電子教案液壓與氣動(dòng)技術(shù)(第三版)第2章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)課件

1、第2章 液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)液壓與氣動(dòng)技術(shù)高等教育出版社01 液壓油02 流體靜力學(xué)03 流體動(dòng)力學(xué)目錄CONTENTS04 管路中液體的壓力損失05 液體流經(jīng)孔口及縫隙的流量 - 壓力特性06 液壓沖擊及氣穴現(xiàn)象液 壓 油012.1.1 液壓油的物理性質(zhì)一、液體的密度液體單位體積內(nèi)的質(zhì)量稱為密度，通常用 表示：液壓油的密度隨壓力的增加而加大，隨溫度的升高而減小。 一般情況下，由壓力和溫度引起的這種變化都較小，可將其近似地視為常數(shù)。二、 液體的粘性液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，分子間的內(nèi)聚力會(huì)阻礙分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，這一特性稱做液體的粘性。 2.1.1 液壓油的物理性質(zhì)二、 液體的粘性在

2、實(shí)驗(yàn)測(cè)定指出，液體流動(dòng)時(shí)相鄰液層間的內(nèi)摩擦力 F 與液層間的接觸面積 A 及液層間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 du 成正比，而與液層間的距離 dy 成反比，即如以 表示切應(yīng)力，即單位面積上的內(nèi)摩擦力，則2.1.1 液壓油的物理性質(zhì)二、 液體的粘性1. 動(dòng)力粘度 由此可知，動(dòng)力粘度的物理意義是液體在單位速度梯度下流動(dòng)時(shí)，液層間單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。 動(dòng)力粘度 又稱絕對(duì)粘度。2. 運(yùn)動(dòng)粘度 動(dòng)力粘度 與液體密度 之比叫做運(yùn)動(dòng)粘度 ，即其單位中有長(zhǎng)度和時(shí)間的量綱，故稱為運(yùn)動(dòng)粘度。2.1.1 液壓油的物理性質(zhì)二、 液體的粘性3. 相對(duì)粘度Et恩氏粘度用恩氏粘度計(jì)測(cè)定。 其方法是：將 200 mL溫度為 t（以

3、 為單位）的被測(cè)液體裝入粘度計(jì)的容器，經(jīng)其底部直徑為 2.8 mm 的小孔流出，測(cè)出液體流盡所需時(shí)間 t1，再測(cè)出 200 mL溫度為 20 的蒸餾水在同一粘度計(jì)中流盡所需時(shí)間 t2；這兩個(gè)時(shí)間的比值即為被測(cè)液體在溫度t 下的恩氏粘度，即工程中常采用先測(cè)出液體的相對(duì)粘度，再根據(jù)關(guān)系式換算出動(dòng)力粘度或運(yùn)動(dòng)粘度的測(cè)量粘度方法。 2.1.1 液壓油的物理性質(zhì)三、 液體的可壓縮性液體受壓力作用而體積縮小的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性。 可壓縮性用體積壓縮系數(shù) k 表示，并定義為單位壓力變化下的液體體積的相對(duì)變化量。液體的壓縮系數(shù) k 的倒數(shù)稱為液體的體積彈性模量，用 表示。 即2.1.1 液壓油的物理性質(zhì)四

4、、 其他性質(zhì)1. 粘度與壓力的關(guān)系液體分子間的距離隨壓力增加而減小，內(nèi)聚力增大，其粘度也隨之增大。當(dāng)壓力不高且變化不大時(shí)，壓力對(duì)粘度的影響較小，一般可忽略不計(jì)。當(dāng)壓力較高（大于 107 Pa）或壓力變化較大時(shí)，需要考慮這種影響。2. 粘溫特性溫度變化對(duì)液體的粘度影響較大，液體的溫度升高其粘度下降。 液體粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱為粘溫特性。2.1.2 對(duì)液壓油的要求及選用一、 對(duì)液壓油的要求1） 合適的粘度和良好的粘溫特性。2） 潤(rùn)滑性能好。3） 純凈度好，雜質(zhì)少。4） 對(duì)熱、氧化、水解都有良好的穩(wěn)定性，使用壽命長(zhǎng)。5） 對(duì)液壓系統(tǒng)所用金屬及密封件材料等有良好的相容性。6） 抗泡沫性、抗乳化性和防

