液压与气动技术第3版 教学课件作者 赵波 第二章 流体力学基础

1、第二章 液压流体力学基础2.1 流体传动的工作介质2.2 液体静力学2.3 液体动力学 2.4 管路内液流的压力损失 2.5 孔口和缝隙的流量 2.6 气穴现象和液压冲击 第2章 液压传动基础一、液压油液的主要性质液压油的密度液压油的粘性液体的可压缩性其他 单位体积液压油的质量称为该种液压油的密度，以表示，即 密度是液压油的个重要物理参数，随着液压油温度和压力变化，其密度也会发生变化，但这种变化量很小，可以忽略不计。般液压油的密度为900/m3。 1.液压油的密度2.粘性 （1）粘性的物理意义 液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩檫力，它使液

2、体各层间的运动速度不等，这种现象叫做液体的粘性。 静止液体不呈现粘性。粘性物理表现 附着力 液体与固体表面 内聚力 液体分子与分子之间粘性示意图下板固定上板以u0运动附着力 A点：u = 0 B点：u = u0内摩擦力 两板之间液流速度 逐渐减小BAAB内摩擦力：式中：粘性系数(粘度) A 液层接触面积 du /dy速度梯度 牛顿内摩擦定律两液层的速度差两液层间的距离切应力:（2）粘度三种表示方法：2) 运动粘度 单位：2 （帕秒）单位：m2/s (此单位太大)1) 动力粘度=106 mm2/s机械油的牌号 用40时运动粘度的平均值来标志的。例：20号机械油 =1723 mm2/s （ cSt

3、，厘斯） 换算关系： 1 m2/s = 104 St = 106 cSt (=106 mm2/s) 斯 (cm2/s) 厘斯 (mm2/s) 3)相对粘度(恩氏粘度)式中：t1 tOC油流出的时间 t220OC蒸馏水流出时间恩氏粘度与运动粘度的换算关系 通常以20、40、100OC作为标准测定温度，记为：200ml=2. 8mm恩氏粘度计（3） 粘度与温度的关系 T 粘温特性 粘度的影响： 大，阻力大，能耗 小，油变稀，泄漏 限制油温：T，加冷却器 T，加热器粘温图（4）压力对粘度的影响 p 实际应用时忽略不计。 液压油的体积将随压力的增高而减小。 体积压缩系数 即单位压力变化下的体积相对变化

4、量体积变化初始体积压力变化3.液体的可压缩性体积弹性模量K (体积压缩系数的倒数) V一定，在同样p下， K 越大, V 越小 说明：K 越大，液体的抵抗压缩的能力越强 矿物油 K = (1.42.0)10 9 N/m 2 钢 K = 2.06 10 11 N/m 2 k油 = 100150 k钢 在中、低压系统中，不考虑液体的可压缩性。4.其他性质润滑性质防锈性闪点、凝点抗燃性、抗凝性、抗泡沫性稳定性 (热、氧化、水解、剪切）相容性（金属、密封、涂料） 通过添加剂控制二 液压油的使用1.液压油液的种类石油型难燃型机械油汽轮机油液压油水-乙二醇液磷酸酯液水包油油包水乳化液合成型2.对液压油的要

5、求1.合适的粘度，粘温性好2.润滑性能好3.杂质少4.相容性好5.稳定性好6.抗泡性好、防锈性好7.凝点低,闪点、燃点高8.无公害、成本低三、 液压油液的选择1.首先选择种类2.然后考虑粘性 =11.5 41.3 cSt 即 20、30、40号机械油 1）按工作压力 p 高，选大； p 低，选小 2）按环境温度 T 高，选大； T 低，选小 3）按运动速度 v 高，选小； v 低，选大3.其他 环境 （污染、抗燃）、经济（价格、使用寿命） 特殊要求（精密机床、野外工作的工程机械）四、液压油的使用（1）控制油温（2）防止污染（3）定期抽检、定期更换（4）油箱储油充分（5）确保密封五、液压油的污染

