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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,ysu2010,*,欢 迎 使 用,液压与气压传动,多媒体授课系统,燕 山 大 学,液压与气压传动,课程组,内容编辑：姚春东、高殿荣,设计制作：姚春东,ysu2010,第一章 液压传动基础知识,第一节 流体静力学,第二节 流体动力学,第三节 定常管流的压力损失计算,第四节 孔口和缝隙流动,第五节 空穴现象,ysu2010,第一节 流体静力学,液体静力学主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。,一、液体静压力及其特征,液体的压力,p,是指液体在单位面积上所受的作用力。设液体在面积,f,上所受的作用力为,P,，则有,两个主要特征：,（,1,）液体静压力的方向，总是沿着作用面的内法线方向；,（,2,）静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。,ysu2010,二、液体静压力基本方程,1.,静压力基本方程,图示容器中液面上的压力为大气压力,p,0,，液面下深度为,h,处的一点,B,的压力,p,B,为,p,B,A,=,p,0,A,+,g,h,A,即,p,B,=,p,0,+,g,h,由此可知：,（,1,）静止液体内任一处的压力由两部分组成，一部分是液面上的压力,p,0,，另一部分是,g,与该点离液面深度,h,的乘积。当液面上只受大气压力,p,a,作用时,，,点,B,处的静压力为,：,p,B,=,p,a,+,g,h,（,2,）同一容器中同一液体内的静压力随深度,h,的增加而线性增加。,h,B,p,B,p,0,p,0,A,g,h,A,p,B,A,（,3,）连通器内同一液体中深度,h,相同的各处压力都相等，由压力相等的点组成的面称为等压面。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。,ysu2010,2,、静压力基本方程式的物理意义,由,p,=,p,0,+,g,h,可得,h,=,（,p,-,p,0,）,/,g,静止液体中，,液体的能量可以用压力能,p,表示，也可以用液柱高,h,表示。,但各点的总能量保持不变。,例如：,1kg/cm,2,(,一个工程大气压,),相当于,10m,水柱高。,760mm,水银柱高。,ysu2010,三、压力的表示方法及单位,绝对压力,=,相对压力,+,大气压力,真空度,=,大气压力,-,绝对压力,压力的单位：帕斯卡,Pa,1 Pa=1 N/m,2,1,MPa,=10,6,Pa=10 kg/cm,2,(,工程大气压力,),四、帕斯卡原理,应用：水压机、,液压千斤顶,等。,相对压力（负）,真空度,绝对压力,相对压力,（正）,绝对压力,p,p,a,绝对真空,大气压力,p,a,P,p,a,绝对压力、相对压力和真空度,ysu2010,五、液体静压力,液体作用在固体壁面上的静压力,F,由下式计算：,F,=,p,A,A,=,D,2,/4 (,图,a),A,=,d,2,/4 (,图,b,c,),图,3,液压力作用在固体壁面上的力,ysu2010,第二节 液体动力学,本节主要讨论作用在流体上的力以及这些力和流体运动特征之间的关系。,一、基本概念,1.,理想液体、定常流动和一维流动,理想液体：既无粘性又不可压缩的液体。,定常流动（,稳定流动,）：是指流体中任意一点的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动。,若三者中有一项随时间而变化，就称为不稳定流动。,一维流动：是指流体中任意一点的压力、速度和密度都只随,x,而变化的流动。,ysu2010,2.,迹线、流线、流束和通流截面,流束：如果通过某截面,A,上所有各点画出流线，这些流线的集合构成流束。,流线：是某一瞬时液流中一条条标志其质点运动状态的曲线，在流线上各点处的瞬时液流方向与该点的切线方向重合。