液壓傳動(dòng)液體流體力學(xué)基礎(chǔ)

液壓油與液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)本章目錄教學(xué)要求重點(diǎn)難點(diǎn)

液壓傳動(dòng)是以液體作為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞的，因而了解液體的物理性質(zhì)，掌握液體在靜止和運(yùn)動(dòng)過程中的基本力學(xué)規(guī)律，對(duì)于正確理解液壓傳動(dòng)的基本原理，合理設(shè)計(jì)和使用液壓系統(tǒng)都非常必要。教學(xué)要求

液壓傳動(dòng)是以液體作為工作介質(zhì)進(jìn)行能量的傳遞。

1.了解液體的物理性質(zhì)，靜壓特性、方程、傳遞規(guī)律，掌握液體在靜止和運(yùn)動(dòng)過程中的基本力學(xué)規(guī)律，掌握靜力學(xué)基本方程、壓力表達(dá)式和結(jié)論

；

2.了解流動(dòng)液體特性、傳遞規(guī)律，掌握動(dòng)力學(xué)三大方程、流量和結(jié)論；

3.了解流量公式、特點(diǎn)、兩種現(xiàn)象產(chǎn)生原因，掌握薄壁孔流量公式及通用方程、兩種現(xiàn)象的危害及消除。重點(diǎn)、難點(diǎn)液壓油的粘性和粘度粘溫特性靜壓特性壓力形成靜力學(xué)基本方程流量與流速的關(guān)系，三大方程的形式及物理意義本章目錄第一節(jié)液體的物理性質(zhì)第二節(jié)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的液力損失第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量第六節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象本章目錄第一節(jié)液體的物理性質(zhì)第二節(jié)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的液力損失第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量第六節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第一節(jié)液體的物理性質(zhì)流體的密度和重度液體的可壓縮性液體的粘性和粘度液壓油的類型和選用液壓油的污染和控制液壓油的要求主要內(nèi)容：一、流體的密度液體的密度

常用液壓油的密度約為900kg/m3液體的重度液壓油的重度為8800N/m3重度與密度的關(guān)系為何用油？二、液體的可壓縮性液體的彈性模量K液體產(chǎn)生單位體積相對(duì)壓縮量所需的壓力增量液壓油彈性模量為K=(1.4~2.0)X109Pa等效（常用）彈性模量為K'=(1.4~2.0)X109Pa三、液體的粘性和粘度1.液體的粘性

液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，液體分子間的內(nèi)聚力（內(nèi)摩擦力）阻礙其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦應(yīng)力2.液體的粘度

度量液體粘性大小的物理量動(dòng)力粘度液體在單位速度梯度下流動(dòng)時(shí)，液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力。PaS單位：/dyduτμ=運(yùn)動(dòng)粘度動(dòng)力粘度與密度之比值，沒有明確的物理意義，但是工程實(shí)際中常用的物理量。=ρμν單位：m2/s,St(斯),cSt(厘斯)1m2/s=104St=106cSt運(yùn)動(dòng)粘度用來標(biāo)明液體的粘度，如32號(hào)全損耗系統(tǒng)用油就是指在40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度ν的平均值為32cSt（厘斯）一般地，同一種介質(zhì)比較大小時(shí)常用運(yùn)動(dòng)粘度,不是同一種介質(zhì)比較大小時(shí)一般用動(dòng)力粘度。相對(duì)粘度雷式粘度〞R——英國(guó)、歐洲賽式粘度SSU——美國(guó)

恩式粘度oE——俄國(guó)、德國(guó)、中國(guó)

單位：無量綱t2oE=200ml溫度為T的被測(cè)液體,流經(jīng)恩氏粘度計(jì)小孔（φ2.8mm）所用時(shí)間t1，與同體積20度的水通過小孔所用時(shí)間t2之比。t13.幾點(diǎn)說明

三種粘度之間的關(guān)系

影響粘度的因素

調(diào)和油的粘度粘度隨著溫度升高而顯著下降（粘溫特性）粘度隨壓力升高而變大（粘壓特性）溫度、壓力四、液壓油的類型和選用1.對(duì)液壓油的性能要求粘溫特性好潤(rùn)滑性好化學(xué)穩(wěn)定性好，不易氧化質(zhì)地純凈，抗泡沫性好閃點(diǎn)要高，凝固點(diǎn)要低

