液压流体力学基础--课件

2.1 液压油2.2 流体静力学2.3 流体动力学2.4 管路中液体的压力损失2.5 液体流经孔口及缝隙的流量压力特性2.6 液压冲击及气穴现象第2章 液压流体力学基础1ppt课件2.1 液压油2.1.1 液压油的物理性质液体的密度作用：一般为矿物油，不仅是液压系统传递能量的工作介质，而且还起润滑、冷却和防锈的作用。定义：液体单位体积内的质量称为密度，通常用“”表示。公式：=m/V (Kg/m3)式中：m液体质量(Kg)；V液体体积（m3)。特性：液压油的密度随压力的增加而加大，随温度的升高而减小，一般情况下，由压力和温度引起的这种变化都较小，可将其近似地视为常数。2ppt课件2.1 液压油2.1.1 液压油的物理性质液体的粘性定义：液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力会阻碍分子间的相对运动而产生一种内摩擦力。这一特性称作液体的粘性。粘性的大小用粘度表示，粘性是液体重要的物理特性，也是选择液压油的主要依据。粘性使流动液体内部各液层间的速度不等。（如下图所示）3ppt课件2.1 液压油2.1.1 液压油的物理性质液体的粘性牛顿的液体内摩擦定律：液体流动时相邻液层间的内摩擦力F与液层间的接触面积A和液层间的相对运动速度du成正比，而与液层间的距离dy成反比。式中：比例常数，称为粘性系数或粘度；du/dy速度梯度。如以表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则:牛顿液体：在流体力学中，把粘性系数不随速度梯度变化而发生变化的液体称为牛顿液体，反之称为非牛顿液体。除高粘度或含有特殊添加剂的油液外，一般液压油均可视为牛顿液体。粘度是衡量流体粘性的指标：常用的粘度有动力粘度、运动粘度和相对粘度。4ppt课件2.1 液压油2.1.1 液压油的物理性质液体的粘性动力粘度：物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，液层间单位面积上产生的内摩擦力。动力粘度又称绝对粘度。运动粘度：动力粘度与液体密度 之比。（润滑油牌号选用标准）在SI(国际单位)中，动力粘度 的单位为 Pas（帕秒）或 Ns/m。在CGS（工程单位）中，的单位为 dyns/cm2，又称P（泊）。1Pas=10 P=103 cP（厘泊）。在SI中，运动粘度的单位为m2/s。在 CGS中，的单位为cm2/s，又称为 St（斯）。1m2/s=104 St=106cst（厘斯）。相对粘度Et：动力粘度与液体密度 之比。（测量使用）恩氏粘度用思氏粘度计的方法是：将200 ml温度为t(以为单位)的被测液体装入粘度计的容器，经其底部直径为 2.8 mm的小孔流出，测出液体流尽所需时间 tl，再测出 200 ml温度为20的蒸馏水在同一粘度计中流尽所需时间t2；这两个时间的比值即为被测液体在温度t下的恩氏粘度，即:恩氏粘度和运动粘度的换算关系式为：5ppt课件2.1 液压油2.1.1 液压油的物理性质液体的可压缩性定义：液体受压力作用而体积缩小的性质称为液体的可压缩性。式中：V0 液体的体积；p 液体压力变化量；V 液体体积减小量液体的可压缩性很小，在很多情况下可以忽略不计。但受压液体体积较大或进行液压系统动态分析时，必须考虑液体的可压缩性。常用液压油的压缩系数K=（57）10-10 mN。液压油的体积弹性模数为（1.41.9）109 Nm。体积压缩系数k：单位压力变化下的液体体积的相对变化量。体积弹性模数K：液体的压缩系数k的倒数。6ppt课件2.1 液压油2.1.1 液压油的物理性质粘度与压力的关系和粘温特性粘度与压力的关系：液体分子间的距离随压力增加而减小，内聚力增大，其粘度也随之增大。当压力不高且变化不大时，压力对粘度的影响较小，一般可忽略不计。当压力较高（大于107Pa）或压力变化较大时，需要考虑这种影响。粘温特性：度变化对液体的粘度影响较大，液体的温度升高其粘度下降。液体粘度随温度变化的性质称为粘温特性。7ppt课件2.1 液压油2.1.2 对液压油的要求合适的粘度和良好的粘温特性。一般液压系统用油粘度为:=（11.541.3）10-6m2s或（25.8）E50；润滑性能好；纯净度好，杂质少；对热、氧化、水解都有良好的稳定性，使用寿命长；对液压系统所用金属及密封件材料等有良好的相容性；抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝固点低。