,c),通流截面,b),流管和流束,a),流线,ysu2010,3.,流量与平均流速,流量：单位时间内通过某截面的液体的体积（,m,3,/s,）或（,L/min,）,平均流速,v,=,q,/,A,二、连续性方程,质量守恒,u,1,dA,1,dt,=,u,2,dA,2,dt,密度,不变、,时间,dt,不变、则,流量相同。,用平均速度表示,q,=,v,1,A,1,=,v,2,A,2,=,vA,=,常数,A,1,dA,1,u,1,A,2,dA,2,u,2,ysu2010,V,1,q,3,A,1,A,2,V,2,物理意义,1,）速度可传递,2,）速度方向可改变,3,）速度大小可无级调节,ysu2010,三、伯努利方程,1.,理想液体的伯努利方程,物理意义：理想液体在实际流动过程中，其压力能、位能和动能可相互转化，但总能量不变。,2.,实际液体总流的伯努利方程：,实际液体是有粘性和可压缩的，它在运动时由于摩擦要损耗一部分能量，这部分能量损耗用损失水头,h,W,表示。,goto,ysu2010,第四节 定常管流的压力损失计算,实际液体具有粘性，在流动时就有阻力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失。液压系统中的压力损失分为两类，一类是油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，称之为沿程压力损失。这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。,另一类是油液流经局部障碍,(,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称之为局部压力损失。,ysu2010,一、流态、雷诺数,1,层流和紊流,流体在流动时，通过雷诺实验，可以看到下图所示的几种流动状态。在低速流动时，,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,，如图,a,所示，此种流动状态称为,层流,；,当流速大时，,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,，此种流动状态称为,紊流,，如图,d,所示；图,b,中色线开始折断，表明层流开始破坏，图,c,中色线上下波动，并出现断裂，表现液体流动已趋于,紊流,，此两种状态称为变流，一般也将其看成紊流。,ysu2010,层流时，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；但在紊流时，因液体流速较高，粘性的制约作用减弱，因而惯性力起主导作用。液体流动时究竟是层流还紊流，须用雷诺数来判别。,2,雷诺数,实验表明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速,v,有关，还和管径,、液体的运动粘度,有关，但是真正决定液流流动状态的是用这三个数所组成的一个称为雷诺数,Re,的无量纲数，即,液流由紊流转变为层流的雷诺数称为下临界雷诺数，一般都用下临界雷诺数作为判别液流状态的依据，简称临界雷诺数，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，常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得。,ysu2010,对于非圆截面管道来说，,Re,可用下式来计算,式中，,R,为通流截面的水力半径。它等于液流的有效截面积,A,和它的湿周,(,通流截面上与液体接触的固体壁面的周长,),x,之比，即,水力半径大小对管道通流能力影响很大。水力半径大，表明液流与管壁接触少，通流能力大；水力半径小，表明液流与管壁接触多，通流能力小，容易堵塞。,ysu2010,二、液体在直管道中的压力损失,液体在直管道中流动的压力损失称为沿程压力损失，它与管道的长度、内径和液体的流速、粘度以及液体的流动状态有关。,（一）液体在通流截面上的速度分布规律,积分得,ysu2010,边界条件,液体在通流截面上的速度分布规律为二次曲线,ysu2010,2,、圆管中的流量,ysu2010,3,、沿程压力损失,ysu2010,（二）紊流时的压力损失,视雷诺数大小取值不同,（三）局部压力损失,局部阻力损失系数，由弯管及阀门结构不同查表,。