液压传动与控制第2章-1.ppt

第2章液压流体力学基础,2.1.1工作介质的分类,2.1液压系统的工作介质,工作介质,石油型（可燃）乳化型（抗燃）合成型（抗燃）,普通液压油液压导轨油抗磨液压油低温液压油高黏度指数液压油机械油汽轮机油其他专用液压油,水包油乳化液油包水乳化液水乙二醇液,磷酸酯液其他,1.分类,2.1.1工作介质的分类,2.航空液压油,植物基液压油蓖麻油+酒精，蓝色，易燃矿物基液压油石油中提炼出来的，红色，可燃磷酸酯基液压油由多种磷酸酯和添加剂合成的，紫色，难燃,2.1.1工作介质的分类,表2.1.1航空液压油及特性,2.1.1工作介质的分类,液压油,1.密度(Kg/m3),（2-1）,2.1.2工作介质的主要物理性质,式中：m液体的质量；V液体的体积。一般认为液压油的密度为900kg/m3。,2.液体的可压缩性1）液体的可压缩性定义：液体所受压力增加时体积变小的性质。定义为单位压力变化时液体体积的相对变化量。液体的体积压缩系数k:,2.1.2工作介质的主要物理性质,式中：P压力的变化值；V0液体的初始体积；V受P作用后的体积变化值。,k的倒数称为液体的体积弹性模量，用K表示:,（2-2）,压力变化不大时，液体体积变化很小，因此在讨论系统的静态特性时，通常不考虑油的可压缩性，而在研究液压系统的动态特性时，油的可压缩性则为重要因素。,2.1.2工作介质的主要物理性质,2.1.2工作介质的主要物理性质,2）液压弹簧的刚度系数,（2-3）,（2-4）,Kh为液压弹簧的刚度系数,图2.1.1“液压弹簧”刚度计算简图,代入式（2-2）,得，,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。,2.1.2工作介质的主要物理性质,视频2.1.2液体黏性示意图,3.黏性,式中：是衡量液体黏性的比例系数，称为黏度。,图2.1.2液体黏性示意图,2.1.2工作介质的主要物理性质,（2-6）,（2-5）,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：,2.1.2工作介质的主要物理性质,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）,（2-7）,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。,由式（2-6）,单位：(Pas)（帕秒），或者Ns/m2。,（2）运动黏度定义：液体的动力黏度与其密度的比值被称为液体的运动黏度。,（2-8）,2.1.2工作介质的主要物理性质,单位：m2/s，（米2/秒）。,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。,2.1.2工作介质的主要物理性质,（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。,恩氏黏度计,2.1.2工作介质的主要物理性质,恩氏黏度是在某一特定温度下，将200cm3被测油液在自重作用下流经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，即恩氏黏度为,（2-9）,视频恩氏黏度计,2.1.2工作介质的主要物理性质,4）黏度与温度的关系液体黏度随着温度的升高而降低（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。,3）黏度与压力的关系压力增加时，液体分子间距离缩小，内聚力增大，黏度增大。黏度随压力升高而变大（黏压特性）。一般情况下，压力对黏度的影响较小，可不加考虑。当压力变化超过20MPa时需考虑压力对黏度的影响。,2.1.2工作介质的主要物理性质,2.1.2工作介质的主要物理性质,5）黏度对液压系统的影响黏度过高或过低都会影响油液的润滑性。黏度的高低对系统的功率损失也有重大影响。,图2.1.3油液黏度与系统功率损失的对应关系,2.1.2工作介质的主要物理性质,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。航空液压油必须有良好的防火性能，主要是具有高的闪点。,2.1.2工作介质的主要物理性质,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。,2.1.3液压系统防护及油液污染与检测,液压系统的防护不同规格的液压油绝不能混用保持油液必要的清洁度防止系统进人空气对其他系统和飞机结构的防护对维护人员的防护,2.1.3液压系统防护及油液污染与检测,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,2.2.1液体静压力及其性质1.静压力静止液体内部质点与质点之间无相对运动的液体。作用在静止液体上的力一种是质量力，作用于液体的所有质点上，如重力和惯性力等；另一种是表面力，作用于液体的表面上，有法向力和切向力，静止液体的表面力只有法向力。静压力静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。,2.2液压静力学,2.2.1液体静压力及其性质,式中：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,液体静压力具有下列两个重要性质：静压力垂直于其承压面，其方向和该面的内法线方向一致静止液体内任一点所受到的静压力在各个方向上都相等。,若法向作用力F均匀地作用在面积A上，则压力可表示为,（2-10）,法向力总是向着液体表面的内法线方向作用的。液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中称为压力。,由于液柱受力平衡，故：,2.在重力作用下静止液体中的压力分布在重力作用下的静止液体所受的力，其受力情况如图2.2.1所示。,图2.2.1重力作用下的静止液体,将上式两边同除以A，则得流体静力学基本方程式：,（2-11）,2.2.1液体静压力及其性质,2.2.1液体静压力及其性质,重力作用下静止液体压力分布特征：压力由两部分组成：液面压力p0，自重形成的压力gh。