第2章 液压流体力学基础ppt课件

液压流体力学基础 机电教研室 本章主要内容 液压油的主要性质及选用流体静力学基础流体动力学基础管路中液流的压力损失液压冲击及气穴现象 第一节液压油的主要性质及选用 一 液压油的主要性质 液压传动以液体作为工作介质来传递能量和运动 因此 了解液体的主要物理性质 掌握液体平衡和运动的规律等主要力学特性 对于正确理解液压传动原理 液压元件的工作原理 以及合理设计 调整 使用和维护液压系统都是十分重要的 液体是液压传动的工作介质 同时它还起到润滑 冷却和防锈作用 液压系统能否可靠 有效地进行工作 在很大程度上取决于系统中所用的液压油液的物理性质 1 密度 单位体积液体内所含有的质量 以表示 说明 密度是液压油的一个重要物理参数 随着液压油温度和压力的变化 其密度也会发生变化 但这种变化量通常很小 可以忽略不加 故实际应用中可认为液压油密度不受温度和压力变化的影响 一般液压油的密度为900kg m3 2 液体的可压缩性 1 定义 液体受压后体积缩小的性质 2 表示方法 受压液体在变化单位压力时引起的液体体积的相对变化量 压缩性系数 容积弹性模量 液体的压缩性系数的倒数 液压油液体积 压力增加 体积增量 定义体积压缩系数为 影响因素 容易被压缩 不易被压缩 说明 压力增大时 K值增大 但这种变化不呈线性关系 当p 3MPa时 K值基本上不再增大 液压油液中如混有气泡时 K值将大大减小 3 液体的黏性 1 黏性的意义定义 液体在外力作用下流动时 液体分子间的内聚力阻碍其分子间的相对运动而产生一种内摩擦力的现象称为液体的黏性 式中 是衡量液体黏性的比例系数 称为绝对黏度 实验表明 液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A和液层间的速度梯度du dy成正比 即 剪切应力 牛顿内摩擦定律 2 液体的黏度液体黏性的大小用黏度来表示 常用的黏度有三种 即 动力黏度 运动黏度和相对黏度 1 动力黏度 绝对黏度 缪 物理意义 液体在单位速度梯度下流动时 接触液体层间单位面积上的内摩擦力 单位 Pa s 帕 秒 或者N s m2 2 运动黏度 纽 定义 液体的动力黏度 与其密度 的比值被称为液体的运动黏度 单位 m2 s 米2 秒 或mm2 s 1m2 s 106mm2 s 液体的运动黏度没有明确的物理意义 但它在工程实际中经常用到 我国液压油的牌号就是用它在温度为40 时的运动黏度平均值来表示的 例如N32号液压油 就是指这种油在40 时的运动黏度平均值为32mm2 s 1 L HL22是什么意思 2 两种流体的黏度比较用哪一种黏度 3 相对黏度 条件黏度 动力黏度和运动黏度难以直接测量 因此在工程上常常使用相对黏度 相对黏度又称为条件黏度 它是采用特定的黏度计在规定的条件下测量出来的黏度 我国采用的相对黏度为恩氏黏度 E 恩氏黏度由恩氏黏度计测出 用木塞堵住锥形短管 将220cm2的被测液体注入贮液罐 将水箱中的水加热 一般 水等液体要求保持在20 润滑油50 燃料油80 迅速拔起塞杆 使被测液体从锥形短管流入长颈瓶 再用同样的步骤记下200cm2蒸馏水在同样温度下流经锥形短管所需的时间t0 约51秒 求得了恩氏粘度oEt后 可由下面的半经验公式求出被测液体的运动粘度 被测液体在规定温度下的恩氏粘度为 液压油对温度的变化很敏感 当温度升高时 黏度显著降低 这一特性称为液体的黏 温特性 黏 温特性常用黏 温特性曲线和粘度指数 来表示 3 黏温特性 工作介质的黏度变化直接影响液压系统的工作性能 因此黏度随温度的变化越小越好 黏度指数高 黏度随温度变化小黏温特性好 4 抗燃性闪点 指在此温度下 液体能产生足够的蒸汽 在特定条件下以一个微小的火焰接近它们时 在油液表面上的任何一点都会出现火焰闪光的现象 