液压流体力学基础.ppt

第二章液压流体力学基础 液体静力学 液体流动时的压力损失 液体流经隙缝和小孔时的流量 液压冲击和气穴现象 液压油 2 1液压油 一 液压油的主要性质 二 液压油的选用 1 密度 m v m 液体的质量 v 液体的体积 液压油的密度因油的牌号而异 并且随着温度的上升而减小 随着压力的提高而稍有增加 但变化不大 通常取900kg m3 2 可压缩性液体具有比钢铁大100 150倍的可压缩性 体积压缩系数k 1 p V V p 压力的增量 V 被压缩的液体体积 V 体 一 液压油的主要性质 积的增量 由于 V是负值 体积减小 在式子右边增加一个负号以保证k为正数 另外 工程上常用液体体积弹性模量K来表示其可压缩性 取K 1 k 纯油的可压缩性随压缩过程 温度的变化而变动 但变动量不大 可不予考虑 在一般情况下 油的可压缩性对液压系统性能影响不大 但在高压情况下以及在研究系统动态性能时则不能忽略 3 粘性 液体在外力作用下流动时 其流动受到牵制 且在流动截面上各点的流速不同 各层液体间有相互牵制作用 这种相互牵制的力称作液体内的摩擦力或粘性力 T A du dz或 du dz 液体动力粘度 单位面积上地摩擦力 du dz 速度梯度 此式又称为牛顿内摩擦定律 液体动力粘度与液体密度之比称为运动粘度 当压力增加时 粘度有所增加 液体的粘度对温度很敏感 温度略升高粘度显著降低 相对粘度 恩氏粘度将200ml被测油液在某一特定温度 t 时在自重作用下流过恩氏粘度计所需的时间t1与20 时同体积蒸馏水流过该恩氏粘度计所需时间t2相比 即为被测油液在t 时的恩氏粘度 即 粘度的特性粘度随压力的升高而增大 粘度随温度的升高而显著减小 油液的粘度随温度变化的性质称为 粘温特性 练习 用恩氏粘度计测得的某液压油200ml流过的时间为t1 153s 20 时200ml蒸馏水流过的时间t2 51s 问该液压油的恩氏粘度为多少 动力粘度 Pa s 为多少 运动粘度 m2 s 为多少 4 液压油的其它性质 闪点 油液在空气中出现明火的温度 凝点 油液冷却到失去流动性时的最高温度 使用环境的温度最好高于凝点10 化学稳定性 抗氧化能力 热稳定性 高温时抵抗化学反应的能力 酸值 反映硫元素对金属腐蚀程度的数值腐蚀 对液压油的要求 1 适当的粘度和良好的粘温特性 2 良好的化学稳定性和热稳定性 3 适当的闪点和凝点 4 质地纯净 不含或含有极少量的杂质 水份和水溶性酸碱等 5 具有良好的抗泡沫性 抗乳化性 空气释放性 抗磨性和防锈性等 二 液压油的选用 一 液体静压力 2 2液体静力学 液体静力学研究静止液体的力学规律和这些规律的实际应用 这里所说的静止液体是指液体处于内部质点间无相对运动的状态 因此液体不显示粘性 液体内部无剪切应力 只有法向应力即压力 二 液体静压力基本方程 五 压力油作用在平面和曲面上的力 三 压力的表示方法 四 静止液体内压力的传递 1 静压力静压力是指液体处于静止状态时 其单位面积上所受的法向作用力 静压力在液压传动中简称为压力 而在物理学中则称为压强 可表示为 p F A 一 液体静压力 国际单位制中 压力单位为牛顿 米2 N m2 称为帕斯卡 简称帕 Pa 在液压技术中 目前还采用的压力单位有巴 bar 和工程大气压 又称千克力每平方厘米 kgf cm2 等 液体静压力有两个重要特性 1 液体静压力的方向沿着作用面的法线方向 2 静止液体中任何一点所受到各个方向上的压力都相等 2 静压力特性 二 液体静压力基本方程 如图所示容器中盛有液体 作用在液面上的压力为P0 现在求离液面h深处A点压力 在液体内取一个底面包含A点的小液柱 设其底部面积为 A 高为h 这个小液柱在重力及周围液体的压力作用下 处于平衡状态 则在垂直方向上的力平衡方程为P p0 gh p0 h其中 为液体的密度 为液体的重度 上式即为静压力基本方程式 它说明了 1 静止液体中任意点的静压力是液体表面上的压力和液柱重力所产生的压力之和 当液面只受大气压时 p0 pa 故有p pa gh 当液面除受大气压外还受载荷F作用时 则p pa F A gh 2 