項目二 液壓傳動流體力學基礎.ppt

1、項目二 液壓傳動流體力學基礎,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體 課題二 液壓流體靜力學 課題三 液壓流體動力學 課題四 管道中液流能量的損失 課題五 液體流經(jīng)孔口的壓力流量特征,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,一、液壓油的特性 （一）液壓油液的物理特性 1密度和重度 單位體積液體的質(zhì)量稱為密度，通常用符號“”表示，即 = m/V （2-1） 單位體積液體的重量稱為重度，通常用符號“”表示，即 = G/V （2-2）,下一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,2黏性和黏度 （1）黏性 液體在外力作用下流動時，液體分子間互相吸引的內(nèi)聚力阻礙其分子之間相對運動，而在液體內(nèi)部產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力的現(xiàn)象，稱為液體的黏性。但

2、是，靜止液體不呈現(xiàn)黏性。黏性是液體的重要物理性質(zhì)，也是選擇液壓油的主要依據(jù)之一。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,液體流動時，由于液體的黏性以及液體和固體壁面間的附著力，會使液體內(nèi)部各液層間的流動速度大小不同。如圖2-1所示，兩平行平板間充滿液體，下平板固定，上平板以速度u0向右平移。由于黏性和附著力的作用，緊貼上平板表面的這層流體將與上平板以相同的速度u0向右運動，緊貼下平板表面的這層流體則保持不動，而中間各層流體的運動速度則根據(jù)它與下平板間的距離大小呈線性規(guī)律分布。這種流動可以看成是許多無限薄的流體層在運動，當運動較快的流體層在運動較慢的流體層上滑過時，兩流體層間由于黏性就

3、產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的作用。根據(jù)實際測定的數(shù)據(jù)所知，相鄰兩流體層間的內(nèi)摩擦力Ff與流體層的接觸面積A及流體層的相對流速du成正比，而與此二流體層間的距離dy成反比，即,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,（2）黏度 液體黏性的大小用黏度來衡量。工程中黏度的表示方法有以下幾種： .動力黏度 液體的動力黏度又稱絕對黏度，它直接表示流體的黏性即內(nèi)摩擦力的大小，用動符號“”表示。 動力黏度的物理意義上是：液體在單位速度梯度下流動時，單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。即,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,.運動黏度 液體的運動黏度是其絕對黏度與密度的比值，用符號“v”表示。即 .相對黏度 相對

4、黏度又稱條件黏度。它是以相對于蒸餾水的黏性的大小來表示某種液體的黏度，并采用特定的黏度計在規(guī)定的條件下測得。由于測量條件不同，各國采用的相對黏度也有所不同。美國采用賽氏黏度，英國采用雷氏黏度，我國、德國和俄羅斯均采用恩氏黏度。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,恩氏黏度采用圖2-2所示的恩氏黏度計測定 3可壓縮性 液體因所受壓力增大而發(fā)生體積縮小的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性，用體積壓縮系數(shù)k表示。其物理意義是單位壓力變化下的液體體積相對變化量， 液體體積壓縮系數(shù)k的倒數(shù)稱為體積彈性模量K，即,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,（二）黏度與壓力的關(guān)系 液體所受的壓力增加時

5、，其分子間的距離將減小，其內(nèi)聚力增加，黏度也隨之增大。液體的黏度與壓力的關(guān)系可表示為 由上式可知，對于液壓油，在中低壓液壓系統(tǒng)內(nèi)，壓力變化很小，因而對黏度影響較小，可以忽略不計；當壓力較高（大于10MPa）或壓力變化較大時，則需要考慮壓力對黏度的影響。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,（三）黏度與溫度的關(guān)系 黏度對溫度的變化是十分敏感的，當溫度升高時，液體分子間的內(nèi)聚力減小，黏度就隨之降低，這一特性稱為黏溫特性。 不同種類的液壓油有不同的黏溫特性，圖2-3所示為幾種典型液壓油的黏溫特性曲線圖。 對于一般常用的液壓油，當運動粘度不超過76mm2/s，溫度在30150范圍內(nèi)時，可用