着火点 油液所达到的某一温度 在该温度下油液能连续燃烧5S 自燃着火点 油液在该温度下会自动着火 5 油液的机械稳定性指液体在长时间的高压作用 主要是挤压作用 下 保持其原有的物理性质的能力 液压油应具有良好的机械稳定性 6 油液的化学安定性指液体抗氧化的能力 液压油应具有良好的化学稳定性 并且不含杂质 二 液压油的分类 三 液压油的选择 1 液压油的使用要求 粘温特性好有良好的润滑性成分要纯净对热 氧化水解都有良好的化学稳定性 使用寿命长比热和传热系数大 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 抗泡沫性和抗乳化性好 防锈性好材料相容性好 腐蚀性小对人体无害 对环境污染小 价格便宜无毒 2 选用 1 工作机械的特点 伺服系统 精密机械选低粘度 2 液压泵的类型 低压系统可以选用HL油 中高压系统用HM油 3 系统工作压力 5Mpa 40Mpa 控制泄漏 4 环境温度 温度高 选高粘度 5 运动速度 速度高 选低粘度 6 选择液压油品种 机械油 普通液压油 低温液压油 抗燃液压油 抗磨液压油 液压工作介质的污染液压工作介质被污染指的是介质中混入了微小固体颗粒及胶状生成物 空气 氯和水分等杂质的情况 油液污染的原因及其控制措施原因 残留物的污染周围环境中污染物的侵入生成物污染控制 减少外来的污染滤除系统产生的杂质定期检查更换液压油液 练习题 1 我国油液牌号与40 时的平均粘度有关系 如油的密度 900kg m3 试回答以下几个问题 1 30号机油的平均运动粘度为 m2 s 2 30号机油的平均动力粘度为 Pa s 在液体静止时 40号机油与30号机油所呈现的粘性哪个大 练习题 2 20 时水的运动黏度为l 10 6m2 s 密度 1000kg m3 20 时空气的运动黏度为15 10 6m2 s 密度 1 2kg m3 试比较水和空气的黏度 A 水的黏性比空气大 B 空气的黏性比水大 3 黏度指数高的油 表示该油 A 黏度较大 B 黏度因压力变化而改变较大 C 黏度因温度变化而改变较小 D 黏度因温度变化而改变较大 4 现有一桶机械用油 但不知油的牌号 若从桶中取出200mL 并在40 时 令其从恩氏黏度计的小孔中流出 测出其所用的时间为230s 计算该油动力粘度和运动黏度的数值 并判断油的牌号 练习题 第二节流体静力学基础 流体静力学的任务是研究液体处于相对平衡状态下的力学规律 以及这些规律的实际应用 所谓相对平衡是指流体质点之间无相对运动 流体静力学在工程实践中有着广泛的用途 许多机器和仪器就是根据流体静力学原理制造出来的 注意 对于处于静止平衡状态的流体 黏性将不起作用 所以流体静力学理论无论对理想流体还是对实际流体都是适用的 一 液体的压力及其性质 1 质量力与流体质量成正比且作用在流体质量中心上的力称为质量力 举例 重力 惯性力单位质量流体所受的质量力称为单位质量力 2 表面力走路 游泳作用在所研究流体体积表面上的力就称为表面力 是由与流体相接触的其他物体 可以是流体 也可以是固体 的作用而产生的 单位面积上作用的表面力称为应力 法向应力 与流体表面垂直切向应力 与流体表面相切 法线 两层流体 作用力P 面积f 单位面积法向力p 单位面积切向力 单位 Pa或MPa 或 作用力 压力x面积 静压力及其性质 静止液体单位面积上所受的法向力称为静压力 液体静压力有两个基本特性 1 液体静压力沿法线方向 垂直于承压面 2 静止液体内 任一点的压力 在各个方向上都相等 由上述性质可知 静止液体总是处于受压状态 并且其内部的任何质点都是受平衡压力作用的 如图所示 容器中静止液体所受的力有 液体重力 FG 液面上压力 p0 及容器壁面作用在液体上的反压力 该液体中任意一点的静压力可从液体中取微元体进行研究 