同一容器同一液体中的静压力随深度的增加线性地增加 3 连通器内 同一液体中深度相同的各点压力都相等 以当地大气压力为基准所表示的压力 称为相对压力 相对压力也称表压力 三 压力的表示方法 压力有三种表示方法 以绝对零压力作为基准所表示的压力 称为绝对压力 相对压力为负数时 工程上称为真空度 真空度的大小以此负数的绝对值表示 相对压力 表压力 绝对压力 大气压力真空度 大气压力 绝对压力 练习 如图示 容器A内充满着 990kg m3的液体 水银U形测压计的h 1m ZA 0 5m 求容器A中心的压力 分别用绝对压力和相对压力来表示 由静压力基本方程式p p0 h可知 液体中任何一点的压力都包含有液面压力p0 或者说液体表面的压力p0等值的传递到液体内所有的地方 这称为帕斯卡原理或静压传递原理 四 静止液体内压力的传递 通常在液压系统的压力管路和压力容器中 由外力所产生的压力p0要比液体自重所产生的压力 h大许多倍 即对于液压传动来说 一般不考虑液体位置高度对于压力的影响 可以认为静止液体内各处的压力都是相等的 且取决于负载 五 压力油作用在平面和曲面上的力 1 压力油作用在平面上的力当承受压力作用的面是平面时 作用在该面上的压力的方向是互相平行的 故总作用力F等于油液压力p与承压面积A的乘积 即F p A 对于图中所示的液压缸 油液压力作用在活塞上的总作用力为 F p A p D2 4式中p 油液的压力 D 活塞的直径 2 油液作用在曲面上的力 当承受压力作用的表面是曲面时 作用在曲面上的所有压力的方向均垂直于曲面 如图所示 图中将曲面分成若干微小面积dA 将作用力dF分解为x y两个方向上的分力 即Fx p dAsin p AxFY p dAcos p Ay式中 Ax Ay分别是曲面在x和y方向上的投影面积 所以总作用力 液体作用在该曲面某一方向上的力等于压力p与曲面该方向上的投影面积A的乘积 F p A 实际液体具有粘性 在液体流动时就有力 为了克服阻力 就必然要消耗能量 这样就有能量损失 主要表现为压力损失 压力损失过大 将使功率消耗增加 油液发热 泄漏增加 效率降低 液压系统性能变坏 因此在液压技术中正确估算压力损失的大小 从而找到减少压力损失的途径 2 4液体流动时的压力损失 液压系统中的压力损失分为两类 一是沿程压力损失 即油液流经直管时的压力损失 这类压力损失是由于液体流动时的内摩擦力引起的 二是局部压力损失 即油液流经局部障碍时的压力损失 这类压力损失是由于液流的方向和速度突然变换 在局部区域形成漩涡 引起液体质点相互撞击和剧烈摩擦因而产生的 一 液体的流态 沿程压力损失的大小与液体流动状态有关 因此下面将首先介绍液体的两种流态和判别准则 二 沿程压力损失 三 局部压力损失 四 管路系统总压力损失 层流 液体中质点沿管道作直线运动而没有横向运动 既液体作分层流动 各层间的流体互不混杂 一 液体的流态 雷诺实验 紊流 液体中质点除沿管道轴线运动外 还有横向运动 呈现紊乱混杂状态 雷诺数 雷诺数是每一种液流都具有的参数 用Re与Rec 临界雷诺数 比较 可判别流态 一般地 Rec 2300当Re Rec时 紊流当Re Rec时 层流 油液在直管中流动的沿程压力损失可用下式来表示 式中 沿程阻力系数 l 直管长度 d 管道直径 v 油液的平均流速 油液密度 公式说明了压力损失 p与管道长度及流速v的平方成正比 而与管子的内径成反比 至于油液的粘度 管壁粗糙度和流动状态等都包含在 内 二 沿程压力损失 直管层流时 沿程阻力系数 用如下公式计算 直管紊流时 沿程阻力系数 用如下公式计算 练习 已知两条油管的内径分别为d1 20mm d2 25mm 长度L1 10m L2 15m 压力油的运动粘度 40 10 6m2 s 密度 900kg m3 流量Q 100L min 求压力油通过每一条油管时的压力损失 三 局部压力损失 局部压力损失是液流流经管道截面突然变化的弯管 管接头以及控制阀阀口等局部障碍处时的压力损失 计算式为 其中 局部阻力系数 由设计资料给出 液体流经各种阀类的压力损失主要为局部损失 当实际通过的流量不等于额定流量时 可根据局部损失与v2成正比的关系按下式计算 