液压油与液压流体力学课件

第第2 2章章 液压油与液压油与液压流体力学基础液压流体力学基础2.1 液体的物理性质液体的物理性质 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。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液压油的程度上取决于系统中所用液压油的物理性质物理性质。2.1.1 2.1.1 液体密度和重度液体密度和重度 单位体积液体的质量称为液体的单位体积液体的质量称为液体的密度密度液体的可压缩性液体的可压缩性液体受压力作用而使体积减小的性质称为液体受压力作用而使体积减小的性质称为液体的可压缩性。液体的可压缩性。液体的体积弹性模量液体的体积弹性模量:2.1.3 2.1.3 液体的黏性液体的黏性液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力会阻碍其液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力会阻碍其液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力会阻碍其液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力会阻碍其分子的相对运动，即具有一定的分子的相对运动，即具有一定的分子的相对运动，即具有一定的分子的相对运动，即具有一定的内摩擦力内摩擦力内摩擦力内摩擦力，这种性质称为，这种性质称为，这种性质称为，这种性质称为液体的黏性液体的黏性液体的黏性液体的黏性。：比例系数，称为动力黏度液体的黏度液体的黏度 动力黏度动力黏度动力黏度动力黏度又称为绝对黏度，又称为绝对黏度，又称为绝对黏度，又称为绝对黏度，根据牛顿液体的内摩擦定律根据牛顿液体的内摩擦定律根据牛顿液体的内摩擦定律根据牛顿液体的内摩擦定律 运动黏度运动黏度运动黏度运动黏度为动力黏度与该为动力黏度与该为动力黏度与该为动力黏度与该液体密度的比值液体密度的比值液体密度的比值液体密度的比值在我国在我国，运动黏度是划分液压油牌号的依据运动黏度是划分液压油牌号的依据相对黏度相对黏度又叫又叫条件黏度条件黏度，它是采用特定的黏度计在规定条，它是采用特定的黏度计在规定条件下测量出来的黏度。件下测量出来的黏度。影响粘度的因素影响粘度的因素液体所受的液体所受的压力压力增大时，其分子间的距离增大时，其分子间的距离将减小，内摩擦力增大，黏度亦随之增大。将减小，内摩擦力增大，黏度亦随之增大。油液的黏度对油液的黏度对温度温度的变化极为敏感，的变化极为敏感，温度升高，油的黏度即显著降低。温度升高，油的黏度即显著降低。2.1.4 2.1.4 液压油的类型与选用液压油的类型与选用对液压油液的要求对液压油液的要求:粘温性好。粘温性好。润滑性要好。润滑性要好。化学稳定性好，不易氧化。化学稳定性好，不易氧化。抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。对金属和密封件有良好的相容性。对金属和密封件有良好的相容性。热膨胀系数低，比热高，导热系数高。热膨胀系数低，比热高，导热系数高。凝固点低，闪点和燃点高凝固点低，闪点和燃点高。质地纯净，杂质少。质地纯净，杂质少。良好的环保性能和经济性。良好的环保性能和经济性。液压油的种类液压油的种类合适的类型（油型）合适的类型（油型）液压油的牌号液压油的牌号 （油液黏度的选择）（油液黏度的选择）黏度选择液压油的选用液压油的选用l液压油的选用液压系统的工作压力液压系统的工作压力环境温度环境温度运动速度运动速度液压油的污染及其控制液压油的污染及其控制l 液压油污染的危害液压油污染的危害造成系统故障造成系统故障降低元件寿命降低元件寿命使液压油变质使液压油变质影响工作性能影响工作性能l 液压油的污染源液压油的污染源系统残留物系统残留物外界侵入物外界侵入物内部生成物内部生成物l 污染的控制污染的控制彻底清洗系统彻底清洗系统保持系统清洁保持系统清洁定期清除污物定期清除污物定期换油定期换油2.2 2.2 液体静力学基础液体静力学基础液体静力学所研究的是液体静力学所研究的是静止液体的力学性质静止液体的力学性质。