5、銹性好，腐蝕性小。7） 比熱容和傳熱系數(shù)大，體積膨脹系數(shù)小，閃點(diǎn)和燃點(diǎn)高，流動(dòng)點(diǎn)和凝固點(diǎn)低。二、 液壓油的選用液壓系統(tǒng)通常采用礦物油，常用的有機(jī)械油、精密機(jī)床液壓油、汽輪機(jī)油和變壓器油等。一般根據(jù)液壓系統(tǒng)的使用性能和工作環(huán)境等因素確定液壓油的品種，當(dāng)選購(gòu)不到合適粘度的液壓油時(shí)，可采用調(diào)和的方法得到滿足粘度要求的調(diào)和油。2.1.3 液壓油的污染及控制一、 污染物的種類及危害1） 固體顆粒會(huì)加速元件磨損，堵塞元件小孔、縫隙及過(guò)濾器，使液壓泵和液壓閥性能下降，產(chǎn)生噪聲。2） 水侵入到液壓系統(tǒng)會(huì)加速液壓油氧化，并和添加劑起作用產(chǎn)生粘性膠質(zhì)，堵塞濾芯。3） 空氣混入液壓系統(tǒng)會(huì)降低液壓油的體積模量，引起氣

6、蝕，降低潤(rùn)滑性。4） 溶劑和表面活性化合物等化學(xué)物質(zhì)會(huì)使金屬腐蝕。5） 液壓系統(tǒng)中生成的微生物會(huì)使液壓油變質(zhì)，降低潤(rùn)滑性能，加速元件腐蝕。二、 污染的原因液壓系統(tǒng)的污染有外部侵入和內(nèi)部生成兩種原因。液壓裝置組裝時(shí)殘留下來(lái)的污染物主要是指切屑、毛刺、型砂、磨料、焊渣和鐵銹等；從周?chē)h(huán)境混入的污染物主要是指空氣、塵埃、水滴等；在工作過(guò)程中產(chǎn)生的污染物主要是指金屬微粒、銹斑、涂料和密封件的剝離片、水分、氣泡以及液壓油變質(zhì)后的膠狀生成物等。2.1.3 液壓油的污染及控制三、 液壓油的污染控制1） 嚴(yán)格清洗液壓元件和液壓系統(tǒng)。 2） 防止污染物從外界侵入3） 采用高性能的過(guò)濾器。 4） 控制液壓油的溫度

7、。 5） 保持液壓系統(tǒng)所有部位良好的密封性。 6） 定期檢查和更換液壓油并使之形成制度流體靜力學(xué)022.2 流體靜力學(xué)一、液體靜壓力及其特性單位面積上作用的表面力稱為應(yīng)力，它有切向應(yīng)力和法向應(yīng)力之分。 靜止液體各質(zhì)點(diǎn)間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故不存在內(nèi)摩擦力，所以靜止液體的表面力只有法向力。液體靜壓力具有下列兩個(gè)特性：1） 液體的靜壓力垂直于其受壓平面，且方向與該面的內(nèi)法線方向一致。2） 靜止液體內(nèi)任意點(diǎn)處所受到的靜壓力在各個(gè)方向上都相等。2.2 流體靜力學(xué)二、液體靜力學(xué)基本方程液體靜力學(xué)基本方程如下：靜止液體內(nèi)任意點(diǎn)的壓力由兩部分組成，即液面處壓力 p0 和液體自重對(duì)該點(diǎn)產(chǎn)生的壓力 gh。 靜止液體內(nèi)