6、下述近似公式計算其溫度為t的運動粘度，即,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,二、液壓油的類型、選擇與使用 1. 對液壓傳動工作介質(zhì)的要求 在液壓傳動系統(tǒng)中，液壓油既是用來傳遞能量的工作介質(zhì)，還起著潤滑運動部件和保護金屬不被銹蝕的作用，因此對其有較高的要求。具體要求大致可概括如下： （1）適宜的黏度和良好的黏溫性能 （2）良好的潤滑性能。 （3）良好的化學穩(wěn)定性。 （4）質(zhì)地純凈、不含腐蝕性物質(zhì)等雜質(zhì)。 （5）抗泡沫性和抗乳化性好，對金屬和密封件材料具有良好的相容性。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,（6）比熱容和熱傳導率大，熱膨脹系數(shù)小。 （7）流動點和凝固點低，

7、閃點和燃點高。 （8）對人畜無害，價格低廉。 （9）可濾性好，即液壓油液中的顆粒污染物容易通過濾網(wǎng)過濾，以保證較高的清潔度。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,2. 液壓油的類型 液壓油的品種很多，主要可分為三大類：礦油型、合成型和乳化型液壓油。 礦油型液壓油是以機械油為原料，經(jīng)精煉后按需要加入適當添加劑而成的液壓油。這類液壓油在液壓系統(tǒng)中最常用，各項性能都優(yōu)于其他品種，潤滑性能好，但抗燃性較差。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,3液壓油的選擇和使用 面進行選用液壓油品種和黏度。 （1）根據(jù)工作機械的不同要求選用 精密機械與一般機械對黏度要求不同。為了避免溫度升高

8、而引起機件變形，影響工作精度，精密機械宜采用較低黏度的液壓油。例如機床的液壓伺服系統(tǒng)，為保證伺服機構(gòu)動作靈敏性，宜采用黏度較低的液壓油。 （2）根據(jù)液壓泵的類型選用 液壓泵的類型較多，如齒輪泵、葉片泵、柱塞泵等，它是液壓系統(tǒng)的重要元件，在系統(tǒng)中它的運動速度、壓力和溫度都較高，工作時間又長，因而對黏度要求較嚴格，所以選擇黏度時應先考慮到液壓泵的類型。在一般情況下，可將液壓泵要求液壓油的黏度作為選擇液壓油的基準，如表2-3所示。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,（3）根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力選用 通常，當工作壓力較高時，宜采用黏度較高的液壓油，以免系統(tǒng)泄漏過多，效率過低；當工作壓力較

9、低時，宜采用黏度較低的液壓油，這樣可以減少壓力損失，如表2-4所示。 （4）根據(jù)液壓系統(tǒng)的環(huán)境溫度選用 礦物油的黏度由于溫度的影響變化很大，為保證在工作溫度時有較適宜的黏度，還必須考慮周圍環(huán)境溫度的影響。當周圍溫度高時，宜采用黏度較高的液壓油；當周圍溫度低時，宜采用黏度較低的液壓油，如表2-4所示。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,（5）根據(jù)工作部件的運動速度選用 當液壓系統(tǒng)中工作部件的運動速度很高時，液壓油液的流速也高，液壓損失隨著增大，而泄漏相對減少，因此宜用黏度較低的液壓油液；反之，當液壓系統(tǒng)中工作部件的運動速度較低時，每分鐘所需的液壓油量很小，泄漏相對較大，對系統(tǒng)的運動

