液压与气压传动（第3版）课件：液压流体力学基础

液压与气压传动

模块一

液压传动模块二

气压传动模块三

实训项目目录1液压传动概述2液压流体力学基础3液压动力元件4液压执行元件5液压控制元件6液压辅助元件7液压基本回路8液压传动系统案例液压流体力学基础02知识目标1．掌握液压油的主要性质；2．熟悉液压油的基本要求和选用原则；3.了解液体静力学和动力学基本方程；

4.了解液压冲击和气穴现象。能力目标1．能合理规范选择使用液压油；2．能运用三个基本方程解决工程实际问题。

素质目标1.了解水利工程的伟大创举，激发学生强烈的民族自豪感；2．养成严谨细心、热爱科学、实事求是的学风。

情景导入2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质1.密度密度——单位体积液体的质量，通常用ρ（kg/m3）表示式中：V为液体的体积，单位m3；m为液体的质量，单位kg。密度随着温度或者压力的变化而变化，但变化不大，通常忽略。

2.可压缩性

液体的可压缩性是液体受压后体积会减小的性质。其大小可用两种参数表示：（1）体积压缩系数k：

△p=p1-p0

△V=V1-V0式中，

Δp－压力的变化量(Pa)ΔV－体积相对变化量(m3)V0－压力变化前的体积(m3)k－单位压力变化时体积相对变化量(1/Pa)2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质

2.可压缩性

液体的可压缩性是液体受压后体积会减小的性质。其大小可用两种参数表示：（2）体积弹性模量K：

K=1/k

体积弹性模量是液体反抗变形的能力。2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质

3.黏性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分子相对运动而产生的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的黏性。2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质

3.黏性（1）黏度的物理意义牛顿的液体内摩擦定律：图2-1液体的黏性示意图

μ－动力黏度（简称黏度）2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质

3.黏性（1）黏度的物理意义动力黏度由上式可得可见，动力黏度μ是液体在单位速度梯度下流动时，单位面积上产生的内摩擦力。μ的单位是Pa·S（帕·秒）2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质

3.黏性（2）黏度的三种表示方法运动黏度ν的单位是m2/s。常用单位cSt（厘斯）

1m2/s=106cSt(厘斯）ν：是表示液压油黏度的习惯用法。一般，液压传动工作介质的黏度等级是以40oC时运动黏度（厘斯）的中心值来划分的。2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质

3.黏性相对黏度相对黏度指在一定条件下测得的液体相对于水的黏度。

恩氏黏度oE：

t1，t2分别为200ml的液体和水通过某容器小孔Φ2.8mm时所用的时间。运动黏度ν与恩氏黏度oE的关系：2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质（2）黏度的三种表示方法

3.黏性（3）调合油黏度

表2-3试验系数c的数值2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质a102030405060708090b908070605040302010c6.713.117.922.125.527.928.22517

3.黏性（4）黏度与压力、温度的关系对于液压传动工作介质来说，压力越大时黏度增大，温度升高时黏度下降。

图2-2黏度和温度的关系2.1液压油2.1.1液压油的主要物理性质2.1液压油2.1.2液压油的要求、分类和选用

1.对液压油的要求(1）合适的黏度，较好的黏温特性。(2）润滑性能好。

(3）质地纯净，杂质少。(4）对金属和密封件有良好的相容性。

(5）化学稳定性要好。(6）闪点要高，凝固点要低。(7）体积膨胀系数小，比热容大。(8）对人体无害，成本低。2.1液压油2.1.2液压油的要求、分类和选用

2.液压油的分类

液压系统工作介质的品种由其代号和后面的数字组成，如L-HL22

或L-HM32。代号中左边第一个L是石油型产品的总分类号，H

表示液压系统用的工作介质，数字前的L或M代表加入有关添加剂后产品的性能代号，数字表示为该工作介质的黏度等级（22或32分别表示该液压油在40℃时，运动黏度的中心值大约为22mm2/s或

32mm2/s）。

具体分类和代号见表2-4。

3.对液压油的选择在选用液压油时，通常最先考虑的是油液的黏度。一般遵循以下原则：

当压力大、温度高、速度慢时，为了减少流量损失，宜采用黏度较高的油液。当压力小、温度低、速度快时，为了减少功率损失，宜采用黏度较低的油液。2.1液压油2.1.2液压油的要求、分类和选用

3.对液压油的选择使用和维护中注意问题：1）保持液压系统清洁，防止杂质进入液压油中；2）防止气体进入油中；3）防止水分进入油中。2.1液压油2.1.2液压油的要求、分类和选用2.2液体静力学基础2.2.1液体静压力及其特性

