液壓傳動及控制(第三章)

1、第三章 液壓流體力學基礎(chǔ) 液壓傳動的理論基礎(chǔ)n靜止液體的力學規(guī)律靜力學n流動液體的力學規(guī)律動力學（運動學）n管路系統(tǒng)流動分析管道特性及孔口與縫隙流動n液壓系統(tǒng)的氣穴現(xiàn)象與液壓沖擊3.1 靜止液體的力學規(guī)律n液體的靜壓力n靜壓力基本方程n靜壓力基本方程的物理意義n壓力的計量單位n壓力的傳遞n液體靜壓力對固體壁面的作用力3.1.1 液體的靜壓力n靜壓力: 是指液體處于靜止狀態(tài)時,其單位面積上所受的法向作用力。n若液體某點微小面積A上所作用的法向力為F，則該點的靜壓力p定義為：n若法向力F均勻地作用在面積A上，則壓力可表示為:AFpAlim0AFp 3.1.1 液體的靜壓力n靜壓力的特性:n液體的靜

2、壓力的方向總是沿著作用面的內(nèi)法線方向n靜止液體中任何一點所受到各個方向上的壓力都相等問題：1、壓力=壓強？ 2、不同點上的壓力是否相等？3.1.2 液體靜壓力的基本方程n液體靜壓力基本方程：反映了重力作用下靜止液體中的壓力分布規(guī)律 p=po+ghnp是靜止液體中深度為h處的任意點上的 壓力,p0 為液面上的壓力，若液面為與 大氣接觸的表面，則p0等于大氣壓p。n同一容器同一液體中的靜壓力隨著深度 h的增加線性地增加 n同一液體中深度h相同的各點壓力都相等. 在重力作用下靜止液體中的等壓面是深度（與液面的距離）相同的水平面 等深面=等壓面？3.1.3 靜壓力基本方程物理意義np=p0+g(z0

3、- z) n + z= + z0=C Z:單位重量液體的位能,稱位置水頭 :單位重量液體的壓力能,稱壓力水頭n物理意義：靜止液體具有兩種能量形式，即壓力能與位能。這兩種能量形式可以相互轉(zhuǎn)換，但其總和對液體中的每一點都保持不變?yōu)楹阒?，因此靜壓力基本方程從本質(zhì)上反映了靜止液體中的能量守恒關(guān)系.gpgp0gp3.1.4 壓力的計量單位n法定單位 ：牛頓/米2(N/m2)即帕（Pa） 常用MPa，1 MPa=106 Pan單位換算： 1工程大氣壓=1公斤力/厘米2（kgf/m2）=1 bar 105 帕 =0.1 MPa 1米水柱（mH20）=9.8103Pa0.01 MPa 1毫米汞柱（mmHg）=

4、1.33102 Pa 一般液壓系統(tǒng)的工作壓力大于3 MPa，所以高壓區(qū)可以將液柱高度差產(chǎn)生的壓力差忽略不計（小于1%）。3.1.4 壓力的計量方式n相對壓力（表壓力）: 以大氣壓力為基準，測量所得 的壓力是高于大氣壓的部分 n絕對壓力: 以絕對零壓為基準得到的壓力 絕對壓力=相對壓力+大氣壓力 n真空度:如果液體中某點的絕對壓力小于大氣壓力，則稱該點出現(xiàn)真空。此時相對壓力為負值，常將這一負相對壓力的絕對值稱為該點的真空度 n真空度=|負的相對壓力|=大氣壓力-絕對壓力0表 壓 力p絕 對 壓 力真 空 度絕 對 壓 力絕 對 壓 力p=0大氣壓3.1.5 壓力的傳遞n帕斯卡原理:若在密封容器中

5、靜止液體的部分邊界面上施加外力使其壓力發(fā)生變化，只要液體仍保持其原來的靜止狀態(tài)不變，則液體中任一點的壓力均將發(fā)生同樣大小的變化n液壓傳動是依據(jù)帕斯卡原理 實現(xiàn)力的傳遞、放大和方向 變換的 n液壓系統(tǒng)的壓力完全決定于 外負載 （為什么？）3.1.6 液體靜壓力對固體壁面的作用力n當承受壓力的固體壁面為平面時:則作用在其上的總作用力等于壓力與該壁面面積之積 F=pAn如果承受壓力的固體壁面是曲面時:曲面上總作用力在某一方向上的分力等于曲面在該方向垂直平面內(nèi)的投影面積與靜壓力的乘積： F=pSxn若已知曲面上總作用力在三個坐標軸方向的分量分別為Fx、 Fy和Fz時，總作用力的大小為： 21222)(

