液压课件 第二章.ppt

本章重点,1.流体静力学和动力学的基本概念、计算和实验方法；2.液体介质的性质；3.流体在流动过程中的压力损失及其计算；4.典型孔口和缝隙中的流量计算；5.空穴现象与液压冲击。,对于重要原理，在实验过程中加深认识和理解；重点放在对主要概念、主要结论的理解和应用上；,流体力学是研究流体在外力作用下平衡和运动规律的一门学科，它涉及许多方面的内容，这里主要介绍和液压传动有关的流体力学基本内容。,目录,2.1液体静力学,液体静力学主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。所谓“液体静止”指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的还是匀速、匀加速运动都没有关系。,作用在液体上的力有两种类型：,质量力和表面力。,静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力,两个重要特性：液体静压力的方向总是作用在内法线方向上；静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。,2.1.1液体的压力,2.1.2静止液体中的压力分布,静力学基本方程描述了静止液体中的压力分布情况。,在平衡状态下，有pA=p0A+FGFG=ghA所以有p=p0+gh,上式即为液体静力学的基本方程。,静止液体内任一点处的压力由两部分组成:1)一部分是液面上的压力p0;2)另一部分是g与该点离液面深度h的乘积gh;静止液体内的压力p随液体深度h呈直线分布；在重力作用下距液面深度h相同的各点组成了等压面，这个等压面是水平面。,在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到各点。,液压系统中的压力是由外界负载决定的。,2.1.3压力的表示方法及单位,压力的表示法有两种：绝对压力和相对压力。绝对压力相对压力大气压力(是以绝对真空作为基准所表示的压力)相对压力绝对压力-大气压力(是以大气压力作为基准所表示的压力)如果液体中某点处的绝对压力小于大气压,这时在这个点上的绝对压力比大气压小的部分数值称为真空度。即:,压力的单位:我国法定压力单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa，1Pa=1N/m2。工程上常用兆帕（MPa）来表示：1MPa=106Pa1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8104Pa1mH2O(米水柱)=9.8103Pa1bar(巴)=1051mmHg(毫米汞柱)=1.33102Pa1Pa102kgf/cm2,真空度大气压力绝对压力,绝对压力、相对压力和真空度的相对关系：,2.1.4静止液体中的压力传递,帕斯卡原理表明了静止液体中压力的传递规律。密闭容器中的静止液体，当外加压力发生变化时，液体内任一点的压力将发生同样大小的变化。即施加于静止液体上的压力可以等值传递到液体内各点。这就是帕斯卡原理,在图中，F是外加负载，A是活塞面积。根据帕斯卡原理，缸筒内的压力将随外加负载的变化而变化，并且各点的压力变化值相等。,缸筒内的液体压力是由外界负载决定的，这是液压传动中的一个基本概念。,按帕斯卡原理应有p1=p2，或F2A1=F1A2。,2.1.5.液体静压力对固体壁面的力,液体静压力对固体壁面的作用力FpApd2/4,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。,2.2液体动力学,液体动力学的主要内容是研究液体流动时速度和压力的变化规律。涉及到三个基本方程：流量连续性方程、伯努利方程和动量方程。前两个方程反映压力、流速与流量之间的关系，后一个方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。,2.2.1基本概念,2.2.1.1理想液体、定常流动和一维流动,既无粘性又不可压缩的假想液体称为理想液体。,当液体整个作线形流动时称为一维流动，此时要求液流截面上各点的速度矢量完全相同。,理想液体：,定常流动：,2.2.1.2流线、流管和流束,流线：,流线是流场中这样一些空间曲线，它表示同一瞬时流场中各质点的运动状态。流线上每一质点的速度矢量与流线相切。在定常流动时，流线的形状不随时间变化；在非定常流动时，流线形状是随时间变化的。显然，流线之间不能相交。,如果液体中任一点的压力、速度和密度都不随时间化，称这种流动为定常流动（也称为稳定流动或恒定流动）。反之，则为非定常流动。,一维流动：,流管：,在流场中给出一条非流线的封闭曲线，沿该封闭曲线上的每一点做流线，由这些流线组成的表面称为流管。,流束：,流管中的流线群称为流束。