微元体在垂直方向上的力的平衡方程为 静压力的基本方程 1 静压力基本方程 二 液体静力学基本方程及其物理意义 2 结论 液体内任意一点的压力由两部分组成 表面压力 p0 质量压力 gh 静止液体中压力随液体深度呈线性分布 压力相等的所有点组成的面积称为等压面 在重力作用下 对均质连续介质 等压面是一个水平面 连通器中 同一水平线上的压力值相等 不互溶液体的分界面的压力相等 即 三 压力的传递 帕斯卡原理 若处于密封容器中静止液体的部分边界面上施加外力使其压力发生变化 只要液体仍保持其原来的静止状态不变 则液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化 两缸互相连通 构成一个密闭容器 则按帕斯卡原理 缸内压力到处相等 p1 p2 于是如果垂直液缸活塞上没负载 则在略去活塞重量及其它阻力时 不论怎样推动水平液压缸活塞 不能在液体中形成压力 四 绝对压力 相对压力和真空度 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 压力有两种表示方法 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 显然绝对压力 大气压力 相对压力 表压力 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 压力单位法定计量单位 标准大气压 0 101325MPa 工程大气压 0 0981MPa 讨论题 如图是两个水平放置的液压缸 若 mm mm N 试分析以下几种情况可否出现 活塞怎样运动 为什么 并计算相应情况下密封容积中液体的压力 1当活塞1上作用力F逐渐加到314N时 2当F为157N时 3当F逐渐加到628N时 五 液体作用在固体壁面上的力 当承受压力的表面为平面时 当承受压力的表面为曲面时 曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积 例1如图中 液压缸直径D 150mm 柱塞直径d 100mm 负载F 5 104N 若不计液压油自重及活塞或缸体重量 试求图示两种情况下液压缸内的液体压力是多少 例2如图所示的连通器内装两种液体 其中已知水的密度1000kg m h 60cm h 75cm 试求另一种液体的密度是多少 例3如题3 7图中所示的压力阀 当p1 6MPa时 液压阀动作 若d1 10mm d2 15mm p2 0 5MPa 试求 1 弹簧的预压力Fs 2 当弹簧刚度k 10N mm时的弹簧预压缩量x0 例4如图所示 U型管测压机内装有汞 其左端与装有油液的容器相连 右端开口与大气相通 已知 h1 0 1m h2 0 2m 汞的密度为油液的密度为 试计算A点的绝对压力和真空度 M M 例5如图所示 如图所示U形管测压计 已知汞的密度是 油的密度是 若U形管内为汞 不计油液的自重 当管内相对压力为一个标准大气压 0 101325MPa 时 汞柱的高度hg为多少 若U形管内为油 当管内的压力为一个工程大气压 0 0981MPa 时 油柱的高度hy为多少 例6如图所示 密闭容器中充满密度为 的液体 柱塞直径为d 重量为FG 在力F作用下处于平衡状态 柱塞浸入液体深度h 试确定液体在测压管内上升的高度x 第三节流体动力学基础 一 基本概念 理想液体 既不可压缩又无黏性的液体实际液体 既可压缩又有黏性的液体恒定流动 液体中任何一点的压力 速度和密度都不随时间而变化非恒定流动 如果液体流动时在压力 速度和密度中有一个量随时间变化 非恒定流动 恒定流动 迹线 液体质点在空间的运动轨迹流线 某一瞬时 在流动液体流场内作的一条空间曲线 曲线的切线方向代表了质点在该点的速度方向 流管和流束 