6、与控制（1）工作介质污染的原因（2）工作介质被污染的危害（3）污染控制的常用措施第二节 液体静力学基础一、 液体的压力及其性质 二、 液体静力学基本方程及其物理意义三、 压力的传递四、绝对压力、相对压力和真空度 五、 液体作用在固体壁面上的力一、 液体的压力及其性质1液体的压力液体单位面积上所受的法向力称为压力。（在物理中称为压强）压力通常以p表示。 p F/A压力的法定计量单位为Pa（帕，Nm2）工程上常用 MPa（兆帕），bar(巴)欧州油压协会换算关系：1MPa106Pa， bar 105Pa.一、 液体的压力及其性质2液体静压力的性质（1）液体的压力沿着内法线方向作用于承压面，即静止液

7、体只承受法向压力；（2）静止液体内，任意点处所受到的静压力各个方向都相等。二 液体静力学基本方程及其物理意义 p=po+gh三、 压力的传递四、 绝对压力、相对压力和真空度 五、 液体作用在固体壁面上的力第三节液体动力学 主要是研究液体流动时流速和压力的变化规律。 一.基本概念 二.流量连续性方程 三.伯努利方程 四.动量方程一、液体动力学基本概念1.理想液体：假设的既无粘性又不可压缩的流体。 2.恒定流动：液体流动时，液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动，亦称为定常流动或非时变流动，如图 b) 所示。3.通流截面：垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。一、液体动力学基本概念

8、 4.流量：单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以V 表示，单位为 m3/ s 或 L/min。 5.平均流速：实际流体流动时，假设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为v =V /A 。6雷诺数实验雷诺实验装置6雷诺数实验 图a) 阀门5开度小，玻璃管4中液体为层流态； 图b) 阀门5开度小，玻璃管4中液体为层流-稳流过渡态； 图c) 阀门5开度小，玻璃管4中液体为稳流态。通过实验发现液体在管道中流动时存在两种流动状态：层流粘性力起主导作用紊流惯性力起主导作用6雷诺数实验液体的流动状态用雷诺数来判断雷诺数：Re = v d / v 为管内的平均流速，d 为管道内径，为液体的运动粘度，

9、雷诺数无量纲。6雷诺数实验如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦相同。一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体流态的依据，称为临界雷诺数 Rec 。 当ReRec，流态为层流；当ReRec，流态为紊流。常见液流管道的临界雷诺数见书中表格。二、连续性方程 流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表现。 如图液体在管内作恒定流动，任取1、2两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，即： 1v1 A1 = 2v2 A2 不考虑液体压缩性则得： qv =vA = 常量二、连续性方程连续性方程的意义： 流量连续性方程说明了恒定流动中流过各截面的不可压缩流体的流量是不变

10、的，因而流速与通流截面的面积成反比。三、伯努利方程 理想流体的伯努利方程 p1+gh 1+v12/2 = p2+gh2+v22/2如图液体在管内作恒定流动，任取两个截面1、2，有： 伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表达方式。三、伯努利方程实际流体的伯努利方程 p1+gh1+1v12/2=p2+gh2+2v22/2+pw pw为单位质量液体在两截面之间流动的能量损失。 为用平均流速替代实际流速时的动能修正系数。三、伯努利方程 从伯努利方程可以看出，在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能和动能三种形式的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。四、动量方程 动量方程是动量定理在流

11、体力学中的具体应用，用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。F =（m u）/t = /t = qv（u2 - u1） 四、动量方程由式可见，作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体的动量之差。式中，F、u是矢量；流动液体作用在固体壁面上的力是作用在液体上的力的反力。例题：求如图所示的液流通过滑阀时，对阀芯的轴向作用力的大小。解： F =qv（v2cos2-v1cos1） F =-F =qvv1cos 液流有一个力图使阀口关闭的力，即液动力。第四节 压力损失 由于流动液体具有粘性，以及流动时突然转弯或通过阀口会产生撞击和旋涡，因此液体流动时必

12、然会产生阻力。为了克服阻力，流动液体会损耗一部分能量，这种能量损失可用液体的压力损失来表示。压力损失即是伯努利方程中的pw项。第四节 压力损失 压力损失由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成，即 压力损失：沿程压力损失局部压力损失 液流在管道中流动时的压力损失和液流运动状态有关。一、沿程压力损失 液体在等直径管中流动时因摩擦而产生的损失，称为沿程压力损失。因液体的流动状态不同沿程压力损失的计算有所区别。层流时的沿程压力损失 ：p=（64/Re)(l/d)v2/2 =（l/d）v2/2 为沿程阻力系数，对金属管取=75/Re。一、沿程压力损失紊流时的沿程压力损失 ： p=（l/d）v2/2 除了

