液压油及液压流体力学基础.ppt

第一章液压油及液压流体力学基础 2 介绍 液压流体力学 液压传动的力学基础 流体力学 研究流体平衡及运动规律的力学液压油 液体的粘性 液压油的选择与使用等液体静力学 静压力特性 帕斯卡原理 介绍 液体动力学 1 基本概念 2 基本方程 连续方程 质量守恒定律 伯努利方程 能量守恒定律 动量方程 动量守恒定律 液压冲击和空穴现象 1 1液压油 一 流体的密度与比容 密度 单位体积液体内所含有的质量 比容 密度的倒数 重度 单位体积液体的重量 1 1液压油 二 流体的压缩性及液压弹簧刚性系数 压缩性 液体受压力作用其体积会减小的性质 体积压缩系数k 体积弹性模量K 压缩系数的倒数 1 1液压油 二 流体的压缩性及液压弹簧刚性系数 等效体积弹性模量Kd 考虑 液体本身的可压缩性封闭容器受压变形引起的容积变化混入液体中的气体的可压缩性 1 1液压油 二 流体的压缩性及液压弹簧刚性系数 液压弹簧刚性系数 1 1液压油 三 液体的粘性 1 粘性及其表示方法 粘性 液体在外力作用下流动时 液体分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动而产生内摩擦力的性质 1 1液压油 三 液体的粘性 1 粘性及其表示方法 粘度的表示方法 动力粘度 绝对粘度 1 1液压油 相对粘度 恩氏粘度 或称厘沲 cst 运动粘度 相对粘度与恩氏粘度的换算关系 1 1液压油 三 液体的粘性 2 温度和压力对粘的影响 液压油的粘度随温度的增加而减小 液压油的粘度随压力的升高而变大 1 1液压油 四 对液压油的要求和选用 在机床液压传动中 液压油有三方面的作用 传递动力的介质运动件间的润滑剂散热 1 1液压油 四 对液压油的要求和选用 1 要求 粘度适当 粘温性好可压缩性要小润滑性好较好的化学稳定性杂质少 污染度低 对密封材料的影响小抗乳化性好流动点 凝固点低 燃点高 1 1液压油 四 对液压油的要求和选用 2 选用 主要考虑粘度 工作压力小环境温度工作部件的运动速度液压泵的类型经济性 考虑因素 图1 3国产液压油粘度温度曲线 表1 2几种国产液压油的质量指标 1 2液体静力学 一 静压力 压力 及其性质 1 静止液体 液体内部质点与质点无相对运动 2 静压力 单位面积上液体所受作用力 单位 1 2液体静力学 一 静压力 压力 及其性质 3 性质 静止液体不呈粘性 液体静压力垂直于作用面 指向作用面的内法线方向 静止液体内 任意点的压力在各个方向上都相等 1 2液体静力学 二 在重力作用下静止液体中的压力分布 1 2液体静力学 二 在重力作用下静止液体中的压力分布 结论 静压力由两部分组成 液面压力 液柱重量产生的压力 静止液体内的压力沿深度呈直线规律分布 离液面深度相同处各点的压力都相等 1 2液体静力学 三 压力的表示方法及单位 绝对压力相对压力真空度 帕 Pa N 绝对压力 相对压力 大气压力 真空度 大气压力 绝对压力 负的相对压力 1 2液体静力学 四 帕斯卡定律 静压传递原理 帕斯卡原理 静压传递原理 在密闭的容器内 施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点 1 2液体静力学 四 帕斯卡定律 静压传递原理 盛放在密封容器内的液体 其外加压力p0发生变化时 只要液体仍然保持原有的静止状态 液体中的任一点的压力 均将发生同样大小的变化 1 2液体静力学 五 液体静压力作用在固体壁上的力 1 3流动液体的基本力学特性 一 基本概念 1 理想液体 是一种假想的没有粘性 不可压缩的液体 2 恒定流动 指液体运动参数仅是空间坐标的函数 不随时间的变化 即在任何时间内 通过空间某一固定点的各液体质点的速度 压力和密度等参数都保持某一常数 1 