液壓與氣動(dòng)技術(shù) 教案 項(xiàng)目二 液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)

項(xiàng)目二液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)項(xiàng)目二液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)課程名稱(chēng)液壓與氣動(dòng)技術(shù)項(xiàng)目2項(xiàng)目名稱(chēng)液壓傳動(dòng)技術(shù)的認(rèn)知課時(shí)2項(xiàng)目描述液體是液壓傳動(dòng)的工作介質(zhì)，因此，了解液體的某些基本物理性質(zhì)，研究液體的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，對(duì)理解和掌握液壓傳動(dòng)的基本原理是十分重要的。只有掌握了液體的特性及相關(guān)的流體力學(xué)知識(shí)，才能真正理解液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理并設(shè)計(jì)出符合要求的液壓回路。學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：1.掌握液壓油的種類(lèi)、物理性質(zhì)及液壓油的選用方法；2.掌握液體的靜力學(xué)特征、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律；3.掌握液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象的原因、危害及預(yù)防措施；4.掌握液壓油的污染原因、危害及控制措施。能力目標(biāo)：1.能夠運(yùn)用靜力學(xué)基本方程進(jìn)行計(jì)算；2.能夠運(yùn)用帕斯卡原理、連續(xù)性方程、伯努利方程和動(dòng)量方程進(jìn)行計(jì)算；

3.能夠計(jì)算雷諾數(shù)、壓力損失、孔口和縫隙流量。素質(zhì)目標(biāo)：1.培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和一定的應(yīng)變能力；2.培養(yǎng)學(xué)生具有優(yōu)良學(xué)風(fēng)、創(chuàng)新理念及科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ骶瘢?.培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任心、環(huán)保意識(shí)；4.培養(yǎng)學(xué)生端正的學(xué)習(xí)態(tài)度，樹(shù)立其信心，鼓勵(lì)學(xué)生立志成才。職業(yè)能力：1.會(huì)根據(jù)液壓油的種類(lèi)、物理性質(zhì)、選用原則合理選用液壓油；2.會(huì)根據(jù)液體的靜力學(xué)特征、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律分析液壓回路和系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種情況；3.會(huì)根據(jù)液壓油的污染原因及危害，正確采取控制液壓油污染的措施。職業(yè)能力①會(huì)使用液壓千斤頂；②會(huì)對(duì)磨床工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)；③會(huì)繪制磨床工作臺(tái)的液壓系統(tǒng)原理圖。教學(xué)過(guò)程主要教學(xué)內(nèi)容備注任務(wù)一認(rèn)識(shí)液壓油25min【任務(wù)概述】液壓油是液壓傳動(dòng)的常用工作介質(zhì)，是液壓系統(tǒng)中的“血液”，要求了解液壓油的主要性質(zhì)、選用方法、污染及控制措施?！局R(shí)與技能】一、液壓油的作用與性能1.液壓油的作用(1)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行冷卻；(2)在系統(tǒng)中傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力；(3)潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)部件，減小摩擦力；(4)防止液壓元件生銹；(5)沖洗帶走元件和管道中的污染物；2.液壓油的性能不同的工作機(jī)械、不同的使用情況對(duì)液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的要求有很大的不同。為了很好地傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)應(yīng)具備如下性能：(1)黏度適當(dāng)，黏溫特性好；(2)潤(rùn)滑性能好，防銹能力強(qiáng)；(3)抗氧化穩(wěn)定性好，不易變質(zhì)；(4)熱膨脹系數(shù)小，比熱容大；(5)燃點(diǎn)高，凝點(diǎn)低；(6)抗泡沫性、抗乳化性好。二、液壓油的種類(lèi)一般液壓系統(tǒng)對(duì)液壓油的工作要求應(yīng)滿(mǎn)足以上要求中的幾項(xiàng)，但不可能完全相符合。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織把液壓油分為三大類(lèi)；石油基液壓油、含水液壓油和合成液壓油，具體如表2.1所列。目前，90%以上的液壓設(shè)備采用的是石油基液壓油。表2.1液壓油的種類(lèi)類(lèi)別代號(hào)名稱(chēng)組成特性石油基

液壓油（礦

物油型）L-HH無(wú)添加劑的石油基

液壓油L-潤(rùn)滑劑，H-液壓

油，一種精制礦物油比全損耗系統(tǒng)用油L-AN（機(jī)械油）質(zhì)量高，但穩(wěn)定性差，易起泡，使用壽命短，液壓系統(tǒng)中不再使用，主要用于機(jī)械潤(rùn)滑L-HL普通液壓油HH+抗氧化劑、防

銹劑能減少機(jī)件磨損，降低溫升，延長(zhǎng)油品使用壽命，換油期比機(jī)械油長(zhǎng)一倍以上，用于機(jī)床等中、低壓系統(tǒng)中L-HM抗磨液壓油HL+抗磨劑可滿(mǎn)足中、高壓液壓系統(tǒng)油泵等部件的抗磨性要求，適用于使用性能要求高的大型中、高壓液壓設(shè)備L-HR高黏度指數(shù)液壓油HL+增黏劑改善黏溫性的液壓油，用于環(huán)境變化大的中、低壓系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)L-HV低溫液壓油HM+增黏劑有良好的低溫特性，適用于-30℃以上，環(huán)境溫度變化較大的室外中、高壓液壓系統(tǒng)L-HG液壓導(dǎo)軌油HM+防爬劑在低速下防爬效果好，適用于機(jī)床液壓與導(dǎo)軌合用的潤(rùn)滑系統(tǒng)或機(jī)床液壓系統(tǒng)含水液壓油L-HFA水包油乳化液H-液壓油，F(xiàn)-防火含水量90%左右，其余為油和各種添加劑抗燃液壓油，黏度低，潤(rùn)滑性差，泄漏大，易產(chǎn)生氣穴，但冷卻效果好，價(jià)格便宜，用于有抗燃要求的低壓系統(tǒng)L-HFB油包水乳化液油占60%左右，其余為水和各種添加劑性能與礦物油接近，難燃燒，價(jià)格便宜，適用于有抗燃要求的中壓系統(tǒng)L-HFC水-乙二醇液乙二醇占40%左右，水占50%左右，增黏劑占10%左右黏溫特性好，有良好的抗燃性能，低溫下黏度較小，低溫啟動(dòng)性好，可在-20℃直接啟動(dòng)油泵而無(wú)需加熱，適于中、低壓系統(tǒng)合成液

