液壓與氣壓傳動 第5版 課件 第一章 液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)

液壓與氣壓傳動流體動力與控制工程系講課教師：劉銀水1液壓油液

液壓油液是液壓傳動的工作介質(zhì)，好比人體中的血液。對液壓油液進(jìn)行相關(guān)的了解，對正確理解液壓傳動原理、合理設(shè)計和使用液壓系統(tǒng)十分重要。2液壓油液一、液壓油液的性質(zhì)1、密度密度會隨著溫度的變化發(fā)生變化，對于液壓油液來說，其隨溫度的變化量較小，一般可忽略不計。在實際工程中，液壓油液的密度一般取900kg/m33液壓油液一、液壓油液的性質(zhì)2、壓縮性液壓油液受壓力作用而發(fā)生體積減小的性質(zhì)稱為其可壓縮性。壓縮系數(shù)：彈性模量：彈性模量反應(yīng)了液體抵抗壓縮能力的大小；液壓油液彈性模量一般為K=(1.2~2)×103MPa，對于一般液壓系統(tǒng)，可認(rèn)為油液是不可壓縮的。4液壓油液一、液壓油液的性質(zhì)3、粘度①粘度的物理意義液體在外力作用下流動時，液體分子間內(nèi)聚力會阻礙分子相對運(yùn)動，即分子之間會產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，這種特性稱為流體的粘性。5液壓油液一、液壓油液的性質(zhì)3、粘度②粘度的分類動力粘度：運(yùn)動粘度：工程上常用來標(biāo)志液體的粘度。6液壓油液一、液壓油液的性質(zhì)3、粘度②粘度的分類相對粘度：為了滿足液壓系統(tǒng)對液壓油液的特別要求，將兩種不同粘度的液壓油液混合起來使用，稱為調(diào)和油。調(diào)和粘度：7液壓油液一、液壓油液的性質(zhì)3、粘度③粘度與溫度的關(guān)系對于粘度不超過15oE的液壓油液，當(dāng)溫度在30~150℃范圍內(nèi)，其運(yùn)動粘度隨溫度變化的近似公式為：液壓油液在不同溫度下的粘度，還可以從相關(guān)圖標(biāo)中查出。8液壓油液一、液壓油液的性質(zhì)3、粘度④粘度與壓力的關(guān)系0<p<500MPa時，若系統(tǒng)壓力不高，可不考慮壓力對粘度的影響；若壓力較高或壓力變化較大時，壓力的影響必須考慮。9液壓油液一、液壓油液的性質(zhì)4、其它特性抗燃性、抗氧化性、抗凝性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性、潤滑性、導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性、相容性等。10液壓油液二、液壓油液的要求和選用1、要求粘溫性好；有良好的潤滑性；成分要純凈；有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；抗泡沫性和抗乳化性好；材料相容性好；彈性模量大、燃點高；無毒，價格便宜。11液壓油液二、液壓油液的要求和選用2、選用選擇液壓油液首先考慮的是粘度：液壓系統(tǒng)的工作壓力：壓力高，要選擇粘度較大的液壓油液；環(huán)境溫度：溫度高，選用粘度較大的液壓油液；運(yùn)動速度：速度高，選用粘度較低的液壓油液；液壓泵的類型。12液體靜力學(xué)液體靜力學(xué)是研究液體處于靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律及這些規(guī)律的應(yīng)用。13液體靜力學(xué)一、靜壓力及其特性1、液體的靜壓力靜止液體在單位面積上所受的法向力：若受力均勻：※流體靜壓力在物理學(xué)上叫壓強(qiáng)，在工程實際應(yīng)用中稱為壓力。14液體靜力學(xué)一、靜壓力及其特性2、液體靜壓力的特性液體靜壓力垂直于承壓面，方向為該面內(nèi)法線方向；液體內(nèi)任一點所受的靜壓力在各個方向上都相等。15液體靜力學(xué)二、靜壓力基本方程式1、靜壓力基本方程式16液體靜力學(xué)二、靜壓力基本方程式1、靜壓力基本方程式壓力由兩部分組成：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線性規(guī)律遞增；離液面深度相同處各點的壓力相等，壓力相等的所有點組成等壓面，重力作用下靜止液體的等壓面為水平面；靜止液體中任一質(zhì)點的總能量p/ρg+Z保持不變，即能量守恒。17液體靜力學(xué)二、靜壓力基本方程式2、壓力的表示方法及單位絕對壓力：以絕對真空為基準(zhǔn)進(jìn)行度量相對壓力或表壓力：以大氣壓為基準(zhǔn)進(jìn)行度量真空度：絕對壓力不足于大氣壓力的那部分壓力值18液體靜力學(xué)二、靜壓力基本方程式2、壓力的表示方法及單位1Pa（帕）=1N/m21bar（巴）=1×105Pa=1×105N/m21at（工程大氣壓）=1kgf/cm2=9.8×104N/m21mH2O（米水柱）=9.8×103N/m21mmHg（毫米汞柱）=1.33×102N/m219液體靜力學(xué)三、帕斯卡原理液壓傳動可使力放大，可使力縮小，也可以改變力的方向；可使速度（位移）放大，使速度（位移）縮小，改變速度（位移）的方向；液體內(nèi)的壓力是由負(fù)載決定的。20液體靜力學(xué)四、靜壓力對固體壁面的作用力液體和固體壁面接觸時，固體壁面將受到液體靜壓力的作用：當(dāng)固體壁面為平面時，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，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。21液體動力學(xué)液體動力學(xué)力學(xué)是研究液體流動時流速和壓力的變化規(guī)律。主要包括三個重要方程：連續(xù)性方程伯努利方程動量方程22液體動力學(xué)一、基本概念1、理想流體和恒定流動理想流體：假設(shè)的既無粘性又不可壓縮的流體稱為理想流體。恒定流動：液體流動時，液體中任一點處的壓力、速度和密度都不隨時間而變化的流動，亦稱為定常流動或非時變流動；若其中一個參數(shù)發(fā)生變化，稱為非恒定流動23液體動力學(xué)一、基本概念2、通流面積、流量和平均流速通流面積：垂直于流動方向的截面，也稱為過流截面。流量：單位時間內(nèi)流過某一通流截面的液體體積，流量以q表示，單位為m3/s或L/min；平均流速：實際流體流動時，速度的分布規(guī)律很復(fù)雜。假設(shè)通流截面上各點的流速均勻分布，平均流速為v=q/A。24液體動力學(xué)二、流量連續(xù)性方程流量連續(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)方式。動畫演示恒定流動狀態(tài)下：25液體動力學(xué)三、伯努利方程伯努利方程方程是能量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)方式，揭示了流體流動過程中的能量變化規(guī)律。26液體動力學(xué)三、伯努利方程1、理想液體的伯努利方程27液體動力學(xué)三、伯努利方程2、實際液體的伯努利方程實際流體存在粘性，流動時存在能量損失，hwg為單位質(zhì)量液體在兩截面之間流動的能量損失；

