液压油与液压流体力学基础解析.pptx

会计学1液压油与液压流体力学基础解析液压油与液压流体力学基础解析2006-9-2第二章第二章 液压油与液压流体力学基础液压油与液压流体力学基础u液压传动是以液体作为工作介质传递能量的。液压传动是以液体作为工作介质传递能量的。液压系液压系统中的液压油既是传递功率的介质，又是液压元件的统中的液压油既是传递功率的介质，又是液压元件的冷却、防锈和润滑剂。在工作中产生的磨粒和来自外冷却、防锈和润滑剂。在工作中产生的磨粒和来自外界的污染物，也要靠液压油带走。界的污染物，也要靠液压油带走。液压油的物理、化液压油的物理、化学特性将直接影响液压系统的工作。学特性将直接影响液压系统的工作。第1页/共55页2006-9-2第一节第一节 流体的物理性质流体的物理性质 1.液体的密度液体的密度 单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为V、质量为、质量为m的的液体的密度液体的密度为为m/V 2.液体的可压缩性和热膨胀性液体的可压缩性和热膨胀性 (1)压缩性：压缩性：液体受压后体积变小的性质，用液体受压后体积变小的性质，用压缩系数压缩系数描述。描述。k=-(V/V)/p m2/kg 压压缩缩系系数数的的物物理理意意义义：指指液液体体所所受受压压力力增增加加一一个个工工程程大大气气压压时时所所发发生生的的体体积积相相对对变变化化率率，其其中中V为为压压缩缩前前的的体体积积，V为为体体积为积为V的液体压力变化的液体压力变化p时体积变化量。时体积变化量。第2页/共55页2006-9-2 液体体积压缩系数的倒数，称为液体的液体体积压缩系数的倒数，称为液体的体积弹性模量体积弹性模量，以以表示，即表示，即1/k 液压油的体积弹性模量和温度、压力以及含在油液中的液压油的体积弹性模量和温度、压力以及含在油液中的空气有关。一般在分析时取空气有关。一般在分析时取=7001000MPa。封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一个弹簧封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一个弹簧（称为液压弹簧）：外力增大，体积减小；外力减小，体（称为液压弹簧）：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。积增大。液压弹簧的刚度液压弹簧的刚度：液体的可压缩性很小，在一般情况下液体的可压缩性很小，在一般情况下当液压系统在稳态下工作时可以不考虑当液压系统在稳态下工作时可以不考虑可压缩性的影响。但在高压下或受压体可压缩性的影响。但在高压下或受压体积较大以及对液压系统进行动态分析时，积较大以及对液压系统进行动态分析时，就需要考虑液体可压缩性的影响。就需要考虑液体可压缩性的影响。第3页/共55页2006-9-2 (2)热热膨膨胀胀：液液体体受受热热，体体积积膨膨胀胀的的性性质质，用用体体积积膨膨胀胀系系数数t 来表示：来表示：t=(V/V)/t 1/物理意义：温度改变物理意义：温度改变1时，液体体积的相对变化率。时，液体体积的相对变化率。一般，一般，t=0.00065 1/如如：油油温温从从20升升到到40，体体积积由由14000 cm3将将变变为为14182 cm2。由此可见，液压传动中，由于温度变化引起的体积变化，是由此可见，液压传动中，由于温度变化引起的体积变化，是不能忽视的，尤其是对闭式系统。不能忽视的，尤其是对闭式系统。第4页/共55页2006-9-2 3.粘度粘度 液液体体在在外外力力作作用用流流动动（或或有有流流动动趋趋势势）时时，分分子子间间的的内内聚聚力力要要阻阻止止分分子子间间的的相相对对运运动动而而产产生生一一种种内内摩摩擦擦力力，这这种种现现象象叫叫做做液液体体的的粘粘性性。液液体体只只有有在在流流动动（或或有有流流动动趋趋势势）时时才才会会呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。(1)动力粘度动力粘度或称绝对粘度或称绝对粘度 以以表表示示切切应应力力，即即单单位位面面积上的内摩擦力，则积上的内摩擦力，则 =du/dz 这就是牛顿的液体内摩擦定这就是牛顿的液体内摩擦定律。律。物理意义物理意义：液体在单位速度：液体在单位速度梯度下流动时单位面积上产生梯度下流动时单位面积上产生的内摩擦力。动力粘度的单位的内摩擦力。