壓油L-HFDR磷酸酯液不含油，易水解燃點(diǎn)高，抗燃性、潤(rùn)滑性好，能在-30?130℃溫度范圍內(nèi)工作。但能溶解許多非金屬材料，價(jià)格較貴，有一定毒性，對(duì)環(huán)境有污染，用于高溫、高壓液壓系統(tǒng)中如普通液壓油L-HL32，L表示類(lèi)別（潤(rùn)滑劑、工業(yè)用油和相關(guān)產(chǎn)品），HL等表示介質(zhì)的品種（具有抗氧化、防銹的精制礦油），數(shù)字表示黏度等級(jí)代號(hào)。三、液壓油的性質(zhì)1.液壓油的密度液壓油的密度：?jiǎn)挝惑w積液體所具有的質(zhì)量。用公式表示為：（2-1）式中液壓油的密度，kg/m3；m液壓油的質(zhì)量，kg；V——液壓油的體積，m3。液壓油的體積隨著溫度的上升而增大，所以其密度隨溫度的上升而有所減小。體積隨著壓力的提高而減小，故其密度隨著壓力的增大而增加。但這種變動(dòng)值很小，在計(jì)算中往往可以忽略不計(jì)。所以在進(jìn)行液壓系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)算時(shí)，液壓油的密度通常取一個(gè)常值，即900kg/m3。2.液壓油的黏性如圖2.1所示，液壓油受外力作用而流動(dòng)時(shí)，由于液壓油分子間的內(nèi)聚力和它與固體壁面之間的附著力，而產(chǎn)生的一種阻礙液壓油分子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力，這種產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的特性即為黏性。用公式表示為(2-2)式中F——-液壓油流動(dòng)時(shí)相鄰液層間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，N；——比例系數(shù)，稱(chēng)動(dòng)力黏度(絕對(duì)黏度)，Pas(或Ns/m2)；A——液層間的接觸面積，㎡；du/dy——速度梯度，l/s。液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力為切應(yīng)力，即得牛頓液體內(nèi)摩擦定律（2-3）液體只有在流動(dòng)或有流動(dòng)趨勢(shì)時(shí)才有黏性，所以靜止的液體是沒(méi)有黏性的。不同的液壓油黏性是不同的，其大小可用黏度來(lái)表示。1、黏度表示液體黏性的大小。動(dòng)力黏度(絕對(duì)黏度)U//黏度—運(yùn)動(dòng)黏度V/條件黏度(相對(duì)黏度)/°Et①動(dòng)力黏度液體在單位速度梯度下，單位面積上內(nèi)摩擦力的大小。其公式可由式(2-2)轉(zhuǎn)換而得：（2-4）②運(yùn)動(dòng)黏度V液體的動(dòng)力黏度與它的密度之比，其公式如下:(2-5)運(yùn)動(dòng)黏度的單位為㎡/s，因其有長(zhǎng)度和時(shí)間的量綱，即具有運(yùn)動(dòng)學(xué)的單位，所以稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)黏度。液壓油的牌號(hào)就是用40°C時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度平均值(單位mm2/s)表示的，如普通液壓油L-HL32，表示其運(yùn)動(dòng)黏度平均值為32/s(lm2/s=106mm2/s)。③條件黏度在特定的條件下測(cè)量出來(lái)的黏度。它的單位根據(jù)測(cè)量條件的不同各國(guó)有所不同，我國(guó)采用的是恩氏黏度，其符號(hào)是。恩氏黏度的測(cè)量方法是：將200ml()被測(cè)液體裝入恩氏黏度計(jì)的容器中，加熱到溫度為℃后，再讓此液體從底部孔徑為2.8mm的小孔流盡，記錄從開(kāi)始流出到流盡的時(shí)間為t1，再測(cè)出相同體積、加熱至溫度為20°C的蒸餾水在同一黏度計(jì)中流盡所需的時(shí)間t2，這兩個(gè)時(shí)間之比，即為被測(cè)液體在℃廣下的恩氏黏度。其公式為°Et=(2-6)動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度難以直接測(cè)量，實(shí)際應(yīng)用中要先求出條件黏度，然后再換算成動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度。運(yùn)動(dòng)黏度(㎡/s)和條件黏度的換算關(guān)系式為(2-7)2、黏度和溫度的關(guān)系液壓油的黏度對(duì)溫度的變化比較敏感，它隨著溫度變化而變化。①黏溫特性液壓油的黏度隨溫度變化而變化的性質(zhì)稱(chēng)為黏溫特性。溫度升高，黏度降低；溫度下降，黏度升高。一般石油基型液壓油的黏溫關(guān)系為v=v40=40式中，v為液壓油在t℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度；為液壓油在40°C時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度；為指數(shù)，可查表2.2。表2.2n的值3.49.314183348637689105119135207288368447535771n1.391.591.721.791.992.132.242.322.422.492.522.562.762.862.963.063.103.17圖2.2所示為幾種液壓油的黏溫特性。溫度變化時(shí)，黏度變化量較小，即其黏溫特性好，溫度對(duì)系統(tǒng)的工作性能影響就小。圖2.2黏溫特性曲線(xiàn)②黏度指數(shù)VI用于檢測(cè)液壓油黏度隨溫度變化的程度，它是衡量黏溫特性好壞的指標(biāo)。它的值越高，說(shuō)明液壓油黏度隨溫度變化小，黏溫特性好。一般的液壓系統(tǒng)要求VI值大于90。3、黏度和壓力的關(guān)系當(dāng)壓力增大時(shí)，液壓油分子間的距離縮小，內(nèi)聚力增大，液壓油的黏度也會(huì)增大；反之，黏度會(huì)減小。但在一般工程的液壓系統(tǒng)中，壓力的變化對(duì)黏度的影響很小，尤其是在中、低壓系統(tǒng)中。所以，只有在高壓(壓力大于32MPa)系統(tǒng)中才考慮壓力對(duì)液壓油黏度的影響。具體的影響可用以下計(jì)算公式vp=v0(1+0.003P)(2-9)式中——工作壓力P時(shí)液壓油的運(yùn)動(dòng)黏度，㎡/s；——壓力為一個(gè)大氣壓時(shí)液壓油的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；P——工作時(shí)液壓油的壓力，MPa。4.液體的可壓縮性液體所受壓力增大時(shí)發(fā)生的液體體積減小的性質(zhì)稱(chēng)為可壓縮性。體積減小程度可用壓縮率來(lái)表示，即液壓油單位壓力變化下的體積相對(duì)變化量。其表達(dá)式為（2-10）式中——壓縮率，㎡/N；——壓力變化量，N/㎡；——液壓油體積變化量，L；V——液壓油的體積，L。在工程應(yīng)用中，常用體積模量來(lái)表示液壓油抵抗壓縮能力的大小，即產(chǎn)生單位體積相對(duì)變化量所需要的壓力增量。它是壓縮率的倒數(shù)，其公式為(2-11)體積模量大，說(shuō)明抵抗壓縮能力強(qiáng)，體積不易變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，體積模量會(huì)變?。粔毫υ龃髸r(shí)，體積模量增大；油中混有空氣時(shí)，體積模量會(huì)急劇變小。常溫下，液壓油的體積模量一般為(1.4~2)103MPa，當(dāng)油中混入空氣時(shí)，體積模量降為0.7MPa。所以在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量減小在液壓油中的空氣含量，以提高體積模量，即增加液壓油抵抗壓縮的能力。一般情況下，因液壓油的體積模量很大，它的可壓縮性對(duì)液壓系統(tǒng)的工作性能影響很小，故可以忽略不計(jì)。四、液壓油的選用液壓油選擇的合理與否，直接影響到液壓系統(tǒng)的運(yùn)行情況。正確合理地選擇液壓油，可保證設(shè)備的可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)液壓元件的壽命。液壓油的選擇包括品種的選擇和黏度的選擇。1.選擇品種液壓油品種不同，其性能差別很大。選擇液壓油的3個(gè)品種即石油基型、含水型和合成型中的哪一種，這要考慮使用性能的要求，液壓系統(tǒng)中廣泛使用的是石油基液壓油。具體選擇時(shí)應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面考慮。(1)工作壓力為減少泄漏，工作壓力較高的液壓系統(tǒng)應(yīng)選擇黏度較大的液壓油。(2)運(yùn)動(dòng)速度為減小摩擦損失，工作部件運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，宜選用黏度較小的液壓油。(3)環(huán)境溫度為減少泄漏，環(huán)境溫度較高時(shí)，宜選用黏度較大的液壓油。根據(jù)液壓系統(tǒng)對(duì)工作介質(zhì)的要求選用合適的液壓油品種，如表2.3所示。當(dāng)液壓油品種確定后主要考慮液壓油的黏度，進(jìn)而選擇油液的黏度等級(jí)及牌號(hào)。一般壓力增大，對(duì)液壓油的潤(rùn)滑性、抗磨性要求也會(huì)增大，故高壓時(shí)應(yīng)選用抗磨性好的HM型液壓油。使用時(shí)盡量選擇質(zhì)量高的液壓油，雖然價(jià)格較貴，但使用壽命長(zhǎng)，總的經(jīng)濟(jì)效益很高。表2.3液壓油品種的選擇工作條件環(huán)境條件p≤7Mpat≤50℃p=7?14Mpat≤50℃p=7?14Mpat=50?80℃p>7MPa

t=80?100℃室內(nèi)固定設(shè)備HLHL、HMHMHM露天、嚴(yán)寒地區(qū)HRHVHVHV地下、水上HLHL、HMHMHM高溫、明火HFAHFBHFDRHFDR2.選擇黏度在油液品種選定后，最主要考慮的應(yīng)是油液的黏度問(wèn)題。石油基型液壓油黏度共分8個(gè)等級(jí)，即10、15、22、32、46、68、100、150。黏度選擇主要考慮的因素有壓力、溫度、速度和泵的類(lèi)型等。(1)工作壓力壓力較高時(shí)，應(yīng)選用黏度較高的液壓油，主要是為了防止泄漏，提高效率；壓力較低時(shí)，可選用黏度較低的液壓油，可減小壓力損失。(2)環(huán)境溫度環(huán)境溫度較高時(shí)(大于40℃)，液壓油選用較高的黏度，以保證設(shè)備需要的原來(lái)黏度。即夏季油液應(yīng)選用較高的黏度，冬季油液選用較低的黏度。(3)運(yùn)動(dòng)速度工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，為了減小摩擦，降低功率損失，應(yīng)選用黏度較低的液壓油；運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí)，應(yīng)選用黏度較高的液壓油。(4)液壓泵類(lèi)型在液壓系統(tǒng)中，液壓泵的工作壓力、工作溫度、運(yùn)動(dòng)速度和工作時(shí)間都比較高和長(zhǎng)，所以，它對(duì)油液的黏度要求最高。因液壓泵對(duì)介質(zhì)最敏感，一般將泵對(duì)油液的黏度要求作為選擇液壓油的基準(zhǔn)，以此規(guī)定品種和黏度等級(jí)。液壓油黏度的選擇見(jiàn)表2.4。表2.4液壓油黏度的選擇液壓泵類(lèi)型工作壓力/MPa工作溫度

