第2章液壓流體力學(xué)

1、第二章 液壓流體力學(xué)2 . 1 油液的主要物理性質(zhì)石油型機(jī)械油汽輪機(jī)油液壓油難燃型水-乙二醇液磷酸酯液水包油油包水乳化液合成型一、種類二、 液壓油主要物理性質(zhì)液壓油主要物理性質(zhì)1.1.密度密度 均質(zhì)液體中單位體積所具有的質(zhì)量: 其中： m-液體的質(zhì)量； V -液體的體積 液體的密度隨溫度和壓力的變化而變化，但影響很小，可以忽略。 液壓油計算時取 = 900kg/m3 Vm2.粘性粘性 (1)(1)粘性的定義粘性的定義 液體在外力作用下流動（或有流動趨勢）時，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子相對運(yùn)動而產(chǎn)生的一種內(nèi)摩檫力，它使液體各層間的運(yùn)動速度不等，這種現(xiàn)象叫做液體的粘性。 靜止液體不呈現(xiàn)粘性粘性示意圖

2、n下板固定n上板以u0運(yùn)動nA點(diǎn)：u = 0 B點(diǎn)：u = u0n兩板之間液流速度逐漸減小（2 2）牛頓內(nèi)摩擦定律）牛頓內(nèi)摩擦定律A AB B式中： Ff 液體流動時，相鄰液體層間的內(nèi)摩擦力 粘性系數(shù)，與液體的種類和溫度有關(guān) A 液層接觸面積 du /dy速度梯度dyduAFf兩液層的速度差兩液層間的距離靜止液體 du0 不呈現(xiàn)粘性 牛頓內(nèi)摩擦定律dyduAFf切應(yīng)力:(3)(3)粘度粘度三種表示方法：2) 運(yùn)動粘度 單位：Pa.S（帕秒）單位：m2/sdyduAFf1) 動力粘度3) 條件(相對)粘度 (4) (4) 粘度與壓力的關(guān)系粘度與壓力的關(guān)系 壓力對粘度的影響不大，一般情況下，特別是

3、壓力較低時，可不考慮。(5) 粘度與溫度的關(guān)系粘度與溫度的關(guān)系 影響： 大，阻力大，能耗 小，油變稀，泄漏 限制油溫：T，加冷卻器 T，加熱器T p 粘溫圖3.3.可壓縮性可壓縮性 在溫度不變條件下，液壓油的體積將隨壓力的增高而減小的性質(zhì)。 （1）體積壓縮系數(shù) :即單位壓力變化下的體積相對變化量01VVp體積變化初始體積壓力變化 油的可壓縮性很小，可以忽略，認(rèn)為液體是不可壓縮的。（2）體積彈性模量）體積彈性模量K (體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)) V0一定，在同樣p下， K 越大, V 越小 說明K 越大，液體的抗壓能力越強(qiáng) 礦物油 K = (1.42.0)10 9 N/m 2 鋼 K = 2.06 1

4、0 11 N/m 2 油 K = (1.41.9)10 9 N/m 2VpVK014.其他性質(zhì)穩(wěn)定性 (熱、氧化、水解、剪切）抗泡沫性防銹性相容性（金屬、密封、涂料） 通過添加劑控制三、對液壓油的要求1.凝點(diǎn)低,閃點(diǎn)、燃點(diǎn)高2.合適的粘度，粘溫性好3.潤滑性能好,雜質(zhì)少4.對熱,氧氣穩(wěn)定性好5.抗泡性好、防銹性好6.相容性好7.無公害、成本低四、 液壓油液的選擇和使用1.1.液壓油液的選擇液壓油液的選擇（1）優(yōu)先考慮粘性 =11.5 41.3 cSt 即 20、30、40號機(jī)械油（2）按工作壓力 p 高，選大； p 低，選?。?）按環(huán)境溫度 T 高，選大； T 低，選小（4）按運(yùn)動速度 v 高

5、，選?。?v 低，選大（5）其他 環(huán)境 （污染、抗燃） 經(jīng)濟(jì)（價格、使用壽命） 特殊要求（精密機(jī)床、野外工作的工程機(jī)械）2.2.正確的使用液壓油正確的使用液壓油（1）控制油溫（2）防止污染（3）定期抽檢、定期更換（4）油箱儲油充分（5）確保密封五、 液壓介質(zhì)的污染與控制1.液壓系統(tǒng)中多數(shù)故障與液壓介質(zhì)受污染有關(guān)2.污染源： 1、液壓管道及液壓元件的污物 2、環(huán)境（空氣中雜質(zhì)） 3、元件磨損和元件老化 4、液壓油本身污染作業(yè)1. 液壓傳動的工作原理及其系統(tǒng)組成。2.已知圖中小活塞的面積A110cm 2，大活塞的面積A2=100cm2，管道的截面積A32cm2。試計算； (1)若使W10104N的

