元件磨損，堵塞元件小孔、縫隙及過濾器，使液壓泵和液壓閥性能下降，產生噪聲。2） 水侵入到液壓系統(tǒng)會加速液壓油氧化，并和添加劑起作用產生粘性膠質，堵塞濾芯。3） 空氣混入液壓系統(tǒng)會降低液壓油的體積模量，引起氣

6、蝕，降低潤滑性。4） 溶劑和表面活性化合物等化學物質會使金屬腐蝕。5） 液壓系統(tǒng)中生成的微生物會使液壓油變質，降低潤滑性能，加速元件腐蝕。二、 污染的原因液壓系統(tǒng)的污染有外部侵入和內部生成兩種原因。液壓裝置組裝時殘留下來的污染物主要是指切屑、毛刺、型砂、磨料、焊渣和鐵銹等；從周圍環(huán)境混入的污染物主要是指空氣、塵埃、水滴等；在工作過程中產生的污染物主要是指金屬微粒、銹斑、涂料和密封件的剝離片、水分、氣泡以及液壓油變質后的膠狀生成物等。2.1.3 液壓油的污染及控制三、 液壓油的污染控制1） 嚴格清洗液壓元件和液壓系統(tǒng)。 2） 防止污染物從外界侵入3） 采用高性能的過濾器。 4） 控制液壓油的溫度

7、。 5） 保持液壓系統(tǒng)所有部位良好的密封性。 6） 定期檢查和更換液壓油并使之形成制度流體靜力學022.2 流體靜力學一、液體靜壓力及其特性單位面積上作用的表面力稱為應力，它有切向應力和法向應力之分。 靜止液體各質點間沒有相對運動，故不存在內摩擦力，所以靜止液體的表面力只有法向力。液體靜壓力具有下列兩個特性：1） 液體的靜壓力垂直于其受壓平面，且方向與該面的內法線方向一致。2） 靜止液體內任意點處所受到的靜壓力在各個方向上都相等。2.2 流體靜力學二、液體靜力學基本方程液體靜力學基本方程如下：靜止液體內任意點的壓力由兩部分組成，即液面處壓力 p0 和液體自重對該點產生的壓力 gh。 靜止液體內

8、的壓力隨液體的深度呈線性規(guī)律分布。 靜止液體內同一深度的各點壓力相等，壓力相等的所有點組成的面為等壓面。 在重力作用下靜止液體的等壓面是一個水平面。2.2 流體靜力學三、壓力的表示方法及單位壓力的表示方法有絕對壓力和相對壓力（表壓力）兩種。 絕對壓力以絕對真空為基準來進行度量。 相對壓力以大氣壓 p0 為基準進行度量。絕對壓力、相對壓力、真空度的關系是：絕對壓力 相對壓力 大氣壓力； 真空度 大氣壓力 絕對壓力2.2 流體靜力學四、靜壓傳遞原理靜壓傳遞原理或帕斯卡原理：在密封容器內施加于靜止液體任一點的壓力將以等值傳到液體各點。在液壓傳動系統(tǒng)中，通常是外力產生的壓力要比液體自重（gh）所產生的

9、壓力大得多。 因此認為靜止液體內部各點的壓力處處相等。 2.2 流體靜力學五、液體對固體壁面的作用力當承受壓力的表面為平面時，液體對該平面的總作用力 F 為液體的壓力 p 與受壓面積 A 的乘積，其方向與該平面相垂直。 如壓力油作用在直徑為 D 的柱塞上，則有當承受壓力的表面為曲面時，由于壓力總是垂直于承受壓力的表面，所以作用在曲面上各點的力不平行但相等。 作用在曲面上的液壓作用力在某一方向上的分力等于靜壓力與曲面在該方向投影面積的乘積。 流體動力學032.3.1 基本概念一、 理想液體和恒定流動1. 理想液體理想液體是一種假想的無粘性、不可壓縮的液體，而把實際上既有粘性又可壓縮的液體稱為實際