/。c黏度范圍

/(mm2/s)推薦油液品種及黏度齒輪泵5~4030?70L—HL(低壓)、L—HM

(中、高壓)，32、46、68、

100、15040?8095?165葉片泵≤75?4030?40L—HM，32、46、6840?8040?75>75?4050?70L—HM，46、68、10040?8055?90柱塞泵軸向5?4025?40L—HL、L—HM(高壓)，32、46、68、100、15040?8070?150徑向5?4030?5040?8065?240螺桿泵5?4030?50L—HL，32、46、6840?8040?80五、液壓油污染原因、危害及控制根據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓油的污染是液壓系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因，液壓系統(tǒng)75%以上故障是由油液的污染(水、空氣、固體顆粒、膠狀生成物等)引起的。液壓油的污染直接影響著液壓系統(tǒng)的可靠性和液壓元件的使用壽命，所以，了解油液的污染產(chǎn)生的原因，找到解決污染的辦法，是提高液壓系統(tǒng)使用性能和延長(zhǎng)壽命的有效措施。1.污染原因液壓油的污染主要有以下3個(gè)方面原因。（1）殘留污染液壓元件和液壓系統(tǒng)裝配中的殘留物，如毛刺、切屑、型砂和棉紗等。（2）侵入污染液壓系統(tǒng)運(yùn)行中，由于密封不完善由系統(tǒng)外部侵入的污染物，如灰塵和水分等。（3）生成污染液壓系統(tǒng)運(yùn)行中本身生成的污染物，如腐蝕剝落的金屬顆粒、油液老化后膠狀生成物等。2.污染危害液壓油污染后，會(huì)造成以下后果。(1)磨損固體顆粒會(huì)增加相對(duì)移動(dòng)面的磨損，也會(huì)擦傷密封件，使油液泄漏增大，降低傳動(dòng)效率；造成運(yùn)動(dòng)元件的卡死，縮短其壽命。(2)元件堵塞固體顆?；蚰z狀生成物會(huì)堵塞過(guò)濾器，使泵吸油困難，造成吸空，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲；若堵塞閥類(lèi)元件，使液壓閥的性能下降或操作失靈。(3)系統(tǒng)振動(dòng)、爬行和氣蝕液壓油中的空氣分為溶解空氣和混入空氣兩種，一般油液中溶解有8%?10%的空氣，它均勻分布在油液中，對(duì)其性能沒(méi)有影響。而混入空氣則是以直徑為0.25?0.5mm的氣泡狀懸浮于液壓油中?；烊氲目諝鈺?huì)使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)、爬行和氣蝕現(xiàn)象，并加速液壓油的氧化變質(zhì)，增大可壓縮性，對(duì)其工作性能有較大影響。(4)降低潤(rùn)滑性，使油液乳化變質(zhì)液壓油中混入水分，會(huì)降低潤(rùn)滑性，使金屬元件表面產(chǎn)生銹蝕，還可使液壓油乳化變質(zhì)和生成沉淀物，影響元件使用性能和壽命。如果油液中含有0.5%的水分，它將呈現(xiàn)渾濁狀；如果含有1%的水分，它將變成像牛奶一樣的乳化物。3.污染控制對(duì)液壓油的污染程度進(jìn)行控制，能有效保證設(shè)備的良好運(yùn)行，提高液壓元件的使用壽命。對(duì)污染的控制，應(yīng)從兩個(gè)方面著手：一是防止污染物的侵入，二是把侵入的污染物從液壓系統(tǒng)中清除出去。應(yīng)采取以下措施進(jìn)行控制。(1)所有液壓元件在裝配前都應(yīng)清洗干凈，并保持干燥，液壓系統(tǒng)在裝配后、運(yùn)轉(zhuǎn)前必須用系統(tǒng)工作中使用的油液進(jìn)行徹底清洗。(2)液壓油在工作中保持清潔，盡量防止工作過(guò)程中空氣、水分和灰塵侵入。(3)采用合適的濾油器，并要定期檢查和清洗濾油器和油箱。(4)定期更換液壓油，一般為半年更換、一年更換等。(5)控制液壓油的工作溫度，液壓系統(tǒng)的理想工作溫度為15?55°C，一般不能超過(guò)60°Co【技能訓(xùn)練】訓(xùn)練1走進(jìn)實(shí)訓(xùn)室或?qū)嵱?xùn)車(chē)間，進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。在一片平放的紙上滴上三種不同的液體，然后垂直立放，觀(guān)察其向下流動(dòng)的快慢，判斷液體的黏度，并進(jìn)一步觀(guān)察認(rèn)識(shí)液壓油。任務(wù)二流體靜力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知20min【任務(wù)概述】了解液體的壓力及其表示方法，重力作用下靜止液體中壓力分布，靜止液體內(nèi)壓力的傳遞和液體對(duì)固體壁面的作用力，掌握壓力的計(jì)算方法?！局R(shí)與技能】液體靜力學(xué)主要是研究在外力作用下，處于靜止?fàn)顟B(tài)下液體力的平衡規(guī)律。靜止液體是指液體內(nèi)部各個(gè)質(zhì)點(diǎn)間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不呈現(xiàn)黏性的液體。液壓傳動(dòng)中所用的壓力一般是指液體靜止?fàn)顟B(tài)的靜壓力。一、液體靜壓力及其特性液體靜壓力（壓力）：當(dāng)液體靜止時(shí)，液體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無(wú)摩擦力存在，但每個(gè)質(zhì)點(diǎn)受有其上液體自重所產(chǎn)生的質(zhì)量力，同時(shí)又有液面上所施加的表面外力，即受質(zhì)量力和表面力。由于靜止液體只能受壓、不能受拉（否則會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)），則靜止液體在單位面積上所受的法向力（垂直于作用面）稱(chēng)為液體靜壓力，簡(jiǎn)稱(chēng)壓力。用公式表示為； （2-12）式中p——液體壓力，N/m2（帕，Pa）；F——液體所受均勻分布的法向力，N；A——液體的受力面積，㎡。壓力單位的換算：壓力的單位是Pa（N/m2，帕），由于它的單位量值太小，在工程應(yīng)用中常用MPa（兆帕），或bar（巴）、atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）等。其換算關(guān)系如下：lMPa=106Palatm≈lbar≈l05Palatm≈l0m水柱≈760mm水銀柱液體靜壓力的兩個(gè)重要特性：(1)液體靜壓力的方向總是沿作用面的內(nèi)法線(xiàn)方向(只能處于垂直受壓狀態(tài))。(2)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的液體靜壓力在各個(gè)方向上都相等。二、液體靜力學(xué)基本方程在如圖2.3所示容器中處于靜止?fàn)顟B(tài)的液體，某一深度的任意一點(diǎn)上所受的壓力有兩部分組成：一是重力作用下產(chǎn)生的壓力，二是液面上施加的外力所產(chǎn)生的壓力。則其受力平衡方程式為：p=p式中P——液體中任一點(diǎn)的壓力，Pa；p0ρ——液體的密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2；h——液面到某一質(zhì)點(diǎn)的高度，m。由此式可知，重力作用下靜壓力分布特征如下。(1) 靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力，都有兩部分組成：一是液面上的壓力，二是該點(diǎn)以上液體自重形成的壓力。圖2.3靜止液體內(nèi)的壓力分布圖2.4等壓面(2)靜止液體內(nèi)壓力，隨深度呈直線(xiàn)規(guī)律分布。(3)在連通器中，離液體深度相同的各點(diǎn)形成一等壓面，它是水平面，但必須滿(mǎn)足靜止、連續(xù)的同一種液體的適用條件。如圖2.4所示C-C和D-D是等壓面；A-A面不連續(xù)，兩管不是等壓面；B-B面是不同種液體，兩管也不是等壓面。三、帕斯卡原理圖2.5靜壓傳遞原理如圖2.5所示，在密封容器內(nèi)，施加于靜止液體任一點(diǎn)的壓力將等值傳遞到液體各點(diǎn)，這就是帕斯卡原理或靜壓傳遞原理。其式為 (2-14)用帕斯卡原理可以解釋液壓千斤頂力的傳遞與放大很多倍的原因。力放大的倍數(shù)就是兩活塞面積A2/A1之比。按式（2-14）所示，當(dāng)負(fù)載W為零并略去各種阻力時(shí)，無(wú)論怎么推動(dòng)右邊的小活塞作上下移動(dòng)，液體內(nèi)部都不會(huì)有壓力。這就是所謂的液體壓力取決于負(fù)載。四、壓力的表示方法按照度量基準(zhǔn)的不同，壓力可分為絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力，如圖2.6所示。絕對(duì)壓力：以絕對(duì)真空作為基準(zhǔn)來(lái)度量的壓力，稱(chēng)為絕對(duì)壓力。相對(duì)壓力（表壓力）：以大氣壓力作為基準(zhǔn)來(lái)度量的壓力，稱(chēng)為相對(duì)壓力。由于大氣中的任何物體受大氣壓的作用是自相平衡的，大多數(shù)測(cè)壓儀表所測(cè)得的壓力都是相對(duì)壓力，故相對(duì)壓力也稱(chēng)表壓力。真空度：當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，絕對(duì)壓力比大氣壓力小的那部分值稱(chēng)為真空度。絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力與真空度三者的關(guān)系為：相對(duì)壓力=絕對(duì)壓力-大氣壓力真空度=大氣壓力-絕對(duì)壓力五、液體靜壓力對(duì)固體壁面的作用力靜止液體和固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面上將受到液體靜壓作用力。在液壓傳動(dòng)的計(jì)算中，由液體重量所產(chǎn)生質(zhì)量力可以忽略，看成靜壓力處處相等，所以可認(rèn)為作用于固體壁面上的壓力是均勻分布的。液體靜壓力對(duì)固體壁面的作用力可分如下幾種情況分別計(jì)算。（1）平面固體壁面所受的作用力靜壓力在平面上的總作用力為液體的壓力與該平面面積的乘積（如圖2.7所示）。用公式表達(dá)為(2-15)圖2.6壓力的分類(lèi)圖2.7平面固體壁面受力分析（2）曲面固體壁面所受的作用力曲面上的液壓作用力在某一方向上的分力，等于液體壓力和曲面在該方向的投影面積的乘積。圖2.8(a)、(b)所示圓球、圓錐面上所受液體作用力的表達(dá)式為 (2-16)（a）圓球(b)圓錐圖2.8曲面固體壁面受力分析【技能訓(xùn)練】下面通過(guò)幾個(gè)技能訓(xùn)練，來(lái)解決前面布置的任務(wù)。訓(xùn)練2如圖2.9所示，油箱內(nèi)裝有液壓油，活塞上作用力為10KN，活塞的面積A=10-2m2，液壓油的密度=900kg/m3,活塞下方0.5m處的壓力等于多少?圖2.9油箱解：油面上所受的壓力為(Pa)深為0.5m處液體自重所產(chǎn)生的壓力為深為0.5m處總的壓力為==106+4.41×103=106+0.00441×106≈1.00441×l06Pa=lMPa由此可知，在外力作用下的液壓系統(tǒng)，因液體自重所形成的那部分壓力相對(duì)很小，?？珊雎圆挥?jì)。一般液壓系統(tǒng)的安裝高度不超過(guò)10m，因此，可以認(rèn)為液壓系統(tǒng)中的各處壓力是相等的。訓(xùn)練3液壓機(jī)原理圖如圖2.10所示，操縱缸直徑=50mm，壓制缸直徑為=500mm，壓制缸需要向下施加的變形力F2=60kN，問(wèn)需向操縱缸小活塞上施加多大的力?解：由式（2-14）得

