《液压流体力学基础》PPT课件.ppt

1、第二章 液压流体力学基础 液压传动以液体作为工作介质来传递能量和运动。因此，了解液体的主要物理性质，掌握液体平衡和运动的规律等主要力学特性，对于正确理解液压传动原理、液压元件的工作原理，以及合理设计、调整、使用和维护液压系统都是十分重要的。,第二章 液压流体力学基础,2.1 液压油,2.2 液体静力学基础,2.4 液体系统的能量损失,2.3 液体动力学基础,2.5 液体流经孔口及缝隙的流量,2.6 空穴现象和液压冲击,2.1 液体的物理性质 液体是液压传动的工作介质，同时它还起到润滑、冷却和防锈作用。液压系统能否可靠、有效地进行工作，在很大程度上取决于系统中所用的液压油液的物理性质。,2.1

2、液压油,2.1.1 液压油的性质,2.1.1.1 密度,式中 m液体的质量(kg)； V液体的体积(m3)。 常取15时的液压油密度=900 kg/m3。,2.1.1.2 可压缩性 液体受压力作用而发生体积减小的特性称为液体的可压缩性。 液压系统中应尽量减少油液中的空气含量。,2.1.1.3 黏性,粘性的概念,流体流动时，分子之间产生内摩擦力的性质。,牛顿内摩擦定律,速度梯度：在垂直速度方向上的速度变化率。,由牛顿内摩擦定律 则 式中 F相邻液层间的内摩擦力； A液层间的接触面积； du液层间的相对运动速度； dy液层间的距离； 比例黏度，成为动力黏度 速度梯度,2. 黏度 是衡量流体黏性的指

3、标。 （1）动力黏度 （2）运动黏度 （3）相对黏度,（1）动力黏度 物理意义：当速度梯度等于1时，流动液 体液层间单位面积上的内摩擦力。,（2）运动黏度： 动力黏度与液体密度之比值 没有明确的物理意义。理论计算中常出现，故采用作为一个参数。 单位中只有长度和时间量纲类似运动学量，称运动粘度。 常用于液压油牌号标注,（3）相对黏度0E 是按照一定的测量条件制定的。 因为 、不易直接测量，只用于理论计算， 所以常用相对粘度。 我国采用恩氏粘度。,3.影响的黏度因素 （1）压力 ：当压力增加时，其黏度也有所增加。 压力对黏度的影响较小，一般可以忽略不计。 （2）温度：温度升高时，黏度下降。 液压油

4、的黏度对温度变化十分敏感。油液黏 度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。 这一特性称为液体的粘温特性。,2.1.2 液压传动用油的要求,(1) 有适当的黏度和良好的黏温特性。,(2) 质地纯净，杂质少。,(3) 化学稳定性好。,(4) 抗乳化性、抗泡沫性好。,(5) 闪点、燃点高，能防火、防爆。,(6) 凝固点低。,(7) 有良好的润滑性。,(8) 对人体无害，成本低。,2.1.3 液压油类型,2.1.3.1 石油基液压油,L-HL液压油(又名普通液压油) L-HM液压油(又名抗磨液压油，M代表抗磨型) L-HG液压油(又名液压导轨油) L-HV液压油(又名低温液压油、稠化液压油、高黏度指数

5、液压油) 其他专用液压油，如航空液压油(红油),2.1.3.2 难燃液压液,分为合成型、油水乳化型和高水基型3大类,2.1.4 液压油选择,在选择时要考虑以下几个方面： (1) 液压系统的工作条件，见表2-1。 (2) 液压系统的工作环境。 (3) 综合经济分析。,正确而合理地选用液压油，对液压系统适应各种工作环境、延长系统和元件的寿命、提高系统工作的可靠性等都有重要的影响。液压传动中一般常采用矿物油，因植物油及动物油中含有酸性和碱性杂质，腐蚀性大、化学稳定性差。 液压油的选择，一般要经历以下步骤： (1) 定出所用油液的某些特性(粘度、密度、蒸汽压、空气溶解率、体积模量、抗燃性、温度界限、压

6、力界限、润滑性、相容性、毒性等)的容许范围。 (2) 查看说明书，找出符合或基本符合上述各项特性要求的油液。 (3) 进行综合和权衡，调整各方面的要求和参数。 (4) 征询油液制造厂的最终意见。,首先根据工作条件 （v、p 、T）和元件类型选择油液品种，然后根据粘度选择牌号 慢速、高压、高温：大（以q） 通常 快速、低压、低温：小（以P）,九、液压油的使用,使用液压油时，应注意以下几点： (1) 对于长期使用的液压油，氧化、热稳定性是决定温度界限的因素，因此，应使液压油长期处在低于它开始氧化的温度下工作。 (2) 贮存、搬运及加注过程中，应防止油液被污染。 (3) 对油液定期抽样检验，并建立定