静止是指液体内部质点之间没有相对运动。因此液体不显静止是指液体内部质点之间没有相对运动。因此液体不显示粘性，液体内部无剪切应力，只有法向应力即压力。示粘性，液体内部无剪切应力，只有法向应力即压力。n 压力的概念压力的概念n 压力的分布压力的分布n 压力的表示压力的表示n 压力的传递压力的传递n 压力的计算压力的计算2.2.1 2.2.1 液体的压力液体的压力液体单位面积上所受的法向力称为压力。液体单位面积上所受的法向力称为压力。液体的压力有如下特性：液体的压力有如下特性：液体的压力沿着内法线方向作用于承压面。液体的压力沿着内法线方向作用于承压面。静止液体内任一点的压力在各个方向上都相等。静止液体内任一点的压力在各个方向上都相等。压力通常以压力通常以P P表示。这一定义在物理学中称为压强，表示。这一定义在物理学中称为压强，但在液压传动中习惯称为压力。但在液压传动中习惯称为压力。2.2.2 2.2.2 重力作用下静止液体的压力分布重力作用下静止液体的压力分布静止液体内任一点处的压力都由两部分组成：静止液体内任一点处的压力都由两部分组成：液面上的压力液面上的压力P0；该点以上液体自重所形成的压力；该点以上液体自重所形成的压力gh。静止液体内的压力随液体深度变化呈直线规律分布。静止液体内的压力随液体深度变化呈直线规律分布。离液面深度相同的各点组成了等压面，此等压面为一水平面。离液面深度相同的各点组成了等压面，此等压面为一水平面。液体静力学基本方程式静压力基本方程的物理意义静压力基本方程的物理意义静压力基本方程的物理意义是静压力基本方程的物理意义是静压力基本方程的物理意义是静压力基本方程的物理意义是：静止：静止：静止：静止液体内任何一点都具有液体内任何一点都具有液体内任何一点都具有液体内任何一点都具有压力能压力能压力能压力能和和和和位能位能位能位能两种能量形式，且其总和保持不变，两种能量形式，且其总和保持不变，两种能量形式，且其总和保持不变，两种能量形式，且其总和保持不变，即能量守恒。但是两种能量形式之间即能量守恒。但是两种能量形式之间即能量守恒。但是两种能量形式之间即能量守恒。但是两种能量形式之间可以相互转换。可以相互转换。可以相互转换。可以相互转换。2.2.3 2.2.3 压力的表示方法和单位压力的表示方法和单位l相对压力（表压力）相对压力（表压力）:以大气压力为基准，测量所得的压力以大气压力为基准，测量所得的压力 是高于大气压的部分是高于大气压的部分 l绝对压力绝对压力:以绝对零压为基准测得的压力以绝对零压为基准测得的压力 绝对压力绝对压力=相对压力相对压力 +大气压力大气压力 l真空度真空度:如果液体中某点的绝对压力小于大气如果液体中某点的绝对压力小于大气压力，此时相对压力为负值，常将这一压力，此时相对压力为负值，常将这一负相对压力的绝对值称为该点的真空度负相对压力的绝对值称为该点的真空度。2.2.4 2.2.4 静止液体内的压力的传递静止液体内的压力的传递在密闭容器内，施加于静止液体的压力将以等值传递到在密闭容器内，施加于静止液体的压力将以等值传递到在密闭容器内，施加于静止液体的压力将以等值传递到在密闭容器内，施加于静止液体的压力将以等值传递到液体各点，这就是液体各点，这就是液体各点，这就是液体各点，这就是帕斯卡原理帕斯卡原理帕斯卡原理帕斯卡原理，或称，或称，或称，或称静压力传递原理静压力传递原理静压力传递原理静压力传递原理。液体内的压力是由外界负载作用所形成的，即液体内的压力是由外界负载作用所形成的，即液体内的压力是由外界负载作用所形成的，即液体内的压力是由外界负载作用所形成的，即系统的压系统的压系统的压系统的压力大小取决于负载力大小取决于负载力大小取决于负载力大小取决于负载。2.2.5 2.2.5 液体对固体壁面的作用力液体对固体壁面的作用力液体和固体壁面相接触时，固体壁面将受到总液压力的作用液体和固体壁面相接触时，固体壁面将受到总液压力的作用当固体壁面为一平面时，静止液体对该平面的总作用力 F=PA：在液压传动中，由于不考虑由液体自重产生的那部分压力，在液压传动中，由于不考虑由液体自重产生的那部分压力，液体中各点液体中各点的静压力可看作均匀分布的的静压力可看作均匀分布的。