在流场中作一封闭曲线 通过这样的封闭曲线上各点的流线所构成的管状表面称为流管 流管内的流线群称为流束 过流断面 在流场中作一面 若该面与通过面上的每一条流线都垂直 则称该面为通流截面 流量 单位时间内流过某通流截面的流体体积法定单位 米3 秒 m3 s 工程中常用升 分 L min 通流截面上的平均流速 平均流速 通流截面上各点均匀分布假想流速 v q Aq 0v 0q 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 流管 在稳定流动的流体中任选截面s 并且通过它的周边各点作流线 由这些流线所组成的管状体就叫做流管 1 层流 流体分层流动 相邻两层流体间只作相对滑动 流层间没有横向混杂 2 紊流 当流体流速超过某一数值时 流体不再保持分层流动 而可能向各个方向运动 有垂直于管轴方向的分速度 各流层将混淆起来 并有可能出现涡旋 这种流动状态叫紊流 流体作紊流时所消耗的能量比层流多 液体流动时究竟是层流还是紊流须用雷诺数来判别 液体的流动状态 雷诺试验 1 雷诺试验装置 2 实验观察到的现象 A试验时微微打开阀门 管内水的流速较小 色水成一鲜明的细流 非常平稳 并与管的中心线平行 图a 称为层流 B逐渐打开阀门到一定程度 色水细流出现波动 图b 称为过渡流 C继续打开阀门 色水细流波动剧烈 开始出现断裂 最后形成与周围清水混杂 穿插的紊乱流动 图c a b c 雷诺数 雷诺数Re 雷诺根据大量试验归纳出的一个用于判别流态的无因次的综合量 Re较大 液体的惯性力起主导作用 液体处于紊流状态Re较小 黏性力起主导作用 液体处于层流状态 雷诺数的物理意义 ReR临 或2300 为紊流 二 液流连续性方程 在一般工作状态下 定常流动 液体基本上是不可压缩的 液体又是连续的 不可能有间隙存在 根据物质不变定律 液体在管内既不可能增多 也不可能减少 所以它在单位时间内流过管道每一截面的液体质量一定是相等的 连续性方程式从流动液体质量守恒定律中演化而来 在流体作恒定流动的流场中任取一流管 其两端通流截面面积为A1 A2 如图所示 若 则 可压缩性流体恒定流动时的连续方程 质量流量 适用于气体 液体 不可压缩性流体恒定流动时的连续方程 体积流量 适用于液体 由于两流通截面是任意选取的 故有q VA 常数 这就是液流的流量连续性方程 它说明在恒定流动中 通过流管各截面的不可压缩液体的流量是相等的 三 伯努利方程 伯努利方程是流体动力学的基本定律 它说明了理想流体在管道中作稳定流动时 流体中某点的压力p 流速v和高度h三个量之间的关系 下面用功能原理导出伯努利方程 如图所示 我们研究管道中一段流体的运动 设在某一时刻 这段流体在a1a2位置 经过极短时间 t后 这段流体达到b1b2位置 因为时间 t极短 所以a1b1和a2b2是两段极短的位移 在每段极短的位移中 压力p 截面积A和流速v都可看作不变 设p1 A1 v1和p2 A2 v2分别是a1b1与a2b2处流体的压力 截面积和流速 动能 势能 压力能 根据能量守恒定律 动能 势能 压力能 若等式两边同除以m和g 得 理想液体的伯努利方程 伯努利方程的物理意义为 在密封管道内作定常流动的理想液体在任意一个通流断面上具有三种形成的能量 即压力能 势能和动能 三种能量的总和是一个恒定的常量 而且三种能量之间是可以相互转换的 即在不同的通流断面上 同一种能量的值会是不同的 但各断面上的总能量值都是相同的 叫做压力头 速度头 水头 例1如图所示 水箱液面保持恒定 虹吸管的直径d1 150mm 喷嘴出口直径d2 50mm 不计损失 试求虹吸管的输水流量及A点的真空度 A 2m 4m 例2如图所示 一直径D 30m的储油罐 其近底部的出油管直径d 20mm 出油管中心与储油罐液面相距H 20m 