液压流体力学基础.ppt

1,2008/09/01,第2章 液压流体力学基础,安徽工业经济职业技术学院,2008/09/01,2,第2章 液压流体力学基础,2.1 液压油的主要性质及选用 2.2 流体静力学基础 2.3 流体动力学基础 2.4 管路中液流的压力损失 2.5 液体在小孔和缝隙中的流动 2.6 液压冲击和气穴现象,2008/09/01,3,2.1 液压油的主要性质及选用,1. 液压油的物理性质 （1） 液体的密度 （2） 液体的黏性 （3） 液体的可压缩性 （4） 其它特性,2008/09/01,4,1. 液压油的物理性质,（1） 液体的密度 密度单位体积液体的质量； =m/v kg/m3 密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常忽略，一般取=900kg/m 3的大小。,2008/09/01,5,1. 液压油的物理性质,（2） 液体的黏性 (a) 定义：液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，这一特性称为粘性。(液体在流动时产生内摩擦力的特性）,液体粘性示意图,实验测定指出，液体流动时相邻液层之间的内摩擦力F与液层间的接触面积A和液层间的相对速度du成正比，而与液层间的距离dy成反比，即 F = A du/dy 式中：比例常数，称为粘性系数或粘度； du/dy 速度梯度。, 液体静止时,du/dy = 0 静止液体不呈现粘性,2008/09/01,6,1. 液压油的物理性质,(b) 黏度(粘度）粘度是衡量流体粘性的指标，也是选择液压油最重要的指标。 常用的黏度单位有： 动力粘度(绝对黏度） 运动粘度 相对粘度0E（条件黏度）,2008/09/01,7,1. 液压油的物理性质,动力黏度(绝对黏度） 公式: =F/A=du/dy（N/m2） =dy/du （Ns/m2） 物理意义：液体在单位速度梯度(du/dy=1)下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力，它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小。 单位： 国际单位（SI制）中： 牛顿秒/米2（NS/m2）或帕秒（PaS）；,2008/09/01,8,1. 液压油的物理性质,运动黏度 公式：运动粘度是动力粘度与液体密度的比值,即：=/ 物理意义：无（只是因为/在流体力学中经常出现，所以 用代替（/） 单位：SI制： m2/S CGS制： St（斯）、 CSt（厘斯）（Cm2/S） （mm2/S） 换算关系：1m2/S = 104St =106 CSt 应用：单位中只有长度和时间量纲类似运动学量，称运动粘度，常用于液压油牌号标注；,老牌号20号液压油，指这种油在50C 时的平均运动粘度为20 cst。 新牌号LHL32号液压油，指这种油在40C时的平均运动粘度为32cst。,2008/09/01,9,1. 液压油的物理性质,相对黏度0E（条件黏度） 产生原因：、不易直接测量，只用于理论计算，常用相对粘度； 恩氏度0E 中国、德国、前苏联等用 赛氏秒SSU 美国用 雷氏秒R 英国用 巴氏度0B 法国用 恩氏粘度是在某一特定温度下，将200cm3 被测油液在自重作用下流过 2.8mm的小孔所需的时间t1，与20时同体积蒸馏水流过该小孔所需 时间t2 之比； 换算关系：恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系 =（7、310E-6、31/0E）10-6,2008/09/01,10,1. 液压油的物理性质,（3） 液体的可压缩性液体受压力作用而发生体积缩小性质 定义： 体积为v的液体，当压力增大p时，体积减小v ，则液体在单位压力变化下体积的相对变化量。 = - v / (p v ) （ m2/N ） （k体积压缩系数）,2008/09/01,11,1. 液压油的物理性质,（4） 其它特性 1、黏度和压力的关系 P，F， 随p而，压力较小时忽略，32Mpa以上才考虑 2、黏度和温度的关系 温度，内聚力， 黏度随温度变化的关系叫粘温特性，粘度随温度的变化较小，即粘温特性较好。,2008/09/01,12,2. 液压油的选用,2. 液压油的选用 （1） 液压油的使用要求 （2） 液压油的选用原则,2008/09/01,13,2. 液压油的选用,（1） 液压油的使用要求 1. 液压油的任务：工作介质 传递运动和动力 润滑剂 润滑运动部件，防锈，冷却等 2. 使用要求： （1）合适的粘度和良好的粘温特性；（2）良好的润滑性；（3）纯净度好，杂质少；（4）对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。 （5）对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；（6）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；（7）比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝固点低。