6、ZYXFFFF3.2 流動液體的力學規(guī)律n基本概念n連續(xù)性方程n伯努利方程3.2.1 基本概念n理想液體：既不可壓縮又無粘性的液體n恒定流動（定常流動）：即流場中速度與壓力只是空間點位置的函數(shù)而與時間無關(guān)，則稱流場中的流動為恒定流動（定常流動、非時變流動）。n一維流動：在定常流動條件下，如果通過適當選擇坐標（包括曲線坐標）后，使流速與壓力只是一個坐標的函數(shù)，則稱這樣的流動為一維定常流動 3.2.1 基本概念n流線：某一瞬時液流中一條條標志其各處質(zhì)點運動狀態(tài)的曲線，在流線上各點處的瞬時液流方向與該點的切線方向重合。流線跡線n流束：某截面上所有各點對應流線的集合。截面A0時稱其為微流束，各點速度相

7、等。n通流截面：在流場中作一面。若該面與通過面上的每條流線都垂直，則稱其為通流截面。3.2.1 基本概念n流量：單位時間內(nèi)流過某通流截面的流體體積 法定單位: 米3/秒(m3/s) 工程中常用升/分（L/min）n通流截面上的平均流速:AdAqAdAqAAqAq體積流量質(zhì)量流量？3.2.1 基本概念n流動液體中的壓力和能量：由于存在運動，所以理想流體流動時除了具有壓力能與位能外，還具有動能。即流動理想流體具有壓力能，位能和動能三種能量形式n單位重量的壓力能：n單位重量的位能： Zn單位重量的動能：gpg223.2.2 流量連續(xù)性方程 質(zhì)量守恒定律在流動液體情況下的具體應用n不可壓縮流體作定常流

8、動時，通過同一流束（或管道）的任一通流截面的流量相等n通過通流截面的流速與通流截面的面積成反比 nq=A=1A1=2A2 =常數(shù) q=q1=q2=常數(shù)3.2.3 伯努利方程(能量方程) 能量守恒定律在流動液體中的表達形式n理想液體的伯努利方程 在假設的前提下進行推導n實際液體的伯努利方程 考慮了流場分布和損耗進行修正n伯努利方程應用實例理想液體的伯努利方程（微流束）n理想液體定常流動時，液體的任一 通流截面上的總比能（單位重量液 體的總能量）保持為定值。n總比能由比壓能（ ）、比位能（Z）和比動能（ ）組成，可以相互轉(zhuǎn)化。n由于方程中的每一項均以長度為量綱，所以亦分別稱為壓力水頭，位置水頭和速

9、度水頭。 靜壓力基本方程是伯努利方程的特例。cgzgpgzgp2222222111cgzgp22gpg22實際液體的伯努利方程n:動能修正系數(shù),為截面上單位時間內(nèi)流過液體所具有的實際動能，與按截面上平均流速計算的動能之比（層流時=2，紊流時=1）n :單位重量液體所損耗的能量 whwhgzgpgzgp22222211112121微流束流束（平均流速），理想實際（粘度，損耗）伯努利方程應用實例n液壓泵吸油口處的真空度是油箱 液面壓力與吸油口處壓力p2之差。n液壓泵吸油口處的真空度卻不能 太大. 實踐中一般要求液壓泵的 吸油口的高度h不超過0.5米.cgzgpgzgp22222221113.2.4

10、動量方程液動力恒定流動液體的穩(wěn)態(tài)液動力)(1122xxxvvqF1、2動量修正系數(shù)，單位時間內(nèi)流過截面A的液體的實際動量與其平均動量之比。3.3 管路系統(tǒng)流動分析n兩種流動狀態(tài)n定常管流的壓力損失n通過小孔的流動n通過間隙的流動3.3.1 兩種流動狀態(tài)n層流 液體流動呈線性或?qū)訝?，磨擦損耗為主n紊（湍）流 液體質(zhì)點的運動雜亂無章，動能損耗為主n雷諾數(shù):液體在圓管中的流動狀態(tài)決定于由管道中流體的平均流速、管道直徑d和液體運動粘度這三個參數(shù)所組成的無量綱數(shù)的大小:n流動液體的雷諾數(shù)低于臨界雷諾數(shù)(由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?時，流動狀態(tài)為層流，反之液流的狀態(tài)為湍流，具體見P36。n雷諾數(shù)的物理意義:流動液體