静止液体内的压力随液体深度呈线性规律递增。同一液体中，离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所有点组成等压面，重力作用下静止液体的等压面为水平面。,例1、如图所示，容器内充满油液。已知：油的密度=900Kg/m，活塞上的作用力F1000N，活塞面积A=110-3m2，忽略活塞的质量。问：活塞下方深度为h=0.5m处的静压力等于多少？,液体内压力计算图,2.2.1液体静压力及其性质,解：p0=F/A=1000/110-3=106N/m2p=p0+gh=(106+9009.80.5)N/m2=1.0044106Pa1MPa,应用实例如下：,帕斯卡原理应用实例,2.2.1液体静压力及其性质,3.静止液体内压力的传递帕斯卡原理在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体中各点。,绝对压力以绝对真空为基准来进行度量的压力叫做绝对压力。相对压力（表压力）以大气压为基准来进行度量的压力叫做相对压力（用压力表测得的压力数值是相对压力）。,2.2.2压力的表示方法及单位,绝对压力、相对压力和真空度,绝对压力=大气压力+相对压力,真空度绝对压力不足于大气压力的那部分压力值。,真空度=大气压力-绝对压力,2.2.2压力的表示方法及单位,1Pa（帕）1N/m21bar（巴）1105Pa1105N/m21at（工程大气压）1kgf/cm2=9.8104N/m21mH2O（米水柱）9.8103N/m21mmHg(毫米汞柱)1.33102N/m21psi6.895kPa0.07kgf/cm20.069bar,压力的单位以及各种表示法之间的换算关系如下：,2.3液压动力学,2.3.1基本概念1.理想液体、一维流动及恒定流动理想液体是指没有黏性、不可压缩的假想液体。一维流动是指流动参量是一个坐标的函数的流动。恒定流动是指液体运动参数不随时间变化，仅是空间坐标的函数的流动。,恒定流动非恒定流动,2.3.1基本概念,2.迹线、流线、流管、流束与通流截面迹线是指液体质点在空间的运动轨迹。流线是指某一瞬时，在流动液体流场内作的一条空间几何曲线。,流线,2.3.1基本概念,流管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。流束流管内的流线群称为流束。通流截面指垂直于流束的横截面。,流管,2.3.1基本概念,3.流量与平均流速流量是指单位时间内流过某通流截面的液体体积。对微小流束，通过其通流截面的流量为,2.3.1基本概念,整个通流截面A上的流量为,式中，u微小流束通流截面上的流速。,（2-12）,2.3.1基本概念,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，恰好等于以实际上不均匀的流速所通过的流量，,故平均流速为,（2-13）,（2-14）,描述流动液体力学规律的三个基本方程式是流动液体的连续性方程、伯努利方程、动量方程。,图2.3.1连续性方程示意图,根据质量守恒定律可得：,2.3.2连续性方程（质量守恒定律）,1,不考虑液体的压缩性，即=常数：对上式积分，得经过截面A1、A2流入、流出整个流管的流量即，式中，q1、q2流经通流截面A1、A2的流量；v1、v2流体在通流截面A1、A2上的平均速度。,（2-15）,2.3.2连续性方程（质量守恒定律）,2.3.2连续性方程（质量守恒定律）,由于两通流截面是任意取的，故有,（2-16）,式（2-16）称为液体的流量连续性方程。它说明：在不可压缩的恒定流动的液体中，不管平均流速和通流截面沿着流程怎样变化，流过不同截面的流量不变。,图2.3.2伯努利方程示意图,1.理想液体的伯努利方程,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,表面力所作的功,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,重力所作的功,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,动能的变化,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,根据动能定律，外力对液体所做的功等于该液体动能的变化量，得,以液体的重量gdqdt除上式并整理得到微小流束的伯努利方程,（2-18）,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,因为a、b断面是任意选取的，所以式（2-18）可写成,式中，p/g为单位重量液体的压力能，称为比压能；u2/2g为单位重量液体的动能，称为比动能；h为单位重量液体的位能，称为比位能。,结论：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。,2.实际液体的伯努利方程,式中：hw单位重量液体微小流束的能量损失。,（2-19）,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,实际液体微小流束的伯努利方程为,实际液体总流的伯努利方程为,（2-20）,式中：hw能量损失；1、2动能修正系数，紊流时=1，层流时=2，实际计算常取=1.0。,例2、计算液压泵吸油口处的真空度。液压泵装置如图所示，设液压泵吸油口处的绝对压力为p2，油箱液面压力p1，泵吸油口至油箱液面高度为h，从1-1液面到2-2截面的能量损失为hw，2-2处液体的速度为v2。,液压泵从油箱吸油示意图,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,解：取油箱液面1-1和泵吸油口截面2-2为通流截面，取1-1截面为基准水平面。取动能系数1=2=1，根据伯努利方程，得,油箱与大气相通，故p1=pa；v1为油箱液面下降的速度，由于v1v2，故v1可忽略不计。,2.3.3伯努利方程（能量守恒定律）,上式可简化成泵吸油口真空度为,由