第1章 液壓氣動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)

第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.1流體的概念流體{液體氣體具有與容器無(wú)關(guān)的體積體積隨壓力變化很小{{始終充滿容納它的容積體積受壓力影響很大形狀與容器形狀有關(guān)流體由質(zhì)點(diǎn)組成、質(zhì)點(diǎn)間無(wú)間隙

流體是由無(wú)數(shù)微小質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的易于流動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)1.2.1密度、重度、比體積密度：?jiǎn)挝惑w積流體所具有的質(zhì)量，ρ重度：?jiǎn)挝惑w積流體所具有的重量，γ均質(zhì)流體均質(zhì)流體重度與密度的關(guān)系1.2流體的物理性質(zhì)第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論比體積：密度的倒數(shù)單位{密度重度比體積第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.2.1密度、重度、比體積礦物油空氣（密度、重度與溫度、壓力有關(guān)）

基準(zhǔn)狀態(tài)下干空氣第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.2.1密度、重度、比體積1.2.2

壓縮性和熱膨脹性流體的體積將隨壓力的增高而減小體積壓縮系數(shù)：?jiǎn)挝粔毫ψ兓碌捏w積變化率體積彈性模量1.壓縮性壓力增加，體積減小，加一負(fù)號(hào)使κ和β為正。第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論可壓縮性:動(dòng)態(tài)表現(xiàn)明顯,靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)可不考慮溫度壓力對(duì)于氣體：對(duì)于液體：壓力變化可能伴隨溫度變化，故κ和β與變化過程有關(guān)。1.2.2

壓縮性和熱膨脹性第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論2.熱膨脹性流體體積隨溫度變化的性質(zhì)熱膨脹系數(shù)：?jiǎn)挝粶囟茸兓碌捏w積變化率該式表示流體某恒定壓力下的熱膨脹系數(shù)。液壓油：取決于油液本身，與壓力、溫度無(wú)關(guān)氣體：熱膨脹系數(shù)較大。1.2.2

壓縮性和熱膨脹性1.2.3

粘性流體在外力作用下流動(dòng)（或有流動(dòng)趨勢(shì)）時(shí)，流體在發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子間的內(nèi)聚力將產(chǎn)生阻止相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩檫力。

流體只有在流動(dòng)(或有流動(dòng)趨勢(shì))時(shí)才會(huì)呈現(xiàn)出黏性

靜止流體不呈現(xiàn)黏性第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1)

動(dòng)力粘度μu0yuu+duyy+dyhu0z內(nèi)摩擦力μ－在單位速度梯度下，單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力國(guó)際單位－Pa·s原用單位－P(泊,dyn·s/cm)1Pa·s=10P=103cP(厘泊)第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論或1.2.3

粘性2)

運(yùn)動(dòng)粘度ν流體動(dòng)力粘度與密度的比值國(guó)際單位－m2/s原用單位－St(cm2/s)1m2/s=104St=106cSt

我國(guó)機(jī)械油的牌號(hào)－以攝氏40度的運(yùn)動(dòng)粘度(cSt)的平均值來定義的第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.2.3

粘性3)

相對(duì)粘度(恩式粘度)式中：t1－200ml被測(cè)液體從恩氏粘度計(jì)流出時(shí)間

t2－200ml同溫度純水從恩氏粘度計(jì)流出時(shí)間一般有

恩氏粘度與運(yùn)動(dòng)粘度的換算關(guān)系第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.2.3

粘性4)

粘度受壓力和溫度的影響壓力粘度一般情況,影響小,忽略溫度粘度影響大第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論氣體：由分子間動(dòng)量交換引起，液體：由分子間的引力（內(nèi)聚力）引起氣體粘度與壓力無(wú)關(guān)溫度粘度1.2.3