（凝点 油液完全失去其流动性的最高温度）（8）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜 总之：粘度是第一位的,2008/09/01,14,2. 液压油的选用,（2） 液压油的选用原则 1. 依据： a. 根据工作压力的高低 b. 根据环境温度 c. 根据工作部件运动速度的高低 2. 选择： a.液压油的类型（机械油、精密机床液压油、气轮机油、变压器油等 ） b. 牌号（根据黏度来选择）,慢速、高压、高温：大（以q） 快速、低压、低温：小（以P）,通常,p16MPa时，常用抗磨液压油。,2008/09/01,15,2.2 流体静力学基础,研究内容：研究液体处于静止状态的力学规律和这些规律的实际应用。 静止液体：指液体内部质点之间没有相对运动，至于液体整体完全可以像刚体一样做各种运动。 1. 液体的静压力及其性质 2. 液体静力学基本方程及其物理意义 3. 帕斯卡原理 4.压力的表示方法及单位 5. 液体作用在固体壁面上的力,2008/09/01,16,1. 液体的静压力及其性质,静压力：指静止液体单位面积上所受的法向力，用p表示 （物理学中称压强，液压传动中习惯称压力） p=F/A P 液体的压力； F 作用在液体上的外力； A 外力垂直作用的面积。 静压力具有下述两个重要特征： (1)液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致。 (2)静止液体中，任何一点所受到的各方向的静压力都相等。,2008/09/01,17,2. 液体静力学基本方程及其物理意义,例：计算静止液体内任意点A处的压力p pdA = p0dA+G = p0dA+ghdA p = p0+gh,2008/09/01,18,2. 液体静力学基本方程及其物理意义,重力作用下静止液体压力分布特征： （1）静止液体中任一点处的压力由两部分 液面压力p0 组成 液体自重所形成的压力gh （2) 静止液体内压力沿液深呈线性规律分布 （3) 离液面深度相同处各点的压力均相等， 压力相等的点组成的面叫等压面.,2008/09/01,19,3. 帕斯卡原理,帕斯卡原理： 密封容器内的静止液体，当边界上的压力p0发生变化时，例如增加p，则容器内任意一点的压力将增加同一数值p。也就是说，在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以等值传到液体各点。这就是帕斯卡原理或静压传递原理。 液压系统中，由于外力作用产生的压力远大于液体自重产生的压力，因此常常认为在密封容器中静止液体的压力处处相等。即p p0,2008/09/01,20,3. 帕斯卡原理,p = F/A F = 0 p = 0 F p F p 结论：液压系统的工作压力取决于负 载，并且 随着负载的变化而变化。,2008/09/01,21,3. 帕斯卡原理,如图示，一充满液体的U形 管，一端倒置与液面与大气相通的容器中，另一端倒置于一密闭容器的液体中，管中液体和容器中的液体相同且保持静止状态。设液体的密度= 1000kg/m3，h1=0.5m，h2=2m，试求A处和B处的真空度。,2008/09/01,22,4.压力的表示方法及单位,液体压力通常有绝对压力、相对压力(表压力)、真空度三种表示方法。 绝对压力 以绝对零压为基准所测； 相对压力 以大气压力为基准所测； 真空度某点的绝对压力比大气压小的那部分数值；,绝对压力、相对压力、真空度的关系是： 绝对压力大气压力+相对压力 相对压力绝对压力-大气压力 真空度大气压力-绝对压力,注： 液压传动系统中所测压力均为相对压力即表压力,2008/09/01,23,4.压力的表示方法及单位,压力的计量单位： 1Pa1Nm2（标准单位） 1标准大气压1105Nm2=1105Pa 1Mp=1106Pa 1mH2O(米水柱)=9.8103Nm2 1mmHg(毫米汞柱)=1.33102Nm2,2008/09/01,24,5. 液体作用在固体壁面上的力,作用在平面上的总作用力等于液体压力与作用面积的乘积 P = pA 如：液压缸，若设活塞直径为D, 则P = pA = pD2/4,2008/09/01,25,2.3 流体动力学基础,1. 基本概念 2. 连续性方程 3. 伯努利方程,2008/09/01,26,1. 基本概念,（1）理想液体、恒定流动 理想液体：既无粘性又不可压缩的液体； 恒定流动（稳定流动、定常流动）：流动液体中任一点的p、u和都不随时间而变化流动；,2008/09/01,27,1. 基本概念,（2）流线、流管和流束 迹线：流场中液体质点在一段时间内运动的轨迹线； 流线：流场中液体质点在某一瞬间运动状态的一条空间曲线。在该线上各点的液体质点的速度方向与曲线在该点的切线方向重合；（恒定流动中流线不能相交也不能转折） 流管：某一瞬时t在流场中画一封闭曲线，经过曲线的每一点作流线，由这些流线组成的表面称流管； 流束：通过某截面上所有各点作出的流线集合构成流束 通流截面：流束中所有与流线正交的截面（垂直于液体流动方向的截面）,2008/09/01,28,1. 基本概念,（3）流量和平均流速 流量：单位时间内流过某通流截面液体体积q; 法定单位: 米3/秒(m3/s) 工程中常用: 升/分（L/min） 平均流速：假设通流截面上流速均匀分布，用v来表示，得 v = q/A,2008/09/01,29,1. 