设油液密度为 假设出油过程中油罐液面高度不变 出油管处压力表读数为0 045MPa 不计损失 试求装满体积为10000L的油车需要的时间 H D d 实际液体的伯努利方程实际液体在管道内流动时 由于液体存在黏性 会产生黏性力消耗能量 设为hw由于实际液体在管道通流截面上的流速分布是不均匀的 在用平均流速代替实际流速计算动能时 必产生误差 为修正这个误差 引入动能修正系数 实际液体的伯努利方程为 式中 1 2的值 当紊流时取 1 层流时 2 应用伯努利方程必须注意 1 断面1 2需顺流向选取 否则hw为负值 且应选在缓变的通流截面上 不考虑两截面之间的流动状态 2 断面中心在基准面以上时 h取正值 反之取负 通常选取特殊位置的水平面作为基准面 解题方法 1在流管的适当位置选取截面 并按液流流动的方向进行编号截面1 截面2 2假定各个截面的p v h分别为p1 v1 h1 p2 v2 h2 3列出伯努利方程 4带入参数结合连续方程进行求解 例3液压泵装置如图所示 吸油管直径d 60mm 流量q 150L min 泵吸油口允许的最低压力0 036MPa 油液的运动粘度 密度管内压力损失为0 046MPa 试求吸油高度 第四节管路中液流的压力损失 液体在管道中流动时克服由粘性而产生的摩擦阻力及液体质点碰撞所消耗的能量 称为能量损失 这种能量损失表现为压力损失 压力损失产生的内因是液体的粘性 外因是管道形状和液体的流态 压力损失分为沿程压力损失和局部压力损失两类 液体的流态 层流 紊流层流 液体流动时没有横向脉动 不引起液体质点混杂 而是层次分明 能够维持安定的流动状态 紊流 如果液体质点流动时质点具有脉动速度 引起流层间质点的相互错杂交换 这种流动状态称为紊流 流态的判据 雷诺数雷诺数 液体的流动状态与液流速度v 管径d和液体的运动粘度 有关 以上三个参数组成的一个无量纲数就称为雷诺数 流态的判断Re Re临时 层流Re Re临时 紊流 光滑金属管的临界雷偌数Re临 2300 层流时的沿程压力损失液体在等截面只管种流动时因黏性摩擦二产生的压力损失称为沿程压力损失 一 管道流动的沿程压力损失 沿程阻力系数 实际计算时 对于金属管取 油管长度与油管内径之比 密度 平均流速 紊流时的沿程压力损失紊流时 计算沿程压力损失的公式在形式上与层流时的计算公式相同 但阻力系数不仅与雷偌数油管还与管壁的粗糙度油管 实际使用时 对于光滑管 二 局部压力损失液体流经管道的弯头 接头 突变截面以及阀口 滤网等局部装置时 液流会产生旋涡 并发生强烈的紊动现象 由此而造成的压力损失称为局部压力损失 计算公式 局部阻力系数 三 管路系统总的压力损失及压力效率总压力损失 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 例1如图所示 液压泵的流量q 25L min 吸油管直径d 25mm 泵口比油箱液面高出400mm 如果只考虑吸油管中的沿程压力损失 当用32号液压油 并且油温为40 时 液压油的密度 900kg m 试求油泵吸油口处的真空度是多少 例2如图所示 液压泵从一个大容积的油池中抽吸润滑油 流量为q 1 2L s 油液的粘度 E 40 密度 900kg m 假设液压油的空气分离压为2 8m水柱 吸油管长度 10m 直径d 40mm 如果只考虑管中的摩擦损失 求液压泵在油箱液面以上的最大允许安装高度是多少 例3例2中若将泵的流量增大一倍时 最大允许高度将如何变化 例4喷管流量计直径D 50mm 喷管出口直径d 30mm 局部阻力系数 油液密度为 喷管前后压力差有水银压差计读数h 175mm 试求通过管道的流量q 水银密度为 q 例5如果有两条长度相等的管道相并联 管道直径为d1 d2 d1 d2 油在管中作层流运动 如仅计管内的沿程损失 试问 