动力粘度的单位为为Pas（帕（帕秒，秒，Ns/m2）第5页/共55页2006-9-2 (2)运动粘度运动粘度 液体的动力粘度液体的动力粘度与其密度与其密度的比值，称为液体的运动粘度的比值，称为液体的运动粘度，即，即=/运动粘度的单位为运动粘度的单位为m2/s。(3)恩氏粘度恩氏粘度E 相相对对粘粘度度又又称称条条件件粘粘度度，它它是是按按一一定定的的测测量量条条件件制制定定的的。根根据据测测量量的的方方法法不不同同，可可分分为为恩恩氏氏粘粘度度E、赛赛氏氏粘粘度度SSU、雷氏粘度雷氏粘度Re等。等。我国和德国等国家采用恩氏粘度。我国和德国等国家采用恩氏粘度。第6页/共55页2006-9-2 (4)温度对粘度的影响温度对粘度的影响 液压油的粘度对温度变化十分敏感。温度升高时，粘度下液压油的粘度对温度变化十分敏感。温度升高时，粘度下降。在液压技术中，希望工作液体的粘度随温度变化越小越降。在液压技术中，希望工作液体的粘度随温度变化越小越好。好。粘度随温度变化特性，可以用粘度温度曲线表示。粘度随温度变化特性，可以用粘度温度曲线表示。第7页/共55页2006-9-2 (5)压力对粘度的影响压力对粘度的影响 对液压油来说，压力增大时，粘度增大，但影响很小，通对液压油来说，压力增大时，粘度增大，但影响很小，通常忽略不计。常忽略不计。(6)两种油混合，粘度的计算两种油混合，粘度的计算 a、b两种油占的百分比，两种油占的百分比，ab100；c实验系数。实验系数。第8页/共55页2006-9-24.4.液压油的分类液压油的分类 普通液压油普通液压油 耐磨液压油耐磨液压油 数控液压油数控液压油 洁净液压油洁净液压油 水一二元醇液压油水一二元醇液压油 油包水油包水 水包油水包油 磷酸脂基液压油磷酸脂基液压油 合成液压油合成液压油(如硅酮，卤化物等如硅酮，卤化物等)矿物油基液压油矿物油基液压油含水液压油含水液压油合成液压油合成液压油乳化液乳化液液压油液压油第9页/共55页2006-9-2 5.液压油的使用要求液压油的使用要求u(1)适适当当的的粘粘度度：过过大大，造造成成水水力力损损失失增增加加，效效率率低低；粘粘度度小，漏失大，容积效率低。小，漏失大，容积效率低。选选择择液液压压油油还还与与具具体体使使用用条条件件有有关关。如如夏夏天天，粘粘度度要要大大些些，冬冬天天则则选选用用粘粘度度小小；南南方方，用用高高号号液液压压油油，北北方方则则选选用用低低号号液压油。液压油。u(2)具有良好的润滑性能，这与形成油膜有直接关系。具有良好的润滑性能，这与形成油膜有直接关系。u(3)对机件无腐蚀作用，也不会引起密封件的膨胀。对机件无腐蚀作用，也不会引起密封件的膨胀。u(4)良好的化学稳定性，要加添加剂。良好的化学稳定性，要加添加剂。u(5)不不得得含含有有空空气气、蒸蒸气气、水水和和杂杂质质(含含有有气气体体会会造造成成气气蚀蚀，空穴会引起振动、噪音；水等引起乳化）。空穴会引起振动、噪音；水等引起乳化）。u(6)燃点高，凝点低。燃点高，凝点低。一一般般使使用用的的油油温温在在4050之之间间，当当油油温温超超过过80，氧氧化化加加剧，油温低于剧，油温低于10 时，粘度增大，启动困难。时，粘度增大，启动困难。第10页/共55页2006-9-2 6.液压油的选用液压油的选用u(1)根根据据液液压压元元件件生生产产厂厂样样本本和和说说明明书书所所推推荐荐的的来来选选用用液液压压油。或者油。或者u(2)初初步步根根据据液液压压系系统统的的使使用用性性能能和和工工作作环环境境确确定定液液压压油油的的类型（品种）。类型（品种）。选选用用品品种种时时，一一般般要要求求不不高高的的液液压压系系统统可可选选用用普普通通液液压压油油；系统条件要求高或专用的液压设备可选用各种专用液压油。系统条件要求高或专用的液压设备可选用各种专用液压油。u(3)根根据据液液压压系系统统的的工工作作压压力力、环环境境温温度度及及工工作作部部件件的的运运动动速速度度确确定定液液压压油油的的粘粘度度后后，确确定定油油的的具具体体牌牌号号。工工作作压压力力、环环境境温温度度高高，而而控控制制的的工工作作部部件件运运动动速速度度低低时时，为为了了减减少少泄泄露露，宜宜采采用用粘粘度度较较高高的的液液压压油油，反反之之，则则采采用用粘粘度度较较低低的液压油。的液压油。总的来说，应尽量选用较好的液压油。总的来说，应尽量选用较好的液压油。