粘性1.2.4液壓油液的特性和選擇第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1）液壓油液的種類石油型機(jī)械油汽輪機(jī)油普通液壓油抗磨液壓油低溫液壓油液壓－導(dǎo)軌油高粘度指數(shù)液壓油其他專用液壓油難燃型乳化型水包油乳化液油包水乳化液合成型水－乙二醇液磷酸脂液其他2）對(duì)液壓油液的要求合適的粘度，良好的粘溫性ν=11.5~41.3cst

選擇油的最重要因素良好的潤(rùn)滑性良好的防蝕性,防銹性和相容性良好的化學(xué)穩(wěn)定性良好的抗泡性,抗乳化性第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.2.4液壓油液的特性和選擇3）液壓油液的選擇系統(tǒng)工作環(huán)境(地點(diǎn)、場(chǎng)合、工作對(duì)象)系統(tǒng)工作條件(系統(tǒng)壓力、液壓元件、溫度范圍)液壓油液的特性要求成本(價(jià)格、使用壽命、維護(hù)成本)參考液壓油液的產(chǎn)品性能說明書咨詢生產(chǎn)廠家第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.2.4液壓油液的特性和選擇4）液壓油液的使用控制系統(tǒng)工作溫度防止油液被污染定期抽檢、定期更換控制系統(tǒng)油液總量注意系統(tǒng)防水、防塵第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.2.4液壓油液的特性和選擇液壓油液的污染是系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因污染的種類和危害（混入固體顆粒、水、空氣、化學(xué)物質(zhì)、微生物等各種雜物）污染的原因（外界侵入、工作中產(chǎn)生）污染度的等級(jí)（以油液中所含固體顆粒尺度劃分）控制污染的措施（清洗、防侵入、過慮、密封等）第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.2.4液壓油液的特性和選擇第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.4流體靜力學(xué)基礎(chǔ)研究靜止流體所具有的力學(xué)特性液體靜止:液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)靜止流體上的作用力質(zhì)量力：表面力：作用于流體所有質(zhì)點(diǎn)上的力，如重力、慣性力作用于流體示力單元表面上的力壓力的大小第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.4.1靜止流體的壓力及其性質(zhì)

方向沿承壓面內(nèi)法線方向壓力的性質(zhì)

任一點(diǎn)各方向的壓力相等

在密閉的容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時(shí)傳到液體內(nèi)各點(diǎn)。F2F1A2A1第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.4.2帕斯卡原理第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.4.2帕斯卡原理靜力學(xué)基本方程p0Gph靜止液體內(nèi)的壓力與表面壓力及深度有關(guān)國(guó)際單位:Pa原用單位:bar絕對(duì)壓力0絕對(duì)壓力相對(duì)壓力0相對(duì)壓力真空度第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.4.3壓力的表示方法及單位表示方法：?jiǎn)挝唬?.5.1基本概念第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5流體流動(dòng)基本方程恒定流動(dòng)理想流體流體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部各點(diǎn)壓力、速度、密度僅是空間坐標(biāo)的函數(shù)，不隨時(shí)間變化。沒有粘性的流體對(duì)于液體，即沒有粘性又不可壓縮的流體第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.1基本概念流線:流束:過流斷面：流線上流體質(zhì)點(diǎn)的速度方向與該曲線相切過任一面積上每一點(diǎn)流線的集合流體質(zhì)點(diǎn)不能穿過流束流動(dòng)流體中垂直于流線的截面跡線:流線質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.1基本概念流量:平均流速:單位時(shí)間內(nèi)流過某過流斷面的流體體積流量單位:體積流量質(zhì)量流量質(zhì)量流量體積流量第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.2流量連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）Vρmqm1qm2某瞬時(shí)流入、流出某控制體的流體的質(zhì)量流量等于該瞬時(shí)控制體中流體質(zhì)量的變化率—密度變化增補(bǔ)的流體質(zhì)量—體積變化增補(bǔ)的流體質(zhì)量由于所以當(dāng)控制體為固體界面且流體充滿控制體，則有對(duì)于液體恒定流動(dòng),通過截面的不可壓縮液體的流量相等流體所有的動(dòng)力參數(shù)不隨時(shí)間變化的流動(dòng)－截面的平均流速第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.2流量連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）即有第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.3伯努利方程(能量守恒定律)1.理想流體的微分方程作用于理想流體上的力重力壓力慣性力第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.3伯努利方程(能量守恒定律)由牛頓第二定律可得—理想流體一維流動(dòng)運(yùn)動(dòng)微分方程，歐拉方程對(duì)于恒定流動(dòng)或3.實(shí)際液體的伯努利方程比位能比壓能比動(dòng)能第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.3伯努利方程(能量守恒定律)理想液體微流束問題緩變過流斷面