=所以，液壓傳動(dòng)最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是它可把力放大很多倍，它常應(yīng)用于負(fù)載比較大的場(chǎng)合。圖2.11球形容器訓(xùn)練4如圖2.11所示，一個(gè)具有一定真空度的容器用一根管子倒置于一液面與大氣相通的油箱中,液壓油在管中上升的高度h=1m,液壓油的密度ρ=900kg/m3,試求容器內(nèi)的真空度。圖2.11球形容器圖2.10液壓機(jī)原理圖2.11球形容器解：真空度=大氣壓力-絕對(duì)壓力設(shè)球形容器內(nèi)的絕對(duì)壓力為P1，已知油箱表面大氣壓力為Pa，油的密度為900kg/m3，根據(jù)式（2-13）則有:Pa真空度=900×9.8×1=8820Pa

所以，球形容器內(nèi)的真空度為8820Pa。任務(wù)三流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知10min【任務(wù)概述】了解液體的兩種流動(dòng)狀態(tài)、液體管路的壓力損失、孔口流量、動(dòng)量方程、液壓沖擊和氣穴，能利用雷諾數(shù)判斷液體的流態(tài)，掌握液體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、連續(xù)性方程和伯努利方程的計(jì)算方法?！局R(shí)與技能】一、基本概念1.理想液體和實(shí)際液體理想液體：既無(wú)黏性又不可壓縮的液體稱(chēng)為理想液體。實(shí)際液體：既有黏性、又可壓縮的液體。尤其是黏性的影響不能忽略，而液體的黏性阻力是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，這就使對(duì)流動(dòng)液體的研究變得復(fù)雜。為了方便研究與分析液體，常常是先假設(shè)是理想液體，找出流動(dòng)的規(guī)律，然后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)論進(jìn)行修正。2.恒定流動(dòng)和非恒定流動(dòng)恒定流動(dòng)：液體流動(dòng)時(shí)，若液體中任何一點(diǎn)的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間而變化，則這種流動(dòng)就稱(chēng)為恒定流動(dòng)（定常流動(dòng)）。非恒定流動(dòng)：在流體的上述運(yùn)動(dòng)參數(shù)中，只要有一個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間而變化，液體的運(yùn)動(dòng)就是非恒定流動(dòng)。一般研究和分析時(shí)，常把流動(dòng)簡(jiǎn)化為恒定流動(dòng)，然后再對(duì)結(jié)論進(jìn)行修正。圖2.12所示為恒定流動(dòng)和非恒定流動(dòng)。3.流量液體在管道中流動(dòng)時(shí)，垂直于流動(dòng)方向的管道截面稱(chēng)為過(guò)流斷面，如圖2.13所示的A。單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一過(guò)流斷面的液體的體積稱(chēng)為流量，其單位為m3/s。由于此單位太大，工程實(shí)際中常用L/min，lm3/s=6×104L/min,流量公式為 （2-17）式中——液體流過(guò)某一過(guò)流斷面的流量，m3/s；V——流過(guò)某一過(guò)流斷面液體的體積，m3；t——上述液體的體積流過(guò)某一過(guò)流斷面所需的時(shí)間，s。圖2.13過(guò)流斷面4.平均流速實(shí)際液體流動(dòng)中，由于黏性摩擦力的作用，過(guò)流斷面上各點(diǎn)的流速并不相同。對(duì)于實(shí)際液體，利用流速計(jì)算流量時(shí)比較困難，因此引入平均流速的概念，即認(rèn)為過(guò)流斷面上各點(diǎn)的流速均為平均流速，用來(lái)表示，令流量與上述實(shí)際流量相等，則通過(guò)過(guò)流斷面的流量就等于平均流速乘以過(guò)流斷面面積，即（2-18）在實(shí)際工程應(yīng)用中，常用公式（2-18）計(jì)算液壓缸內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)的速度。因推動(dòng)活塞帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度，就是缸內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)的平均速度，速度大小取決于進(jìn)入液壓缸內(nèi)的流量，即速度取決于流量,。流量大，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度快，反之則慢。5．液體的流動(dòng)狀態(tài)實(shí)際液體的黏性是產(chǎn)生流動(dòng)阻力的根本原因。液體的流動(dòng)狀態(tài)不同，則其流動(dòng)阻力也不相同。液體的流動(dòng)有兩種狀態(tài)，即層流和紊流。如水管閥門(mén)打開(kāi)的大小不同，水流就會(huì)出現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，如圖2.14所示。(1)層流液體的質(zhì)點(diǎn)間在運(yùn)動(dòng)時(shí)互不干擾，流動(dòng)呈線(xiàn)狀或?qū)訝?，能夠維持安定的流束狀態(tài)，并且平行于管道的軸線(xiàn)，這種流動(dòng)稱(chēng)為層流。(2)紊流如果液體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章，引起流層間質(zhì)點(diǎn)相互錯(cuò)雜交換。即除了沿管道軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)外，還存在橫向的運(yùn)動(dòng)，這種流動(dòng)稱(chēng)為紊流。圖2.14液體的流動(dòng)狀態(tài)觀(guān)察兩種流態(tài)，可通過(guò)雷諾試驗(yàn)進(jìn)行，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖2.15所示。試驗(yàn)時(shí)打開(kāi)左上水閥7，保持水箱中水位恒定。水箱右下方裝有透明玻璃管，并保持液體在里面穩(wěn)定流動(dòng)。然后將水閥1微微開(kāi)啟，使少量水流流經(jīng)玻璃管，即玻璃管內(nèi)流量和平均流速很小。這時(shí)，如將裝有紅色液體的小水箱下部的水閥6也微微開(kāi)啟，使紅色液體經(jīng)小導(dǎo)管也流入玻璃管內(nèi)，在玻璃管內(nèi)看到一條與軸線(xiàn)平行且細(xì)直、清晰的紅色流束，和大玻璃管中的清水互不混雜和干擾。說(shuō)明玻璃管中水流都是安定地沿軸向運(yùn)動(dòng)，而沒(méi)有垂直于軸線(xiàn)方向的橫向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)水流是分層的，即為層流；如果把水閥1閥口緩慢開(kāi)大，管道中的流量和它的平均流速也將逐漸增大，直至增加至紅色流束開(kāi)始彎曲抖動(dòng)，玻璃管內(nèi)液體質(zhì)點(diǎn)不再保持安定，不僅具有橫向的波動(dòng)速度，而且也具有縱向波動(dòng)速度，這時(shí)的紅色流束呈波紋狀，處于一種臨界狀態(tài)；如果水閥1繼續(xù)開(kāi)大，紅色流束波動(dòng)加劇，直到與周?chē)后w完全混雜在一起，紅色流束消失，這就是紊流；若將水閥1閥口反向再慢慢關(guān)小，可看到和上述現(xiàn)象相反的過(guò)程，這時(shí)液體又從紊流變?yōu)閷恿?。圖2.15雷諾試驗(yàn)6.