根据流线不会相交的性质，流管内外的流线均不会穿越流管,通流截面：,在流束中与所有流线正交的截面称为通流截面。,流量：,单位时间内流过某一通流截面的液体的体积称为流量。流量的单位是m3/s或L/min。,平均流速：,平均流速是通过整个通流截面的流量q与通流截面积A的比值。平均流速在工程中有实际应用价值。,vq/A,2.2.1.3通流截面、流量和平均流速,2.2.2连续性方程,连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种具体表现形式.,如图所示的液体在任意形状的管道中作定常流动，任取1、2个不同的通流截面。根据质量守恒定律，单位时间内流过这两个截面的液体质量是相等的，即,对整个流管：,若忽略液体的可压缩性，即1=2，则：,qvA常数,上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程,这说明：1)通过流管任一通流截面的流量相等。2)液体的流速与管道通流截面积成反比。3)在具有分歧的管路中具有q1=q2+q3的关系.。,2.2.3伯努利方程,伯努利方程就是能量守衡定律在流动液体中的表现形式。,2.2.3.1理想液体的运动微分方程,在微小液流上取一段通流面积为dA、长度为ds的微元体，如图所示。认为是理想液体作一维定常流动。此时微元体上有两种外力：,首先讨论理想液体的伯努利方程，然后对它进行修正，最后得到实际流体的伯努利方程。,（1）压力在两端截面上产生的作用力为：,（2）作用在微元上的重力：,-gdAds,依牛顿第二定律,式中，u微元体沿流线的运动速度，u=ds/dt。,简化后可得,重力场中，理想液体沿流线作定常流动时的运动方程，即欧拉运动方程:,2.2.3.2理想液体的伯努利方程,沿流线对欧拉运动方程积分得:,两边同除以g移项整理得:,上式即理想液体沿流线作定常流动时的伯努利方程或能量方程。式中左边的三项分别是单位重量液体的压力能、位能和动能。,2.2.3.3实际液体流束的伯努利方程,把理想液体的伯努利方程修正成实际液体的伯努利方程，修正过程考虑了两点：(1)液体在流动过程中的能量损失；(2)用通流截面的平均流速v取代微元体的流速u。实际液体是有粘性的，因此流动中粘性摩擦力会消耗一部分能量。同时，管道形状的变化会使液体产生扰动，也要消耗能量。这些能量最终变成热量损失掉了。考虑到这部分能量损失，应该在伯努利方程中加入修正项hw。,实际液体微小流束的伯努利方程为:,将微小流束扩大到总流，必须引入动能修正系数。于是实际液体总流的伯努利方程为:,式中hw-由液体粘性引起的能量损失,1，2-动能修正系数，一般在紊流时取1，层流时取2。,2.2.4动量方程,液体作用在固体壁面上的力，用动量定理来求解比较方便。动量定理：作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率，即,微元的动量变化是:,微小流束扩大到总流，对液体的作用力合力为:,将微小流束扩大到总流，对液体的作用力合力为:,1、2为动量修正系数，一般在紊流时1，层流时1.33。,2.3液体流动时的压力损失,液体在流动时要克服各种阻力，因此要损失一部分能量,称为压力损失。压力损失由沿程损失和局部损失两部分组成，压力损失的大小与液体的流动状态有关。在设计液压系统时要尽量减小压力损失，从而提高系统效率、减小由此带来的温升。,2.3.1液体的流动状态,英国物理学家雷诺通过大量实验，发现了液体在管路中流动时存在的两种流动状态-层流和紊流。雷诺实验表明，层流时液体质点互不干扰，液体沿管路轴线作线性或层状流动；紊流时液体质点相互干扰，运动杂乱无章，除了沿管路轴线运动以外还有剧烈的横向运动。,雷诺实验,层流发生在液体流速较低的场合，粘性力起主导作用，压力损失主要是液体的粘性摩擦损失；紊流发生在液体流速较高的场合，惯性力起主导作用，压力损失主要是液体的动能损失。,b）层流开始破坏,a）层流,c）流动趋于紊流,d）紊流,压力损失与液体的流动状态有关。层流和紊流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。液体流动时，究竟是层流还是紊流，要用雷诺数来判定,雷诺数,实验表明真正决定液流流动状态的是用管内的平均流速v、液体的运动粘度、管径d三个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数.,紊流,层流,雷诺数的物理意义：影响液体流动的力主要有惯性力和粘性力，雷诺数就是惯性力对粘性力的无因次比值。,对于非圆截面管道来说，,Re4vR/,式中R为通流截面的水力半径。它等于液流的有效截面积A和它的湿周（通流截面上与液体接触的固体壁面的周长）之比，即,RA/,2.3.2沿程压力损失,液体在等径水平直管中的层流流动取一段与管轴重合的微圆柱体作为研究对象。