用平均流速替代實際流速，α為動能修正系數(shù)：28液體動力學(xué)三、伯努利方程3、例題如圖示簡易熱水器，左端接冷水管，右端接淋浴蓮蓬頭。已知A1=A2/4和A1、h值，問冷水管內(nèi)流量達(dá)到多少時才能抽吸熱水？補(bǔ)充輔助方程：p1=pa－ρghp2=pa

v1A1=v2A2伯努利方程：代入計算得－h(huán)+v12/2g=(v1/4)2/2g

v1=(32gh/15)1/2

q=v1A1=(32gh/15)1/2A129液體動力學(xué)四、動量方程動量方程是動量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用，用來計算流動液體作用在限制其流動的固體壁面上的總作用力。作用在液體控制體積上的外力總和等于單位時間內(nèi)流出控制表面與流入控制表面的液體的動量之差。30液體動力學(xué)四、動量方程當(dāng)液流通過滑閥時，試求液流對閥芯的作用力？31液體動力學(xué)四、動量方程錐閥的錐角2α，液體在壓力p的作用下以流量q流經(jīng)錐閥，求作用在閥芯上的液動力的大小和方向？32液體動力學(xué)課后作業(yè)分析例1-5（圖b）中內(nèi)流式錐閥的液動力。下周四上課之前交。33液壓與氣壓傳動流體動力與控制工程系34管道流動由于流動流體具有粘性，在管道中流動時會和管壁產(chǎn)生摩擦力，以及在液體流動時突然轉(zhuǎn)彎和通過閥口時會產(chǎn)生相互撞擊和出現(xiàn)漩渦，因此流體在管道中流動時會產(chǎn)生阻力。流動液體在管路中流動時的壓力損失和液體的流動狀態(tài)有關(guān)。35管道流動一、流態(tài)與雷諾數(shù)1、流態(tài)層流：流速較低，液體質(zhì)點間的粘性力起主導(dǎo)作用，液體質(zhì)點受粘性的約束，不能隨意運(yùn)動。紊流：流速較高，液體質(zhì)點間粘性的制約作用減弱，慣性力起主導(dǎo)作用。動畫演示36管道流動一、流態(tài)與雷諾數(shù)2、雷諾數(shù)試驗表明：流體的流動狀態(tài)不僅與圓管內(nèi)的流速v有關(guān)，還與管道內(nèi)徑d、流體的運(yùn)動粘度有關(guān)。表示了慣性力與粘性力之比。非圓截面管道：37管道流動一、流態(tài)與雷諾數(shù)2、雷諾數(shù)層流紊流紊流層流臨界雷諾數(shù)：38管道流動一、流態(tài)與雷諾數(shù)2、雷諾數(shù)39管道流動二、圓管流動的沿程壓力損失液體在等直徑圓管中流動時因粘性摩擦而產(chǎn)生的壓力損失稱為沿程壓力損失。管道長度管道直徑液體粘度液體流態(tài)雷諾數(shù)層流紊流40管道流動二、圓管流動的沿程壓力損失1、層流時的沿程壓力損失流速分布規(guī)律p241管道流動二、圓管流動的沿程壓力損失1、層流時的沿程壓力損失通過管道的流量管道內(nèi)的平均流速42管道流動二、圓管流動的沿程壓力損失1、層流時的沿程壓力損失沿程壓力損失43管道流動二、圓管流動的沿程壓力損失2、紊流時的沿程壓力損失44管道流動三、圓管流動的局部壓力損失液體流經(jīng)閥口、彎管、通流截面變化等這些地方時，由于液流方向和速度均發(fā)生變化，形成旋渦，使液體的質(zhì)點間相互撞擊，從而產(chǎn)生較大的能量損耗，形成了一定的壓力損失。45管道流動三、圓管流動的局部壓力損失46管道流動三、圓管流動的局部壓力損失47管道流動三、圓管流動的局部壓力損失※兩相鄰局部障礙之間的距離大于管道內(nèi)徑10~20倍的場合。