第11页/共55页2006-9-2液压油使用注意事项：液压油使用注意事项：液压油使用注意事项：液压油使用注意事项：uu(1)(1)油箱中的液面应保持一定高度；油箱中的液面应保持一定高度；油箱中的液面应保持一定高度；油箱中的液面应保持一定高度；uu(2)(2)正常工作时油箱的温升不应超过液压油所允许的范围，正常工作时油箱的温升不应超过液压油所允许的范围，正常工作时油箱的温升不应超过液压油所允许的范围，正常工作时油箱的温升不应超过液压油所允许的范围，一般不得超过一般不得超过一般不得超过一般不得超过6565；uu(3)(3)为防止系统中进入空气，要做到：为防止系统中进入空气，要做到：为防止系统中进入空气，要做到：为防止系统中进入空气，要做到：所有回油管都在油箱液面以下；所有回油管都在油箱液面以下；所有回油管都在油箱液面以下；所有回油管都在油箱液面以下；管口切成斜断面；管口切成斜断面；管口切成斜断面；管口切成斜断面；油泵吸油管应严格密封；油泵吸油管应严格密封；油泵吸油管应严格密封；油泵吸油管应严格密封；油泵吸油高度应尽可能小些，以减少油泵吸油阻力；可油泵吸油高度应尽可能小些，以减少油泵吸油阻力；可油泵吸油高度应尽可能小些，以减少油泵吸油阻力；可油泵吸油高度应尽可能小些，以减少油泵吸油阻力；可能情况下，应在系统最高点设置放气阀；能情况下，应在系统最高点设置放气阀；能情况下，应在系统最高点设置放气阀；能情况下，应在系统最高点设置放气阀；定期检查油液质量和油面高度，以便及时更换和添加。定期检查油液质量和油面高度，以便及时更换和添加。定期检查油液质量和油面高度，以便及时更换和添加。定期检查油液质量和油面高度，以便及时更换和添加。第12页/共55页2006-9-2 7.液压油的污染与控制液压油的污染与控制u(1)用过滤的方法滤掉液压油中的杂质，对过渡精度有要求。用过滤的方法滤掉液压油中的杂质，对过渡精度有要求。液压元件名称液压元件名称过滤精度要求过滤精度要求柱塞泵与马达柱塞泵与马达5-20 叶片泵与马达叶片泵与马达30 液压缸液压缸50 齿轮泵和马达齿轮泵和马达50 普通液压控制阀普通液压控制阀30 伺服阀、比例阀伺服阀、比例阀5-20 第13页/共55页2006-9-2u(2)为为了了避避免免或或减减少少系系统统运运行行中中的的液液压压油油再再污污染染，运运行行中中要要注注意意油油温温和和油油箱箱的的油油位位，油油温温过过高高，将将加加速速液液压压油油老老化化变变质质；油油位位过过低低会会使使吸吸油油困困难难，引引起起噪噪音音和和气气蚀蚀，加加剧剧液液压油的污染。压油的污染。u(3)液液压压系系统统的的密密封封性性能能良良好好。在在油油箱箱的的通通气气孔孔及及液液压压缸缸活塞杆处加防尘装置；外漏油不得直接流回油箱。活塞杆处加防尘装置；外漏油不得直接流回油箱。u(4)液液压压系系统统投投入入运运行行前前应应按按有有关关的的规规定定严严格格冲冲洗洗，运运行行中中要要按按规规定定及及时时更更换换新新油油，换换油油时时新新油油必必须须经经过过过过滤滤后后才才能加入系统中使用。能加入系统中使用。第14页/共55页2006-9-2第二节第二节 液体静力学基础液体静力学基础 液液体体静静力力学学主主要要是是讨讨论论液液体体静静止止时时的的平平衡衡规规律律以以及及这这些些规规律律的的应应用用。所所谓谓“液液体体静静止止”指指的的是是液液体体内内部部质质点点间间没没有有相相对运动，不呈现粘性。对运动，不呈现粘性。一、液体的压力一、液体的压力 作用在液体上的力有两种，即质量力和表面力。作用在液体上的力有两种，即质量力和表面力。质量力：质量力：单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于加速度。数值上等于加速度。表面力：表面力：是与液体相接触的其它物体（如容器或其它液体）是与液体相接触的其它物体（如容器或其它液体）作用在液体上的力，这是外力；也可以是一部分液体作用在作用在液体上的力，这是外力；也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力，这是内力。另一部分液体上的力，这是内力。第15页/共55页2006-9-2 单位面积上作用的表面力称为单位面积上作用的表面力称为应力应力，它有法向应力和切向，它有法向应力和切向应力之分。当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存应力之分。当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力。液体内某点在摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力。