6、重物抬起，應(yīng)在小活塞上施加的力F? (2)當(dāng)小活塞以v11m/min的速度向下移動時，求大活塞上升的速度v2，管道中液體的流速v3。3. 論述液壓傳動在汽車上的具體應(yīng)用，闡述工作原理（報告發(fā)郵箱）。作業(yè)作業(yè)液壓技術(shù)在汽車上的應(yīng)用液壓技術(shù)在汽車上的應(yīng)用 自動變速器液壓控制系統(tǒng)自動變速器液壓控制系統(tǒng) 汽車液壓懸架系統(tǒng)汽車液壓懸架系統(tǒng) 汽車液壓制動系統(tǒng)汽車液壓制動系統(tǒng) 電子液壓制動系統(tǒng)電子液壓制動系統(tǒng) 汽車液壓減震系統(tǒng)汽車液壓減震系統(tǒng) 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 汽車汽車EPS(Electrical Power Steering)EPS(Electrical Power Steering)液壓系統(tǒng)液壓

7、系統(tǒng)2 . 1 流體的靜力學(xué)靜止液體：液體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)間無相對運(yùn)動、不呈現(xiàn)黏 性的液體 流體靜力學(xué)是研究平衡流體流體靜力學(xué)是研究平衡流體（包括：流體對地球無相對運(yùn)動和流體對運(yùn)動容器無相對運(yùn)動）的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用。 由于平衡流體之間無相對運(yùn)動，流體的粘性不起作用。所以，流體靜力學(xué)中所得出的結(jié)論，對于理想流體和粘性流體都適用。理論不需要實(shí)驗(yàn)修正。一、靜壓力及其性質(zhì)按作用方式，平衡流體上的作用力有： 1.靜壓力的定義 。表面力按其作用方向可分為兩種：沿表面內(nèi)法線方向沿表面內(nèi)法線方向的壓力、沿表面切向的摩擦力的壓力、沿表面切向的摩擦力。 對于處于平衡狀態(tài)的流體，切向摩擦力為零，只有沿受壓面

8、內(nèi)法線方向的流體靜壓力。)(lim0PadAdFAFpA靜壓力（簡稱壓力）：指液體處于相對靜止時，單位面積上所受的法向力。 如果法向力均勻地作用在面積上，壓力表示為： 由流體的特性知，流體在平衡狀態(tài)時只要有切應(yīng)力作用，流體就會變形，引起流體質(zhì)點(diǎn)間的相對運(yùn)動，破壞流體的平衡。流體還不能承受拉力。所以，流體在平衡狀態(tài)下只能承受垂直并指向作用面的壓力二、液體靜力學(xué)基本方程二、液體靜力學(xué)基本方程 重力場中連續(xù)、均質(zhì)、不可壓縮流體的靜壓強(qiáng)基本方程式：ghpzzgpp000)(流體靜壓強(qiáng)基本方程式表明：（1）靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)處的壓力為液面壓力和液柱重力所產(chǎn)生的壓力之和。（2）靜止液體內(nèi)的壓力隨著深度h呈直

9、線規(guī)律分布。（3）深度相同處各點(diǎn)的壓力都相等。等壓面：壓力相同點(diǎn)組成的面叫作等壓面在重力作用下靜止液體中的等壓面是水平面水平面。真空度真空度:當(dāng)壓力比當(dāng)?shù)卮髿鈮旱蜁r，流體壓力與當(dāng)?shù)卮髿鈮旱牟钪捣Q為真空度。三、壓力的表示方法及單位三、壓力的表示方法及單位以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽橛嬎銟?biāo)準(zhǔn)表示的壓力。也稱為計示壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)也稱為計示壓強(qiáng)、表壓強(qiáng)( (壓力表壓力表) )相對壓力：相對壓力：ghp絕對壓力：絕對壓力：ghppa以絕對真空為起點(diǎn)表示的壓力。1. 1. 壓力的表示方法壓力的表示方法p絕對壓強(qiáng)表壓強(qiáng)真空度ppappa 時：絕對壓強(qiáng)絕對壓強(qiáng)= =當(dāng)?shù)卮髿鈮寒?dāng)?shù)卮髿鈮? -真空度真空度真空度真空度= =當(dāng)?shù)?/p>