10、液體。2. 恒定流動液體流動時，液體中任意點處的壓力、流速和密度都不隨時間而變化，稱為恒定流動；反之，稱為非恒定流動。2.3.1 基本概念二、 流線、流束和通流截面1. 流線流線是表示某一瞬時液流中各處質點運動狀態(tài)的一條條曲線。 在此瞬時，流線上各液體質點速度方向與該曲線相切。 流線既不能相交，也不能轉折，是一條光滑曲線。對于恒定流動，流線形狀不隨時間而變化。2. 流束通過某截面 A 上所有各點作出流線，這些流線的集合構成流束。 由于流線是不能相交的，所以流束內外的流線不能穿越流束表面。 3. 通流截面流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面，該截面上各點處的流束都垂直于此面。2.3.1 基本概

11、念三、 流量與平均流速1. 流量單位時間內流過通流截面的液體的體積稱為流量，用 q 表示。 對于微小流束，通過該通流截面的流量為流過整個通流截面的流量為2. 平均流速假設通流截面上流速均勻分布，該流速稱為平均流速，用 v 表示，并定義為則平均流速為2.3.2 連續(xù)性方程液體流動的連續(xù)性方程：它說明液體流過流管不同截面的流量是不變的。 由上式知，當流量一定時，通流截面上的平均速度與其截面積成反比。2.3.3 伯努利方程一、 理想液體的伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的一種表達形式。由理論推導可得到理想液體的伯努利方程為由于流束的 A1、A2 截面是任取的，因此伯努利方程表明，理想液

12、體作恒定流動時，在同一流束內任意截面上的三種能量的總和等于常數，且三種能量之間可以互相轉換。2.3.3 伯努利方程二、 實際液體的伯努利方程實際液體是有粘性的，流動時產生內摩擦力而消耗部分能量；同時，管道局部形狀和尺寸的驟然變化使液流產生擾動，亦消耗能量。 因此，實體液體流動有能量損失存在。實際液體的伯努利方程為應用條件是：不可壓縮液體作恒定流動；液體所受質量力僅為重力，且液流在所取計算點處的通流截面上為緩變流動。 所謂緩變流動，是指流線之間的夾角很小和曲率半徑很大的液流，即流線近似于平行的液流。2.3.4 動量方程動量定律指出：作用在物體上的力的大小等于物體在力作用方向上的動量的變化率，即管

13、路中液體的壓力損失042.4.1 液體的流動狀態(tài)一、 層流和湍流19 世紀末，雷諾首先通過實驗觀察了水在圓管內的流動情況，發(fā)現(xiàn)液體有兩種流動狀態(tài)：層流和湍流。 實驗結果表明，在層流時，液體質點互不干擾，液體的流動呈線性或層狀，且平行于管道軸線；而在湍流時，液體質點的運動雜亂無章，除了平行于管道軸線的運動外，還存在著劇烈的橫向運動。層流和湍流是兩種不同性質的流態(tài)。 層流時，液體流速較低，質點受粘性制約，不能隨意運動，粘性力起主導作用；湍流時，液體流速較高，粘性的制約作用減弱，慣性力起主導作用。2.4.1 液體的流動狀態(tài)二、 雷諾數實驗證明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內平均流速 v 有關，還與

14、管徑 d 及液體的粘度v 有關。 無論管徑 d、液體平均流速 v 和液體運動粘度 如何變化，液流狀態(tài)可用一個無量綱組合數 vd / 來判斷。 這個組合數叫雷諾數 Re，即2.4.2 沿程壓力損失一、 流速分布規(guī)律經理論推導得知，液體在圓管中作層流運動時，速度對稱于圓管中心線分布，在某一壓力降p p1 p2 的作用下，液流流速 u 沿圓管半徑 r 呈拋物線規(guī)律分布。 當 r 0時，即圓管軸線上，流速最大，當 r R 時，流速為零。 速度分布表達式為二、 圓管層流的流量根據速度分布表達式可推導出圓管層流的流量 q 為2.4.2 沿程壓力損失三、 圓管沿程壓力損失湍流是一種很復雜的流動， 值需按具體