1.液体的静压力静止液体—指液体各质点间没有相对运动的液体，静止液体不呈现黏性。可看作“刚体”。图2-3静止液体受力分析当法向力作用均匀时：p=F/A

2.2液体静力学基础2.2.1液体静压力及其特性

2.液体静压力的特性

由于液体质点间的凝聚力很小，且只能受压，不能受拉，所以液体的静压力具有两个重要特性：①静压力的方向与该面的内法线方向一致。

②任意点的静压力在各个方向上都相等。2.2液体静力学基础2.2.2静压力基本方程图2-4静止液体内的压力分布规律2.2液体静力学基础2.2.2静压力基本方程结论：

静压力基本方程为：p=po+ρgh

①液体的静压力由po

和

ρgh

组成

当po＝pa时p=pa+ρgh=pa+γh②

p随h成线性分布

③

h相同的各点

p相等2.2液体静力学基础2.2.3压力的表示方法及单位

绝对压力：以绝对真空为基准

相对压力：以大气压力为基准

如图：相对压力=绝对压力－大气压力

图2-6绝对压力、相对压力和真空度的相互关系2.2液体静力学基础2.2.3压力的表示方法及单位当绝对压力低于大气压力时，绝对压力比大气压力低的部分称为真空度。显然，真空度＝大气压力－绝对压力＝︱相对压力︱注意：a、真空度永远为正值

b、压力表测出的压力值为相对压力“＋”为相对压力值大小“－”为真空度大小2.2液体静力学基础2.2.4帕斯卡原理

在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传递到液体内各点。作用在大活塞上的负载F1形成液体压力：p=F1/A1为防止大活塞下降，在小活塞上施加的力：F2=pA2=F1A2/A1结论：液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。液体内的压力是由负载决定的。图2-8帕斯卡原理的应用2.2液体静力学基础2.2.5液体静压力对固体壁面的作用力

当固体壁面是平面时F=p·A

当固体壁面是曲面时FX=pAx（Ax—固体壁面在X方向的投影面积）

图2-9液压力作用在固体壁面上的压力2.3液体动力学基础2.3.1基本概念

1.理想液体、定常流动理想液体:既无黏性又不可压缩的液体称为理想液体。定常流动:

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；

反之，只要压力、速度和密度中有一个量随时间而变化，液体就是作非定常流动。2.3液体动力学基础2.3.1基本概念

2.通流截面、流量和平均流速通流截面:

液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面称为通流截面。流量:

单位时间内通过某通流截面的液体的体积称为流量。图2-10流量和平均流速2.3液体动力学基础2.3.1基本概念

2.通流截面、流量和平均流速由于液体具有黏性，因此通流截面上液体速度不尽相同，其分布规律如图b所示。通常以断面上的平均流速v来代替实际流苏，即假设单位时间内按平均流速流过通流截面的液体体积等于按实际流速通过同一截面的液体体积。平均流速2.3液体动力学基础2.3.1基本概念

3.流动液体的压力

静止液体内任意点处的压力在各个方向上都是相等的；在流动液体内，由于惯性力和黏性力的影响，任意点处在各个方向上的压力并不相等，但数值相差甚微。

当惯性力很小，且把液体当作理想液体时，流动液体内任意点处的压力在各个方向上的数值可以看作是相等的。2.3液体动力学基础2.3.1基本概念

4.层流、紊流和雷诺数层流：

液体质点的运动互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线。紊流：

液体流速大于某值后，液体质点的运动开始杂乱无章。图2-11雷诺试验2.3液体动力学基础2.3.1基本概念

4.层流、紊流和雷诺数雷诺数：当液流在实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流；反之液流为紊流。常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得，见表2-7。2.3液体动力学基础2.3.2连续性方程根据质量守恒定律，单位时间内流过任一通流截面的液体的质量应该相等，即：说明液体在管路中流动时，通过任一通流截面的流量是相等。同时还说明当流量一定时，流速和通流截面面积成反比。

图2-12液流的连续性原理（2-21）2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

1.理想液体的伯努利方程根据能量守恒定律，在同一管道中任意截面上液体的总能量应该相等。即图2-13伯努利方程示意图（2-22）2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

1.理想液体的伯努利方程由于两截面是任意取的，故式（2-22）可改写成（2-23）式中，

是比压能，即单位质量液体的压力能，

是压力水头，简称压头；hg是比位能，即单位质量液体的位能（

），h称为位置水头；

是比动能，即单位质量液体的动能（

），

为速度水头。

2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

1.理想液体的伯努利方程理想液体伯努利方程的物理意义：

理想液体作定常流动时具有压力能、位能和动能三种形式的能量，在任一截面上三种形式的能量可以互相转换，但总和保持不变，即能量守恒。2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

1.理想液体的伯努利方程【例2-4】图2-14所示为水库坝体下的一放水闸门，其中心标高

B=0.5m，水库水面标高A=20m。设水为理想液体。求闸门出口处的喷流速度V2。图2-13例2-4图2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

1.理想液体的伯努利方程解：作基准面O-O、水库水面1-1及闸门出口处截面2-2，并列1-1、2-2面的理想液体伯努利方程：式中，P1=P2=Pa、h1=A、h2=B，则因为V1<<V2，所以V1=0，则V2=19.5m/s2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