,（四）管路系统中的总压力损失与压力效率,ysu2010,第五节 孔口和缝隙流动,一、孔口液流特性,在液压系统的管路中，装有截面突然收缩的装置，称为节流装置,(,如节流阀,),。突然收缩处的流动叫节流。在液压传动及控制中常人为地制造各种形式的孔口节流装置来实现对流量和压力的控制。,1,薄壁小孔的流量公式,当小孔的通流长度与孔径之比,l,/,d,0,5,时称之为薄壁小孔，如图所示。,式中：,C,d,流量系数；,A,0,小孔过流面积，,A,0,=d,2,/4,；,p,为小孔前后压差。,流量系数,C,d,一般由实验确定。在液流完全收缩的情况下，,C,d,0.60,0.62,。当液流为不完全收缩时，,C,d,0.7,0.8,。,ysu2010,2.,液流流经细长孔和短孔的流量,液体流经细长小孔时，一般都是层流状态，所以可直接应用前面已导出的直管流量公式来计算，当孔口直径为,d,，截面积为,A,d,2,/4,时，可写成：,为了分析问题方便起见，将上面两式一并用下式表示，即：,式中：,m,为指数，当孔口为薄壁小孔时，,m,0.5,，当孔口为细长孔时，,m,1,K,为孔口的通流系数，当孔口为薄壁孔时，,K,C,d,(,2/,),0.5,；当孔口为细长孔时，,K,d,2,/,（,32,l,）,。,液流流经短孔的流量,仍可用薄壁小孔的流量计算式：,q,C,d,A,(2,p,/),m,，但其中的流量系数可在有关液压设计手册中查得。,0.5m,h,，,b,h,，液体不可压缩，质量力忽略不计，粘度不变。,在液体中取一个微元体,dx,dy,(,宽度方向取单位长,),，作用在它与液流相垂直的两个表面上的压力为,p,和,p,+,dp,，作用在与液流相平行的上下两个表面上的切应力为,和,+,d,，因此它的受力平衡方程为,ysu2010,1,、固定平行平板间隙流动,(,压差流动,),的漏失量,上、下两平板均固定不动，液体在间隙两端的压差的作用下而在间隙中流动，称为,压差流动,。其漏失量为,2,两平行平板有相对运动时的间隙流动,(1),两平行平板有相对运动速度,u,，但无压差 这种流动称为,纯剪切流动,。其漏失量公式为：,A,ysu2010,(2),两平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的流动,这是一种普遍情况，其速度和流量是以上两种情况的线性叠加，即,漏失量：,速度,:,当长平板相对于短平板的,运动方向,和,压差与流动,方向一致时，取“,+”,号,(,泵缸,),；反之取“,-”,号（液缸、马达）。,损失能量：,结论：,间隙,h,越小，泄漏功率损失也越小。但是,h,的减小会使液压元件中的摩擦功率损失增大，因而间隙,h,有一个使这两种功率损失之和达到最小的最佳值，并不是越小越好。,ysu2010,(,二,),圆柱环形间隙流动,当,h,/,r,1,时，可以将环形间隙间的流动近似地看作是平行平板间隙间的流动，只要将,b,d,代入平行平板间隙漏失量公式，就可得到这种情况下的流量，即：,液压元件中液压缸缸体与活塞之间的间隙，阀体与滑阀阀芯之间的间隙中的流动均属这种情况。,1,同心环形间隙在压差作用下的流动,当长圆柱表面相对短圆柱表面的运动方向与压差流动方向一致时取“,+”,号，反之取“,-”,号。,ysu2010,2,偏心环形间隙在压差作用下的流动,由此式可见完全偏心时,1,，即,最大偏心,e,h,0,时，其流量为同心时流量的,2.5,倍,，这说明了偏心对泄漏量的影响。,所以对液压元件的同心度应有适当要求。,液压元件中经常出现偏心环状的情况，例如油缸活塞与缸筒不同心时就形成了偏向环状间隙。下图表示了偏心环状间隙的简图。令,R,-,r,h,0,(,同心时半径间隙量,),，,e,/,h,0,(,相对偏心率,),，则有：,ysu2010,3,内外圆柱表面有相对运动且又存在压差的流动,式中等号右边第一项为压差流动的流量，第二项为纯剪切流动的泄漏，当长圆柱表面相对短圆柱表面的运动方向与压差流动方向一致时取“,+”,号，反之取“,-”,号。,ysu2010,第六节空穴现象,在液压系统中，由于某种原因会产生低气压，当压力低于液体的空气分离压时，液体中溶解的空气就会分离出来，以气泡的形式存在于液体中，使原来充满管道的液体出现了气体的空穴，这种现象