液体内某点处单位面积处单位面积A上所受到的法向力上所受到的法向力F之比，称为压力之比，称为压力p（静（静压力），即压力），即 由于液体质点间的凝聚力很小，不能受拉，只能受压，所由于液体质点间的凝聚力很小，不能受拉，只能受压，所以液体的静压力具有以液体的静压力具有两个重要特性两个重要特性：1.液体静压力的方向总是作用在内法线方向上；液体静压力的方向总是作用在内法线方向上；2.静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。第16页/共55页2006-9-2 二、液体静压力基本方程二、液体静压力基本方程 有一垂直小液柱，在平衡状态下，有有一垂直小液柱，在平衡状态下，有pA=p0A+FG，这，这里的里的FG即为液柱的重量即为液柱的重量FG=ghA所以有所以有 p=p0+gh 液体液体静压力分布特征：静压力分布特征：(a)一部分是液面上的压力一部分是液面上的压力p0，另一部分是，另一部分是g与该点离液与该点离液面深度面深度h的乘积。的乘积。第17页/共55页2006-9-2 (b)同一容器中同一液体内的静压力随液体深度同一容器中同一液体内的静压力随液体深度h的增加而的增加而线性地增加。线性地增加。(c)连通器内同一液体中深度连通器内同一液体中深度h相同的各点压力都相等。由相同的各点压力都相等。由压力相等的组成的面称为压力相等的组成的面称为等压面等压面。在重力作用下静止液体中。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。的等压面是一个水平面。第18页/共55页2006-9-2 三、压力表示方法三、压力表示方法 压力的表示法有两种：绝对压力和相对压力。压力的表示法有两种：绝对压力和相对压力。绝对压力绝对压力是以绝对真空作为基准所表示的压力；是以绝对真空作为基准所表示的压力；相对压力相对压力是以大气压力作为基准所表示的压力。是以大气压力作为基准所表示的压力。由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称压力也称表压力表压力。绝对压力与相对压力的关系为。绝对压力与相对压力的关系为绝对压力绝对压力相对压力相对压力大气压力大气压力 如果液体中某点处的绝对压力小于大气压，这时在这个点如果液体中某点处的绝对压力小于大气压，这时在这个点上的绝对压力比大气压小的部分数值称为上的绝对压力比大气压小的部分数值称为真空度真空度。即。即真空度真空度大气压力大气压力绝对压力绝对压力 第19页/共55页2006-9-2绝对压力绝对压力p=0(绝对真空绝对真空)大气压力大气压力 相对压力相对压力绝对压力绝对压力 真空真空度度p pa表压力表压力绝对压力、相对压力和真空度的相对关系绝对压力、相对压力和真空度的相对关系第20页/共55页2006-9-2 压力单位换算表压力单位换算表压力的单位压力的单位:我国法定我国法定压力单位为压力单位为帕斯卡，简帕斯卡，简称称帕帕，符号，符号为为Pa，1Pa=1N/m2。由于。由于Pa太小，工太小，工程上常用其程上常用其倍数单位倍数单位兆兆帕帕（MPa）来表示：来表示：1MPa=106Pa第21页/共55页2006-9-2第三节第三节 液体动力学基础液体动力学基础理想液体：理想液体：既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体。既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体。定定常常流流动动：液液体体流流动动时时，若若液液体体中中任任何何一一点点的的压压力力、速速度度和和密密度度都都不不随随时时间间而而变变化化，则则这这种种流流动动称称为为定定常常流流动动。否否则则，只只要要压压力力、速速度度和和密密度度有有一一个个量量随随时时间间变变化化，则则这这种种流流动动就就称为称为非定常流动非定常流动。一维流动：一维流动：当液体整个作线形流动时，称为一维流动。当液体整个作线形流动时，称为一维流动。迹线：迹线：流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹。轨迹。第22页/共55页2006-9-2流线：流线：表示某一瞬时，液流中表示某一瞬时，液流中各处质点运动状态的一条条曲各处质点运动状态的一条条曲线。在此瞬时，流线上各质点线。在此瞬时，流线上各质点速度方向与该线相切。速度方向与该线相切。在定常流动时，流线不随时间在定常流动时，流线不随时间而变化，这样流线就与迹线重而变化，这样流线就与迹线重合。由于流动液体中任一质点合。