基本概念,v = q/A q = 0 v = 0 q v q v 结论：液压缸的运动速度取决于进入液压缸的流量，并且随着流量的变化而变化。,2008/09/01,30,1. 基本概念,（4）雷洛数 1、流动状态层流和紊流 层流：液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰 紊流：液体流动不分层，做混杂紊乱流动。 2、雷诺数判断液体的流动状态 实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速v有关，还和管径d、液体的运动粘度有关。但是，真正决定液流状态的，却是这三个参数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲纯数,2008/09/01,31,1. 基本概念,Re = dv/ 式中：v管路中液体的平均流速； d圆管内径； 液体的运动粘度。 判断准则：当液体的雷诺数小于其临界雷诺数即ReRec 时，液流为紊流;,常见液流管道的临界雷洛数（Rec）,2008/09/01,32,1. 基本概念,雷诺数的物理意义： 流动液体的惯性力与粘性力之比。雷诺数小，表示粘性力占主导地位，由压力与粘性力之间的平衡决定了流动的规律，流体质点受粘性力制约只能按层沿轴线方向运动，因此流动为层流。,2008/09/01,33,2. 连续性方程质量守恒定律在流体力学中的应用,1.连续性原理理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量； 2.连续性方程 v1A1 = v 2A2 q = vA = 常数 结论：液体在管道中流动时，流过各个断面的流量是相等的，因而流速和过流断面成反比。,2008/09/01,34,2. 连续性方程质量守恒定律在流体力学中的应用,例：如图所示，液压泵以q = 25 L/min的流量向液压缸供油，液压缸的直径D = 50mm，活塞杆的直径 d = 30mm，进、回油管的直径 d1 = d2 = 10mm，试求活塞的运动速度及油液在进、回油管中的流速。能否直接应用连续性方程计算两油管中的流速？ （v1=0.21m/s，v2=3.36m/s）,2008/09/01,35,3. 伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用,能量守恒定律：理想液体在管道中稳定流动时，根据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总能量应该相等。（外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的变化量） （1）理想液体的伯努利方程 （2）实际液体的伯努利方程,2008/09/01,36,3. 伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用,（1）理想液体的伯努利方程 p1 +g Z1 +v12 / 2 = p2+g Z2 +v22/2 或 p/g +Z+ v2 /2g= C（c为常数） 伯努利方程的物理意义： p/g单位重量液体的压力能，称为比压能（压力水头）； v2 /2g单位重量液体的动能，又称比动能（速度水头）； Z单位重量液体的位（势）能，又称比位能（位置水头）； 公式说明：在密封管道内作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、动能和位能。它们之间可以互相转化，但是液体在管道内任一处，这三种能量的总和是一定的。,2008/09/01,37,3. 伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用,（2）实际液体的伯努利方程 实际液体具有粘性 液体流动时会产生内摩擦力，从而损耗能量，应考虑能量损失hw，并考虑动能修正系数； 则实际液体伯努利方程为： p1/g + Z1 +1v12 /2g= p2/g + Z2 +2v22/2g+ hw 层流 =2 紊流 =1 p1 - p2 = p = ghw,2008/09/01,38,3. 伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用,伯努利方程应用实例： 液压泵吸油口处的真空度是油箱液面压力与吸油口处压力p2之差。 液压泵吸油口处的真空度却不能太大， 实践中一般要求液压泵的吸油口的高度h不超过0.5米。,2008/09/01,39,3. 伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用,例1：试应用连续性原理和理想液体伯努利方程，分析变截面水平管道内各处的压力情况。已知A1A2A3，Z1=Z2=Z3。 (P1P2P3),2008/09/01,40,3. 伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用,例2：一直径D=30m为的油库，底部输油管直径d=20mm，放油管中心至油面的高度H=20m。