3流动液体的基本力学特性 一 基本概念 3 非恒定流动 通过空间某一固定点的各液体质点的速度 压力和密度等任一参数只要有一个是随时间变化的 即为非恒定流动 4 一维流动 若运动参数 流速 压力 密度等 只是一个坐标的函数 则称为一维流动 1 3流动液体的基本力学特性 一 基本概念 5 三维流动 通常流体的运动都是在三维空间内进行的 若运动参数是三个坐标的函数 则称这种流动为三维流动 严格来说 一维流动要求液流截面上各点处的速度矢量完全相同 但当管道截面积变化很缓慢 管道轴心线的曲率不大 管道每个截面取液流速度平均值时 可近似地按一维流动处理 1 3流动液体的基本力学特性 一 基本概念 6 流线 是某一瞬时液流中一条条标志其质点运动状态的曲线 在流线上各点处的瞬时液流方向与该点的切线方向重合 对于恒定流动 流线形状不随时间变化 流线不能相交 也不能转折 它是一条条光滑的曲线 1 3流动液体的基本力学特性 一 基本概念 7 流束 如果通过某截面A上所有各点画出流线 这些流线的集合构成流束 1 3流动液体的基本力学特性 一 基本概念 流束的特性 稳定流动时 流束的形状不随时间改变 流体质点不能穿过流束表面流入或流出 流束是一个物理概念 具有一定的质量和能量 由于微小流束的横断面很小 所以在此截面上各点的运动参数可视为相同 1 3流动液体的基本力学特性 一 基本概念 8 通流截面 流束中与所有流线正交的截面 9 微小流束 通流截面无限小时的流束为微小流束 微小流束截面上各点上的运动速度可以认为是相等的 1 3流动液体的基本力学特性 一 基本概念 10 流量 单位时间内通过某通流截面的液体体积 11 平均流速 是假想的液体运动速度 认为通流截面上所有各点的流速均等于该速度 以此流速通过通流截面的流量恰好等于以实际不均匀的流速所通过的流量 1 3流动液体的基本力学特性 二 流体的流动状态 雷诺数 1 3流动液体的基本力学特性 二 流体的流动状态 雷诺数 层流 指液体流动时 液体质点没有横向运动 互不混杂 呈线状或层状的流动 紊流 指液体流动时 液体质点有横向流动 或产生小漩涡 作混杂紊乱的流动状态 1 3流动液体的基本力学特性 二 流体的流动状态 雷诺数 层流和紊流是两种不同性质的流动状态 层流时粘性力起主导作用 惯性力与粘性力相比不大 液体质点受粘性的约束 不能随意运动 紊流时惯性力起主导作用 液体质点在高速流动时 粘性不再能约束它 1 3流动液体的基本力学特性 二 流体的流动状态 雷诺数 雷诺数 非圆截面管道雷诺数计算 R为通流截面的水力半径 x为湿周 有效截面周长 1 3流动液体的基本力学特性 二 流体的流动状态 雷诺数 1 3流动液体的基本力学特性 三 连续性方程 假设液体是不可压缩的 而且是作恒定流动 则液体的流动过程遵守质量守恒定律 即在单位时间内流体流过通道任意截面的液体质量相等 1 3流动液体的基本力学特性 三 连续性方程 例1 1 1 3流动液体的基本力学特性 四 伯努利方程 能量守恒定律 1 3流动液体的基本力学特性 1 理想流体的运动微分方程 1 3流动液体的基本力学特性 1 理想流体的运动微分方程 1 3流动液体的基本力学特性 2 理想流体的伯努利方程 1 3流动液体的基本力学特性 2 理想流体的伯努利方程 伯努利方程的物理意义是 理想的不可压缩液体在重力场中作恒定流动时 沿流线上各点的位能 压力能和动能之和是常数 1 3流动液体的基本力学特性 2 理想流体的伯努利方程 1 3流动液体的基本力学特性 3 实际液体的伯努利方程 实际液体沿流线上各点的机械能不再保持为常数 任取两点 伯努利方程为 1 3流动液体的基本力学特性 3 实际液体的伯努利方程 缓变流动 是指流束内的流线之间的夹角极小 几乎平行 通流截面总是垂直于流线 否则 称为急变流动 1 3流动液体的基本力学特性 