由于流动液体中任一质点在其一瞬时只能有一个速度，在其一瞬时只能有一个速度，所以流线之间不可能相交，也所以流线之间不可能相交，也不可能突然转折。不可能突然转折。第23页/共55页2006-9-2流管：流管：在一维的流动空间中任在一维的流动空间中任意意画一不属流线的封闭曲线，沿画一不属流线的封闭曲线，沿经经过此封闭曲线上的每一点作流过此封闭曲线上的每一点作流线，由这些流线组合的表面称线，由这些流线组合的表面称为流管。为流管。流束：流束：流管内的流线群称为流流管内的流线群称为流束。束。流管和流束流管和流束第24页/共55页2006-9-2通流截面：通流截面：流束中与所有流线正交的截面称为流束中与所有流线正交的截面称为通流截面通流截面。截。截面上每点处的流动速度都垂直于这个面。面上每点处的流动速度都垂直于这个面。平行流动：平行流动：流线彼此平行的流动。流线彼此平行的流动。缓变流动：缓变流动：流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动。平行流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动。平行流动和缓变流动都可算是一维流动。流动和缓变流动都可算是一维流动。第25页/共55页2006-9-2 流量流量和和平均流速：平均流速：单位时间内通过某通流截面的液体的体单位时间内通过某通流截面的液体的体积称为积称为流量流量。流量用流量用q表示，单位表示，单位m3/s或或L/min。由于流动液体粘性的作用，在通流截面上各点的流速由于流动液体粘性的作用，在通流截面上各点的流速u是是不相等的。不相等的。在计算流过整个通流截面在计算流过整个通流截面A的流量时，可在通流截面上取的流量时，可在通流截面上取微小截面微小截面dA，并认为在该断面上各点的速度，并认为在该断面上各点的速度u相等，则流过相等，则流过该微小断面的流量为该微小断面的流量为dq=udA，流过整个通流截面流过整个通流截面A的流量为的流量为第26页/共55页2006-9-2 在实际工程计算中，平均流速才具有应用价值。液压缸工在实际工程计算中，平均流速才具有应用价值。液压缸工作时，活塞的运动速度就等于缸内液体的平均流速，当液压作时，活塞的运动速度就等于缸内液体的平均流速，当液压缸有效面积一定时，活塞运动速度由输入液压缸的流量决定。缸有效面积一定时，活塞运动速度由输入液压缸的流量决定。对于实际液体的流动，速度对于实际液体的流动，速度u的分布规律很复杂，故按上的分布规律很复杂，故按上式计算流量是困难的。因此提出一个平均流速的概念，即假式计算流量是困难的。因此提出一个平均流速的概念，即假设通流截面上各点的流速均匀分布，液体以此均布流速设通流截面上各点的流速均匀分布，液体以此均布流速v流过流过通流截面的流量等于以实际流速流过的流量，由此得出通流通流截面的流量等于以实际流速流过的流量，由此得出通流面积上的平均流速为面积上的平均流速为第27页/共55页2006-9-2层流、湍流、雷诺数层流、湍流、雷诺数 层流：层流：液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线；行于管道轴线；湍（紊）流：湍（紊）流：液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动以外，还存在着剧烈的横向运动。线的运动以外，还存在着剧烈的横向运动。层流层流层流开始破坏层流开始破坏 第28页/共55页2006-9-2 层流和紊流是两种不同性质的流态。层流和紊流是两种不同性质的流态。层流时，层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；粘性力起主导作用；紊流时，紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。主导作用。液体流动时，究竟是层流还是紊流，要用液体流动时，究竟是层流还是紊流，要用雷诺数雷诺数来判定。来判定。流动趋于紊流流动趋于紊流 紊流紊流 第29页/共55页2006-9-2雷雷诺诺数数：实实验验表表明明，真真正正决决定定液液流流流流动动状状态态的的是是用用管管内内的的平平均均流流速速V、液液体体的的运运动动粘粘度度、管管径径d三三个个数数所所组组成成的的一一个个称称为雷诺数为雷诺数Re的无量纲数，即的无量纲数，即临界雷诺数：临界雷诺数：当液流的实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为当液流的实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流，反之液流则为紊流。