10、大氣壓當(dāng)?shù)卮髿鈮? -絕對壓力絕對壓力當(dāng)ppa 時：n2 2、 靜壓強(qiáng)的計量單位靜壓強(qiáng)的計量單位（1）壓力單位：壓力單位：Pa（N/m2）、bar 、MPa 1 bar=101 bar=105 5 PaPa0.1 Mpa0.1 Mpa 1Mpa = 101Mpa = 106 6 PaPa （2）液柱高單位：液柱高單位：測壓計常以水或水銀作為工作介質(zhì)，壓力常 以水柱高度（mH2O），或毫米汞柱（mmHg）表示。（3）大氣壓單位：大氣壓單位：以1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（1 atm）為單位表示。1 1 atmatm =1.013 =1.013* *10105 5PaPa=10.33 mH=10.33 mH2 2

11、O O =760 mmHg1bar0.1MPa =760 mmHg1bar0.1MPan3 3、靜止容器內(nèi)任一點(diǎn)壓力 n例題例題2-12-1 液壓系統(tǒng)中,液體自重形成的壓力相對很小，可以忽略不計四、靜止液體內(nèi)壓力的傳遞-帕斯卡原理 在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以相等的數(shù)值傳遞到液體各點(diǎn)，這就是靜壓傳遞原理，即帕斯卡原理。P = F/A液體壓力取決于外負(fù)載應(yīng)用: 例題2-2n五、靜壓力對固體壁面的總作用力1.1.固體壁面為平面時：固體壁面為平面時： 作用在平面上壓力的方向互相平行，總作用力F等于靜壓力p與承壓面積A的乘積。即：FpA2.2.固體壁面為曲面時固體壁面為曲面時 積分后得 ：

12、總作用力F為： 當(dāng)承壓面積為曲面時，作用在曲面上的壓力的方向均垂直于曲面。這時可將曲面分成若干微小面積dA，作用在微小面積上的力為： dFpdA 將dF分解為x、y兩個方向的力，即： dFxpdAsinpdAx dFypdAcospdAy結(jié)論：結(jié)論： 靜壓力作用在曲面上的力在某一方向上的分力等于壓力與曲面在該方向投影面積的乘積。一、基本概念基本概念1.理想液體和實(shí)際液體理想液體：理想液體：既無粘性，又無壓縮性的假想液體。實(shí)際液體：實(shí)際液體：既有粘性，又有壓縮性的真實(shí)液體。2. 定常流動和非定常流動定常流動：定常流動：液體的運(yùn)動參數(shù)只隨位置變化，與時 間無關(guān)。也稱恒定流動。非定常流動：非定常流動

13、：液體的運(yùn)動參數(shù)不僅隨位置變化，而且與時間有關(guān)。也稱非恒定流動。3.一維流動 二維流動 三維流動 一維流動：液體整個地作線形流動。2.2 2.2 流體動力學(xué)流體動力學(xué)舉例：4. 流線、流束、過流截面流線、流束、過流截面流線：流線：某一瞬時液流中標(biāo)志其各處質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動狀態(tài)的曲線，在流線上各點(diǎn)的瞬時速度方向與該點(diǎn)的切線方向重合。流線的性質(zhì)：流線的性質(zhì)：l穩(wěn)定流動時，流線形狀不隨時間變化。l流線不能相交，也不能轉(zhuǎn)折。l流線是連續(xù)光滑的曲線。通流截面：通流截面：流束中與所有流線正交的截面。 流線彼此平行的流動稱為平行流動； 流線間的夾角很小，或流線的曲率半徑很大的流 動稱為緩變流動緩變流動（相反情況便是急

14、變流動）。 前兩者的通流截面均認(rèn)為是平面，急變流動的過流截面是曲面。流束：流束：面積A上所有各點(diǎn)的流線的集合。 流束內(nèi)外流線均不能穿越流束表面。 面積A無限小時的流束，稱為微小流束微小流束。5.流量和平均流速流量和平均流速流量：流量：單位時間內(nèi)通過流束過流截面的液體體積。平均流速：平均流速：流量與通流截面之比。vAq AudAqAqAudAvA面積一定，負(fù)載運(yùn)動速度決定于流量單位時間內(nèi)流入控制體積的質(zhì)量單位時間內(nèi)流入控制體積的質(zhì)量 ： 單位時間內(nèi)流出控制體積的質(zhì)量單位時間內(nèi)流出控制體積的質(zhì)量 ：二、液體流動的連續(xù)性方程液體流動的連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒規(guī)律在流體力學(xué)中的表現(xiàn)。連續(xù)性方程是