当固体壁面为曲面时，曲面上各点所受的静压力方向是变化的，但大小相等。曲面在某一方向上所受的液压力等于曲面在该方向的投影面积和液体压力的乘积。2.3 2.3 液体动力学基础液体动力学基础 本节主要讨论液体的流动状态、运动规律、本节主要讨论液体的流动状态、运动规律、能量转换以及流动液体与固体壁面的相互作用力能量转换以及流动液体与固体壁面的相互作用力等问题。等问题。具体地说，主要介绍液体动力学的具体地说，主要介绍液体动力学的3 3个基本个基本方程：方程：连续性方程连续性方程、伯努利方程伯努利方程和和动量方程动量方程。2.3.1 2.3.1 基本概念基本概念理想液体：理想液体：既无粘性又不可压缩的假想流体既无粘性又不可压缩的假想流体实际液体：实际液体：事实上存在的有粘度、可压缩的液体事实上存在的有粘度、可压缩的液体恒定流动：恒定流动：液体流动时，若液体中任一点处的压力、速液体流动时，若液体中任一点处的压力、速度和密度等参数都不随时间而变化，或称定常流动、非度和密度等参数都不随时间而变化，或称定常流动、非时变流动时变流动非恒定流动：非恒定流动：只要压力、速度或密度中有一个参数随时只要压力、速度或密度中有一个参数随时间变化或称非定常流动、时变流动。间变化或称非定常流动、时变流动。一维流动：一维流动：当液体整个作线形流动时当液体整个作线形流动时二维或三维流动：二维或三维流动：当作平面或空间流动时当作平面或空间流动时基本概念基本概念流线：流线：某一瞬间液流中一条条标志其质点运动状态的曲线。某一瞬间液流中一条条标志其质点运动状态的曲线。流管：流管：过流场内一条封闭曲线的所有流线所构成的管状表面。过流场内一条封闭曲线的所有流线所构成的管状表面。流束：流束：流管内所有流线的集合。流管内所有流线的集合。通流截面（流断面）：通流截面（流断面）：垂直于流束的的截面。通流截面上各垂直于流束的的截面。通流截面上各点的运动速度均与其垂直。点的运动速度均与其垂直。基本概念基本概念流量：流量：单位时间内流经某通流截面流体的体积，流量以q表示，单位为m3/s 或 L/min流速：流速：流体质点单位时间内流过的距离，实际流体内各质点流速不等平均流速：平均流速：通过流体某截面流速的平均值 基本概念基本概念层流、紊流、雷诺数雷诺数雷诺数判定流态判定流态实验证明：实验证明：液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速v有关，还和管道内径d、液体的运动黏度有关。临界雷诺数（Rec）：液流紊流转变为层流时的雷诺数当液流的实际雷诺数当液流的实际雷诺数ReRe小于临界雷诺数小于临界雷诺数RecRec时，为层流；反之为紊流。时，为层流；反之为紊流。雷诺数的物理意义：雷诺数的物理意义：雷诺数是液流的惯性力对黏性力的无雷诺数是液流的惯性力对黏性力的无因次比。当雷诺数较大时，液体的惯性力起主导作用液体因次比。当雷诺数较大时，液体的惯性力起主导作用液体处于紊流状态；当雷诺数较小时，黏性力起主导作用，液处于紊流状态；当雷诺数较小时，黏性力起主导作用，液体处于层流状态。体处于层流状态。雷诺数2.3.2 2.3.2 连续性方程连续性方程依据：质量守恒定律液体作恒定流动时的流量连续性方程在密闭管路内作恒定流动的理想液体，不管平均流速和通在密闭管路内作恒定流动的理想液体，不管平均流速和通在密闭管路内作恒定流动的理想液体，不管平均流速和通在密闭管路内作恒定流动的理想液体，不管平均流速和通流截面沿流程怎样变化，流截面沿流程怎样变化，流截面沿流程怎样变化，流截面沿流程怎样变化，流过各个截面的流量是不变的流过各个截面的流量是不变的流过各个截面的流量是不变的流过各个截面的流量是不变的。2.3.3 2.3.3 伯努利方程伯努利方程理想液体微小流束伯努利方程物理意义：在密闭管道内作恒定流动的理想液体，具有在密闭管道内作恒定流动的理想液体，具有3 3种形式的能量，即种形式的能量，即压力能、动能和位能压力能、动能和位能，它们之间可以，它们之间可以相互转化，但在管道内任一处，单位重量的液体所包含相互转化，但在管道内任一处，单位重量的液体所包含的这的这3 3种能量的总和是一定的。种能量的总和是一定的。