10、速度影響也較大，所以宜選用黏度較高的液壓油液。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,三、液壓油的污染與防護 液壓油是否清潔，不僅影響液壓系統(tǒng)的工作性能和液壓元件的使用壽命，而且直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)是否能正常工作。液壓系統(tǒng)多數(shù)故障與液壓油受到污染有關(guān)，因此控制液壓油的污染是十分重要的。 1.液壓油被污染的原因 (1)液壓系統(tǒng)的管道及液壓元件內(nèi)的型砂、切屑、磨料、焊渣、銹片、灰塵等污垢在系統(tǒng)使用前、沖洗時未被洗干凈，在液壓系統(tǒng)工作時，這些污垢就進入到液壓油里。 (2)外界的灰塵、砂粒等，在液壓系統(tǒng)工作過程中，通過往復伸縮的活塞桿、流回油箱的漏油等進入液壓油里。另外在檢修時，稍不注意也會使

11、灰塵、棉絨等進入液壓油里。 (3)液壓系統(tǒng)本身也不斷地產(chǎn)生污垢，而直接進入液壓油里，如金屬和密封材料的磨損顆粒，過濾材料脫落的顆粒或纖維及油液因油溫升高氧化變質(zhì)而生成的膠狀物等。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,2.液壓油污染的危害 液壓油污染嚴重時，直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能，使液壓系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障，使液壓元件壽命縮短。造成這些危害的原因主要是污垢中的顆粒。對于液壓元件來說，由于這些固體顆粒進入到元件里，會使元件的滑動部分磨損加劇，并可能堵塞液壓元件里的節(jié)流孔、阻尼孔，或使閥芯卡死，從而造成液壓系統(tǒng)的故障。水分和空氣的混入使液壓油的潤滑能力降低并使它加速氧化變質(zhì)，產(chǎn)生氣蝕，使

12、液壓元件加速腐蝕，使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)振動、爬行等。,下一頁,上一頁,返回,課題一 液壓系統(tǒng)工作液體,3.防止液壓油污染的措施 (1)使液壓油在使用前保持清潔。 (2)使液壓系統(tǒng)在裝配后、運轉(zhuǎn)前保持清潔。 (3)使液壓油在工作中保持清潔。 (4)采用合適的濾油器。 (5)定期更換液壓油。更換新油前，油箱必須先清洗一次，系統(tǒng)較臟時，可用煤油清洗，排盡后注入新油。 (6)控制液壓油的工作溫度。,上一頁,返回,課題二 液壓流體靜力學,一、液體靜力學及其特性 1. 液體靜壓力 作用在液體上的力有兩種類型：一種是質(zhì)量力，另一種是表面力。 質(zhì)量力作用在液體所有質(zhì)點上，它的大小與質(zhì)量成正比，屬于這種力的有重力、慣

13、性力等。單位質(zhì)量液體受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量力，在數(shù)值上等于重力加速度。 靜止液體單位面積上所受的法向力稱為液體靜壓力，簡稱壓力，用符號“p”表示。在物理學中液體靜壓力稱為壓強。即,下一頁,返回,課題二 液壓流體靜力學,2. 液體靜壓力的特性 (1)液體靜壓力沿著內(nèi)法線方向作用于其承壓面，即靜止液體承受的只時是法向壓力，而不承受剪切力和拉力。 (2)靜止液體內(nèi)任一點所受到的靜壓力在各個方向都相等。,下一頁,上一頁,返回,課題二 液壓流體靜力學,二、液體靜壓力基本方程 如圖2-5所示，密度為的液體在容器內(nèi)處于靜止狀態(tài)，作用在液體液面上的壓力為p0。為了求得液體中距離液面深度為h的任意一點A的壓力

14、p，可以假想從液面往下切取高度為h、底面積為dA的一個小液柱為研究對象。這個液柱在重力及周圍液體的作用下處于平衡狀態(tài)，作用于液柱上的各作用力在各方向都呈平衡。小液柱頂面上所受的作用力為p0dA(方向向下)，小液柱本身的重力ghdA(方向向下)，小液柱底面所受的作用力為pdA(方向向上)，則小液柱在Z方向的平衡方程為 pdA=p0dA+ghdA 化簡后得 p=p0gh,下一頁,上一頁,返回,課題二 液壓流體靜力學,三、壓力的表示方法 液壓系統(tǒng)中的壓力就是指壓強，液體壓力通常有絕對壓力、相對壓力(表壓力)、真空度三種表示方法。 絕對壓力、相對壓力(表壓力)和真空度的關(guān)系如圖2-6所示。 由圖2-6