雷諾數(shù)液體流動(dòng)時(shí)究竟是層流還是紊流，須用雷諾數(shù)Re來(lái)判別。雷諾將一些影響液體流動(dòng)形態(tài)的因素用Re表示，經(jīng)其實(shí)驗(yàn)，液體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速有關(guān)，還和管道直徑d、液體的運(yùn)動(dòng)黏度有關(guān)，但真正決定液流狀態(tài)的卻是這3個(gè)參數(shù)所組成的一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，即雷諾數(shù)，其公式如下：（2-19）式中Re——雷諾數(shù)，無(wú)單位；——液體在管道中的流速，m/s；d——管道直徑，m；——液體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。如果液流的雷諾數(shù)相同，它的流動(dòng)狀態(tài)也就相同。要區(qū)分是層流還是紊流，用臨界雷諾數(shù)（Rec）來(lái)判斷。因由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪骱头催^(guò)來(lái)由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯呐R界雷諾數(shù)不同，后者雷諾數(shù)較小，一般是用由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)的雷諾數(shù)來(lái)判斷液流狀態(tài)，即臨界雷諾數(shù)。層流：Re≤Rec；紊流：Re>Rec光滑金屬圓管：Re≤2000?2300層流Re>2000?2300紊流Re的物理意義：它是液流的慣性力對(duì)黏性力的無(wú)因次比。當(dāng)Re較小時(shí)，黏性力起主導(dǎo)作用，這時(shí)是層流；當(dāng)Re較大時(shí)，慣性力起主導(dǎo)作用，這時(shí)是紊流。液流管道的臨界雷諾數(shù)由實(shí)驗(yàn)求得，常見(jiàn)液流管道臨界雷諾數(shù)見(jiàn)表2.5。表2.5管道臨界雷諾數(shù)管道形狀Rec管道形狀Rec光滑金屬圓管2000?2300光滑偏心環(huán)狀縫隙1000光滑金屬方管2070平行平板1000橡膠軟管1600?2000圓柱形滑閥閥口260光滑同心環(huán)狀縫隙1100錐閥閥口20?100二、連續(xù)性方程流量的連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，作恒定流動(dòng)的不可壓縮的液體，在單位時(shí)間內(nèi)流入過(guò)流斷面A1（如圖2.16所示）的液體的質(zhì)量（流量），等于流出過(guò)流斷面A2的質(zhì)量（流量）。即在相同的時(shí)間內(nèi)，液體流過(guò)任一過(guò)流斷面的流量必相等。液流的連續(xù)性方程表達(dá)為 （2-20）式中——通過(guò)任一截面的流量，m3/s；、A2——管道內(nèi)兩個(gè)過(guò)流斷面的面積，m2/s；——管道內(nèi)兩個(gè)過(guò)流斷面A1、A2上的液體的平均流速，m/s。當(dāng)流量一定時(shí)，任一過(guò)流斷面上的平均流速與過(guò)流面積成反比。如一條河上的流量在各個(gè)截面上都是相同的，可以觀(guān)察到河面窄處水流湍急，河面寬處水流緩慢。圖2.16液體流量的連續(xù)性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。因液壓傳動(dòng)是利用有壓力的流動(dòng)液體來(lái)傳遞能量的，所以，伯努利方程也稱(chēng)為能量方程。1.理想液體的伯努利方程為了研究方便，一般將液體看作沒(méi)有黏性摩擦力和不可壓縮的理想液體來(lái)處理。如圖2.17所示，根據(jù)能量守恒定律，外力對(duì)物體所做的功等于其機(jī)械能的變化，可得理想液體的伯努利方程為=常數(shù) （2-21）式中——截面1和2的壓力，Pa；——液體的密度，kg/?；g——重力加速度，m/s2；、——截面1和2距基準(zhǔn)面的距離，m；——截面1和2液流的平均速度，m/s。伯努利方程的物理意義：在密封管道內(nèi)作恒定流動(dòng)的理想液體，在任意一個(gè)過(guò)流斷面上都具有三種形成的能量，即壓力能（p）、位能（）和動(dòng)能（/2）。這三種能量的總和是一個(gè)恒定的常量，而且三種能量之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。即在不同的過(guò)流斷面上，同一種能量的值會(huì)不同，但各個(gè)斷面上的總能量數(shù)值都是相同的，即能量守恒，如圖2.18所示。2.實(shí)際液體的伯努利方程實(shí)際液體和理想液體的伯努利方程存在著以下區(qū)別。①由于液體存在著黏性，其黏性力表示為對(duì)液體流動(dòng)的阻力，實(shí)際液體的流動(dòng)要克服圖2.17伯努利方程示意圖圖2.18伯努利方程能量轉(zhuǎn)換圖這些阻力，表示為機(jī)械能的消耗和損失。所以，當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)沿液流方向的總能量在不斷地減少（）。②管道局部形狀和尺寸有驟然變化的地方，會(huì)引起擾動(dòng)的能量損失（）。③實(shí)際流速分布是不均勻的，若按均勻分布的平均流速計(jì)算動(dòng)能，會(huì)引起一定的誤差，所以有必要引入動(dòng)能修正系數(shù)。所以，實(shí)際液體的伯努力方程為： （2-22）伯努利方程的適用條件為：①穩(wěn)定流動(dòng)的不可壓縮液體，即密度為常數(shù)；②截面中心在基準(zhǔn)以上時(shí)h取正值，反之，取負(fù)值，常選特殊位置水平面（如油箱液面）作為基準(zhǔn)面；③斷面1和2需順流向選取，否則為負(fù)值；④層流時(shí)=2，紊流時(shí)=l。四、動(dòng)量方程動(dòng)量方程是動(dòng)量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用。動(dòng)量定理是指作用在物體上（這里是液體）的外力，等于物體在單位時(shí)間內(nèi)的動(dòng)量變化量。其公式為F=mυ2Δt-則液體在作恒定流動(dòng)時(shí)的動(dòng)量方程，可由以上剛體力學(xué)中的動(dòng)量定理轉(zhuǎn)化而來(lái)。其公式為： （2-24）式中——作用于液體上的合外力，它是矢量，計(jì)算時(shí)應(yīng)將其分解為某個(gè)方向上的值，N；——液體的密度，kg/?；——液體的流量，m3/s；——?jiǎng)恿啃拚禂?shù)，修正由平均流速代替實(shí)際流速所產(chǎn)生的誤差。它與液體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，層流時(shí)取1.33，紊流時(shí)取1，計(jì)算時(shí)常取1；——液體在流過(guò)前后兩個(gè)過(guò)流斷面的平均流速。它是矢量，計(jì)算時(shí)應(yīng)將其分解為方向上的值，其單位為m/s。式（2-24）中的是求外力作用于液體上的力，但在工程實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)求液體對(duì)固體壁面的作用力，二者方向相反，則其方程變?yōu)?（2-25）【技能訓(xùn)練】下面通過(guò)幾個(gè)技能訓(xùn)練，來(lái)解決前面布置的任務(wù)。訓(xùn)練5圖2.19所示的噴霧器原理圖，1-1截面的直徑為=500mm，2-2截面的直徑為=50mm，氣流在截面1-1處的速度為0.1m/s，求氣流在2-2截面處的速度是多少？解:由式(2-20)訓(xùn)練6如圖2.19所示，是一種自吸式噴霧器，說(shuō)明其噴霧原理。