四、液壓油的類型和選用2.液壓油的類型石油型液壓油合成型液壓油乳化型液壓油3.液壓油的選用合適的類型（油型）適當(dāng)?shù)恼扯龋ㄓ吞?hào)）（參見教材中表2-2油的類型及指標(biāo)）工作壓力—壓力高，選用粘度較大的液壓油環(huán)境溫度—溫度高，選用粘度較大的液壓油運(yùn)動(dòng)速度—速度高，選用粘度較低的液壓油

液壓泵的類型—各類泵適用的粘度范圍見教材中表2-3。環(huán)境因素運(yùn)動(dòng)性能設(shè)備種類五、液壓油的污染及控制1.污染的危害造成系統(tǒng)故障降低元件壽命使液壓油變質(zhì)影響工作性能

2.污染的原因系統(tǒng)殘留物外界侵入物內(nèi)部生成物3.污染的控制徹底清洗系統(tǒng)保持系統(tǒng)清潔定期清除污物定期換油本章目錄第一節(jié)液體的物理性質(zhì)第二節(jié)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的液力損失第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量第六節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第二節(jié)液體靜力學(xué)基礎(chǔ)

液體的壓力重力作用下靜止液體中的壓力分布?jí)毫Φ谋硎痉椒ê蛦挝混o止液體內(nèi)壓力的傳遞液體對(duì)固體壁面的作用力一、液體的壓力靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。（ΔA→0）

若在液體的面積A上所受的作用力F為均勻分布時(shí)，靜壓力可表示為：p=F/A

在物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)，工程實(shí)際應(yīng)用中習(xí)慣稱為壓力。液體靜壓力的特性：液體靜壓力垂直于承壓面，方向?yàn)樵撁鎯?nèi)法線方向。液體內(nèi)任一點(diǎn)所受的靜壓力在各個(gè)方向上都相等。二、重力作用下靜止液體中的壓力分布在垂直方向上力平衡方程式為

上式化簡(jiǎn)后得

如上表面受到大氣壓力作用，則

二、重力作用下靜止液體中的壓力分布靜壓力基本方程式p=p0+ρgh

重力作用下靜止液體壓力分布特征：壓力由兩部分組成：液面壓力p0，自重形成的壓力ρgh；液體內(nèi)的壓力與液體深度成正比；離液面深度相同處各點(diǎn)的壓力相等，壓力相等的所有點(diǎn)組成等壓面，重力作用下靜止液體的等壓面為水平面；當(dāng)不計(jì)自重時(shí)，液體靜壓力處處相等。液體自重產(chǎn)生的壓力與液體傳遞壓力相比要小得多，在液壓傳動(dòng)中常常忽略不計(jì)。帕斯卡原理

在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體的壓力可以等值地傳遞到液體各點(diǎn)。這就是帕斯卡原理，也稱為靜壓傳遞原理。液壓傳動(dòng)可使力放大，可使力縮小，也可以改變力的方向。液體內(nèi)的壓力是由負(fù)載決定的。三、靜止液體內(nèi)壓力的傳遞壓力的傳遞四、壓力的表示方法和單位1）按測(cè)量方式表示

國(guó)際制單位

Pa（帕）N/m2

或兆帕(MPa)

1MPa=106Pa

工程制單位

kgf/cm2，國(guó)外也有用bar(巴）1bar=105Pa

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝1.013×105Pa

液體柱高度h=p/ρg，常用的有水柱、酒精柱、汞柱等。四、壓力的表示方法和單位2）按測(cè)量基準(zhǔn)不同表示

p>p0

p表壓=p相對(duì)=p絕對(duì)–p0

p<p0

p真空度=–

p相對(duì)=p0

–p絕對(duì)五、液體對(duì)固體壁面的作用力

液體和固體壁面接觸時(shí)，固體壁面將受到液體靜壓力的作用。F=pAx

當(dāng)固體壁面為平面時(shí)，液體壓力在該平面的總作用力F=pA，方向垂直于該平面。當(dāng)固體壁面為曲面時(shí)，液體壓力在曲面某方向上的總作用力F=pAx