7、期换油制度。 (4) 油箱中油液的贮存量应充分，以利于系统的散热。,(5) 保持系统的密封，一旦有泄漏，就应立即排除 在实际使用高水基液的液压系统中，还必须注意下述几点： (1) 由于粘度低、泄漏大，系统的最高压力不要超过7MPa。 (2) 要防止气蚀现象，可用高置油箱以增大泵进油口处压力，泵的转速不要超过1200r/min。 (3) 系统浸渍不到油液的部位，金属的气相锈蚀较为严重，因此应使系统尽量地充满油液。 (4) 由于油液的pH值高，容易发生由金属电位差引起的腐蚀，因此应避免使用镁合金、锌、镉之类金属。 (5) 定期检查油液的pH值、浓度、霉菌生长情况，并对其进行控制。 (6) 滤网的通

8、流能力须4倍于泵的流量，而不是常规的1.5倍。,2.1.5 液压油的污染与控制,污染的来源 已被污染的新油；残留污染；侵入污 染；内部生成污染。,污染的危害,污染的控制 减少外来的污染；滤除系统产生的 杂质；控制液压油的工作温度； 定期检查更换液压油液。,2.2 液体静力学基础,主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。 所谓静止液体，是指液体内部质点间没有相对运动。如果盛装液体的容器本身处在运动之中，则液体处于相对静止状态。,2.2.1 液体静压力及其特性 压力的定义 液体在单位面积上所受的法向力 称 为压力，用p表示。 压力的单位 在SI单位中压力的单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa

9、， 1Pa=1N/m2。 1MPa=106 Pa。,液体静压力的重要特性,静止液体中的压力称为静压力，液体静压力有两个基本特性 (1) 液体静压力沿法线方向，垂直于承压面。 (2) 静止液体内，任一点的压力，在各个方向上都相等. 由上述性质可知：静止液体总是处于受压状态，并且其内部的任何质点都是受平衡压力作用的。,四、 静压力基本方程,方程推导,方程分析,取研究对象：微元柱,静止液体内任一点的压力由两部分组成：一部分是液面上的压力p0，另一部分是该点以上液体重力所形成的压力。 静止液体内的压力随液体深度呈线性规律递增。 (3) 同一液体中，离液面深度相等的各点压力相等。由压力相等的点组成的面称

10、为等压面。在重力场中，静止液体中的等压面是一个水平面。,液体静力学基本方程,z,z,方程推导,特征,取研究对象：微元柱体,受力分析,z,z,静止液体内任意点处的压力由液面上的外压力p0 和液体自重对该点的压力gh组成。如图2-3所示。,2.2.3 压力的传递,在密闭容器内施加于静止液体任一点的压力将,以等值传到液体各点。这就是静压传递原理,(或称帕斯卡原理)。,2.2.4 绝对压力、相对压力、真空度,绝对压力是以绝对真空作为基准所表示的压力；,相对压力是以大气压力作为基准所表示的压力。,绝对压力=相对压力+大气压力,2.2.5 液体静压力对固体壁面的作用力 在进行液压传动装置的设计和计算时，常

11、 常需要计算液体静压力作用在平面上和曲面 上产生的液压作用力。例如油缸活塞所受的 液压作用力，阀的阀芯所受的液压作用力等。,（1）当固体壁面为一平面时：,（2）当固体壁面为一曲面时：,本节讨论液体流动时的运动规律、能量转换和流动液体对固体壁面的作用力等问题，具体介绍三个基本方程连续性方程、能量方程和动量方程。,2.3 流动液体力学基础,2.3.1 基本概念,理想液体：既无黏性又不可压缩的液体,恒定流动：液体流动时，液体中任何一点的压 力、速度和密度都不随时间而变化。,通流截面：液体在管道中流动时，垂直于流,动方向的截面。,流量：单位时间内流过通流截面的液体体积。,当忽略液体的可压缩性时,连续性

12、方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式,由于通流截面是任意选取的,2.3.2 连续性方程,四、连续方程在液压传动中的应用,当v1不可调节时，那么调节q3也能使v2产生相应的变化。,在液压技术中，v1或q3都能够做到在一定范围内进行无级调节，因此v2也能实现无级调节，这是液压传动能被普遍应用的原因之一。,2.3.3 伯努利方程（能量守恒定律在流动液体中的表现形式）,2.3.3.1 理想液体的伯努利方程,理想液体在管道中流动时，具有3种能量：液压力能、动能、位能。按照能量守恒定律，在各个截面处的总能量是相等的。,2.3.3.2 实际液体流束的伯努利方程,hw单位重量液体因液体黏性引起的能量损