设油的密度=918kg/m3，放油过程中H保持不变，放油过程中压力表的读数为0.045Mp，试按理想液体计算放油时，放油管中的平均流速； （v=17.5m/s),2008/09/01,41,2.4 管路中液流的压力损失,实际液体具有粘性 ，流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能量，造成能量损失(即压力损失） 1. 沿程压力损失 2. 局部压力损失 3. 阀的压力损失 4. 管路系统的总压力,2008/09/01,42,1. 沿程压力损失,1.定义：液体沿等径直管流动时，由于液体的 粘性摩擦和质点的相互扰动作用，而产生的压力损失。 2. 流量公式： q=pd4/128l 式中 d:管道内径（m）； l:管道长度（m）； :流体的动力粘度（NS/m2）； p=p1-p2:管道两端的压力差（N/m2）；,2008/09/01,43,1. 沿程压力损失,3. 压力损失公式: p = l/dv2/2 :沿程压力损失系数,其理论值为= 64/Re ； 层流时：实际使用时金属管取=75/Re；橡胶管取80/Re。 紊流时： = 0.3164Re-0.25 （105 Re 4000） 紊流运动时，p比层流大 液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动,2008/09/01,44,2. 局部压力损失,1.定义：在流经阀口、管道截面变化、弯曲等处时，由于流动方向和速度变化及复杂的流动现象(旋涡，二次流等)而造成局部能量损失； 2. 压力损失公式： p = v2/2 局部压力损失系数，一般可查表求得；,2008/09/01,45,3. 阀的压力损失,对于液流通过各种标准液压元件的局部损失，可从产品技术文件中查得额定流量qn 时的压力损失pn，若实际流量与额定流量不一致，可按下式计算： pv = pn(qv/qn)2 式中 qv 通过该阀的实际流量； qn 通过该阀的额定流量；,2008/09/01,46,4. 管路系统的总压力,整个管路系统的总压力损失是系统中所有直管的沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即： p = p +p =l/dv2/2+v2/2 使用条件:管路系统中两相邻局部压力损失之间距离足够大（相连管径的10-20倍）； 注意：压力损失绝大部分将转变为热能，造成系统温升、泄漏增加，以致影响系统的工作性能。减小流速、缩短管路长度、减少管道截面的突变和弯头数目、增加管道内壁的光滑程度，都可使压力损失减少，其中以流速的影响为最大，但流速太低会使管道和元件的尺寸增加，从而使成本增加。,2008/09/01,47,2.5 液体在小孔和缝隙中的流动,1.液体通过小孔的流动 2.液体通过间隙的流动,2008/09/01,48,1.液体通过小孔的流动,在液压与气压传动中常用通过改变阀口通流截面积或通过通 流通道的长短来控制流量的节流装置来实现流量控制。这种 节流装置的通流截面一般为不同形式的小孔。 薄壁小孔 l/d 05 孔口分类 细长小孔 l/d 4 (l孔长，d孔径） 短孔 0.5 l/d 4,2008/09/01,49,1.液体通过小孔的流动,（1）流经薄壁小孔流量压力特性,液体流经薄壁小孔的流量为：,式中：C = CvCc，称为小孔流量系数；Cc 称为收缩系数，是收缩断面面积Ac 和孔口断面面积Ax 的比值。 C 一般由实验来确定： 通常D/d7 时称为完全收缩，这时取C=0.610.62； D/d7时，称不完全收缩， 这时取C0.70.8。,结论： q p ，与无关。 流过薄壁小孔的流量不受油温变化的影响。由于这一特性，液压系统中常采用薄壁小孔来作节流元件,2008/09/01,50,1.液体通过小孔的流动,（2）流经细长孔的流量压力特性,液体流经细长孔的流量为：,结论： q p 反比于 流量和小孔前后的压差p 成正比，同时公式中包含了粘度 的因素，因此，流量受油温变化的影响较大。,2008/09/01,51,1.液体通过小孔的流动,统一的经过小孔的流量公式： 式中 A：孔的通流截面积，p:孔前后压差， m：由孔结构形式决定的指数,0.5m1 K：由孔口形式有关的系数;,2008/09/01,52,2.液体通过间隙的流动,泄漏:当流体流经这些配合间隙时就会发生从压力高处经过间隙流到系统中压力低处或直接进入大气的现象(前者称为内泄漏，后者称为外泄漏) 泄漏主要是由压力差与间隙造成的 （1）固定平行平板缝隙流量压力特性 （2）液体流经环形缝隙的流量压力特性,2008/09/01,53,（1）固定平行平板缝隙流量压力特性,流量公式： q = bh3p /12l 结论：在压差作用下，通过固定平行平板缝隙的流量与缝隙高度的三次方成正比。这说明，液压元件内缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。,2008/09/01,54,（2）液体流经环形缝隙的流量压力特性,流量公式为： q = dh03p(l+1.52)/12ldh0v/2 相对偏心率，e偏心距，= e/h 结论：1） = 1时 q偏 = 2.5q同 2） = 0时 即同心圆环缝隙 3） q与2成正比， q 应尽量做成同心，以减小泄漏量。,20