—速度平行斷面速度分布不均

—?jiǎng)幽苄拚禂?shù)比能量損失理想液體重力場(chǎng)中恒定流動(dòng)任意斷面比能量之和恒為常數(shù)3.實(shí)際流體的伯努利方程第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.3伯努利方程(能量守恒定律)實(shí)際流體微流束實(shí)際流體總流－平均流速代替瞬時(shí)流速－平均動(dòng)能代替實(shí)際動(dòng)能的動(dòng)能修正系數(shù)－平均能量損耗僅受重力作用,恒定流動(dòng)的實(shí)際流體第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.3伯努利方程(能量守恒定律)應(yīng)用伯努利方程時(shí)注意選取適當(dāng)?shù)乃交鶞?zhǔn)面選取兩個(gè)緩變過流斷面在兩斷面上各選定一個(gè)高度已知的點(diǎn)對(duì)該兩點(diǎn)列寫伯努利方程一個(gè)參數(shù)已知一個(gè)參數(shù)要求物體動(dòng)量的變化率等于作用在物體上外力的和恒定流動(dòng)－平均流速代替瞬時(shí)流速－平均動(dòng)量代替實(shí)際動(dòng)量的動(dòng)量修正系數(shù)第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.4動(dòng)量方程動(dòng)量方程用于求解流體作用于限制其流動(dòng)的固體壁面的作用力第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.4動(dòng)量方程注意：控制體積選取的是否正確與恰當(dāng)?？刂企w積應(yīng)恰好完全包含受所求總作用力影響的全部流體，且流入、流出界面上的壓力和速度應(yīng)為已知。第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.4動(dòng)量方程例：如圖所示，求R＝？q1、q2＝？解：平板作用于射流的力為F，且F＝－R，垂直于平板所以有沿平板方向由連續(xù)方程有解得有且當(dāng)F第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.5.4動(dòng)量方程關(guān)于液動(dòng)力的說明1.6.1層流、紊流、雷諾數(shù)1.層流和紊流層流－線性或?qū)訝?平行于管道軸線紊流－軸向運(yùn)動(dòng)＋橫向運(yùn)動(dòng)受粘性制約,摩擦損失存在慣性力,動(dòng)能損失2.雷諾數(shù)圓管第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.6流體在管道中的流動(dòng)層流紊流－臨界雷諾數(shù)金屬圓管第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.6.2圓管中的層流流動(dòng)在圓管流動(dòng)中取一微小圓柱體力平衡方程—內(nèi)摩擦力，為使其為正加一負(fù)號(hào)第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.6.2圓管中的層流流動(dòng)令得積分得c—為積分常數(shù)，由邊界條件確定得當(dāng)r＝R時(shí)，u＝0，得當(dāng)r＝0時(shí)管內(nèi)半徑方向流速按拋物線分布管軸上流速最大第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.6.2圓管中的層流流動(dòng)流量：在半徑r處取dr厚度的微小環(huán)形面積，流過該面積的流量為積分得平均流速管徑對(duì)流量影響顯著平均流速為最大流速的一半a=2b=43,動(dòng)能、動(dòng)量修正系數(shù)第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.6.3圓管中的紊流流動(dòng)流體質(zhì)點(diǎn)流速大小、方向時(shí)刻變化第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.6.3圓管中的紊流流動(dòng)時(shí)均流速流速分布時(shí)均壓力動(dòng)能、動(dòng)量修正系數(shù)第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.6.4流體在管道中流動(dòng)時(shí)的能量損失流體流動(dòng)時(shí)克服粘性摩擦阻力而產(chǎn)生能量損失能量損失表現(xiàn)為壓力降低實(shí)際流體的粘性損耗熱量壓力降低系統(tǒng)溫度升高沿程壓力損失－直管中因摩擦而產(chǎn)生沿程阻力系數(shù)層流局部壓力損失－管道截面突然變化、液流方向改變或其它形式液流阻力而產(chǎn)生第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.6.4流體在管道中流動(dòng)時(shí)的能量損失總損失壓力損失1.7.1不可壓縮流體流過薄壁小孔第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性孔口薄壁孔短孔細(xì)長(zhǎng)孔液壓與氣動(dòng)技術(shù)中，一般均為小孔口孔口小孔口大孔口孔口斷面上速度均布孔口斷面上速度不均布液體流過薄壁小孔流束收縮系數(shù)出流系數(shù)第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性能量方程解得速度系數(shù)第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性1.7.2不可壓縮流體流過短孔及細(xì)長(zhǎng)孔短孔壁厚影響液體出流，流量公式出流系數(shù)與薄壁孔不同細(xì)長(zhǎng)孔流量公式第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性