解：霧其實(shí)是水的微滴，由液流的連續(xù)性方程式（2-20）可知，大斷面流速慢，小斷面流速快，所以V1<V2。再者，由上面的計(jì)算也能看出2-2截面的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于截面1-1的速度。再利用伯努利方程的原理，當(dāng)流體高度相同時(shí)，伯努利方程就變?yōu)?，每個(gè)截面總的能量不變，流速慢的大斷面管中的壓力（壓力能）高，流速快的小斷面管中壓力（壓力能）訓(xùn)練7如圖2.20所示，液壓泵從油箱中吸油，泵吸油口到油箱液面高度為h。分析液壓泵的吸油條件（真空度和安裝高度）。圖2.19自吸式噴霧器原理圖2.20液壓泵吸油解：以油箱液面1為第一個(gè)過(guò)流斷面，并設(shè)為基準(zhǔn)面；以泵的吸油口處2為第二個(gè)過(guò)流斷面，利用伯努利方程式中，P1油箱液面的大氣壓力，用表示；是基準(zhǔn)面的高度，=0；為油箱面的液流速度，因其截面1面積比油管截面2面積大很多，根據(jù)連續(xù)性方程，與相比很小，可近似認(rèn)為為。于是，上式可寫(xiě)成求真空度的計(jì)算式為上式右邊，當(dāng)泵安裝在液面之上時(shí)，h>0,動(dòng)能項(xiàng)和壓力損失都大于零，Pa-P2>0，這樣泵的吸油口必定形成真空度。泵的吸油是靠其進(jìn)油口處的真空度來(lái)完成的，即其絕對(duì)壓力必小于大氣壓，泵的吸油實(shí)際上是油箱液面上的大氣壓將油壓進(jìn)油泵的。但真空度的值也不能太大，一般小于0.03MPa，過(guò)大會(huì)使過(guò)小，當(dāng)泵入口絕對(duì)壓力小到低于油液的空氣分離壓時(shí)，將使溶于油液中空氣分離出來(lái)形成氣泡，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。當(dāng)小于油液的飽和蒸氣壓時(shí)，油液本身會(huì)產(chǎn)生氣化，以致更大量的氣體產(chǎn)生，破壞油液的連續(xù)性，為了使真空度不至于過(guò)大，一般需限制液壓泵的安裝高度h在液面之上不超過(guò)0.5m的地方，且采用較大直徑的吸油管。若液壓泵安裝于油箱液面之下時(shí)，高度h為負(fù)值，且當(dāng)||>時(shí)，—<0，液壓泵的進(jìn)油口不能形成真空度，而是靠液壓油的重力自行灌到泵中，如圖2.21所示。圖2.21泵倒灌吸油任務(wù)四流體流動(dòng)的壓力損失計(jì)算10min【任務(wù)概述】了解管路內(nèi)壓力損失情況，掌握沿程壓力損失和局部壓力損失計(jì)算方法?！局R(shí)與技能】圖2.22液體流動(dòng)的壓力損液壓系統(tǒng)都是有管道、管接頭和閥門(mén)等元件組成，液體在流經(jīng)這些元件時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生能量損失。能量損失在液壓傳動(dòng)中稱(chēng)為壓力損失，按液體流動(dòng)時(shí)阻力的不同，壓力損失分為沿程壓力損失和局部壓力損失兩種形式，在如圖2.22所示的一段管道中，其壓力損失為。一、沿程壓力損失沿程壓力損失：液體在等徑直管中流動(dòng)時(shí)，由于液體的黏性和過(guò)流斷面上質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的不同，造成液體分子間的內(nèi)摩力；同時(shí)液體分子與管道內(nèi)壁也會(huì)形成摩擦力，這兩種摩擦力形成一種能量損失即沿程壓力損失，它是沿著整個(gè)流動(dòng)管道都會(huì)產(chǎn)生的壓力損失。沿程壓力損失主要取決于管路的長(zhǎng)度、內(nèi)徑、粗糙度、液體的流速和黏度等。液體的流態(tài)（層流和紊流）不同，沿程壓力損失也不同。因壓力損失不僅浪費(fèi)功率，還會(huì)使系統(tǒng)油溫升高，黏度下降，泄漏增加，元件受熱膨脹，尺寸增大，影響正常工作，甚至卡死，所以必須控制系統(tǒng)的壓力損失。1.層流時(shí)的沿程壓力損失一般在液壓傳動(dòng)中，液體的流動(dòng)狀態(tài)多數(shù)是液體在圓管中做層流流動(dòng)（低速流動(dòng)）。液體層流時(shí)的沿程壓力損失公式為（2-26）式中——沿程壓力損失，Pa；——沿程阻力系數(shù)，無(wú)量綱。圓管沿程阻力系數(shù)公式如表2.6所列，對(duì)于金屬管—般取=75/Re，橡膠管取=80/Re；l——管道長(zhǎng)度，m；d——管道內(nèi)徑，m；——液體密度，kg/m3；——液體的平均流速，m/s。由上式可以看出；管道越細(xì)、越長(zhǎng)、黏度越大、流速越快，則壓力損失越大?？刂蒲爻虊毫p失的最有效的措施就是限制流速，管道內(nèi)的平均流速不能超過(guò)表2.7中的推薦值；但流速也不能太小，太小會(huì)加大管道和閥類(lèi)等元件的尺寸（）。既管道內(nèi)的液體流速不能太大，也不能太小，一定要控制在一定的范圍內(nèi)。2.紊流時(shí)的沿程壓力損失當(dāng)管道內(nèi)流速較大時(shí)，液體各質(zhì)點(diǎn)不再是有規(guī)則（拋物線(xiàn)）的軸向運(yùn)動(dòng)，而是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在劇烈的橫向流動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)形成互相摻混和脈動(dòng)。這種極不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，引起質(zhì)點(diǎn)間的碰撞，產(chǎn)生大量的不規(guī)則的小旋渦，使紊流能量損失比層流大得多。所以在液壓系統(tǒng)中，為避免產(chǎn)生紊流，應(yīng)限制管道內(nèi)的流速不超過(guò)7m/s。紊流時(shí)的沿程壓力損失計(jì)算式查表2.6。表2.6圓管沿程阻力系數(shù)λ的計(jì)算公式液態(tài)Re管道A的計(jì)算層流Re<2300等溫金屬管λ=非等溫光滑金屬管λ=橡膠軟管λ=紊流4000<Re<105光滑管λ=0.3164105<Re<3×106λ=Re>900/dλ的值除與Re有關(guān)外，還與相對(duì)粗糙度△/d有關(guān)。絕對(duì)粗糙度△值與管材有關(guān)：鋼管0.04、鑄鐵0.25、銅管和塑料管0.0015?0.01。應(yīng)盡量提高管壁的加工質(zhì)量，降低壓力損失λ=表2.7管道推薦流速管道允許流速/(m/s)吸油管有過(guò)濾器0.5?1.5無(wú)過(guò)濾器1.5~3回油管2?3壓油管2.5MPa35MPa410MPa5>15MPa7二、局部壓力損失局部壓力損失：液體流經(jīng)閥口、彎管、突變截面和濾網(wǎng)等局部結(jié)構(gòu)時(shí)，由于液流方向和速度均發(fā)生變化，形成旋渦(如圖2.23所示)，使液體的質(zhì)點(diǎn)間相互撞擊，從而產(chǎn)生較大的能量損耗，即局部壓力損失。圖2.23管路突然擴(kuò)大時(shí)液流狀況局部壓力損失的計(jì)算式為：(2-27)式中——局部壓力損失，Pa；——局部阻力系數(shù)，其數(shù)值與局部阻力結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，可查手冊(cè)；——液體的平均流速。閥類(lèi)元件的局部壓力損失可用公式(2-27)計(jì)算，也可用下面更易計(jì)算的公式Δpv=Δpnqvq式中△——通過(guò)閥類(lèi)元件的局部壓力損失，Pa；△——閥類(lèi)元件在額定流量下的壓力損失，可由手冊(cè)查出，Pa；——通過(guò)閥類(lèi)元件的實(shí)際流量，?/s；——通過(guò)閥類(lèi)元件的額定流量，可由手冊(cè)查出，?/s。減小局部壓力損失的措施是減少管道截面的突變，減少接頭與彎頭數(shù)量，選用壓力降