8、的壓力隨液體的深度呈線性規(guī)律分布。 靜止液體內(nèi)同一深度的各點(diǎn)壓力相等，壓力相等的所有點(diǎn)組成的面為等壓面。 在重力作用下靜止液體的等壓面是一個(gè)水平面。2.2 流體靜力學(xué)三、壓力的表示方法及單位壓力的表示方法有絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力（表壓力）兩種。 絕對(duì)壓力以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行度量。 相對(duì)壓力以大氣壓 p0 為基準(zhǔn)進(jìn)行度量。絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力、真空度的關(guān)系是：絕對(duì)壓力 相對(duì)壓力 大氣壓力； 真空度 大氣壓力 絕對(duì)壓力2.2 流體靜力學(xué)四、靜壓傳遞原理靜壓傳遞原理或帕斯卡原理：在密封容器內(nèi)施加于靜止液體任一點(diǎn)的壓力將以等值傳到液體各點(diǎn)。在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常是外力產(chǎn)生的壓力要比液體自重（gh）所產(chǎn)生的

9、壓力大得多。 因此認(rèn)為靜止液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力處處相等。 2.2 流體靜力學(xué)五、液體對(duì)固體壁面的作用力當(dāng)承受壓力的表面為平面時(shí)，液體對(duì)該平面的總作用力 F 為液體的壓力 p 與受壓面積 A 的乘積，其方向與該平面相垂直。 如壓力油作用在直徑為 D 的柱塞上，則有當(dāng)承受壓力的表面為曲面時(shí)，由于壓力總是垂直于承受壓力的表面，所以作用在曲面上各點(diǎn)的力不平行但相等。 作用在曲面上的液壓作用力在某一方向上的分力等于靜壓力與曲面在該方向投影面積的乘積。 流體動(dòng)力學(xué)032.3.1 基本概念一、 理想液體和恒定流動(dòng)1. 理想液體理想液體是一種假想的無(wú)粘性、不可壓縮的液體，而把實(shí)際上既有粘性又可壓縮的液體稱為實(shí)際

10、液體。2. 恒定流動(dòng)液體流動(dòng)時(shí)，液體中任意點(diǎn)處的壓力、流速和密度都不隨時(shí)間而變化，稱為恒定流動(dòng)；反之，稱為非恒定流動(dòng)。2.3.1 基本概念二、 流線、流束和通流截面1. 流線流線是表示某一瞬時(shí)液流中各處質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一條條曲線。 在此瞬時(shí)，流線上各液體質(zhì)點(diǎn)速度方向與該曲線相切。 流線既不能相交，也不能轉(zhuǎn)折，是一條光滑曲線。對(duì)于恒定流動(dòng)，流線形狀不隨時(shí)間而變化。2. 流束通過(guò)某截面 A 上所有各點(diǎn)作出流線，這些流線的集合構(gòu)成流束。 由于流線是不能相交的，所以流束內(nèi)外的流線不能穿越流束表面。 3. 通流截面流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面，該截面上各點(diǎn)處的流束都垂直于此面。2.3.1 基本概

11、念三、 流量與平均流速1. 流量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)通流截面的液體的體積稱為流量，用 q 表示。 對(duì)于微小流束，通過(guò)該通流截面的流量為流過(guò)整個(gè)通流截面的流量為2. 平均流速假設(shè)通流截面上流速均勻分布，該流速稱為平均流速，用 v 表示，并定義為則平均流速為2.3.2 連續(xù)性方程液體流動(dòng)的連續(xù)性方程：它說(shuō)明液體流過(guò)流管不同截面的流量是不變的。 由上式知，當(dāng)流量一定時(shí)，通流截面上的平均速度與其截面積成反比。2.3.3 伯努利方程一、 理想液體的伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式。由理論推導(dǎo)可得到理想液體的伯努利方程為由于流束的 A1、A2 截面是任取的，因此伯努利方程表明，理想液