在液壓技術(shù)中，孔口出流為淹沒出流，Ac位置不易確定，故以2—2面處壓力進(jìn)行計(jì)算。定義流量系數(shù)實(shí)測(cè)則薄壁孔流量公式為Cd—由實(shí)驗(yàn)確定流量系數(shù)：第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性細(xì)長(zhǎng)孔流量與壓差和粘度有關(guān)，溫度變化，粘度變化，引起流量變化。薄壁孔流量與粘度沒有直接有關(guān)，溫度變化，引起流量變化不大。為減少影響流量的因素，液壓技術(shù)中節(jié)流閥閥口多采用薄壁孔或近薄壁孔結(jié)構(gòu)形式。第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性1.7.3可壓縮流體流過節(jié)流小孔由能量方程和相應(yīng)的狀態(tài)方程求得流量特性當(dāng)p1、T1恒定，qm僅為pc的函數(shù)最大流量為對(duì)于空氣第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性則有壅塞現(xiàn)象：孔口出口壓力下降，流量增加；當(dāng)出口壓力與入口壓力比達(dá)臨界值時(shí)，流量達(dá)最大而不再隨出口壓力下降而增加。氣動(dòng)系統(tǒng)中，執(zhí)行元件入口壓力與閥入口壓力之比達(dá)臨界值時(shí)，氣體流量達(dá)最大，輸出速度亦達(dá)最大。再降低執(zhí)行元件入口壓力，速度也不增加。第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性1.7.4縫隙流動(dòng)

縫隙流動(dòng)由于受固體壁面影響大、流體本身粘性，流動(dòng)均為層流?？p隙流動(dòng)壓差流動(dòng)剪切流動(dòng)由縫隙兩端壓差造成由縫隙兩壁面間相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成1.平行平板縫隙液流第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性如圖所示整理后得對(duì)于層流有則對(duì)y兩次積分得A、B為積分常數(shù)，由邊界條件確定。力平衡方程為第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性（1）固定平行平板中的壓差流動(dòng)邊界條件得則質(zhì)量流量第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性對(duì)于液體：不可壓縮、流動(dòng)均勻，壓力線性下降得則縫隙前后壓差—體積流量體積流量等于質(zhì)量流量第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性此時(shí)有（2）具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)平行平板間的剪切流動(dòng)yuhu0x0邊界條件積分常數(shù)速度分布流量平均流速第1章液壓、氣壓傳動(dòng)基礎(chǔ)理論1.7流體流經(jīng)孔口和縫隙的特性