1 两管内的流速那个大 2 若同样条件下 两管串联时 两管内的流速那个大 作业题P292 12 第六节液压冲击及气穴现象 一液压冲击和冲击压力1 液压冲击在液压系统中 当极快地换向或关闭液压回致使液流速度急速地改变 由于流动液体的惯性或运动部件的惯性 会使系统内的压力发生突然升高或降低 这种现象称为液压冲击 产生原因 液流通道迅速关闭或迅速换向 液流速度的大小或方向发生突然变化 液流停止运动 动能转换为压力能 使压力急剧升高 形成液压冲击 运动着的工作部件突然制动 换向 启动 其惯性使压力急剧升高 形成液压冲击 某些液压元件动作失灵或不灵敏 使液流受阻 系统压力升高 形成液压冲击 特征 峰值压力 正常工作压力 压力升降波动 变化极快 危害 引起工作机械振动 产生噪声 导致某些元件如密封装置 管路等损坏 会使某些元件如压力继电器 顺序阀等产生误动作 甚至可能损毁设备 如此循环 产生液流压力振荡 终因摩擦损失而停止 液流速度突变引起的液压冲击 液体自左侧沿管道向右侧经阀门流出 若将阀门突然关闭 此时紧靠阀门处的液体被迫立即停止流动 液体的动能瞬时转变为压力能 压力急剧升高 产生冲击压力 其后的液体依次停止流动 动能依次转变为压力能 助长了冲击压力 右侧的冲击压力波以很高的速度向左侧传播 到了左侧 压力能又转变为动能 形成压力降波 动能再向右侧传播 运动部件制动所产生的液压冲击活塞以初始速度向左运动 活塞和负载具有质量 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 活塞将继续运动一小段距离后才停止 使液压缸左腔油液受到压缩 动能转变为压力能 从而引起液体压力急剧升高 产生冲击 冲击能量将被液体的弹性和摩擦所吸收 减小液压冲击的措施 延长阀门关闭时间和运动部件的制动时间 减慢液流的换向速度 削减冲击波的强度 在冲击源处设置蓄能器 增加系统的弹性 以吸收液压冲击的能量 适当加大管道直径 尽量缩短管路长度 限制管道中液体的流速和运动部件的运动速度或采用用橡胶软管 在容易出现液压冲击的地方 安装限制压力升高的安全阀 适当加大管道直径 尽量缩短管路长度 二 气穴 现象 在液压系统中 当流动液体某处的压力低于空气分离压时 原先溶解在液体中的空气就会游离出来 使液体中产生大量气泡 这种现象称为气穴现象 气穴现象使液压装置产生噪声和振动 使金属表面受到腐蚀 空气分离压 在一定温度下 当液体压力低于某值时 溶解在液体中的空气将会突然地迅速从液体中分离出来 产生大量气泡 这个压力称为液体在该温度下的空气分离压 饱和蒸气压 当液体在某一温度下其压力继续下降而低于一定数值时 液体本身便迅速汽化 产生大量蒸气 这时的压力称为液体在该温度下的饱和蒸气压 液压泵吸油管直径太小时 或吸油阻力太大 或液压泵转速过高 由于吸油腔压力低于空气分离压而产生气穴现象 气穴现象举例 气穴 通常会对液压系统造成极大的危害 一方面使金属表面疲劳 另一方面又使工作介质变质 对金属产生化学腐蚀作用 从而使液压元件表面受到侵蚀 剥落 甚至出现海绵状的小洞穴 因气穴而对金属表面产生腐蚀的现象称为气蚀 气蚀会严重损伤元件表面质量 大大缩短其使用寿命 因而必须加以防范 预防 气穴 的措施 减小阀孔口前后的压差 一般希望其压力比p1 p2 3 5 正确设计液压泵的结构参数 液压系统各元部件的连接处要密封可靠 严防空气侵入 提高零件的机械强度 采用抗腐蚀能力强的金属材料 本章小结 液压油 黏性的意义及黏度的三种表示方法 静力学基础 基本方程 绝对压力 表压力 真空度 动力学基础 液体的流动状态及判断标准 连续性方程 伯努利方程 理想液体 实际液体 压力损失 填空题 每空1分 1 液压传动的工作原理是 定律 即密封容积中的液体既可以传递 又可以传递 2 油液在外力作用下 液层间