，Ax為曲面在該方向的投影面積。1.如圖容器1中的液體密度ρ=900㎏/m3，2中液體的密度ρ=1200㎏/m3，h1=200mm，h2=180mm，h=60mm，U形管中的測(cè)壓介質(zhì)為汞，求1、2之間的壓力差。解：設(shè)O-O面為等壓面，則，pA+ρAgzA=pB+ρBgzB+ρgzh故，pA-pB=ρBgzB+ρgzh-ρAgzA2.如圖所示，由一直徑為d，重量為G的活塞浸在液體中，并在力F的作用下處于靜止?fàn)顟B(tài)。若液體的密度為ρ，活塞浸入深度為h，試確定液體在測(cè)壓管內(nèi)的上升高度x。解：設(shè)柱塞侵入深度h處為等壓面，即有(F+G)/(πd2/4)=ρg(h+x)導(dǎo)出：x=4(F+G)/(ρgπd2)?h本章目錄第一節(jié)液體的物理性質(zhì)第二節(jié)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的液力損失第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量第六節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第三節(jié)液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)基本概念流體的動(dòng)量方程流體的伯努利方程流體的連續(xù)性方程

流體動(dòng)力學(xué)主要研究液體流動(dòng)時(shí)流速和壓力的變化規(guī)律。流動(dòng)液體的連續(xù)性方程、伯努利方程、動(dòng)量方程是描述流動(dòng)液體力學(xué)規(guī)律的三個(gè)基本方程式。前兩個(gè)方程反映了液體的壓力、流速與流量之間的關(guān)系，動(dòng)量方程用來解決流動(dòng)液體與固體壁面間的作用力問題。主要內(nèi)容：兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)：漏斗吹乒乓球平行紙間吹氣一、基本概念1.理想液體、恒定流動(dòng)、一維流動(dòng)理想液體

假設(shè)的既無粘性又不可壓縮的流體稱為理想流體。實(shí)際液體有粘度、可壓縮的液體恒定流動(dòng)

液體流動(dòng)時(shí)，液體中任一點(diǎn)處的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)，稱為定常流動(dòng)或非時(shí)變流動(dòng)。（實(shí)驗(yàn)）非恒定流動(dòng)壓力、速度、密度隨時(shí)間變化的流動(dòng)。一維流動(dòng)液體整個(gè)地作線形流動(dòng)。二維流動(dòng)整個(gè)液體在管道中作兩坐標(biāo)的平面流動(dòng)。三維流動(dòng)整個(gè)液體在管道中作三坐標(biāo)空間流動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)2.流線、流管、流束、通流截面：

流線：液流中各質(zhì)點(diǎn)的速度方向相切的曲線。流管：通過一條封閉曲線的密集流線束。流束：許多流線組成的一束曲線。

通流截面：垂直于流動(dòng)方向的截面，也稱為過流截面。（平面或曲面）3.流量和平均流速流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)某通流截面流體的體積，流量以q表示，單位為m3/s

或

L/min。流速：流體質(zhì)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)流過的距離，實(shí)際流體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)流速不等。平均流速：通過流體某截面流速的平均值。

液體在管內(nèi)作恒定流動(dòng)，任取1、2兩個(gè)通流截面，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在單位時(shí)間內(nèi)流過兩個(gè)截面的液體流量相等，即：二、連續(xù)性方程依據(jù)：質(zhì)量守恒定律結(jié)論：流量連續(xù)性方程說明了恒定流動(dòng)中流過各截面的不可壓縮流體的流量是不變的。因而流速與通流截面的面積成反比。ρ1v1

A1=ρ2v2

A2

不考慮液體的壓縮性，則得q=vA=常量4.層流、湍流、雷諾數(shù)一、液體的兩種流態(tài)及雷諾數(shù)判斷(1)層流

液體流動(dòng)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)間作線狀或?qū)訝畹牧鲃?dòng)。(2)湍流（紊流）液體流動(dòng)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)有橫向運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生小漩渦，作雜亂無章的運(yùn)動(dòng)。(3)雷諾數(shù)判據(jù)具體見雷諾實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫1、2、3實(shí)驗(yàn)證明，液體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài)可用下式來表示