2.实际液体的伯努利方程应用实际液体的伯努利方程时必须注意：（1）截面A1、A2必须延着流向选取，否则为负值。（2）截面中心在基准面以上时，h取正值；否则取负值。通常取较低的通流截面的中心为基准面。（3）两通流截面上的压力表示方法应相同，即pl、p2可同时选择相对压力或绝对压力。2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

2.实际液体的伯努利方程【例2-5】图2-15所示，分析液压泵的吸油过程。解：取基准面1-1，设液压泵的吸油口比油箱液面高h，取油箱液面1-1和液压泵进口处截面2-2列伯努利方程：式中，

为油箱液面压力，由于一般油箱液面与大气接触，故

为吸油口处液体的绝对压力；

为液压泵吸油口处液体的流速，一般取液体在吸油管中的平均流速；

为液箱液面流速，由于

故v1忽略不计，

。

图2-15液压泵吸油示意图2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

2.实际液体的伯努利方程【例2-5】图2-15所示，分析液压泵的吸油过程。解：据此上式可化简为液压泵吸油口的真实度为图2-15液压泵吸油示意图2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

2.实际液体的伯努利方程讨论：1）由上式可知，液压泵吸油口的真空度由三部分组成：把油液提升到一定高度所需的压力，产生一定的流速所需的压力和吸油管内的压力损失。2）当泵如图2-15所示安装时，

即

靠大气压力实现泵的吸油。3）当泵安装于液面之下时，如图2-16所示，

为负值，当图2-16液压泵安装在油箱液面之下时的吸油示意图

时，

即

此时泵的吸油口不形成真空，靠势能将液体灌入泵中实现泵的工作。2.3液体动力学基础2.3.3伯努利方程

2.实际液体的伯努利方程讨论：4）泵形成真空度的大小说明泵自吸性能的好坏。但真空度又不能太大，即泵吸油口处的绝对压力不能太低，当

低于气体分离压时，会产生气蚀现象。因而在实际使用中为了防止真空度过大，应减小

和

的数值，一般采用较大图2-16液压泵安装在油箱液面之下时的吸油示意图直径的吸油管，并限制泵的吸油高度，通常图2-15中的h应小于500mm。2.3液体动力学基础2.3.4定常流动的压力损失计算

1.沿程压力损失油液在直径不变的直管中流动时由于克服摩擦力所产生的压力损失。λ—沿程阻力系数。理论值为64/Re，层流流动时λ与理论值是很接近的；

紊流流动时，常取

λ=75/Re

。2.3液体动力学基础2.3.4定常流动的压力损失计算

2.局部压力损失液体流经局部障碍（如弯管、接头、突变截面以及阀口等局部）时，产生的压力损失。（1）液体流经弯管、接头、突变截面等局部时：（2）液体流经液压阀时：2.3液体动力学基础2.3.4.定常流动的压力损失计算

3.管路系统中的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，即注意：用上式计算总压力损失时，只有在两相邻局部损失之间的距离大于直径10～20倍时才成立，否则算出的压力损失值比实际数值小得多。2.4孔口和缝隙的流量计算2.4.1孔口流量计算图2-17液体在薄壁孔中的流动在液压系统中常利用液体流经液压阀的小孔和缝隙来控制流量和压力，从而达到调速和调压的目的。液压元件的泄露也属于缝隙流动。因而研究孔口和缝隙的流量计算，了解其影响因素，对于正确分析液压元件和系统的工作性能，是十分必要的。2.4孔口和缝隙的流量计算2.4.1孔口流量计算液体流经小孔的流量：根据孔的长径比的不同，将孔分类如下：

薄壁孔:

细长孔:

短孔:当孔口为细长孔时，m＝1，当孔口为薄壁孔时，m＝0.5，2.4孔口和缝隙的流量计算2.4.1孔口流量计算孔口流量方程的物理意义：当保持孔口前后压力差恒定时，只要改变孔口的通流面积，就可以改变经过孔口的流量。当其他条件相同而压差变化时，细长孔的流量变化要比薄壁小孔的大。薄壁小孔的节流系数K与黏度μ无关，而细长孔的节流系数K与黏度μ相关。所以当其他条件相同而温度变化较大时，细长孔的流量变化也较大，而薄壁小孔的流量不收温度变化的影响。2.4孔口和缝隙的流量计算2.4.2缝隙流量计算液体在两个边界壁面所夹着的狭窄空间内的流动称为缝隙流动。缝隙流动的两个特点：缝隙高度相对于其长度和宽度而言要小很多缝隙流动通常属于层流范畴2.4孔口和缝隙的流量计算2.4.2缝隙流量计算

液体在缝隙里的流动有两种情况：由于缝隙两端存在压力差所造成的流动，称为压差流