15、質(zhì)量守恒規(guī)律在流體力學(xué)中的表現(xiàn)。設(shè)：不可壓縮流體在非斷面管中作定常流動。對于穩(wěn)定流動，不可壓縮液體，對于穩(wěn)定流動，不可壓縮液體，為常數(shù)：為常數(shù)： 過流斷面1和2的面積分別為A1和A2，平均流速分別為V1和V2，11111AvQQm122222AvQQm2constAvAvQ2211在恒定流動中，流過各截面的不可壓縮液體的流量是相等的，而且液體的平均流速與管道的過流截面積成反比。constAvAvQ2211說明：說明： 在一維流動的情況下， 根據(jù)牛頓第二定律，有： 三、液體流動的伯努利方程液體流動的伯努利方程1. 理想液體一元定常流動的運(yùn)動微分方程理想液體一元定常流動的運(yùn)動微分方程伯努利方程是能

16、量守恒定律在流體力學(xué)中的表示伯努利方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的表示tsfu,)( tusuudsdAgdsdAdsdAspmaF得由dsdzcosdttudssudu0tu 整理得理想液體一元定常流動的運(yùn)動微分方運(yùn)動微分方程程，也叫歐拉方程歐拉方程。01ududpgdz將歐拉方程兩邊同乘以ds，并從截面1積分到截面2兩邊同除以g，移項(xiàng)整理得2.理想液體的伯努利方程理想液體的伯努利方程對于穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動， 故上式變?yōu)槔硐胍后w微小流束理想液體微小流束的伯努利方程。Z:Z:單位重量液體所具有的位能，稱為比位能單位重量液體所具有的位能，稱為比位能( (位置水頭位置水頭) )。P/P/ g g :

17、 :單位重量液體所具有的壓力能，稱為比壓能（壓單位重量液體所具有的壓力能，稱為比壓能（壓力水頭）。力水頭）。u2/2g:u2/2g:單位重量液體所具有的動能，稱為比動能（速度單位重量液體所具有的動能，稱為比動能（速度水頭）。水頭）。Z+ P/Z+ P/ g g + u2/2g : + u2/2g :單位重量液體所具有的總能量，稱為單位重量液體所具有的總能量，稱為總比能（總水頭）?？偙饶埽偹^）。方程的物理（能量）意義物理（能量）意義：能量意義：能量意義：管內(nèi)作定常流動定常流動的理想液體理想液體，在任意截面上，液體的總比能保持不變，但比位能、比壓能、比動能可以相互轉(zhuǎn)換。 -單位重量實(shí)際液體在微

18、小流束中從截面1流到截面2，因粘性而損耗的能量。例題2-33. 實(shí)際液體流速的伯努利方程實(shí)際液體流速的伯努利方程泵從油箱吸油，泵的輸出流量Q25L/min ，吸油管直徑d30mm，設(shè)濾網(wǎng)及管道內(nèi)總的壓降為0.03MPa，油液的密度880kg/m3，要保證泵的進(jìn)口真空度不大于0.0336MPa，試求泵的安裝高度？作業(yè)作業(yè)1：學(xué)號：學(xué)號-姓名姓名-2H1動量定律指出：作用在物體上的力的大小等于物體在力作用方向上的動量變化率，即四、四、動量方程動量方程 由于液體做定常流動，控制體積內(nèi)在dt時間內(nèi)控制體積中液體質(zhì)量的動量變化，為兩微小單元II-II1和I-I1液體的動量之差，而在I1-II1之間所圍液

19、體的動量沒有變化。IIIIIIIIIvmvmmvd11IvIIvdtvqdtvqIvIIvvqvqdtmvdF用平均流速代替實(shí)際流速。動量修正系數(shù)動量修正系數(shù)平均動量/實(shí)際動量，即 層流時層流時4/34/3，紊流時，紊流時1 1。IvIIvvqvqdtmvdFIIIvvvqdtmvdF12注：液體對壁面作用力的大小與注：液體對壁面作用力的大小與F F相同，但方向與相同，但方向與F F相反。相反。IxIIxvxvvqF12IyIIyvyvvqF12IzIIzvzvvqF12例題2-4一一、壓力損失：、壓力損失：n使液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢?dǎo)致系統(tǒng)溫度升高；n使系統(tǒng)功率損失，需額外考慮壓力損失，重新計算