對(duì)于非圓截面的管道來說，雷諾數(shù)可用下式表示

水力直徑可用下式來表示(4)雷諾數(shù)的物理意義

由雷諾數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，慣影響液體流動(dòng)的力主要是慣性力和粘性力。雷諾數(shù)大就說明慣性力起主導(dǎo)作用，液流呈湍流狀態(tài)；雷諾數(shù)小就說明粘性力起主導(dǎo)作用，液流呈層流狀態(tài)。?雷諾數(shù)Re

?臨界雷諾數(shù)Rec

?判定方法Re<Rec——層流

Re>Rec——湍流(4)雷諾數(shù)的物理意義

由雷諾數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，慣影響液體流動(dòng)的力主要是慣性力和粘性力。雷諾數(shù)大就說明慣性力起主導(dǎo)作用，液流呈湍流狀態(tài)；雷諾數(shù)小就說明粘性力起主導(dǎo)作用，液流呈層流狀態(tài)。三、伯努利方程1、理想液體微小流束伯努利方程

假設(shè)：理想液體作恒定流動(dòng)

依據(jù)：能量守恒定律

推導(dǎo)：研究流束段ab在時(shí)間dt內(nèi)流到a'b'

?外力對(duì)流束段ab所做的功W

?流束段aa'~bb'能量的變化ΔE

動(dòng)能位能

?外力做功=能量變化W=ΔE

所以2、實(shí)際液體總流伯努利方程

實(shí)際液體：有粘性，產(chǎn)生內(nèi)摩擦力；管道尺寸變化，液流擾動(dòng)；平均流速代替實(shí)際流速產(chǎn)生誤差。速度修正:α動(dòng)能修正系數(shù)考慮能量損失hw

ghghpghupwu+++=++222221112221rar湍流α=1層流α=2伯努利方程的應(yīng)用1、漏斗吹乒乓球伯努利方程的應(yīng)用2、家用混水器伯努利方程的應(yīng)用2、家用混水器、噴霧器、化油器伯努利方程的應(yīng)用3、飛機(jī)伯努利方程的應(yīng)用3、飛機(jī)伯努利方程的應(yīng)用3、飛機(jī)m2v2四、動(dòng)量方程依據(jù)：動(dòng)量定理m1v1Ftβ1β2-動(dòng)量修正系數(shù)，湍流=1，層流=4/3

用來計(jì)算流動(dòng)液體作用在限制其流動(dòng)的固體壁面上的總作用力。推導(dǎo)：1.如圖所示，液體在管道內(nèi)作連續(xù)流動(dòng)，截面1-1和2-2處的通流面積分別為A1和A2，在1-1和2-2處接一水銀測(cè)壓計(jì)，其讀數(shù)差為Δh，液體密度為ρ，水銀的密度為ρ′，若不考慮管路內(nèi)能量損失，試求：（1）截面1-1和2-2哪一處壓力高？為什么？（2）通過管路的流量q為多少？2.圖示為一種抽吸設(shè)備。水平管出口通大氣，當(dāng)水平管內(nèi)液體流量達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，處于面積為A1處的垂直管子將從液箱內(nèi)抽吸液體。液箱表面為大氣壓力。水平管內(nèi)液體（抽吸用）和被抽吸介質(zhì)相同。有關(guān)尺寸如下：面積A1=3.2cm2，A2=4A1，h=1m，不計(jì)液體流動(dòng)時(shí)的能量損失且a=1，問水平管內(nèi)流量達(dá)多少時(shí)才能開始抽吸？本章目錄第一節(jié)液體的物理性質(zhì)第二節(jié)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的液力損失第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量第六節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第四節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

由于流動(dòng)液體具有粘性，以及流動(dòng)時(shí)突然轉(zhuǎn)彎或通過閥口會(huì)產(chǎn)生撞擊和旋渦，因此液體流動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生阻力。為了克服阻力，流動(dòng)液體會(huì)損耗一部分能量，這種能量損失可用液體的壓力損失來表示。壓力損失即是伯努利方程中的hw項(xiàng)。

壓力損失由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成。液流在管道中流動(dòng)時(shí)的壓力損失和液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。沿程壓力損失局部壓力損失管路中的總壓力損失1.通流截面上的流速分布規(guī)律由牛頓內(nèi)摩擦定律由液柱受力平衡一、沿程壓力損失