实际液体总流的伯努利方程实际液体总流的伯努利方程当紊流时当紊流时1 1，层流时，层流时2 实际液体：有粘性、可压缩、非稳定流动 速度修正:动能修正系数 平均流速代替实际流速，考虑能量损失hw 例例 2.52.52.3.4 2.3.4 动量方程动量方程依据：动量定理并考虑到以平均流速代替实际流速会产生误差，因而引入动量修正系数并考虑到以平均流速代替实际流速会产生误差，因而引入动量修正系数用来计算流动液体作用在限制其流动的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（固体壁面上的总作用力（稳态液动力稳态液动力）例例 2.62.62.4 2.4 液体流动时的压力损失液体流动时的压力损失 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，因此液体流动时必然会产生阻力。阀口会产生撞击和旋涡，因此液体流动时必然会产生阻力。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可用液体的压力损失来表示压力损失可以分为压力损失可以分为沿程压力损失沿程压力损失和和局部压力损失局部压力损失。2.4.1 2.4.1 沿程压力损失沿程压力损失 液体在等径直管中流动时，因黏性摩液体在等径直管中流动时，因黏性摩擦而产生的压力损失称为擦而产生的压力损失称为沿程压力损失沿程压力损失。液体的流动状态不同，所产生的沿程压液体的流动状态不同，所产生的沿程压力损失也不同。力损失也不同。1、管道中液体速度分布规律 由牛顿内摩擦定律 由液柱受力平衡沿程压力损失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。.2 2、管中液体的平均流速、管中液体的平均流速3 3、沿程压力损失、沿程压力损失 4 4、沿程压力损失系数、沿程压力损失系数：v对于层流对于层流 理论值理论值=64/Re=64/Re；金属管；金属管=75/Re;=75/Re;橡胶管橡胶管=80/Re=80/Rev对于紊流对于紊流 光滑管光滑管=0.3164Re=0.3164Re-0.25-0.25 粗糙管局粗糙管局ReRe和和/d/d从手册上查取从手册上查取2.4.2 2.4.2 局部压力损失局部压力损失液体流经管道的弯头、管接头、突变截面以及阀口、滤网液体流经管道的弯头、管接头、突变截面以及阀口、滤网等局部装置时，液流会产生旋涡，并发生强烈的紊动现象，等局部装置时，液流会产生旋涡，并发生强烈的紊动现象，由此而造成的压力损失称为由此而造成的压力损失称为局部压力损失局部压力损失。：局部阻力系数：局部阻力系数各种局部装置结构的值可查有关手册各种局部装置结构的值可查有关手册液体流过液体流过各种阀类各种阀类的局部压力损失亦可以用下列公式计算：的局部压力损失亦可以用下列公式计算：总压力损失总压力损失 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（通过所有阀、直管、弯管所产生的压力损失之和）+截面突然扩大时的局部压力损失截面突然扩大时的局部压力损失例例 2.72.72.5 2.5 液体流过小孔和缝隙的流量液体流过小孔和缝隙的流量 液压传动中常利用液体流经阀的小孔或缝隙来控制流液压传动中常利用液体流经阀的小孔或缝隙来控制流量和压力，以达到调速和调压的目的。量和压力，以达到调速和调压的目的。液压元件的泄漏也属于缝隙流动，因而研究小孔或缝液压元件的泄漏也属于缝隙流动，因而研究小孔或缝隙的流量计算，了解其影响因素，对于合理设计液压系统，隙的流量计算，了解其影响因素，对于合理设计液压系统，正确分析液压元件和系统的工作性能是很有必要的。正确分析液压元件和系统的工作性能是很有必要的。第五节第五节 液体流经小孔与缝隙流量液体流经小孔与缝隙流量 小孔：薄壁孔(l/d0.5);缝隙流量 细长孔(l/d4）短孔（0.5l/d4)1 1、薄壁孔、薄壁孔(l/d0.5)水平放置 h1=h2;管径变化大 v1 10 10 5 5时，可以认为是不变的常数，计算时按时，可以认为是不变的常数，计算时按Cq=0.600.61 0.600.61 选取；选取；不完全收缩不完全收缩(d(d1 1/d7)/d7)，C Cq q=0.70.8=0.70.8。