02-流体力学基础培训课件

液压与气压传动

（PPT课件）主编：盛小明，刘忠，张洪副主编：秦永法，胡增容，张兴国编委：孙明，刘鑫培，孙波，胡万强2.1液压与气压传动的工作介质2.2流体静力学2.3气体状态方程2.4流体动力学2.5液体流动时的压力损失2.6孔口及缝隙的压力流量特性2.7液压冲击和气蚀现象液压流体力学是研究液体平衡和运动的力学规律的一门学科。液体静力学

研究液体在静止状态下的力学规律及其应用液体动力学

研究液体流动时流速和压力的变化规律管道中液流的特性

用于计算液体在管路中流动时的压力损失孔口及缝隙的压力流量特性

分析节流调速回路性能和计算元件泄漏量的理论依据液压冲击和气穴现象1、液体静压力及其特性

2、帕斯卡原理

3、压力表示方法及单位

4、液体运动的基本概念

5、连续性方程

6、伯努利方程

7、动量方程

8、层流、流态、雷诺数9、沿程压力损失

10、局部压力损失

11、孔口液流特性

12、平行平板的间隙流动

13、同心环形间隙在压差作用下的流动

14、流经平行圆盘间隙径向流动的流量

15、减小液压冲击的措施难点、重点液压与气动是用流体作为工作介质来传递能量的。在系统中，工作介质用来传递动力和信号，液压传动系统中液压油还起到润滑、冷却和防锈等作用。液压与气压传动系统，特别是液压传动系统能否可靠、有效地工作，在很大程度上取决于系统中所使用的工作介质。因此，必须对工作介质有清晰的了解。2.1液压与气压传动的工作介质2.1.1油液基本性质与种类(1)液压油的种类和代号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最常用的液压油名称及代号是：基础油（HH）普通液压油（HL）抗磨液压油（HM）低温液压油（HV）密度：单位体积液体的质量称为液体的密度。体积：V

质量：m

密度：ρ重度:单位体积的液体重力称为该液体的重度。重力：W

重度：γ一般矿物油系液压油在20℃时密度约为850～900kg/m3左右(2)液压油的密度及重度定义:液体受压力作用而发生体积变化的性质称为液体的可压缩性，用体积压缩系数β表示(3)液压油的可压缩性体积变化:初始体积:压力变化：体积弹性模量(体积压缩系数的倒数)说明：

越大，液体的抗压能力越强，在静态下工作时，不考虑液体的可压缩性。

(4)液压油的粘性（动画演示）粘性：液体在外力作用流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。

静止液体是不呈现粘性的。粘度:液体的粘性大小可用粘度来表示粘度的表示方法:动力粘度μ

运动粘度ν

相对粘度°E

内摩擦力：式中：η—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:单位：Pa.S（帕.秒）动力粘度动力粘度物理意义:液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力动力粘度单位

国际单位：Pa.S（帕.秒）或牛顿.秒/米2（N.S/m2）以前沿用单位（CGS制）：泊（P）或厘泊（CP）达因.秒/厘米2dyn.S/cm2

换算关系：1Pa.S=10P=103CP运动粘度运动粘度单位

国际单位SI制：m2/S国际通用单位制式CGS制：St（斯）（cm2/S）

cSt（厘斯）（mm2/S）换算关系：

1m2/s=104St

(cm2/s)斯

=106cSt(mm2/s)厘斯机械油的牌号我国液压油的牌号就是用它在温度为40℃时的运动粘度平均值来表示的。200mlφ=2.8mm恩氏粘度计相对粘度又称条件粘度，按一定的测量条件制定可分为:恩氏度0E(中国、德国、前苏联等用);赛氏秒SSU(美国用);雷氏秒R(英国用);巴氏度0B(法国用)式中：t1–油流出的时间

t2－20OC蒸馏水流出时间以20、50、100OC为标准测定温度,记为：恩氏粘度与运动粘度的换算关系：影响粘度的因素

液体的粘度随液体的压力和温度而变温度升高粘度下降,称为液体的粘－－温特性．粘度随温度变化特性，可以用粘度－温度曲线表示。

其它性质

物理性质：比热容、导热系数、流动点、凝固点、闪点、燃点、润滑性化学性质：热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、相容性、毒性