15、可知，絕對壓力總是正值，相對壓力（表壓力）則可正可負，負的相對壓力（表壓力）就是真空度，如真空度為0.4大氣壓，其相對壓力（表壓力）為-0.4大氣壓。根據(jù)上述歸納如下： (1)絕對壓力大氣壓力+相對壓力（表壓力） (2)相對壓力（表壓力）絕對壓力-大氣壓力 (3)真空度大氣壓力-絕對壓力,下一頁,上一頁,返回,課題二 液壓流體靜力學,四、帕斯卡原理 密封容器內(nèi)的靜止液體，當邊界上的壓力p0發(fā)生變化時，例如增加p，則容器內(nèi)任意一點的壓力將增加同一數(shù)值p0也就是說，在密封容器內(nèi)施加于靜止液體任一點的壓力將以等值傳遞到液體各點。這就是帕斯卡原理或靜壓傳遞原理。 五、液體靜壓力對固體壁面的總作用力 1

16、. 液體靜壓力作用在平面上的總作用力 當承受壓力作用的表面為平面時，液體作用于該平面上各點壓力的方向是互相平行、大小相等。所以液體對該平面的總作用力F等于液體的壓力p與受壓平面面積A的乘積，即,下一頁,上一頁,返回,課題二 液壓流體靜力學,2. 液體靜壓力作用在曲面上的總作用力 當承受壓力作用的表面為曲面時，由于液體作用于該曲面上各點壓力總是垂直于曲面，所以作用在曲面上各點的作用力不平行但大小相等。要計算液體靜壓力作用在曲面上的總作用力，必須明確要計算哪個方向上的力。,上一頁,返回,課題三 液壓流體動力學,一、 基本概念 1理想液體和恒定流動 由于液體實際流動時，不僅具有黏性，而且在壓力變化時

17、體積會發(fā)生變化，因此研究液體流動時的運動規(guī)律必須考慮其黏性和可壓縮性，從而使我們對流動液體的研究變得非常困難。因此，我們引入理想液體的概念。理想液體就是指既無黏性又不可壓縮的液體。首先對理想液體進行研究，然后再通過實驗驗證的方法對所得的結(jié)論進行補充和修正。這樣，不僅使問題簡單化，而且得到的結(jié)論在實際應用中具有足夠的精確性。我們把既具有粘性又可壓縮的液體稱為實際液體。 液體流動時，若液體中任一點的壓力、速度及密度都不隨時間而變化，則稱液體的這種運動稱為恒定流動或定常流動。但只要壓力、速度及密度中有一個隨時間而變化，則液體流動就是非恒定流動或非定常流動。如圖2-11所示，圖a為恒定流動，圖b為非恒

18、定流動。,下一頁,返回,課題三 液壓流體動力學,2通流截面、平均流速和流量 通流截面 液體流動時，垂直于液體流動方向的截面稱為通流截面或過流斷面。通流截面可能是平面，也可能是曲面。如圖2-12所示，截面AA和截面BB均為通流截面。 流量 單位時間內(nèi)通過某一通流截面液體的體積稱為體積流量，簡稱流量 平均流速 在實際液體流動中，由于黏性內(nèi)摩擦力的作用，通流截面上各點的流速并不相等，因此引入平均流速的概念。即可認為通流截面上各點的流速均為平均流速，用v來表示,下一頁,上一頁,返回,課題三 液壓流體動力學,二、 連續(xù)性方程 質(zhì)量守恒是自然界的客觀規(guī)律，不可壓縮的液體在作恒定流動的過程中同樣遵守質(zhì)量守恒