薄壁小孔因沿程阻力损失小，薄壁小孔因沿程阻力损失小，q q 对油温变化不敏感，因对油温变化不敏感，因此多被用作调节流量的节流器此多被用作调节流量的节流器.3、短孔（0.54）液流经过细长孔的流量和孔前后压差成正比，和液体粘度成反比，流量受液体温度影响较大2.5.1 2.5.1 液体流过小孔的流量液体流过小孔的流量薄壁孔(l/d0.5)短孔（0.54）2.5.2 2.5.2 液体流过缝隙的流量液体流过缝隙的流量油液流过缝隙就会产生泄漏，这就是油液流过缝隙就会产生泄漏，这就是缝隙流量缝隙流量。由于缝隙通道狭窄，液流受壁面的影响较大，故缝隙液由于缝隙通道狭窄，液流受壁面的影响较大，故缝隙液流的流态均为流的流态均为层流层流。缝隙流动有两种状况：由缝隙两端的压力差造成的流动，称为压差流动；形成缝隙的两壁面作相对运动所造成的流动，称为剪切流动。这两种流动经常会同时存在。液体流过缝隙的流量公式液体流过缝隙的流量公式计算间隙的泄漏量比较复杂，有时不一定准确，在实计算间隙的泄漏量比较复杂，有时不一定准确，在实际工程中，通常用试验方法来测定泄漏量，并引入泄际工程中，通常用试验方法来测定泄漏量，并引入泄漏系数漏系数CtCt，在不考虑相对运动影响的情况下，通过各，在不考虑相对运动影响的情况下，通过各种间隙的泄漏量为：种间隙的泄漏量为：Ct t：由间隙形式决定的泄漏系数，一般由试验确定2.6 2.6 液压冲击和气穴现象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，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。或防止它们的发生。2.6.1 2.6.1 液压冲击液压冲击液压冲击液压冲击：在液压系统中，由于某种原因，系统中某处的压力在某一瞬间会突然急剧上升，形成很高的压力峰值。原因：原因：管道阀门突然关闭管道阀门突然关闭 运动部件快速制动运动部件快速制动后果：后果：损坏密封装置、管道或液压元件；损坏密封装置、管道或液压元件；引起设备振动，产生很大噪声；引起设备振动，产生很大噪声；有时会使某些液压元件如压力继电器、顺序阀等有时会使某些液压元件如压力继电器、顺序阀等 产生误动作，影响系统正常工作。产生误动作，影响系统正常工作。2.6.1 2.6.1 液压冲击液压冲击措施：措施：延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间；延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间；限制管道流速及运动部件速度；限制管道流速及运动部件速度；适当加大管道直径，尽量缩短管路长度；适当加大管道直径，尽量缩短管路长度；采用软管以增加系统的弹性。采用软管以增加系统的弹性。2.6.2 2.6.2 气穴现象气穴现象气穴现象：气穴现象：在液压系统中，如果某处的压力低于空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，导致液体中出现大量气泡。原因：原因：阀口阀口（通道狭窄，液流的速度增大，压力则大幅度下降）通道狭窄，液流的速度增大，压力则大幅度下降）液压泵的进口处液压泵的进口处（泵的安装高度过大，吸油管直径太小，泵的安装高度过大，吸油管直径太小，吸油阻力太大，或泵的转速过高，造成进口处真空度过大）吸油阻力太大，或泵的转速过高，造成进口处真空度过大）后果：后果：大量气泡造成流量和压力脉动；大量气泡造成流量和压力脉动；气泡破灭引起局部液压冲击，发出噪声并引起振动；气泡破灭引起局部液压冲击，发出噪声并引起振动；气蚀气蚀（气泡破灭时产生的局部高温和高压会使金属剥蚀）。（气泡破灭时产生的局部高温和高压会使金属剥蚀）。2.6.2 2.6.2 气穴现象气穴现象措施：措施：减小小孔或缝隙前后的压力降；减小小孔或缝隙前后的压力降；降低泵的吸油高度，适当加大吸油管内径，限制吸降低泵的吸油高度，适当加大吸油管内径，限制吸 油管内液体的流速，尽量减少吸油管路中的压力损油管内液体的流速，尽量减少吸油管路中的压力损 失，如及时清洗滤油器或更换滤芯等；失，如及时清洗滤油器或更换滤芯等；管路要有良好的密封，防止空气进入；管路要有良好的密封，防止空气进入；