层流，反之液流则为紊流。常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得。常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得。雷诺数物理意义：雷诺数物理意义：影响液体流动的力主要有惯性力和粘性力，影响液体流动的力主要有惯性力和粘性力，雷诺数就是惯性力对粘性力的无因次比值。雷诺数就是惯性力对粘性力的无因次比值。第30页/共55页2006-9-2 对于非圆截面管道来说，对于非圆截面管道来说，Re可用下式来计算：可用下式来计算：Re4vR/式中式中R为通流截面的为通流截面的水力半径水力半径。它等于液流的有效截面积。它等于液流的有效截面积A和它的湿周和它的湿周（通流截面上与液体接触的固体壁面的周长）之（通流截面上与液体接触的固体壁面的周长）之比，即比，即RA/水力半径对管道通流能力影响很大，水力半径大，表明液水力半径对管道通流能力影响很大，水力半径大，表明液流与管壁接触少，通流能力大；水力半径小，表明液流与管流与管壁接触少，通流能力大；水力半径小，表明液流与管壁接触多，通流能力小，易堵塞。壁接触多，通流能力小，易堵塞。第31页/共55页2006-9-2连续性方程连续性方程 假设液体作定常流动，且不可压缩。任取一流管，两端通假设液体作定常流动，且不可压缩。任取一流管，两端通流截面面积为流截面面积为A1、A2，在流管中取一微小流束，流束两端的，在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为截面积分别为dA1和和dA2，在微小截面上各点的速度可以认为，在微小截面上各点的速度可以认为是相等的，且分别为是相等的，且分别为u1和和u2。根据质量守恒定律，在。根据质量守恒定律，在dt时间时间内流入此微小流束的质量应等于此微小流束流出的质量内流入此微小流束的质量应等于此微小流束流出的质量u1dA1dtu2dA2dtu1dA1u2dA2qvA常数常数结论：结论：a.通过流管任一通流截面的流量相等。通过流管任一通流截面的流量相等。b.液体的流速与管道通流截面积成反比。液体的流速与管道通流截面积成反比。c.在具有分支的管路中具有在具有分支的管路中具有q1=q2+q3的关系。的关系。第32页/共55页2006-9-2能量方程：伯努利方程能量方程：伯努利方程 根据能量守恒定律，同一管道每一截面的总能量都是相等根据能量守恒定律，同一管道每一截面的总能量都是相等的。的。对对静止液体静止液体，单位质量液体总能量为单位质量液体的，单位质量液体总能量为单位质量液体的压力压力能能p/(g)和和势能势能hg之和；而对于之和；而对于流动液体流动液体，还有单位质量的，还有单位质量的动动能能v2/(2g)。任取两个截面。任取两个截面A1和和A2，距基准水平面距离分别，距基准水平面距离分别h1和和h2，断面平均流速分别为，断面平均流速分别为v1和和v2，压力分别为，压力分别为p1和和p2，根据，根据能量守恒定律能量守恒定律:因两个截面是任意的，因此上因两个截面是任意的，因此上式可写为：式可写为：第33页/共55页2006-9-2物理意义物理意义：u第一项为单位重量液体的压力能第一项为单位重量液体的压力能 称为称为比压能比压能（p/）；）；u第二项为单位重量液体的动能称第二项为单位重量液体的动能称 为为比动能比动能（v2/2）；）；u第三项为单位重量液体的位能称为第三项为单位重量液体的位能称为比位能比位能（hg）。）。u由于上述三种能量都具有长度单位，故又分别称为压力水由于上述三种能量都具有长度单位，故又分别称为压力水头、速度水头和位置水头。三者之间可以互相转换，但总头、速度水头和位置水头。三者之间可以互相转换，但总和（和（H，称为总水头）为一定值。，称为总水头）为一定值。第34页/共55页2006-9-2实际液体总流的伯努利方程实际液体总流的伯努利方程将微小流束扩大到总流，由于在通流截面上速度将微小流束扩大到总流，由于在通流截面上速度u是一个变量，若用平均流速代替，则必然引起动能偏差，故必须引入动能修正系数。于是实际液体总流的伯努利方程为是一个变量，若用平均流速代替，则必然引起动能偏差，故必须引入动能修正系数。于是实际液体总流的伯努利方程为式中式中hw-由液体粘性引起的能量损失；由液体粘性引起的能量损失；，-动能修正系数，一般在紊流时取动能修正系数，一般在紊流时取 1，层流时取，层流时取 2。