19、定律。連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在液壓流體動力學中的一種數(shù)學表達形式。 如圖2-15 所示，任取一流管，兩端通流截面為A1、A2，在流管中取一微小流束，流速兩端的截面面積分別為dA1和dA2，在同一微小截面上各點的流速可認為是相等的且分別為u1，u2。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在dt 時間內(nèi)流入液體的質(zhì)量應恒等于流出液體的質(zhì)量，即 u1dA1dt = u2dA2dt 化簡得 u1dA1= u2dA2,下一頁,上一頁,返回,課題三 液壓流體動力學,對于整個流管，則有 即 q1q2 如用流管兩通流截面A1和A2上的平均流速v1和v2表示，則有 v1A1=v2A2 由于兩通流截面是任意取的，則有 q=vA=常

20、數(shù) （2-20）,下一頁,上一頁,返回,課題三 液壓流體動力學,式（2-20）稱液體流動的連續(xù)性方程，它表明在恒定流動的條件下，流過各個通流截面上的液體流量是相等的（即流量是連續(xù)的），它是質(zhì)量守恒定律的具體體現(xiàn)。 三、伯努利方程 1. 理想液體的伯努利方程 假定理想液體在如圖2-16 所示的管道中恒定流動，密度為、質(zhì)量為m、體積為V的液體流過該管任意兩個通流截面11和22。假設兩通流截面處的中心高度分別為Z1、Z2，壓力分別為p1、p2，平均流速分別為v1、v2。若在很短的時間內(nèi)，液體通過兩通流截面的距離分別為dS1和dS2，則液體在兩通流截面處具有的能量為,下一頁,上一頁,返回,課題三 液壓

21、流體動力學,通流截面11 通流截面22 壓力能 位 能 mgZ1 mgZ2 動 能 流動液體的能量因為也遵守能量守恒定律，因而有,下一頁,上一頁,返回,課題三 液壓流體動力學,化簡后得 或,下一頁,上一頁,返回,課題三 液壓流體動力學,式（2-22）或（2-23）稱為理想液體的伯努利方程，也稱為理想液體的能量方程。式中為單位質(zhì)量液體所具有的壓力能，稱為比壓能，也叫作壓力水頭；Z為單位質(zhì)量液體所具有的勢能，稱為比位能，也叫作位置水頭；為單位質(zhì)量液體所具有的動能，稱為比動能，也叫作速度水頭，它們的單位都為長度量綱。 伯努利方程的物理意義為：在密封管道內(nèi)作恒定流動的理想液體具有三種形成的能量（即壓力

22、能、勢能和動能），在沿管道流動的過程中，三種能量之間可以相互轉(zhuǎn)換，但是在管道任意一個通流截面處三種能量的總和是一個恒定的常量。,下一頁,上一頁,返回,課題三 液壓流體動力學,2. 實際液體的伯努利方程 實際液體在管道內(nèi)流動時，由于液體存在著黏性，會使液體與固壁間及液體質(zhì)點間產(chǎn)生摩擦力，從而消耗能量；同時，管道局部形狀和尺寸的變化，會使液體產(chǎn)生擾動從而也消耗能量。因此，實際液體流動時存在能量損失， 假設圖2-16中液體從通流截面11流到通流截面2-2的能量損失用hw表示，其單位也為長度量綱。 根據(jù)能量守恒定律，在考慮能量損失hw，并引進動能修正系數(shù)后，實際液體的伯努利方程為,下一頁,上一頁,返回