12、體作恒定流動(dòng)時(shí)，在同一流束內(nèi)任意截面上的三種能量的總和等于常數(shù)，且三種能量之間可以互相轉(zhuǎn)換。2.3.3 伯努利方程二、 實(shí)際液體的伯努利方程實(shí)際液體是有粘性的，流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力而消耗部分能量；同時(shí)，管道局部形狀和尺寸的驟然變化使液流產(chǎn)生擾動(dòng)，亦消耗能量。 因此，實(shí)體液體流動(dòng)有能量損失存在。實(shí)際液體的伯努利方程為應(yīng)用條件是：不可壓縮液體作恒定流動(dòng)；液體所受質(zhì)量力僅為重力，且液流在所取計(jì)算點(diǎn)處的通流截面上為緩變流動(dòng)。 所謂緩變流動(dòng)，是指流線之間的夾角很小和曲率半徑很大的液流，即流線近似于平行的液流。2.3.4 動(dòng)量方程動(dòng)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(dòng)量的變化率，即管

13、路中液體的壓力損失042.4.1 液體的流動(dòng)狀態(tài)一、 層流和湍流19 世紀(jì)末，雷諾首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察了水在圓管內(nèi)的流動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)液體有兩種流動(dòng)狀態(tài)：層流和湍流。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在層流時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，液體的流動(dòng)呈線性或?qū)訝?，且平行于管道軸線；而在湍流時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章，除了平行于管道軸線的運(yùn)動(dòng)外，還存在著劇烈的橫向運(yùn)動(dòng)。層流和湍流是兩種不同性質(zhì)的流態(tài)。 層流時(shí)，液體流速較低，質(zhì)點(diǎn)受粘性制約，不能隨意運(yùn)動(dòng)，粘性力起主導(dǎo)作用；湍流時(shí)，液體流速較高，粘性的制約作用減弱，慣性力起主導(dǎo)作用。2.4.1 液體的流動(dòng)狀態(tài)二、 雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)證明，液體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài)不僅與管內(nèi)平均流速 v 有關(guān)，還與

14、管徑 d 及液體的粘度v 有關(guān)。 無(wú)論管徑 d、液體平均流速 v 和液體運(yùn)動(dòng)粘度 如何變化，液流狀態(tài)可用一個(gè)無(wú)量綱組合數(shù) vd / 來(lái)判斷。 這個(gè)組合數(shù)叫雷諾數(shù) Re，即2.4.2 沿程壓力損失一、 流速分布規(guī)律經(jīng)理論推導(dǎo)得知，液體在圓管中作層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度對(duì)稱于圓管中心線分布，在某一壓力降p p1 p2 的作用下，液流流速 u 沿圓管半徑 r 呈拋物線規(guī)律分布。 當(dāng) r 0時(shí)，即圓管軸線上，流速最大，當(dāng) r R 時(shí)，流速為零。 速度分布表達(dá)式為二、 圓管層流的流量根據(jù)速度分布表達(dá)式可推導(dǎo)出圓管層流的流量 q 為2.4.2 沿程壓力損失三、 圓管沿程壓力損失湍流是一種很復(fù)雜的流動(dòng)， 值需按具體

15、情況來(lái)確定。根據(jù) Re 的取值范圍， 值可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：管壁粗糙度 值與制造工藝有關(guān)。 計(jì)算時(shí)可考慮下列 取值；鑄鐵管取 0. 25 mm，無(wú)縫鋼管取0. 04 mm，冷拔銅管取 0. 001 5 0. 01 mm，鋁管取 0. 001 5 0. 06 mm，橡膠軟管取 0. 03 mm。2.4.3 局部壓力損失液體流經(jīng)閥口、彎管及突然變化的截面時(shí)，產(chǎn)生的能量損失稱為局部壓力損失。 一般用實(shí)驗(yàn)來(lái)得出局部阻力系數(shù)，然后按下式計(jì)算：液體流經(jīng)各種閥的局部壓力損失可由閥的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格中查得。 查得的壓力損失為在其公稱流量 qn 下的壓力損失 pn。 當(dāng)實(shí)際通過(guò)閥的流量 q 不等于公稱流量 qn