11、的慣性力與粘性力之比 4RedRARvvx完全層流層流臨界流動湍流充分湍流3.3.2 圓管層流n圓管層流時截面上的速度分布 21222()2/()24fpprFrl du drduppruRrdrll 3.3.2 圓管層流n流量 式中 d:管道內(nèi)徑（m）； l:管道長度（m）； :流體的動力粘度（NS/m2）； =p1-p2:管道兩端的壓力差（N/m2）； ， =2，=4/32421220()()244128dppddqudArrdrpllplpRAqv82平均流速3.3.3 圓管湍流n層流邊界層 （Re=31031105 臨界雷諾數(shù)） 1.05, 1.04，一般取=171max)(Ryuu

12、3.3.4 壓力損失n沿程壓力損失 : 沿等直徑管流動時的壓力損失 :沿程壓力損失系數(shù),其理論值為 ； 當流動液體為液壓油且為金屬圓管時， p22Re6422dldlpRe64Re753.3.4 壓力損失n局部壓力損失p 在流經(jīng)閥口、管道截面變化、彎曲等處時，由于流動方向和速度變化及復雜的流動現(xiàn)象(旋渦，二次流等)而造成局部能量損失 稱為局部壓力損失系數(shù)，實驗得到。 因A、v變化造成22p3.3.4 壓力損失n管路系統(tǒng)的壓力損失：整個管路系統(tǒng)的總壓力損失是系統(tǒng)中所有直管的沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和n適用條件：管路系統(tǒng)中兩相鄰局部壓力損失之間距離足夠大（相連管徑的10-20倍） 2221

13、211inkiiikiiiiniidlp3.4 孔口和縫隙液流 在液壓傳動中常用通過改變閥口通流截面積或通過通流通道的長短來控制流量的節(jié)流裝置節(jié)流裝置來實現(xiàn)流量控制。這種節(jié)流裝置的通流截面一般為不同形式的小孔。n通過薄壁小孔(孔的通流長度l與孔徑d之比l/d0.5 )的流動n通過細長小孔(小孔的長徑比l/d4)的流動 3.4.1薄壁小孔-節(jié)流口 稱為小孔流量系數(shù)節(jié)流口流量公式其中沒有粘度參數(shù)n通過薄壁小孔的流量與液體粘度無關(guān)，因而流量受液體溫度影響較小.但流量與孔口前后壓差的關(guān)系是非線性的 pAcpAccAqdc2202ccccd3.4.2 細長小孔-阻尼孔 是細長小孔的通流截面積n液體流經(jīng)細

14、長小孔的流量將隨液體溫度的變化而變化。 但細長小孔的流量與孔前后的壓差關(guān)系是線性的4212832dpdqA pll24dA通過小孔流動的流量統(tǒng)式n統(tǒng)一的經(jīng)過小孔的流量公式 式中 A:孔的通流截面積，p:孔前后壓差， m:由孔結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的指數(shù),0.5m1 k:由孔口形式有關(guān)的系數(shù) 當孔為薄壁小孔時，m=0.5, 為細長小孔時m=1， mpKAq2dcK ldK3223.4.3 縫隙液流n配合間隙n泄漏:當流體流經(jīng)這些間隙時就會發(fā)生從壓力高處經(jīng)過間隙流到系統(tǒng)中壓力低處或直接進入大氣的現(xiàn)象(前者稱為內(nèi)泄漏，后者稱為外泄漏) n泄漏主要是由壓力差與間隙造成的n油液在間隙中的流動狀態(tài)一般是層流 3.5 氣穴現(xiàn)象n氣穴(空穴): 在流動液體中，由于某點處的壓力低于空氣分離壓而產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。n空氣分離壓：在一定溫度下，當油液壓力低于某值時，溶解在油液中的過飽和空氣將會突然地迅速從油液中分離出來，產(chǎn)生大量氣泡，這個壓力稱為液壓油液在該溫度下的空氣分離壓。溶解氣體釋放。n飽和蒸氣壓：當液壓油液在某溫度下的壓力低于一定數(shù)值時，油液本身迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸汽氣泡，這時的壓力稱為油液在該溫度下的飽和蒸汽壓。 溫度和壓力的影響，油液本身從液相氣相