3 实际液体的伯努利方程 缓变流动 如果在缓变流动的同一截面的不同位置上装几根测压管 则各测压管中的液面将上升到同一高度 近似值 即 1 3流动液体的基本力学特性 3 实际液体的伯努利方程 1 3流动液体的基本力学特性 3 实际液体的伯努利方程 引入缓变流动和动能修正系数后 得 1 3流动液体的基本力学特性 3 实际液体的伯努利方程 1 3流动液体的基本力学特性 4 伯努利方程的应用举例 1 3流动液体的基本力学特性 4 伯努利方程的应用举例 1 3流动液体的基本力学特性 应用伯努利方程解决实际问题的条件 液体是稳定流动 层流 紊流 液体所受质量力只有重力 液体是连续的 不可压缩 常数 所选择的两个通流截面必须符合渐变流条件 且不考虑两截面间的流动状态 1 3流动液体的基本力学特性 五 动量守恒 动星定理指出 作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上动量的变化率 即 1 3流动液体的基本力学特性 五 动量守恒 1 3流动液体的基本力学特性 五 动量守恒 恒定流动 1 3流动液体的基本力学特性 五 动量守恒 恒定流动 1 3流动液体的基本力学特性 五 动量守恒 恒定流动 1 3流动液体的基本力学特性 五 动量守恒 非恒定流动 对于非恒定流动 由于控制体内各点的参数均随时间变化 因此在dt时间内 控制体内的动量增量就不仅仅是流出流入控制体的动量差 且还要加上控制体内部的动量增量 即 1 3流动液体的基本力学特性 五 动量守恒 非恒定流动 1 3流动液体的基本力学特性 五 动量守恒 非恒定流动 当液体作非恒定流动时 作用在控制体上的力由两部分组成 一部分是由于流体流人流出的动量变化引起的 称为稳态液动力 另一部分则是由于流体作非恒定流动时 在控制体内流体产生加速度运动而引起的 称为瞬态液动力 结论 1 3流动液体的基本力学特性 滑阀上的稳态液动力 稳态液动力是阀芯移动完毕 开口固定以后 液流流过阀口时因动量变化而作用在阀芯的力 1 3流动液体的基本力学特性 滑阀上的瞬态液动力 瞬态液动力是滑阀在移动过程中 即开口大小发生变化时 阀腔中液流因加速或减速而作用在阀芯上的力 1 4流动液体的流量 压力特性 一 压力损失 沿程损失 指液体在管道中流动时因液体具有的粘性而产生的压力损失 局部损失 指由于管道突然变化 液流速度大小和方向突然改变等而引起的压力损失 1 4流动液体的流量 压力特性 1 沿程损失 1 求水平圆管中液流的速度分布 1 4流动液体的流量 压力特性 1 沿程损失 2 求流量 平均流速 1 4流动液体的流量 压力特性 流量公式 泊肃叶公式 上式表明 液体在圆管中作层流流动时 流量与管径的四次方成比例 压力差 压力损失 则与管径的四次方成反比 可见管径对流量及压力损失的影响是很大的 1 4流动液体的流量 压力特性 1 沿程损失 3 求因沿程损失造成的能量损失 仅考虑沿程损失 列伯努利方程 1 4流动液体的流量 压力特性 1 沿程压力损失 油在金属管中的层流 取 油在橡胶管中的层流 取 上式表明 流体在管道中流动的能量损失表现为流体的压力损失 即流体下游的压力要小于上游的压力 这个压力差值用来克服流动中的摩擦阻力 1 4流动液体的流量 压力特性 2 局部压力损失 产生原因 液体流过局部装置时形成死水区或涡旋区 液体在此区域并不参加主流动 而是不断的打旋 加速液体摩擦或造成质点碰撞 产生局部能量损失 液体流过局部装置时流速的大小和方向发生急剧变化 各截面上的速度分布规律也不断变化 引起附加摩擦而消耗能量 1 4流动液体的流量 压力特性 2 局部压力损失 截面突然扩大时的局部压力损失 各种局部损失系数 各种局部损失系数 1 4流动液体的流量 压力特性 管路系统总能量损失 管路系统中总能量损失等于系统中所有直管沿程能量损失之和与局部能量损失之和的叠加 