第35页/共55页2006-9-2动量方程动量方程动动量量定定理理：作作用用在在物物体体上上的的力力的的大大小小等等于于物物体体在在力力作作用用方方向向上的动量的变化率，即上的动量的变化率，即 取分离体取分离体:微元的动量变化是微元的动量变化是 微微小小流流束束扩扩大大到到总总流流，对对液液体体的的作作用力合力为用力合力为 即，动量方程：即，动量方程：1、2为动量修正系数，一般在紊流时为动量修正系数，一般在紊流时1，层流时，层流时1.33。第36页/共55页2006-9-2第四节第四节 流体流动时的压力损失流体流动时的压力损失输油管线输油管线 基本概念：基本概念：在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失，压力损失分为两类：沿程压力损失和局部压力损失在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失，压力损失分为两类：沿程压力损失和局部压力损失u沿程压力损失：沿程压力损失：油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力引起的。油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力引起的。u局部压力损失：局部压力损失：是油液流经局部障碍（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间，以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失。是油液流经局部障碍（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间，以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失。第37页/共55页2006-9-2通流截面上的流速分布规律：通流截面上的流速分布规律：取微小圆柱液体，在匀速运动时受力平衡，有取微小圆柱液体，在匀速运动时受力平衡，有可见，管内液体质点的流速在半径方向按抛物线规律分布。可见，管内液体质点的流速在半径方向按抛物线规律分布。令令对上式积分，并应用对上式积分，并应用边界条件，当边界条件，当rR时，时，u0，得，得则则第38页/共55页2006-9-2圆管中的流量圆管中的流量对于半径对于半径r，宽度，宽度dr的微小通流截面，面积的微小通流截面，面积dA2rdr，通通过的流量为：过的流量为：通过圆管的流量可由上式积分求得，即：通过圆管的流量可由上式积分求得，即：第39页/共55页2006-9-2沿程压力损失计算：沿程压力损失计算：圆管通流截面上的平均流速为：圆管通流截面上的平均流速为：沿程压力损失为：沿程压力损失为：可以改写为：可以改写为：称为沿程阻力系数。称为沿程阻力系数。的理论值为的理论值为64/Re，水在作层流流动时，水在作层流流动时的实际阻力系数和理论值是很接近的。液压油在金属圆管中的实际阻力系数和理论值是很接近的。液压油在金属圆管中作层流流动时，常取作层流流动时，常取75/Re，在橡胶管中，在橡胶管中80/Re。第40页/共55页2006-9-2局部压力损失：局部压力损失：液体流经如阀口、弯管、通流截面变化等液体流经如阀口、弯管、通流截面变化等局部阻力处所引起的压力损失。计算公式为局部阻力处所引起的压力损失。计算公式为：v为液体的平均流速，一般情况下均指局部阻力后部的流速。为液体的平均流速，一般情况下均指局部阻力后部的流速。,局部阻力系数。局部阻力系数。对于液流通过各种标准液压元件的局部损失，一般可从产对于液流通过各种标准液压元件的局部损失，一般可从产品技术规格中查到品技术规格中查到。管路中的管路中的总压力损失总压力损失为所有沿程压力损失和局部压力损失为所有沿程压力损失和局部压力损失之和。之和。第41页/共55页2006-9-2第五节第五节 液体流经小孔和缝隙的流量液体流经小孔和缝隙的流量u在液压系统的管路中，装有截面突然收缩的装置，称为在液压系统的管路中，装有截面突然收缩的装置，称为节节流装置流装置（节流阀）。（节流阀）。u突然收缩处的流动叫突然收缩处的流动叫节流节流，一般均采用各种形式的孔口来，一般均采用各种形式的孔口来实现节流实现节流-节流口。节流口。u液体流经孔口时：液体流经孔口时：薄壁小孔：薄壁小孔：l/d0.5；细长小孔：细长小孔：l/d4；短孔：短孔：0.5l/d4。