液压系统中管路通常由若干段管道串联而成 其中每一段又串联一些诸如弯头 控制阀 管接头等形成局部阻力的装置 因此管路系统总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失及所有局部压力损失之和 即 四 管路系统总压力损失 P p p l d v2 2 v2 2 2 5液体流经隙缝和小孔时的流量 本节主要介绍液流流经小孔及缝隙的流量公式 前者是节流调速和液压伺服系统工作原理的基础 后者则是计算和分析液压元件和系统泄漏的根据 二 小孔流量 一 缝隙流量 液压元件各零件间如有相对运动 就必须有一定的配合间隙 液压油就会从压力较高的配合间隙流到大气中或压力较低的地方 这就是泄漏 泄漏分为内泄漏和外泄漏 泄漏主要是由压力差与间隙造成的 泄漏量与压力差的乘积便是功率损失 因此泄漏的存在将使系统效率降低 同时功率损失也将转化为热量 使系统温度升高 进而影响系统的性能 一 缝隙流量 1 流经同心圆环形间隙的流量如图所示可得出流经同心圆柱环形间隙的流量为上式即为通过同心圆环间隙的流量公式 它说明了流量与 p和 3成正比 即间隙稍有增大 就会引起泄漏大量增加 1 流经圆环形间隙的流量 在实际工作中 圆柱与孔的配合很难保持同心 往往有一定偏心 偏心量为e 通过此偏心圆柱形间隙的泄漏量可按下式计算 从上式可知 通过同心圆环形间隙的流量公式只不过是 0时偏心圆环形间隙流量公式的特例 当完全偏心时e 1 此时q 2 5 d 3 12 l p可见 完全偏心时的泄漏量是同心时的2 5倍 2 流经偏心圆环形间隙的流量 图为一平面缝隙 液压油在压力差 p作用下自左向右流动 此平面隙缝可以看作是同心圆环形间隙的展开 故可用平面隙缝的宽度b代替同心圆环形间隙流量公式中的 d 即得平行平面隙缝的流量公式 2 流经平面隙缝的流量 3 流经平行圆盘间隙的流量 图为相距间隙 很小的两平行圆盘 液流由中心向四周沿径向呈放射形流出 柱塞泵和马达中的滑阀和斜盘之间 喷嘴挡板阀的喷嘴挡板之间以及某些静压支承均属这种结构 其流量可按下式计算 R 圆盘的外半径 r 圆盘中心孔半径 油液的动力粘度 p 进口压力与出口压力之差 1 流经薄壁小孔的流量 二 小孔流量 当小孔的长径比l d 0 5时称为薄壁小孔 如图所示 通过薄壁小孔的流量 Cq 流量系数A 小孔通流截面面积 2 流经细长小孔的流量 所谓细长小孔 一般是指长径比l d 4的小孔 在液压技术中常作为阻尼孔 如图所示 其流量公式为 从上式可看出 油液流经细长小孔的流量和小孔前后压差成正比 而和动力粘度 成反比 因此流量受油温影响较大 这是和薄壁小孔不同的 液压冲击气穴 2 6液压冲击和气穴现象 1 概念 在液压系统中 由于某种原因 液体压力在一瞬间会突然升高 产生很高的压力峰值 这种现象称为液压冲击 2 危害 1 产生噪声和振动 2 损坏液压元件 一 液压冲击 2 运动着的工作部件突然制动或换向时 因工作部件的惯性引起的液压冲击 3 某些液压元件动作失灵或不灵敏 使系统压力升高而引起的液压冲击 3 产生液压冲击的原因 1 阀门突然关闭或开启 液流迅速换向使液流速度的大小或方向突然变化时 由于液流的惯力引起的压力冲击波 如图所示 液体自一具有固定液面的压力容器沿长度为l 直径为d的管道经出口处的阀门以速度v0流出 诺将阀门突然关闭 此时紧靠阀门口B处的一层液体停止流动 压力升高 p 其后液体也依次停止流动 动能形成压力波 并以速度c向A传播 此后B处压力降低 p 形成压力降波 并向A传播 而后当A处先恢复初始压力 压力波又传向B 则如此循环使液流振荡 振荡终因摩擦损失而停止 如图所示 活塞以速度v0向左运动 活塞和负载总质量为M 当换向阀突然关闭进出油口通道 油液被封闭在两腔之中 由于运动部件的惯性 活塞将继续运动一段距离后才停止 使液压缸左腔油液受到压缩 从而引起液体压力急剧增加 运动部件质量越大 初始速度越大 制动时产生的冲击压力也越大 1 延长阀门关闭和运动部件制动换向时间 2 限制管中油液的流速和运动部件速度 3 适当加大管道直径 缩短管道长度 4 在冲击区附近安装溢流阀或蓄能器 5 采用软管