选择液压油时，首先考虑其粘度是否满足要求，同时兼顾其它,选择时应考虑如下因素：（1）液压泵的类型（2）液压系统的工作压力（3）运动速度（4）环境温度（5）防污染的要求（6）综合经济性

液压油使用，考虑：（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

液压油是否清洁，会直接关系到液压系统是否能正常工作和液压元件的使用寿命。液压系统的许多故障都是由液压油受到污染导致的。因此，要严格控制液压油的污染。液压油污染的原因：原始残留物的污染

外界侵入物的污染

系统产生污染物的污染。

液压油的污染控制：尽量减少外来污染

选用合适的过滤器

定期检查、过滤或更换液压油2.1.2液压油的污染与控制空气密度:

单位体积空气的质量及重量，分别称为空气的密度（kg/m3）及重度（N/m3）.2.1.3气动系统工作介质与基本性质热力学温度为T=273.16K，绝对压力为p=1.013×105Pa空气的密度为1.293kg/m3左右空气密度与温度压力关系：ρ0：在热力学温度T=273.16K，绝对压力为

p=1.013×105Pa时空气的密度；

t:摄氏温度(oC)；p:绝对压力（MPa）。气体受压力的作用而使体积发生变化的性质称为气体的可压缩性。气体受温度的影响而使体积发生变化的性质称为气体的膨胀性。空气的可压缩性及膨胀性大，造成了气压传动的软特性，即气缸活塞的运动速度受负载变化影响很大，因此，很难得到稳定的速度和精确的位移。这些都是气压传动的缺点。但同时又可利用这种软特性来适应某些生产要求。空气的粘性是由于分子间的内聚力，在分子间相对运动时产生的内摩擦力而表现出的性质，并随温度升高而约有增加。由于气体分子间距离大，内聚力小，因此与液体相比，气体的粘度要小得多，可以忽略不计。空气的湿度：在一定的温度和压力下，空气中水蒸气的含量达到最大值即饱和状态，称为饱和湿空气。当空气中所含的水蒸气未达到饱和状态时，称此时的水蒸气是过热状态，这种湿空气称为未饱和湿空气。湿空气中所含水蒸气的程度用湿度和含湿量来表示：:

绝对湿度、相对湿度、含湿量、露点

返回AnyQuestion?2.2流体静力学2.2.1液体静压力及其特性液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中习惯称为压力。作用在液体上的力有质量力和表面力。质量力：单位质量的液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于加速度。表面力：与液体相接触的其它物体作用在液体上的力，这是外力；也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力。有一垂直小液柱，如图所示：

2.2.1液体静压力基本方程在平衡状态下:FG：

液柱重力

(g为重力加速度)上式即为液体静压力的基本方程，可知:静止液体内任一点处的压力由两部分组成，一部分是液面上的压力p0，另一部分是ρg与该点离液面深度h的乘积。同一容器中同一液体内的静压力随液体深度h的增加而线性地增加。连通器内同一液体中深度h相同的各点压力都相等。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。。压力表示法：绝对压力：是以绝对真空为基准所表示的压力；相对压力：是以大气压力为基准所表示的压力。

绝对压力＝相对压力＋大气压力大多数测压仪表都受大气压的作用，所以，仪表指示的压力（表压）都是相对压力。液压系统中所测压力均为相对压力即表压压力的单位：帕斯卡pa1mH2O(米水柱)=9.8×103pa

1mmHg(毫米汞柱)=1.33×102Pa

1bar(巴)=105Pa≈1.02kgf/cm2=0.1MPa

液体自重所产生的压力在液压传动系统中可以忽略不计，可以近似地认为在整个液体内部的压力是相等的。

静压力对固体壁面的作用力

若承压面为一平面，作用力F为压力ｐ与该面面积A的乘积，其作用方向垂直指向该面；

若承压面为一曲面，因压力处处相等且垂直于承压面，故作用于曲面上各点的压力不平行，此时只需求出此曲面上作用力在某指定方向上的分力，其大小等于该曲面在指定方向上投影面积与流体压力的乘积。返回AnyQuestion?气体的平衡规律与液体相同，静力学基本方程适用于气体。由于气体的密度很小，因此式中项很小，忽略不计。但是当高度差比较大（例如大于几百米）或气压较大（如在大于几十兆帕时）就不能忽略。