8ppt课件2.1 液压油2.1.3 液压油的选用液压系统通常采用矿物油，常用的有机械油、精密机床液压油、汽轮机油和变压器油等。品种的选择：一般根据液压系统的使用性能和工作环境等因素确定液压油的品种。粘度的选择：在确定油液粘度时主要应考虑系统工作压力、环境温度及工作部件的运动速度。当系统的工作压力、环境温度较高，工作部件运动速度较低时，为了减少泄漏，宜采用粘度较高的液压油。当系统工作压力、环境温度较低，而工作部件运动速度较高时，为了减少功率损失，宜采用粘度较低的液压油。当选购不到合适粘度的液压油时，可采用调和的方法得到满足粘度要求的调和油。9ppt课件2.2 流体静力学2.2.1液体静压力及其特性 作用于液体上的力分类：质量力作用于液体的所有质点上，如重力和惯性力等。液体的静压力垂直于其受压平面，且方向与该面的内法线方向一致。应力：单位面积上作用的表面力称为应力，它有切向应力和法向应力之分。静止液体的表面力只有法向力。表面力作用于液体的表面上，它是一种外力。压力：液体在单位面积上所受的内法线方向的法向力称为压力。液体中任意点的液体静压力的大小与其作用面的方向无关，各方向的大小都相等。因若不等，液体静止时又不能抵抗切力，它就会运动。液体静压力具有下列两个特性：ppNpTpNpNABC10ppt课件2.2 流体静力学2.2.2 液体静力学基本方程 静止液体内任意点的压力由两部分组成，即液面外压力 p0和液体自重对该点的压力 gh。静止液体内的压力随液体的深度呈线性规律分布。左图分析得液体静力学的基本方程：式中：p0作用在液面上的压力；液体密度。结论：在重力作用下静止液体的等压面是一个水平面。A Ap pd d A Ap p0 0d dA Ap p0 0(a)(a)(b)(b)11ppt课件2.2 流体静力学2.2.3 压力的表示方法及单位1at（工程大气压）=1kgcm2=9.8 104 Nm105 Pa=0.1Mpa定义：单位：Nm，称为帕斯卡，用 Pa表示 绝对压力：以绝对真空为基准来进行度量。相对压力：以大气压p0为基准进行度量。真空度：绝对压力小于大气压力的数值 三者关系：绝对压力=相对压力+大气压力真空度=大气压力绝对压力 12ppt课件2.2 流体静力学2.2.4 静压传递原理 静压传递原理或帕斯卡原理：在密封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。在液压传动系统应用中认为静止液体内部各点的压力处处相等。原因：外力产生的压力要比液体自重（gh）所产生的压力大得多。因此可把式 中的 gh项略去。13ppt课件2.2 流体静力学2.2.5 液体对固体壁面的作用力在液压传动中，略去液体自重产生的压力，液体中各点的静压力是均匀分布的，且垂直作用于受压表面。当承压面为平面时：如压力油作用在直径为D的柱塞上，则有：当承压面为曲面时：（如右图所示）14ppt课件2.3 流体动力学2.3.1 基本概念理想液体：是一种假想的无粘性、不可压缩的液体，而把实际上既有粘性又可压缩的液体称为实际液体。恒定流动：液体流动时，液体中任意点处的压力、流速和密度都不随时间而变化，称为恒定流动；反之，称为非恒定流动。理想液体和恒定流动：15ppt课件2.3 流体动力学2.3.1 基本概念流线：表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线。（右上图所示）特点：流线既不相交，也不转折，是一条光滑曲线。流束：表示通过某截面A上所有各点作出流线的集合。（右上图所示）特点：流束内外的流线不能穿越流束表面。通流截面：流束中与所有流线正交的截面。（右下图所示）特点：该截面上每点处的流束都垂直于此面。流线、流速和通流截面：16ppt课件2.3 流体动力学2.3.1 基本概念流量：单位时间内流过通流截面的液体的体积称为流量，用q表示，m3s。平均流速：假设通流截面上流速均匀分布，称为平均流速，用表示，ms 。流量与平均流速：描述液体流动的两个主要参数微小流束流过该通流截面流量：流过整个通流截面的流量：公式推导：在液压传动中的应用：液压缸的有效面积A是一定的，活塞的运动速度由进入液压缸的流量q决定。