20、動力元件輸出功率。n壓力損失與液體的流態(tài)有關(guān)2.3 2.3 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失1雷諾實(shí)驗(yàn)2.3 2.3 液體流動時的壓力損失液體流動時的壓力損失一、液體的流態(tài)液體的流態(tài)2流態(tài)流態(tài) 液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，流動呈線性或?qū)訝?，平液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，流動呈線性或?qū)訝睿叫杏诠艿垒S線，沒有橫向運(yùn)動。行于管道軸線，沒有橫向運(yùn)動。 液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動雜亂無章，除沿管道軸線運(yùn)液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動雜亂無章，除沿管道軸線運(yùn)動外，還有劇烈的橫向運(yùn)動。動外，還有劇烈的橫向運(yùn)動。層流層流： 紊流紊流： 3 3雷諾數(shù)雷諾數(shù)：液流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯睦字Z數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)Rer ，光滑的金屬圓管， Rer2320 Re

21、Rer 紊流紊流DH通流截面的水力直徑水力直徑，A通流截面積， 濕周此公式同樣適合圓形界面HHevDvDR4非圓形截面的管道的雷諾數(shù)非圓形截面的管道的雷諾數(shù)ADH4液壓油在光滑的鋼管中流動，運(yùn)動粘度液壓油在光滑的鋼管中流動，運(yùn)動粘度303010106 6 m2 2/s，鋼管內(nèi)徑，鋼管內(nèi)徑d20mm，臨界雷，臨界雷諾數(shù)諾數(shù)Re2000，求流態(tài)變?yōu)橥牧鲿r管內(nèi)液流，求流態(tài)變?yōu)橥牧鲿r管內(nèi)液流的流量？的流量？作業(yè)作業(yè): 學(xué)號學(xué)號-姓名姓名-2H21通流截面上流速的分布規(guī)律 管內(nèi)流速在半徑方向上按拋物線規(guī)律分布，最大流速umax發(fā)生在軸心上二、直管中的層流pld162max2流量流量3平均流速平均流速pl

22、dplRrdruqR12882404pldAQv 322max21uv pldplRrdruQR 12882404232dlvp沿程壓力損失沿程壓力損失：液體在等徑直管中流動時，因摩擦而產(chǎn)液體在等徑直管中流動時，因摩擦而產(chǎn) 生的損失。生的損失。局部壓力損失：局部壓力損失：由于管道的截面突然變化，液流方向改由于管道的截面突然變化，液流方向改 變或其它形式的液流阻力而引起的損失。變或其它形式的液流阻力而引起的損失。1 1沿程壓力損失沿程壓力損失 沿程阻力系數(shù)沿程阻力系數(shù)22vdlpl 四、壓力損失四、壓力損失沿程阻力系數(shù)的確定（與流態(tài)等因素有關(guān)）沿程阻力系數(shù)的確定（與流態(tài)等因素有關(guān)） 層流時理論值

23、，層流時理論值，64/Re；n層流時液壓油在金屬管道中流動，層流時液壓油在金屬管道中流動，75/Re；n紊流時，紊流時， f（Re，/d)/d) 3000 Re 105，0.3164Re-0.25。2 2局部壓力損失局部壓力損失 局部阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)測定。局部阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)測定。)(22Vnvnqqpvp1. 比較同樣比較同樣周長條件周長條件下圓形和正方形截面沿程下圓形和正方形截面沿程壓力損失大小壓力損失大小2. 同樣同樣面積條件面積條件下圓形和正方形截面沿程壓力下圓形和正方形截面沿程壓力損失大小損失大小3. 比較同樣比較同樣周長條件周長條件下半圓形和正方形截面沿下半圓形和正方形截面

24、沿程壓力損失大小程壓力損失大小4. 比較同樣比較同樣面積條件面積條件下半圓形和正方形截面沿下半圓形和正方形截面沿程壓力損失大小程壓力損失大小作業(yè)作業(yè): 學(xué)號學(xué)號-姓名姓名-2H3五、管路總能量損失2222vvdlppp 管道中壓力損失將導(dǎo)致：管道中壓力損失將導(dǎo)致： 傳動效率降低傳動效率降低 油溫升高油溫升高 泄露增加泄露增加措施：措施： 例題例題2-52-5 縮短管道長度縮短管道長度 避免不必要彎頭避免不必要彎頭 限制流速限制流速1薄壁小孔薄壁小孔：薄壁小孔：小孔的長度L和小孔直徑d之比L/d0.5的孔。流經(jīng)薄壁小孔的流量為： pACQq 221pKAq2.5 孔口及縫隙流動孔口及縫隙流動一、孔口液流特性l/d: 薄壁小孔 0.5 短孔 4 4L/d 4的孔。的孔。通?？梢詫懗赏ǔ？梢詫懗? :比較比較( (1)1)薄壁小孔常作為節(jié)流器