2.3气体状态方程2.3.1理想气体状态方程没有粘性的假想气体称为理想气体，其状态方程：

p：气体绝对压力V：气体体积T：气体热力学温度ρ:气体密度g:重力加速度R:气体常数。

热力学第一定律就是能量守恒定律在热力学中的表现形式。在气体的状态发生变化时，热能作为一种能量形式可以与其它形式的能量相互转化。热力学第一定律指出：在任一过程中，系统所吸收的热量，在数值上等于该过程中系统内能的增量与对外界作功的总和。2.3.2热力学第一定律

1.等容状态过程

某一质量的气体，在容积保持不变时，从某一状态变化到另一状态的过程，称为等容状态过程。理想气体等容过程遵循下述方程：

p1、p2：起始状态和终止状态下气体绝对压力；

T1、T2：起始状态和终止状态下气体热力学温度。2.3.2气体状态变化过程2.等压状态过程

在气体的压力保持不变的情况下，气体的状态变化过程。理想气体等压过程遵循下述方程：

V1、V2：分别为起始状态和终止状态下的单位质量体积。在等压过程中，气体的热力学能发生变化，气体温度升高，体积膨胀，对外作功

3.等温状态过程等温状态过程是指在气体的温度保持不变的情况下，气体的状态变化过程。理想气体等温过程遵循下述方程：在等温过程中，气体的热力学能不发生变化，加入气体的热量全部变作膨胀功。例如气缸中气体状态变化过程可视为等温过程。

4.绝热状态过程绝热状态过程是气体在状态变化时不与外界发生热交换，理想气体绝热过程遵循下述方程：K:绝热指数，对空气K=1.4，对饱和蒸气K=1.3;在绝热过程中气体靠消耗自身热能对外作功，其压力、温度和体积这三个参数均为变量。空气压缩机气缸活塞压缩速度极快，气缸内被压缩的气体来不及与外界交换热量，因此可看作是绝热过程。5.多变状态过程在没有任何制约条件下，一定质量气体所进行的状态变化过程称为多变过程。严格讲，气体状态变化过程大多属于多变过程，等容、等压、等温和绝热都是多变过程的特例。理想气体的多变状态过程遵循下述方程：n:多变指数，对于空气1<n<1.4。需要注意的是,在等压、等温和绝热过程中，状态变化均是可逆的，因而它们的压缩功与膨胀功的值是相等的。返回AnyQuestion?

流动液体的连续性方程、伯努利方程、动量方程是描述流动液体力学规律的三个基本方程式。前两个反映了液体的压力、流速与流量之间的关系，动量方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。2.4液体动力学2.4.1液体运动的基本概念理想液体:既无粘性又不可压缩的液体。稳定流动:液体流动时，若液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，则这种流动就称为定常流动。否则，只要压力、速度和密度有一个量随时间变化，则这种流动就称为非定常流动。在液压传动系统中，液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面即为通流截面。单位时间内流过某一通流截面积的液体体积称为流量。流量用Q来表示，单位为m3/s，工程上常用L/min表示。实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。在液压技术中，常常采用平均流速来简化分析计算：层流：液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线；

紊流：液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动以外，还存在着剧烈的横向运动。实验证明：液体在圆管中的流动状态与管内的平均流速

有关，和管道内径

、液体的运动粘度

有关。液流状态的雷诺数为无量纲数，即对通流截面相同的管道来说，若液流的雷诺数相同，流动状态就相同。圆截面：非圆截面：：通流截面的水力半径：通流截面的面积；：湿周长度，即通流截面上与液体相接触的管壁周长。

在液压传动中，液体总是充满流道的，所以液流的有效通流截面就是管道的截面。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。临界雷诺数：液流管道的临界雷诺数可由实验求得。当液流实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流，反之液流则为紊流。

管道型状临界雷诺数

管道型状临界雷诺数

光滑的金属圆管2320有环槽的同心环状缝隙700橡胶软管1600-2000有环槽的偏心环状缝隙400光滑同心环状缝隙1100圆柱形滑阀阀口260光滑偏心环状缝隙1000锥阀阀口20-100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。液体在管道中流动时，流过各个断面的流量是相等的，因而流速和过流断面成反比。2.4.2连续性方程