較小的閥類(lèi)元件等。三、管路系統(tǒng)總壓力損失管路系統(tǒng)總的壓力損失可由以上所有沿程壓力損失和局部壓力損失組成，其式為(2-29)一般液壓系統(tǒng)的管路不是太長(zhǎng)，所以沿程壓力損失較小，閥類(lèi)等元件的局部壓力損失比較大。但壓力損失也有有利的一面，如減壓閥和流量閥等多種閥類(lèi)元件，就是利用增大或減小通過(guò)它的液流的壓力損失(壓降)來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力和流量控制的。計(jì)算出壓力損失值后，就可求得到液壓泵的實(shí)際工作壓力。若已知執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的工作壓力為p(一般在2.5?32MPa)，因液壓系統(tǒng)中油管安裝的最大高度一般不超過(guò)10m，管道內(nèi)的平均流速一般不會(huì)超過(guò)7m/s，則可得液壓泵出口的壓力。假設(shè)壓力(能)為：p=2.5MPa位能：=900×9.8×10=0.09MPa動(dòng)能：=900=0.023MPa由以上計(jì)算可看出，壓力能比位能和動(dòng)能大很多。所以，在以后的液壓系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，位能和動(dòng)能可忽略不計(jì)，只靠壓力能做功。利用伯努利方程，則泵的壓力為： (2-30)所選液壓泵的額定壓力要略大于系統(tǒng)工作時(shí)的最大壓力，一般取加=(1.3?1.5)【技能訓(xùn)練】訓(xùn)練8如圖2.20所示，泵的流量為42×10-5?/s，吸油管內(nèi)徑為30mm，油液密度為900kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度為32×10-6㎡/s，過(guò)濾器壓力損失△p=0.02MPa，吸油管局部阻力系數(shù)=0.2，泵吸油的真空度為0.025MPa，求泵的安裝高度。解：以1—1為基準(zhǔn)面，，，，設(shè)泵的安裝高度為h，根據(jù)式則所以液流是層流，，把所求數(shù)據(jù)代入上式得h=0.49m任務(wù)五孔口和縫隙流量的計(jì)算10min【任務(wù)概述】了解孔口和縫隙流量的特性，掌握計(jì)算孔口和縫隙流量的方法。【知識(shí)與技能】在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，孔口和縫隙是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。如節(jié)流閥、調(diào)速閥的節(jié)流調(diào)節(jié)小孔，減壓閥的壓力調(diào)節(jié)孔口，方向閥的控制閥口等。在各種液壓元件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間，都會(huì)存在有各種形式的間隙，它將影響著液體泄漏量的大小。研究液體流經(jīng)這些孔口和縫隙的流量壓力特性，對(duì)于研究節(jié)流調(diào)速性能，計(jì)算泄漏都很重要。—、孔口流量液體流經(jīng)小孔的情況可以根據(jù)孔長(zhǎng)L與孔徑刁的比值分為以下三種情況:①薄壁孔：L/d≤0.5，如圖2.24(a)所示；②短孔：0.5<L/d≤4，如圖2.24(b)所示；③細(xì)長(zhǎng)孔(阻尼管)：L/d>4，如圖2.25(c)所示。（a）薄壁孔（b）短孔（c）細(xì)長(zhǎng)孔圖2.24孔口的形1.薄壁孔的流量薄壁孔的流量計(jì)算公式為(2-31)式中——液體流過(guò)薄壁孔的流量，m3/s；Cq——流量系數(shù)，其值為：完全收縮:流速的收縮作用不受孔口前管壁的影響。當(dāng)時(shí)，Cq=0.964Re-0.05;當(dāng)Re>10不完全收縮：孔口前管壁對(duì)液流進(jìn)入孔口起導(dǎo)向作用，對(duì)收縮程度有影響，Cq=0.7~0.8；At——薄壁孔口面積，At=/4，m2；——薄壁孔口兩端的壓力差，主要為管道內(nèi)液體在流經(jīng)孔口處時(shí)突然縮小和突然增大而形成的兩部分壓力損失，Pa；——液體的密度，kg/m3。由于薄壁孔口流程短，沿程壓力損失很小，壓差變化對(duì)流量影響較小，對(duì)油溫不敏感。這種小孔流量比較穩(wěn)定，宜做節(jié)流閥。2.短孔的流量短孔的流量公式和薄壁孔口的公式(2-31)相同，但流量系數(shù)不同，一般取Cq=0.8?0.82。由于短孔比薄壁孔容易加工，所以短孔適合作固定節(jié)流器。1.細(xì)長(zhǎng)孔的流量細(xì)長(zhǎng)孔的流量計(jì)算公式為qv=式中——液體流過(guò)細(xì)長(zhǎng)孔的流量，m3/s；d——管道直徑，m；△P——孔口兩端的壓力差，Pa；——液體的動(dòng)力黏度，Pa?s；