48孔口流動液壓控制閥對液流壓力、流量和方向的控制通常通過一些特定的孔口來實現(xiàn)。對孔口的流量進(jìn)行分析是研究液壓控制閥節(jié)流調(diào)速的重要理論基礎(chǔ)。49孔口流動一、薄壁小孔1、薄壁小孔結(jié)構(gòu)及流態(tài)小孔的通流長度l與孔徑d之比l/d<0.5時，稱為薄壁小孔。動畫演示D/d≥7，完全收縮D/d＜7，不完全收縮50孔口流動一、薄壁小孔2、通過薄壁小孔流速51孔口流動一、薄壁小孔3、通過薄壁小孔流量52縮縮孔口流動二、滑閥閥口53孔口流動三、錐閥閥口54孔口流動四、短孔和細(xì)長孔1、短孔小孔的通流長度l與孔徑d之比0.5<l/d≤4時，稱為短孔。55孔口流動四、短孔和細(xì)長孔2、細(xì)長孔小孔的通流長度l與孔徑d之比/d>4時，稱為細(xì)長孔。56縫隙流動液壓元件內(nèi)各零件間有相對運(yùn)動，必須要有適當(dāng)間隙。間隙過小，會使零件卡死；間隙過大，會造成泄漏。間隙中的流動一般為層流，一種是壓差造成的流動稱壓差流動，另一種是相對運(yùn)動造成的流動稱剪切流動，還有一種是在壓差與剪切同時作用下的流動。57縫隙流動一、平板縫隙壓差流動剪切流動58縫隙流動二、圓柱環(huán)形縫隙在一些液壓元件中，存在相對運(yùn)動的零件，比如柱塞泵中的柱塞和柱塞孔、圓柱滑閥閥芯與閥體孔之間的間隙為圓柱形間隙。同心圓柱環(huán)形縫隙偏心圓柱環(huán)形縫隙59縫隙流動二、圓柱環(huán)形縫隙1、同心圓柱環(huán)形縫隙60縫隙流動二、圓柱環(huán)形縫隙2、偏心圓柱環(huán)形縫隙※在液壓元件中，有配合的零件應(yīng)盡量使其同心，以減小縫隙泄漏量。61縫隙流動三、圓錐環(huán)形縫隙及液壓卡緊現(xiàn)象當(dāng)柱塞或柱塞孔、閥芯或閥體孔因加工誤差帶有一定錐度時，兩相對運(yùn)動零件之間的間隙為圓錐形間隙，其間隙大小沿軸線方向變化。62縫隙流動三、圓錐環(huán)形縫隙及液壓卡緊現(xiàn)象倒錐順錐63縫隙流動三、圓錐環(huán)形縫隙及液壓卡緊現(xiàn)象※開徑向均壓槽。64液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象一、液壓沖擊1、概念在液壓系統(tǒng)中，由于某些原因（如速度急劇變化）液體壓力在一瞬間突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象成為液壓沖擊。瞬間壓力沖擊不僅引起液壓系統(tǒng)振動和噪聲，而且會損壞密封裝置、管道、元件，造成設(shè)備事故。65液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象一、液壓沖擊2、液壓沖擊類型迅速使油液換向或突然關(guān)閉油路，使液體流動受阻，動能轉(zhuǎn)換為壓力能，使壓力升高。運(yùn)動部件突然制動或換向，使壓力升高。66液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象一、液壓沖擊3、減小液壓沖擊的措施延長閥門關(guān)閉和運(yùn)動部件制動換向的時間；限制管道流速及運(yùn)動部件的速度；加大管道直徑，盡量縮短管路長度；用橡膠軟管或在沖擊源處設(shè)置蓄能器，吸收沖擊能量；在容