23、,課題三 液壓流體動力學,四、 動量方程 動量方程可用來計算流動液體作用于限制其流動的固體壁面上的總作用力。根據(jù)理論力學中的動量定理：作用在物體上全部外力的矢量和應等于物體動量的變化率，即,下一頁,上一頁,返回,課題三 液壓流體動力學,流動液體的動量方程 流動液體的動量方程式（2-26）表明，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動量之差。該式為矢量表達式，在應用時應根據(jù)具體要求，向指定方向投影，求得該方向的分量。顯然，根據(jù)牛頓第三定律，液體也以同樣大小的力作用在使其流速發(fā)生變化的物體上。因而可應用動量方程計算液流作用在固體壁面上的總作用力。,上一頁,返

24、回,課題四 管道中液流能量的損失,一、 液體流動的兩種流態(tài) （一）液體的流態(tài) 液體在管道中流動時存在兩種不同狀態(tài)，分別為層流和紊流。 層流是指液體流動時，液體質(zhì)點都是平行于管道軸線方向運動，沒有垂直于管道軸線方向的橫向運動，液體質(zhì)點互不混雜，液體呈線狀或?qū)訝畹牧鲃?。層流時黏性力起主導作用，液體質(zhì)點受黏性的約束，不能隨意運動，只能沿著流層作層次分明的軸向運動。,下一頁,返回,課題四 管道中液流能量的損失,紊流是指液體流動時，液體質(zhì)點既有平行于管道軸線方向運動，又有垂直于管道軸線方向的橫向運動，液體質(zhì)點做混雜紊亂狀態(tài)的運動，液體呈紊亂流動。紊流時慣性力起主導作用，液體高速流動時液體質(zhì)點間的黏性不能

25、再約束質(zhì)點，液體質(zhì)點具有速度脈動，能沖出流層。 （二）雷諾判據(jù) 1883年，英國物理學家雷諾通過實驗，證實了液體存在著層流和紊流這兩種不同的流動狀態(tài)，這就是雷諾實驗。實驗裝置如圖2-18所示。,下一頁,上一頁,返回,課題四 管道中液流能量的損失,液體流動時究竟是層流還是紊流，可利用雷諾數(shù)來判別。 實驗證明，液體在管中的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)液體的平均流速有關(guān)，還與管道內(nèi)徑d、液體的運動粘度有關(guān)。實際上，真正決定液流狀態(tài)的是上述三個參數(shù)所組成的一個稱為雷諾數(shù)Re的無量綱數(shù)，即 二、液體在流動中的壓力損失 按液體流動時阻力的不同，液壓系統(tǒng)中壓力損失分別為沿程壓力損失和局部壓力損失兩種形式。,下一頁,上

26、一頁,返回,課題四 管道中液流能量的損失,1. 沿程壓力損失 液體在等徑直管中流動時，因黏性摩擦（液體分子間的摩擦以及液體與限制其流動的管道內(nèi)壁間的摩擦）而產(chǎn)生的壓力損失，稱為沿程壓力損失。它主要取決于液體的流速、黏性、管路的長度以及管道內(nèi)徑。沿程壓力損失的計算公式為,下一頁,上一頁,返回,課題四 管道中液流能量的損失,2. 局部壓力損失 液體在管道中流經(jīng)管道的彎頭、接頭、突變截面、小孔以及閥口等一些局部裝置時，流速的大小和方向發(fā)生劇烈變化，形成旋渦，使液體質(zhì)點相互撞擊和劇烈摩擦，造成能量損失，這種能量損失稱為局部壓力損失。局部壓力損失的計算公式為 液體流過各種閥類的局部壓力損失常利用下列經(jīng)驗公式計算,下一頁,上一頁,返回,課題四 管道中液流能量的損失,3. 管路系統(tǒng)中的總壓力損失 管路系統(tǒng)中的總壓力損失等于所有沿程壓力損失、所有局部壓力損失以及流經(jīng)各種閥類的局部壓力損失之和，即,上一頁,返回,課題五 液體流經(jīng)孔口的壓力流量特征,一、薄壁小孔的壓力流量特性 如圖2-19所示為液體流過薄壁小孔的情況。當液體流過薄壁小孔時，因為Dd，