对于图示的分支油路，显然流进的流量应等于流出的流量，故有2.4.3伯努利方程理想液体作定常流动的伯努利方程：压力形式：高度形式：实际液体的伯努利方程：式中:

hw---由液体粘性引起的能量损失；

α1、α2：动能修正系数

紊流时取α＝1，层流时取α＝2

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:

β1、β2为动量修正系数，紊流时β＝1，层流时β＝1.33。

2.4.3动量方程返回AnyQuestion?1、液压传动中，能量损失表现为压力损失，分为两类：沿程压力损失和局部压力损失2、沿程压力损失：油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。3、局部压力损失：油液流经局部障碍（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，液流的方向和速度突变，在局部形成旋涡引起油液质点间以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失。2.5液体流动时的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。因液体流态不同，沿程压力损失计算可分：层流时的沿程压力损失，紊流时的沿程压力损失层流时的沿程压力损失λ:沿程阻力系数,理论值为：λ=64/Re;

油液在金属圆管中作层流流动时：λ＝75/Re，在橡胶管中：λ＝80/Re。

2.5.1沿程压力损失紊流时的沿程压力损失：λ除了与雷诺数有关外，还与管道的粗糙度有关。λ=f（Re，Δ/d），

Δ为管壁的绝对粗糙度，

Δ/d

为相对粗糙度。

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。计算公式为:

ξ:局部阻力系数，具体数值可查有关手册。2.5.2局部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:2.5.3管路系统中的压力损失与效率管路系统的压力效率为实际数值比上式计算出的压力损失大。由于存在压力损失，一般液压系统中液压泵的压力pp应比执行元件的工作压力p1高∑△p，即返回AnyQuestion?在液压系统管路中，装有截面突然收缩的装置，称为节流装置（节流阀）突然收缩处的流动叫节流，一般均采用各种形式的孔口来实现节流--节流口.

L/d≤0.5时为薄壁小孔；

L/d>4时为细长小孔；

0.5<L/d≤4时为短孔。

L为小孔的通流长度；

d为小孔的孔径。2.6孔口及缝隙的压力流量特性2.6.1孔口液流特性液体在薄壁小孔中的流动液体质点突然加速，惯性力作用收缩截面2-2后再扩散造成能量损失，并使油液发热收缩截面面积A2－2和孔口截面积A的比值称为收缩系数Cc即

Cc=A2－2/A。收缩系数决定于雷诺数、孔口及其边缘形状、孔口离管道侧壁的距离等因素。式中：Cd＝CvCc为小孔流量系数，由实验确定；完全收缩时：收缩系数Cc取0.61～0.63，速度系数Cv取0.97～0.98，这时Cd

＝Cc×Cv=0.61～0.62；不完全收缩时：Cd≈0.7～0.8。液流通过薄壁小孔的流量为:2.流经细长小孔的流量计算

液体流经细长孔时，一般都是层流状态，可直接应用前面已导出的直管流量公式来计算，当孔口的截面积为A=πd2/4时，可写成（3）统一的经过小孔的流量公式：

式中：A:孔的通流截面积，

Δp:孔前后压差，

m:由孔结构形式决定的指数,0.5≤m≤1

k:由孔口形式有关的系数当孔为薄壁小孔时，m=0.5,

当孔为细长小孔时m=1，

配合间隙:当流体流经这些间隙时就会发生从压力高处经过间隙流到系统中压力低处或直接进入大气的现象。平行平板的间隙流动三种情况：由缝隙两端压差造成的流动称压差流动；由缝隙两壁面相对运动造成的流动称剪切流动；由压差和剪切同时作用下的流动。2.6.2缝隙流动固定平行平板间隙流动压差流动：上下两平板固定不动，液体在间隙两端压差作用下而在间隙中流动。

两平行平板有相对运动时的间隙流动

纯剪切流动:两平板有相对运动速度v，但无压差。

两平板即有相对运动两端又有压差的流动以上两种的线形叠加：长平板相对短平板运动方向与压差流动方向一致时，取“+”；反之，取“-”。圆柱环形间隙流动偏心环形间隙在压差作用下的流动返回AnyQuestion?液压冲击：在液压系统