液體在等直徑管中流動(dòng)時(shí)因摩擦而產(chǎn)生的損失，稱為沿程壓力損失。因液體的流動(dòng)狀態(tài)不同沿程壓力損失的計(jì)算有所區(qū)別。2.通過管道的流量3.管道內(nèi)的平均流速4.沿程壓力損失

沿程壓力損失系數(shù)λ對(duì)于層流理論值λ=64/Re；金屬管λ=75/Re;

橡膠管λ=80/Re對(duì)于湍流光滑管λ=0.3164Re-0.25

粗糙管局Re和Δ/d從手冊(cè)上查取液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、閥口等處時(shí)，液體流速的大小和方向發(fā)生變化，會(huì)產(chǎn)生漩渦并發(fā)生紊動(dòng)現(xiàn)象，由此造成的壓力損失稱為局部壓力損失。Δpξ=ξρv2/2ξ為局部阻力系數(shù)，其數(shù)值可查有關(guān)手冊(cè)。液流流過各種閥的局部壓力損失可由閥在額定壓力下的壓力損失Δpn來換算：Δpv=Δpn（q/qn

）2二、局部壓力損失三、管路中的總壓力損失

整個(gè)液壓系統(tǒng)的總壓力損失，應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有的局部壓力損失之和（通過所有閥、直管、彎管所產(chǎn)生的壓力損失之和）。1.如圖所示，液壓泵從油箱吸油，吸油管直徑d=60mm，流量q=150L/min，液壓泵入口處的真空度不能超過0.02MPa，油液的運(yùn)動(dòng)粘度

=30×10-6m2/s，

=900kg/m3，彎頭處的局部阻力系數(shù)彎=0.2，吸油管入口處的局部阻力系數(shù)入=0.5，管長(zhǎng)l≈h，試求允許的最大吸油高度h。不計(jì)沿程損失。本章目錄第一節(jié)液體的物理性質(zhì)第二節(jié)流體靜力學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)液體流動(dòng)時(shí)的液力損失第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量第六節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量薄壁孔(l/d≤0.5)

細(xì)長(zhǎng)孔(l/d>4)

短孔(0.5<l/d≤4)完全收縮(D/d≥7)

不完全收縮(D/d<7)

在液壓元件特別是液壓控制閥中，對(duì)液流壓力、流量及方向的控制通常是通過特定的孔口來實(shí)現(xiàn)的，它們對(duì)液流形成阻力，使其產(chǎn)生壓力降，稱其為液阻。一、液體流過小孔的流量1.薄壁孔

(l/d≤0.5)

水平放置h1=h2;管徑變化大v1<<ve;湍流α2=1

則：

流量系數(shù)Cv稱為速度系數(shù)；Cc稱為截面收縮系數(shù)。流量系數(shù)Cq的大小一般由實(shí)驗(yàn)確定，在液流完全收縮(d1/d≥7)，Cq=0.60~0.62；不完全收縮(d1/d<7)，Cq=0.7~0.8。

薄壁小孔因沿程阻力損失小，流量對(duì)油溫變化不敏感，因此多被用作調(diào)節(jié)流量的節(jié)流器。

第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量2.細(xì)長(zhǎng)孔

l/d>4

液流經(jīng)過細(xì)長(zhǎng)孔由于粘性而流動(dòng)不暢，多為層流。流量和孔前后壓差成正比，和液體粘度成反比，流量受液體溫度影響較大。3.短孔

0.5<l/d≤4Cq一般取0.8左右。短管常用作固定節(jié)流器。第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量4.小孔流量通用公式

細(xì)長(zhǎng)孔薄壁孔/短孔r25.0CqKm==第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量二、流體流過縫隙流量

縫隙流動(dòng)均為層流：1）壓差流動(dòng)；2）剪切流動(dòng)。兩者經(jīng)常同時(shí)存在。（一）液體流過平行扳縫隙流量1.液體流過固定平行扳縫隙的流量壓差流動(dòng)第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量2.液體流過相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行扳縫隙的流量

剪切流動(dòng)剪切流動(dòng)與壓差流動(dòng)第五節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量（二）液體流過圓環(huán)縫隙的流量1.流過同心圓環(huán)縫隙的流量2.流過偏心圓環(huán)縫