16、時(shí)，局部壓力損失可按下式計(jì)算：2.4.4 管路系統(tǒng)的總壓力損失管路系統(tǒng)的總壓力損失等于所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即應(yīng)用上式計(jì)算系統(tǒng)壓力損失，要求兩個(gè)相鄰局部阻力區(qū)間的距離（直管長(zhǎng)度）應(yīng)大于10 20 倍直管內(nèi)徑。 否則，液流經(jīng)過(guò)一局部阻力區(qū)后，還沒(méi)穩(wěn)定下來(lái)，又要經(jīng)過(guò)另一局部阻力區(qū)，將使擾動(dòng)更嚴(yán)重，阻力損失將大大增加，實(shí)際壓力損失可能大好幾倍。液體流經(jīng)孔口及縫隙的流量 - 壓力特性052.5.1 小孔流量 - 壓力特性一、 薄壁小孔流量 壓力特性薄壁小孔是指孔的長(zhǎng)度 l 與其直徑 d 之比 l / d 0.5，一般帶有刃口邊沿的孔。 由于孔的長(zhǎng)度很小，可不考慮其沿程損失。流經(jīng)小孔的

17、流量為薄壁小孔的流量與小孔前后壓差的 1 / 2 次方成正比，且薄壁小孔的沿程阻力損失非常小，流量受粘度影響小，對(duì)油溫變化不敏感，且不易堵塞。2.5.1 小孔流量 - 壓力特性二、 短孔和細(xì)長(zhǎng)孔的流量 壓力特性一般指小孔的長(zhǎng)徑比 l / d 4 時(shí)為短孔，而 l / d 4 時(shí)為細(xì)長(zhǎng)孔。液流在細(xì)長(zhǎng)孔中的流動(dòng)一般為層流，可用下式來(lái)表達(dá)其流量 壓力特性，即2.5.2 液體流經(jīng)縫隙的流量 壓力特性一、 液體流經(jīng)平行平板縫隙的流量 壓力特性1. 固定平行平板縫隙液體在兩固定平行平板間流動(dòng)是由壓差引起的，故也稱壓差流動(dòng)。液體流經(jīng)該平板縫隙的流量為液體流經(jīng)兩固定平行平板縫隙的流量 q 與縫隙高 的三次方成

18、正比。 這說(shuō)明液壓元件的間隙對(duì)泄漏的影響很大。2.5.2 液體流經(jīng)縫隙的流量 壓力特性一、 液體流經(jīng)平行平板縫隙的流量 壓力特性2. 相對(duì)運(yùn)動(dòng)平行平板縫隙若一個(gè)平板以一定速度 v 相對(duì)另一固定平板運(yùn)動(dòng)。 在無(wú)壓差作用下，由于液體的粘性，縫隙間的液體仍會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，此流動(dòng)稱為剪切流動(dòng)，這種情況下通過(guò)該縫隙的流量為在壓差作用下，液體流經(jīng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)平行平板縫隙的流量應(yīng)為壓差流動(dòng)和剪切流動(dòng)兩種流量的疊加，即2.5.2 液體流經(jīng)縫隙的流量 壓力特性二、 液體流經(jīng)環(huán)形縫隙的流量 壓力特性在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，流體流經(jīng)同心和偏心環(huán)形縫隙是最常見(jiàn)的情況，如液壓缸缸體與活塞之間的縫隙、閥套與閥芯之間的縫隙等。如圖所示為偏心環(huán)形縫隙，通過(guò)該縫隙的流量為如果內(nèi)外環(huán)間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即沒(méi)有剪切流動(dòng)時(shí)，則液壓沖擊及氣穴現(xiàn)象062.6 液壓沖擊及氣穴現(xiàn)象一、液壓沖擊在液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，管路中流動(dòng)的液體往往會(huì)因執(zhí)行部件換向或閥門(mén)關(guān)閉而突然停止運(yùn)動(dòng)。 由于液流和運(yùn)動(dòng)部件的慣性，在系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)壓力峰值，這種現(xiàn)象叫做液壓沖擊。液壓沖擊會(huì)引起振動(dòng)和噪聲。 其壓力峰