13、与雷诺数有关外，还与管道的粗糙度有关。 =f（Re，/d）， 为管壁的绝对粗糙度， /d 为相对粗糙度。二、局部压力损失 液体流经管道的弯头、接头、阀口等处时，液体流速的大小和方向发生变化，会产生漩涡并发生紊动现象，由此造成的压力损失称为局部压力损失。 p=v2/2 为局部阻力系数，具体数值可查有关手册。三、管路系统中的总压力损失 液流流过各种阀的局部压力损失可由阀在额定压力下的压力损失pnv来换算： pn =pnv（qv/qvn）2 * 整个液压系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有的局部压力损失之和。 p =p+p+pn第五节孔口和缝隙流量 在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流

14、量及方向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们对液流形成阻力，使其产生压力降。一、小孔流量 1.薄壁小孔 当长径比 l/d 0.5 时称为薄壁小孔。 当液流经过管道由小孔流出时，由于液体惯性作用，使通过小孔后的液流形成一个收缩断面，然后再扩散，这一收缩和扩散过程产生很大的能量损失。 如图对孔前、孔后通道断面11、22列伯努利方程。 经整理得到流经薄壁小孔流量 qv = CdAo（2p /）1/2 A0小孔截面积， Cd流量系数，Cd=CvCc Cv速度系数， Cc截面收缩系数。 流量系数Cd的大小一般由实验确定，计算时按Cd=0.600.61 选取。一、小孔流量2.短孔和细长孔 当长径比 l

15、 /d 4 时，称为短孔。流经短孔的流量: qv = CdA0(2p/)1/2雷诺数较大时，Cd基本稳定在 左右。当长径比 l /d 4 时，称为细长孔。流经细长孔的流量: qv =（d 4/128l）p * 总结式: qv= n一、小孔流量二、缝隙流动 1.平板缝隙 如图两平行平板缝隙间充满液体时，压差作用会使液体产生流动，即压差流动；两平板相对运动也会使液体产生流动，即剪切流动。二、缝隙流动通过平板缝隙的流量 qV = bh3p/12l u0bh/2 在压差作用下，流量qV与缝隙值h 的三次方成正比，这说明液压元件内缝隙的大小对泄漏量的影响非常大。2.环形缝隙 相对运动的圆柱体与孔之间的间

16、隙为圆柱环形间隙。根据两者是否同心又分为同心圆柱环形间隙和偏心环形间隙。通过其间的流量也包括压差流动流量和剪切流动流量。 如图设圆柱体直径为d，缝隙值为h，缝隙长度为 l 。2.环形缝隙 由缝隙流量公式，通过同心圆柱环形缝隙的流量公式： qv=（d h3/12l ）pdhu0/2 当圆柱体移动方向和压差方向相同时取正号，方向相反时取负号。偏心环形缝隙 设内外圆的偏心量为 e，流经偏心圆柱环形缝隙的流量公式： qv=（d ho3/12l ）p（1 +2）式中 ho为内外圆同心时半径方向的缝隙值 为相对偏心率，e /ho偏心环形缝隙 当偏心量e=ho，即1 时为最大偏心状态，其通过的流量是同心环形

17、间隙流量的 2.5 倍。 所以在液压元件中应尽量使配合零件同心。第六节 液压冲击和气穴气蚀 一、液压冲击 因某些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。 液压冲击的类型有管道阀门突然关闭时的液压冲击和运动部件制动时产生的液压冲击。 瞬间压力冲击不仅引起振动和噪声，而且会损坏密封装置、管道、元件，造成设备事故。 减少液压冲击的措施：1.延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。2.限制管道流速及运动部件的速度。3.适当增大管径，以减小冲击波的传播速度。4.尽量缩短管道长度，减小压力波的传播时间。5.用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量。气穴现象 二、气穴现象: 液压系统中，某点压力低于液压油液所在温度下的空气分离压时，原先溶于液体中的空气会分离出来，使液体产生大量的气泡，这种现象称为气穴现象。 当压力进一步减小低于液体的饱和蒸汽压时，液体将迅速汽化，产生大量蒸汽气泡使气穴现象更加严重。气穴现象多发生在阀口和泵的吸油口。 1.气穴现象的危