17ppt课件2.3 流体动力学2.3.2 连续性方程在dt时间内流过两个微小通流截面的液体质量应相等。即：液体流动的质量守恒定律：液体在密封管道内作恒定流动时，设液体不可压缩，则单位时间内流过任意截面的质量相等。连续方程推导：结论：液体流过流管不同截面的流量是不变的。当流量一定时，通流截面上的平均速度与其截面积成反比。18ppt课件2.3 流体动力学2.3.3 伯努利方程理想液体的伯努利方程：上式左端各项依次为单位重量液体的压力能、位能和动能，或称比压能、比位能和比动能。同一流束在各截面上：（c为常数）结论：理想液体作恒定流动时，在同一流束内任意截面上的三种能量的总和等于常数，且三种能量之间可以互相转换。z z2 2z z1 11 12 2p p1 1p p2 2A A1 1A A2 219ppt课件2.3 流体动力学2.3.3 伯努利方程实际液体的伯努利程：a因流速不均匀引起的动能修正系数。应用条件：不可压缩液体作恒定流动；液体所受质量力仅为重力，且液流在所取计算点处的通流截面上为缓变流动。hw 两断面间流动的液体单位重量的能量损失。在液压系统中的应用：油液流速引起的动能变化和高度引起的位能变化相对压力能来说可略而不计，于是伯努利方程可简化为：p1-p2=p=ghw。结论：在液压传动系统中，能量损失主要为压力损失p，表明液压传动是利用液体的压力能来工作的，即静压传动。20ppt课件2.3 流体动力学2.3.4 动量方程动量定律：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，即：液体对壁面作用力的大小与F相同，但方向则与F相反。恒定流动液体的动量方程：1 12 2A A1 1A A2 221ppt课件2.4 管路中流体的压力损失 2.4.1 液体的流动状态层流：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。特点：液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用。临界雷诺数Rec：液流由紊流转变为层流的雷诺数。液流状态判别：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外，还存在着剧烈的横向运动。特点：液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主要作用。雷诺数：ReRec时，液流为层流Re Rec时，液流为紊流22ppt课件2.4 管路中流体的压力损失 2.4.2 沿程压力损失流速分布规律：当r0时，即圆管轴线上，流速最大。泊肃叶公式：圆管层流的流量：式中：d圆管直径；l圆管长度。当rR时，即圆管内表面上，流速为零。23ppt课件2.4 管路中流体的压力损失 2.4.2 沿程压力损失圆管沿程压力损失pf：圆管紊流的压力损失：适用：用于层流和紊流状态的沿程压力损失计算，只是取值不同。将q=R2 ，=代人上式并化简得:式中：沿程阻力系数。根据Re的取值范围，值可用下列经验公式计算：（105Re4000）（Re3106 或 Re900 ）（3x106Re105）取值参考：铸铁管取0.25 mm，无缝钢管取 0.04 mm，冷拔铜管取 0.00150.01 mm，铝管取 0.00150.06 mm，橡胶软管取 0.03mm。24ppt课件2.4 管路中流体的压力损失 2.4.3 动量方程局部压力损失定义：液体流经阀口、弯管及突然变化的截面时，产生的能量损失。式中：qn公称流量 pn公称流量qn下的压力损失（可查）流经阀的局部压力损失：计算公式：式中：局部阻力系数（由实验确定，具体数据可查阅有关手册）；平均流速（一般指局部阻力区域下游的流速）。25ppt课件2.4 管路中流体的压力损失 2.4.4 管路系统的总压力损失定义：管路系统的总压力损失等于所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和。结论：减少流速、缩短管路长度、减少管路截面的突变，提高管壁加工质量等，都可以使压力损失减少，特别是流速的影响最大。计算公式：应用：在液压传动系统中，管路的流速不应过高。但流速过低，又会使管路及阀类元件的尺寸加大，造成成本增高，有时在结构上也不允许。26ppt课件2.5 液体流经孔口及缝隙的流量压力特性 2.5.1 小孔流量压力特性薄壁小孔流量压力特性：薄壁小孔定义：指孔的长度l与其直径d之比ld0.5，一般带有刃口边沿的孔。