l——細(xì)長(zhǎng)孔的長(zhǎng)度，m。細(xì)長(zhǎng)孔的流量計(jì)算公式，也是管道內(nèi)液體的流量。細(xì)長(zhǎng)孔的流程長(zhǎng)，流動(dòng)多為層流，液體會(huì)因黏性而流動(dòng)不暢，易發(fā)熱和堵塞，所以不宜作節(jié)流閥，而是常做成阻尼孔使用。三種孔口的綜合流量通式為：qυ式中C——孔口系數(shù)，由孔口的形狀、尺寸和液體性質(zhì)所決定。薄壁孔和短孔其式為C=Cq(2/)1/2，細(xì)長(zhǎng)孔為C=d2m——長(zhǎng)徑比指數(shù)，薄壁孔和短孔為m=0.5，細(xì)長(zhǎng)孔m=1。流量通式常用作分析孔口的流量壓力特性。由通式可知，通過(guò)各種孔口的流量主要與過(guò)流斷面積At成正比，改變At就能改變流量，這是節(jié)流閥的原理。二、縫隙流量液壓元件各個(gè)零件的配合面之間都存在縫隙(如圖2.25所示)，尤其是運(yùn)動(dòng)元件的配合面之間要有適當(dāng)?shù)目p隙。運(yùn)動(dòng)配合面縫隙太小，會(huì)使液壓元件中的摩擦損失增大，或致使零件卡死，影響運(yùn)動(dòng)；縫隙太大，泄漏增大，降低效率和傳動(dòng)精度，污染環(huán)境。所以，裝配元件配合面間一般都有幾微米到幾十微米的縫隙，以使泄漏功率和摩擦功率這兩種功率損失之和達(dá)到最佳值，并不是縫隙越小越好。縫隙流量：液體流經(jīng)縫隙的流量稱(chēng)縫隙流量，也稱(chēng)泄漏量?？p隙有兩種，即兩個(gè)平行平板之間形成的平行縫隙，另有兩個(gè)內(nèi)、外圓柱面形成的環(huán)形縫隙。縫隙中的液體流動(dòng)一般為層流，它分為三種情況：一種是壓差流動(dòng)，它是由縫隙兩端圖2.25液壓元件的縫隙流量的壓力差造成的流動(dòng)；第二種是剪切流動(dòng)，是由形成縫隙的兩元件配合面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的流動(dòng)；第三種是壓差與剪切同時(shí)作用下的流動(dòng)。1.平行平板縫隙的流量（1）流過(guò)固定平行平板縫隙的流量（壓差流量）由于兩板間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成縫隙流動(dòng)的原因是它兩端形成的壓力差，如圖2.26所示。則壓差流量的計(jì)算式（2-34）式中——液體流過(guò)兩固定平板縫隙的流量，m3/s；b——縫隙寬度，m；——縫隙高度，m；△p——縫隙兩端的壓力差，Pa；——液體的動(dòng)力黏度，Pa?s；l——縫隙長(zhǎng)度，m。圖2.26固定平行平板縫隙的流量（壓差流量）這里。由上式可知，在壓差作用下，流過(guò)固定平行平板縫隙的流量與縫隙高度的三次方成正比。所以，要想減少泄漏量，就必須控制縫隙的大小，這就要求液壓元件的加工精度不能太低。（2）流過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)平行平板縫隙的流量（剪切流量）如圖2.27所示，假設(shè)下平板不動(dòng)，上平板以速度向右運(yùn)動(dòng)，但液體兩端無(wú)壓差作用。因液體有黏性，所以，附著在下平板的液體運(yùn)動(dòng)速度為零，附著在上平板的液體隨著上板以速度向右運(yùn)動(dòng)，縫隙中間液體則在上部分液體帶動(dòng)下也作向右運(yùn)動(dòng)。但順著高度方向液體從上到下速度按線(xiàn)型規(guī)律遞減。剪切流量的計(jì)算式為(2-35)式中——液體流過(guò)兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)平板縫隙的流量，——兩平行平板間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，m/s。圖2.27相對(duì)運(yùn)動(dòng)平行平板縫隙的流量(剪切流量)（3）流過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)平行平板縫隙的合成流量(壓差流量+剪切流量)兩平行平板既有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩端又存在壓差流動(dòng)。其速度和流量是以上兩種情況的線(xiàn)性疊加，如圖2.28所示。其流量表達(dá)式為(a)運(yùn)動(dòng)方向與壓差方向相同(b)運(yùn)動(dòng)方向與壓差方向相反圖2.28運(yùn)動(dòng)平行平板縫隙的合成流量(壓差流量+剪切流量)(2-36)式中正負(fù)號(hào)的確定：當(dāng)運(yùn)動(dòng)平板相對(duì)于固定平板的運(yùn)動(dòng)方向和壓差流動(dòng)方向（由P1流向P2）一致時(shí)，取"+”號(hào)；反之取“一”號(hào)。2.圓環(huán)縫隙的流量液壓系統(tǒng)中，很多元件的配合均屬于圓環(huán)縫隙的流量。如缸體與活塞的配合面，閥體與閥芯的配合面等。圓環(huán)縫隙分為兩種，即同心圓環(huán)縫隙和偏心圓環(huán)縫隙。（1）同心圓環(huán)縫隙的流量流過(guò)同心圓柱體間的配合縫隙的流量稱(chēng)為同心圓環(huán)縫隙流量，如圖2.29所示。當(dāng)圓柱體直徑時(shí)，可以將圓環(huán)縫隙間的流動(dòng)展開(kāi)，近似地看作是平行平板間縫隙的流動(dòng)，只要將b=d代入式(2-35)，就可得到同心圓環(huán)縫隙的流量公式：圖2.29流過(guò)同心圓環(huán)縫隙的流量qv（2）流過(guò)偏心圓環(huán)縫隙的流量A—AA—A在實(shí)際液壓傳動(dòng)的系統(tǒng)中，由于制造和裝配的原因，真正同心的圓環(huán)縫隙是很少存在的，一般都存在一定程度的偏心。如活塞與油缸不同心時(shí)就形成了偏心圓環(huán)縫隙，如圖2.30所示。其流量公式為(2-38)圖2.30流過(guò)偏心圓環(huán)縫隙的流量式中——相對(duì)偏心率，計(jì)算式為=，它是配合圓柱體的偏心距e和同心時(shí)縫隙厚度的比值，=0~lo由上式可知，最大偏心時(shí)=l，此時(shí)的壓差流量為同心時(shí)的壓差流量的2.5倍。所以，為了減少泄漏量，在加工和裝配時(shí)應(yīng)盡量使兩圓柱體配合面處于同心狀態(tài)?！炯寄苡?xùn)練】訓(xùn)練9如圖2.31所示，泵的出油壓力為3.5MPa，活塞直徑為100mm，活塞寬為50mm，節(jié)流閥薄壁小孔的開(kāi)口面積為2mm2，負(fù)載為20kN，節(jié)流閥閥口的流量系數(shù)為0.6，密度為900kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度30mm2/so圖2.31(1)試求活塞向右運(yùn)動(dòng)的速度是多少？(2)若活塞與缸體間有0.1mm的縫隙，求同心時(shí)的泄漏量是多少？解：(1)缸左腔壓力為p=節(jié)流閥兩端的壓差為△p=(3.5-2.5)MPa=1MPa，通過(guò)節(jié)流閥小孔的流量為q活塞運(yùn)動(dòng)的速度為υ=(2)圓環(huán)縫隙同心時(shí)的流量為因?yàn)閴翰盍髁渴菑臒o(wú)桿腔流向有桿腔，方向向右，活塞相對(duì)于缸體運(yùn)動(dòng)方向向右，即剪切流量向右，總流量為二者的疊加，公式（2-37）中取“+”號(hào)。q本技能訓(xùn)練中素質(zhì)目標(biāo)（分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和一定的應(yīng)變能力）的體現(xiàn)主要是分析壓差流量與剪切流量到底是方向相同還是相反，二者是相加還是相減。任務(wù)六認(rèn)識(shí)液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象15min【任務(wù)概述】了解液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象，掌握液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因、危害及控制方法?！局R(shí)與技能】一、液壓沖擊在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因致使液體的壓力在某一瞬間會(huì)突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為液壓沖擊。它可能比正常值高出幾倍或者更高。1.液壓沖擊產(chǎn)生的原因①閥口突然關(guān)閉，液流的速度發(fā)生變化，由于其慣性作用，液體瞬間的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，致使產(chǎn)生液壓沖擊。如圖2.32所示。圖2.32液壓沖擊①部件突然制動(dòng)或換向，因其慣性也會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊。②元件動(dòng)作不靈敏（如溢流閥反應(yīng)遲鈍打不開(kāi)），系統(tǒng)失去控制功能，致使壓力升高，產(chǎn)生液壓沖擊。2,液壓沖擊產(chǎn)生的危害①損壞密封、管道等液壓元件。②產(chǎn)生巨大的振動(dòng)和噪聲，并使油溫升高，影響工作性能。③壓力繼電器、順序閥和溢流閥等壓力控制元件產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成設(shè)備故障或事故。1.減小液壓沖擊的措施①延長(zhǎng)閥門(mén)關(guān)閉和運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)的換向時(shí)間（最好大于0.3s）。②限制管道流速（如機(jī)床液壓系統(tǒng)管道內(nèi)液體的流速應(yīng)小于5m/s）和運(yùn)動(dòng)部件速度（小于0.17m/s）。③適當(dāng)加大管道直徑，以降低流速及沖擊波的速度；盡量縮短管路長(zhǎng)度，以減小壓力沖擊波的傳播時(shí)間。④采用軟管，以增加系統(tǒng)的彈性。⑤安裝安全閥（溢流閥），或在沖擊源處設(shè)置蓄能器。二、氣穴當(dāng)液體內(nèi)某處壓力低于其空氣分離壓時(shí)，原來(lái)溶于液體中的氣體就會(huì)釋放出來(lái)，產(chǎn)生氣泡，這種現(xiàn)象稱(chēng)為氣穴。當(dāng)壓力再進(jìn)一步減小，低于液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體本身開(kāi)始汽化，形成大量的蒸汽氣泡，加重氣穴現(xiàn)象。1.氣穴產(chǎn)生的原因液體中都溶解有空氣，其溶解度與壓力的大小成正比。當(dāng)壓力低于大氣壓時(shí)，原先溶解于油液中的氣體就處于過(guò)飽和狀態(tài)，分解出游離狀態(tài)微小氣泡，速率較低；但當(dāng)壓力降到低于空氣分離壓時(shí)，溶解的氣體就要以很高的速度分解出來(lái)，成為游離微小氣泡，并聚合長(zhǎng)大，使原來(lái)充滿(mǎn)油液的管道變?yōu)榛煊性S多氣泡的不連續(xù)狀態(tài)。油液的空氣分離壓隨油溫而變化，當(dāng)油溫t=50°C時(shí)，空氣分離壓<0.04MPa。當(dāng)壓力繼續(xù)降到低于液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體本身開(kāi)始?xì)饣纬纱罅空魵鈿馀?。液體的飽和蒸氣壓比空氣分離壓小很多，這種情況更要避免發(fā)生。容易發(fā)生氣穴的部位都是在狹窄處，因q=A，流量一定時(shí)，A小則大，流速急劇增大。又據(jù)伯努利方程，位能一定時(shí)，流速高、動(dòng)能大，則壓力能會(huì)變得很小，如泵的吸油口、過(guò)流斷面小的節(jié)流部位、啟閉的閥口等，如圖2.33所示2處斷面。產(chǎn)生氣穴的根本原因就是壓力的過(guò)度下降，具體原因有黏度過(guò)大、過(guò)濾器堵塞、吸油管過(guò)長(zhǎng)和吸油管直徑小等引起的吸油不暢。2.氣穴的危害①破壞液體的連續(xù)性，使壓力、流量產(chǎn)生脈動(dòng)。②產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)和液壓沖擊，使工作狀態(tài)惡化。③使金屬產(chǎn)生腐蝕（氣蝕）。3.減少氣穴的措施①控制急變部位，小孔和間隙前