1 4流动液体的流量 压力特性 二 流量公式 1 孔口流量公式 孔口形式 薄壁小孔 一般节流阀的节流口 细长孔 一般用于阻尼孔 短孔 一般用于固定节辙口 1 4流动液体的流量 压力特性 二 流量公式 1 孔口流量公式 1 薄壁小孔的流量公式 1 4流动液体的流量 压力特性 薄壁小孔的流量公式 结论 从公式推导可以看出 流经薄壁小孔的流量Q与小孔前后压差 p的1 2次方成正比 由于油液流经薄壁小孔时 摩擦阻力作用极小 所以流量受粘度的影响也很小 因而油温变化对流量影响也很小 此外 薄壁小孔不易堵塞 这些都使得薄壁小孔 或近似薄壁小孔 在流量控制阀中表现出较好的性能 1 4流动液体的流量 压力特性 二 流量公式 1 孔口流量公式 1 4流动液体的流量 压力特性 结论 Re较小时 Cd随Re的增大而迅速增大 这是由于粘性起主导作用的结果 它对收缩系数影响较小 而对速度系数Cv影响较大 Re增大时 Cd随Re增加而缓慢增加 此时粘性作用减小而惯性作用增大 直到惯性作用起主导作用时 它对收缩系数影响较大 而对Cv影响较小 在Re增大到一定值后 粘性作用可以忽略 此时Cv趋近1 Cd也趋于某一常数 1 4流动液体的流量 压力特性 二 流量公式 1 孔口流量公式 2 细长小孔的流量公式 3 短孔 厚壁孔 的流量公式 厚壁孔流量计算可采用薄壁小孔的流量公式 但流量系数Cd的选取则具体情况具体确定 1 4流动液体的流量 压力特性 细长小孔的流量公式 结论 油液流经细长小孔的流量Q与小孔前后压差 p的一次方成正比 由于流量公式中包含有粘度 的因素 流量受油液粘性 变化的影响较大 即油温变化引起粘度的变化 从而引起流过细长小孔的流量变化 如当温度升高时 粘度下降 则流经细长孔的流量增多 此外 细长小孔较易堵塞 1 4流动液体的流量 压力特性 二 流量公式 2 缝隙流量公式 在液压传动的元件中 适当的缝隙 间隙 是零件问正常相对运动所必需的 但间隙对液压元件的性能影响极大 液压系统的泄漏主要是由间隙和压力差决定的 泄漏的增加使系统油温升高效率降低 系统性能受影响 缝隙流量公式见表1 4 P35 1 5液压冲击和气穴现象 一 液压冲击 定义 在液压系统的工作过程中 因执行部件的突然换向或阀门突然关闭以及外负载的急剧变化而引起压力急剧变化 出现压力交替升降的波动过程 这种现象称为液压冲击 1 5液压冲击和气穴现象 一 液压冲击 液压冲击的类型 阀门突然打开或关闭 及系统中某些元件反应的滞后 使液流突然停止运动而产生的液压冲击 运动部件突然启动或停止 因其惯性使液压缸和相连管道中压力产生急剧变化而形成压力波 产生液压冲击 1 5液压冲击和气穴现象 一 液压冲击 1 液流突然停止时的液压冲击 1 5液压冲击和气穴现象 一 液压冲击 1 液流突然停止时的液压冲击 液体冲击引起的最大压力升高值可以按能量守恒定理 或动量守恒定理 进行计算 当阀门突然关闭时 液体的动能转化成液体的弹性能 即 为冲击波在管中的传播速度 1 5液压冲击和气穴现象 一 液压冲击 1 运动部件制动时产生的液压冲击 利用能量守恒定律 1 5液压冲击和气穴现象 一 液压冲击 消除或减弱液压冲击的措施 缓慢关闭阀门 减慢管道的换向速度 缩短管子长度 减慢换向阀关闭前的液流速度 设置蓄能器 安全阀等 1 5液压冲击和气穴现象 二 气穴 或空穴 气穴 空穴 在液压系统中 由于某种原因会产生低气压 当压力低于液体的空气分离压时 液体中溶解的空气就会分离出来 以气泡的形式存在于液体中 使原来充满管道的液体出现了气体的空穴 这种现象称为空穴现象 另外 当绝对压力低于液体的饱和蒸气压时 液体中会出现大量的蒸气泡 这也空穴现象 1 5液压冲击和气穴现象 二 气穴 或空穴 1 空气分离压 饱和蒸气压 空气分离压 在一定温度