13、失；,1，2动能修正系数，一般在紊流时=1，层流时=2 。,实际液体都具有黏性，这必然要消耗能量。另外，实际液体的黏性使流束 的通流截面上各点的真实流速并不相同，精确计算时必须引进动能修正系数。,2.3.4 动量方程,液体作用在固体壁面上的力，用动量定律来求解比较方便。动量定理认为：作用在物体上的合力大小应等于物体在力作用方向上的动量变化率，即,7. 液压泵的流量为q=32L/min，吸油管通道d=20mm，液压泵吸油口距离液面高度h=500mm，液压泵的运动粘度20106 m2/s，密度900kg/m3，不计压力损失，求液压泵吸油口的真空度。,解: 吸油管的平均速度为 此时液体在吸油管中的运

14、动为层流状态。选取自由液面和靠近吸油口的截面列伯努利方程，以截面为基准面，因此Z1=0，10（截面大，油箱下降速度相对于管道流动速度要小得多），p1=pa（液面受大气压力的作用），即得如下伯努利方程,2.4 液压系统的能量损失,2.4.1 压力损失,在液压传动中，压力损失分为：沿程损失和局部损失。,沿程损失：是由液体流动时的内、外摩擦力所引,起的。,局部损失：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，由于液流,的方向和速度的突然变化，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。,2.4.2 流量损失,液压泵输出流量的近似计算式

15、为 ：,2.5 孔口和间隙的流量压力特性,在液压元件中，普遍存在液体流经孔口或间隙的现象。液流通道上其通流截面有突然收缩处的流动称为节流，节流是液压技术中控制流量和压力的一种基本方法。能使流动成为节流的装置，称为节流装置。例如，液压阀的孔口是常用的节流装置，通常利用液体流经液压阀的孔口来控制压力或调节流量；而液体在液压元件的配合间隙中的流动，造成泄漏而影响效率。因此，研究液体流经各种孔口和间隙的规律，了解影响它们的因素，对于理解液压元件的工作原理、结构特点和性能是很重要的问题,三、滑阀阀口的流量压力特性,上图为滑阀阀口的结构示意图。当阀芯相对阀体有相对移动时，阀芯台肩控制边与阀体沉割槽槽口边的

16、距离xv称为阀的开口量或开度。当xv0时，阀口处于关闭状态，液体不能经阀口流出或流入。,2.5 液体流经孔口及缝隙的流量,2.5.1 液体流经小孔的流量计算,L/d0.5时为薄壁小孔 L/d4时为细长小孔 0.5L/d4时为短孔,通过薄壁小孔的流量 ：,短孔的流量：计算与薄壁小孔的流量公式相同,细长小孔的流量：,一、 孔口的流量压力特性 薄壁孔,由于流线不能转折，液体在上游1/2d处开始突然收缩，冲向小孔d，并在下游1/2d处形成收缩瓶颈，然后突然扩大。紊流流动,压力能在突然收缩处转换为动能，因为效率不可能为1，产生局部损失。突然扩大后，动能不可能完全转换为压力能。,2.5.2 液体流经缝隙的

17、流量计算,平行平板的间隙流动：,液体流经环形缝隙的流量：,（同）,（偏）,在液压系统中，各零件间的配合间隙大多数为圆环形间隙，如滑阀与阀套之间、活塞与缸筒之间等等。在理想情况下为同心环形间隙，但实际上，一般多为偏心环形间隙。,2.6 液压冲击和气穴现象,在液压系统中，液压冲击和气穴现象影响系统的工作性能和液压元件的使用寿命，因此必须了解它们的物理本质、产生的原因及其危害，在设计液压系统时，应采取措施减小它们的危害或防止它们的发生。,2.6 空穴现象和液压冲击,2.6.1 液压冲击,液压冲击产生的原因 液压冲击的危害 减小液压冲击的措施,2.6.2 空穴现象,空穴现象产生的原因 空穴现象的危害

18、减小空穴现象的措施,一、液压冲击的物理本质,如图所示，有一液面恒定并能保持液面压力不变的容器，则A点的压力保持不变。液体沿长度为l、管径为d的管道经阀门B以速度v0流出。假如突然关闭管道阀门，显然，在极短的时间间隔内，长度为的微段液体将停止流动。,三、减小液压冲击的措施,针对上述各式中影响冲击压力p的因素，可采用以下措施来减小液压冲击： (1) 适当加大管径，限制管道流速v，一般在液压系统中把v控制在4.5 m/s以内，使 prmax不超过5MPa就可以认为是安全的。 (2) 正确设计阀口或设置制动装置，使运动部件制动时速度变化比较均匀。 (3) 延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间，可采用换向时间可调的换向阀。 (4) 尽可能缩短管长，以减小压力冲击波的传播时间，变直接冲击为间接冲击。 (5) 在容易发生液压冲击的部位采用橡胶软管或设置蓄能器，以吸收冲击压力；也可以