液体流经薄壁小孔的情形下图所示：据图列伯努利方程为:式中pw=ghw上式代入式（2.5.1）中，并令pp1p2求得液体流经薄壁小孔的平均速度V2为：（2.5.1）（2.5.2）令为小孔流速系数，则流经小孔的流量为:（2.5.3）式中：Cq流量系数，CqCcCv 在液流完全收缩的情况下，当Re10时，Cq可按下式计算：当 Re 105 时，Cq可视为常数，取值为 Cq=0.600.62。薄壁小孔的流量与小孔前后压差的 12次方成正比，且薄壁小孔的沿程阻力损失非常小，流量受粘度影响小，对油温变化不敏感，且不易堵塞，故常用作液压系统的节流器。27ppt课件2.5 液体流经孔口及缝隙的流量压力特性 2.5.1 小孔流量压力特性短孔和细长孔的流量压力特性：定义：一般指小孔的长径比 ld4时为短孔，而 ld4时为细长孔。短孔的流量压力特性公式：流量系数应由右图查出。短孔加工比薄壁小孔容易，故常作为固定的节流器使用。细长孔的流量压力特性公式：式中：A细长孔截面积，A=d2/4；C系数，Cd2(32l)液体流经细长孔的流量q与其前后压力差p的一次方成正比。且系数C与粘度有关，流量q受液体粘度变化的影响较大，故当温度变化而引起液体粘度变化时，流经细长孔的流量也发生变化。另外，细长孔较易堵塞。1101001000100000.10.20.40.71.0Cqp1p2l0.81628ppt课件2.5 液体流经孔口及缝隙的流量压力特性 2.5.2 液体流经缝隙的流量压力特性液体流经平行平板缝隙的流量压力特性：固定平行平板缝隙：液体流经固定平行平板缝隙的流量为：相对运动平行平板缝隙：结论：液体流经两固定平行平板缝隙的流量与缝隙的三次方成正比。这说明液压元件的间隙对泄漏的影响很大。剪切流动液体流经相对运动平行平板缝隙的流量为：在压差作用下，液体流经相对运动平行平板缝隙的流量应为压差流动和剪切流动两种流量的叠加，即:注：上式中，平板运动速度与压差作用下液体流向相同时取“”号，反之取“”号。lp1p229ppt课件2.5 液体流经孔口及缝隙的流量压力特性 2.5.2 液体流经缝隙的流量压力特性液体流经环形缝隙的流量压力特性：右图如内外环的相对运动速度为，则通过该缝隙的流量为：右图如内外环间无相对运动，即没有剪切流动时，则通过该缝隙的流量为：当两圆环同心e=0时，=0，可得到同心环形缝隙的流量公式；当e1时，可得到完全偏心时的缝隙流量公式。应用：偏心愈大，泄漏量也愈大，完全偏心时的泄漏量为同心时的2.5倍，故在液压元件中柱塞式阀芯上都开有平衡槽，使其在工作时靠液压力自动对中，以保持同心，减少泄漏。式中：D2R，为大圆直径 d 2r，为小圆直径 ，为无偏心时环形缝隙值dee=eo1o230ppt课件2.6 液体冲击及气穴2.6.1 液体冲击产生原因：在液压系统工作过程中，管路中流动的液体往往会因执行部件换向或阀门关闭而突然停止运动。由于液流和运动部件的惯性，在系统内会产生很大的瞬时压力峰值，这种现象叫做液压冲击。液压冲击会引起振动和噪声。其压力峰值可超过工作压力的几倍；有时使某些液压元件，如压力继电器、顺序阀等产生错误动作而影响系统正常工作，甚至可能使某些液压元件、密封装置和管路损坏。危害：31ppt课件2.6 液体冲击及气穴2.6.2 气穴现象产生原因：在液压传动中，液压油总是溶有一定量的空气。如果某一处的压力低于空气分离压力时，溶解于油中的空气就会从油中分离出来形成气泡，当压力降至油液的饱和蒸汽压力以下时，油液就会沸腾而产生大量气泡。这些气泡混杂在油液中，使得原来充满导管和元件容腔中的油液成为不连续状态，这种现象称为气穴现象。易产生气穴的区域：泵的吸油口及吸油管路中，节流口等狭小缝隙处。气穴的危害：引起局部液压冲击，压力和温度都急剧升高，产生强烈的噪声和振动，产生气蚀。气蚀：在气泡凝结区域的管壁及其他液压元件表面，因长期受冲击压力和高温作用，以及从油液中游离出来的空气中的氧气的酸化作用，使零件表面受到腐蚀，这种因气穴现象而产生的零件腐蚀，称为气蚀。采取措施：在液压元件和液压系统设计时，对于液压泵来说，要正确设计泵的结构参数和泵的吸油管路。对于元件和系统管路，应尽量避免油道狭窄处或急剧转弯，以防止产生低压区。另外，应合理选择液压元件的材料，增加零件的机械强度，提高零件表面质量等，以提高抗腐蚀能力。32ppt课件