液体作匀速运动时该微元体处于受力平衡状态，即,2.3.2.1层流时的沿程压力损失,式中，Ff是液体内摩擦力。,整理上式可得,积分，并代入边界条件，得,式中，是沿程阻力系数。实际计算时，对金属管取=75/Re，橡胶管取=80/Re。,2.3.2.2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相同。不同的是此时的不仅与雷诺数有关，还与管壁的粗糙度有关，即=f(Re，/d）。绝对粗糙度与管径d的比值/d称为相对粗糙度。,对于光滑管，=0.3164Re-0.25；对于粗糙管，的值可以根据不同的Re和/d查表得出。,2.3.3局部压力损失,液体流经如阀口、弯管、通流截面变化等局部阻力处所引起的压力损失。,局部压力损失的计算公式：,对于液流通过各种标准液压元件的局部损失：,式中，局部阻力系数。各种局部装置结构的是由实验测定的，可查手册。,式中，pn阀在额定流量qn下的压力损失；qn阀的额定流量；q阀的实际流量,2.3.4管路系统总压力损失,管路系统中的总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失和局部压力损失之和，即,在管路系统的压力损失中，液体的流速影响最大，流速高压力损失会增大很多。但流速太低会增加管路和阀类元件的尺寸。,一般液压系统中液压泵的压力,2.4孔口和缝隙流动,在液压系统中，孔口和缝隙流动是最常见的。研究液体在孔口和缝隙中的流动规律，了解影响它们的因素，对液压系统的分析和设计都很有意义。,2.4.1孔口流量,孔口的长径比l/d0.5时称为薄壁孔,2.4.1.1薄壁孔流量,式中，h1=h2，v1v2，2=1，,p孔口前后压差，p=p1-p2,式中，A2收缩断面面积，由实验测定；Cc收缩系数，Cc=A2/AT；AT孔口过流断面面积，AT=d2/4；Cq流量系数，Cq=CvCc。Cc、Cv和Cq的数值可由实验确定。,2.4.1.2短孔、细长孔口流量,孔口的长径比0.5l/d4时为短孔。短孔的流量公式仍为,只是流量系数Cq应从图中查出。当dRe/l10000时，Cq=0.82。短孔的工艺性好，在固定节流器中常用,孔口的长径比l/d4时为细长孔。细长孔中多为层流，流量公式可用前面推出的圆管流量公式，即,细长孔的流量总是与液体粘度有关的。,2.4.2缝隙流动,液压元件（特别是有相对运动的各部件）之间都存在缝隙（或称为间隙）。流过缝隙的油液流量就是泄漏量。了解影响泄漏量的因素是十分必要的,2.4.2.1平行平板的间隙流动,平板缝隙间的液体流动情况如图所示。设缝隙的长、宽、高分别为l、b、h，一般有bh和lh。液体在压差p=p1-p2和上平板运动的作用下流动。取其中的平行六面微元体做受力分析，显然有,整理得,对y积分两次,以及上平板可能有相反方向的运动，则有,由此得液体在平行平板缝隙中的流量为:,压差流动:,剪切流动:,同心圆环缝隙的结构和液体流动情况如图所示。如果将圆环缝隙沿圆周方向展开，就相当于一个平行平板缝隙。,(1)同心圆环缝隙流量,(2)流过偏心圆环缝隙流量,式中，h内外圆同心时的缝隙值；相对偏心率，=e/h，e为偏心距。,由此可见，当=0时，它就是同心圆环缝隙的流量公式；当=1时，偏心圆环缝隙的流量比同心圆环缝隙流量大了许多。可见，较高的同心度可以减小泄漏量。,2.4.2.3圆环平面缝隙流量,圆环与平面缝隙之间没有相对运动。,2.4.2.2同心圆环缝隙流量,在液压缸的活塞和缸筒之间，在液压阀的阀心和阀套之间都存在圆环缝隙，下面分两种情况讨论。,流量公式:,2.5空穴现象和液压冲击,在液压系统中，空穴现象和液压冲击给系统带来诸多不利影响，因此需要了解这些现象产生的原因，并采取措施加以防治。,2.7.1空穴现象,流动的液体，如果压力低于其空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，从而导致液体中充满大量的气泡，这种现象称为空穴现象,如果液体的压力进一步降低，低到饱和蒸气压时，液体本身将汽化，产生更多的蒸气泡，空穴现象将更加严重。,空穴多发生在阀口和液压泵的入口处。因为阀口处液体的流速增大，压力将降低。如果液压泵吸油管太细，也会造成真空度过大，发生空穴现象。,空穴现象会引起流量的不连续和压力波动，空气中的游离氧对液压元件有很大的腐蚀（气蚀）作用。,为减少空穴现象带来的危害，通常采取下列措施：,(1)减小孔口或缝隙前后的压力降。一般希望相应的压力比p1/p23.5；,(2)降低液压泵的吸油高度，适当加大吸油管直径。对于自吸能力差的液压泵要安装辅助泵供油；,(3)管路要有良好的密封，防止空气进入。,2.7.2液压冲击,在液压系统中，由于某种原因使液体压力突然产生很高的峰值，这种现象称为液压冲击,2.7.2.1液压冲击的危害,发生液压冲击时，由于瞬间的压力峰值比正常的工作压力大好几倍，因此对密封元件、管道和液压元件都有损坏作用，还会引起设备振动，产生很大