15、情況來確定。根據 Re 的取值范圍， 值可用下列經驗公式計算：管壁粗糙度 值與制造工藝有關。 計算時可考慮下列 取值；鑄鐵管取 0. 25 mm，無縫鋼管取0. 04 mm，冷拔銅管取 0. 001 5 0. 01 mm，鋁管取 0. 001 5 0. 06 mm，橡膠軟管取 0. 03 mm。2.4.3 局部壓力損失液體流經閥口、彎管及突然變化的截面時，產生的能量損失稱為局部壓力損失。 一般用實驗來得出局部阻力系數，然后按下式計算：液體流經各種閥的局部壓力損失可由閥的產品技術規(guī)格中查得。 查得的壓力損失為在其公稱流量 qn 下的壓力損失 pn。 當實際通過閥的流量 q 不等于公稱流量 qn

16、時，局部壓力損失可按下式計算：2.4.4 管路系統(tǒng)的總壓力損失管路系統(tǒng)的總壓力損失等于所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即應用上式計算系統(tǒng)壓力損失，要求兩個相鄰局部阻力區(qū)間的距離（直管長度）應大于10 20 倍直管內徑。 否則，液流經過一局部阻力區(qū)后，還沒穩(wěn)定下來，又要經過另一局部阻力區(qū)，將使擾動更嚴重，阻力損失將大大增加，實際壓力損失可能大好幾倍。液體流經孔口及縫隙的流量 - 壓力特性052.5.1 小孔流量 - 壓力特性一、 薄壁小孔流量 壓力特性薄壁小孔是指孔的長度 l 與其直徑 d 之比 l / d 0.5，一般帶有刃口邊沿的孔。 由于孔的長度很小，可不考慮其沿程損失。流經小孔的

17、流量為薄壁小孔的流量與小孔前后壓差的 1 / 2 次方成正比，且薄壁小孔的沿程阻力損失非常小，流量受粘度影響小，對油溫變化不敏感，且不易堵塞。2.5.1 小孔流量 - 壓力特性二、 短孔和細長孔的流量 壓力特性一般指小孔的長徑比 l / d 4 時為短孔，而 l / d 4 時為細長孔。液流在細長孔中的流動一般為層流，可用下式來表達其流量 壓力特性，即2.5.2 液體流經縫隙的流量 壓力特性一、 液體流經平行平板縫隙的流量 壓力特性1. 固定平行平板縫隙液體在兩固定平行平板間流動是由壓差引起的，故也稱壓差流動。液體流經該平板縫隙的流量為液體流經兩固定平行平板縫隙的流量 q 與縫隙高 的三次方成

18、正比。 這說明液壓元件的間隙對泄漏的影響很大。2.5.2 液體流經縫隙的流量 壓力特性一、 液體流經平行平板縫隙的流量 壓力特性2. 相對運動平行平板縫隙若一個平板以一定速度 v 相對另一固定平板運動。 在無壓差作用下，由于液體的粘性，縫隙間的液體仍會產生流動，此流動稱為剪切流動，這種情況下通過該縫隙的流量為在壓差作用下，液體流經相對運動平行平板縫隙的流量應為壓差流動和剪切流動兩種流量的疊加，即2.5.2 液體流經縫隙的流量 壓力特性二、 液體流經環(huán)形縫隙的流量 壓力特性在液壓傳動系統(tǒng)中，流體流經同心和偏心環(huán)形縫隙是最常見的情況，如液壓缸缸體與活塞之間的縫隙、閥套與閥芯之間的縫隙等。如圖所示為偏心環(huán)形縫隙，通過該縫隙的流量為如果內外環(huán)間無相對運動，即沒有剪切流動時，則液壓沖擊及氣穴現(xiàn)象062.6 液壓沖擊及氣穴現(xiàn)象一、液壓沖擊在液壓系統(tǒng)工作過程中，管路中流動的液體往往會因執(zhí)行部件換向或閥門關閉而突然停止運動。 由于液流和運動部件的慣性，在系統(tǒng)內會產生很大的瞬時壓力峰值，這種現(xiàn)象叫做液壓沖擊。液壓沖擊會引起振動和噪聲。 其壓力峰