l为小孔的通流长度；为小孔的通流长度；d为小孔的孔径。为小孔的孔径。第42页/共55页2006-9-2一、液体流过小孔的流量一、液体流过小孔的流量液体在薄壁小孔中的流动液体在薄壁小孔中的流动：液体质点突然加速，惯性力作用；液体质点突然加速，惯性力作用；收缩截面收缩截面2-2，然后再扩散；，然后再扩散；造成能量损失，并使油液发热；造成能量损失，并使油液发热；收缩截面面积收缩截面面积A2-2和孔口截面积和孔口截面积A的比值称为的比值称为收缩系数收缩系数Cc，即，即Cc=A2-2/A收缩系数决定于雷诺数、孔口及其收缩系数决定于雷诺数、孔口及其边缘形状、孔口离管道侧壁的距离边缘形状、孔口离管道侧壁的距离等因素。等因素。液体在薄壁小孔中的流动液体在薄壁小孔中的流动 第43页/共55页2006-9-2列截面列截面11和和22的伯努利方程：的伯努利方程：v1可以忽略不计，整理得：可以忽略不计，整理得：由此求得液流通过薄壁小孔的流量为：由此求得液流通过薄壁小孔的流量为：CdCvCc为小孔流量系数，一般由实验确定。为小孔流量系数，一般由实验确定。第44页/共55页2006-9-2流经细长小孔的流量计算流经细长小孔的流量计算：液体流经细长孔时，一般都是层流状态，可直接应用前面已液体流经细长孔时，一般都是层流状态，可直接应用前面已导出的直管流量公式来计算，当孔口的截面积为导出的直管流量公式来计算，当孔口的截面积为A=d2/4时，时，可写成：可写成：统一写为：统一写为：qKApm 式中式中A为流量截面面积，为流量截面面积，m2；p为孔口前后的压力差，为孔口前后的压力差，N/m2；m为由孔口形状决定的指数，为由孔口形状决定的指数，0.5m1，当孔口为薄壁，当孔口为薄壁小孔时，小孔时，m0.5，当孔口为细长孔时，当孔口为细长孔时，m1；K为孔口的形为孔口的形状系数，当孔口为薄壁小孔时，状系数，当孔口为薄壁小孔时，；当孔口为细长；当孔口为细长孔时，孔时，Kd2/(32l)。第45页/共55页2006-9-2二、液体流过缝隙的流量二、液体流过缝隙的流量u1.平行平板的间隙流动：如下四种情况平行平板的间隙流动：如下四种情况 固定平行平板间隙流动（压差流动）固定平行平板间隙流动（压差流动）平行平板有相对运动时的间隙流动平行平板有相对运动时的间隙流动 两平行平板有相对运动，但无压差（纯剪切流动）两平行平板有相对运动，但无压差（纯剪切流动）两平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的流动两平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的流动u2.圆柱环形间隙流动：如下三种情况圆柱环形间隙流动：如下三种情况 同心环形间隙在压差作用下的流动同心环形间隙在压差作用下的流动 偏心环形间隙在压差作用下的流动偏心环形间隙在压差作用下的流动 内外圆柱表面有相对运动又存在压差的流动内外圆柱表面有相对运动又存在压差的流动u3.流经平行圆盘间隙径向流动的流量流经平行圆盘间隙径向流动的流量u4.圆锥状环形间隙流动圆锥状环形间隙流动第46页/共55页2006-9-2第六节第六节 液压冲击及空穴现象液压冲击及空穴现象l在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而产生气在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而产生气泡的现象，称为泡的现象，称为空穴现象空穴现象。l在一定的温度下，如压力降低到某一值时，过饱和的空气将在一定的温度下，如压力降低到某一值时，过饱和的空气将从油液中分离出来形成气泡，这一压力值称为该温度下的从油液中分离出来形成气泡，这一压力值称为该温度下的空空气分离压气分离压。l当液压油在某温度下的压力低于某一数值时，油液本身迅速当液压油在某温度下的压力低于某一数值时，油液本身迅速汽化，产生大量蒸气气泡，这时的压力称为液压油在该温度汽化，产生大量蒸气气泡，这时的压力称为液压油在该温度下的下的饱和蒸气压饱和蒸气压。l液压油的饱和蒸气压相当小，比空气分离压小得多，因此，液压油的饱和蒸气压相当小，比空气分离压小得多，因此，要使液压油不产生大量气泡，它的压力最低不得低于液压油要使液压油不产生大量气泡，它的压力最低不得低于液压油所在温度下的空气分离压。所在温度下的空气分离压。一、空穴现象一、空穴现象第47页/共55页2006-9-2 空穴的空穴的产生产生：液压泵液压泵的空穴现象的空穴现象：液压泵吸油管直径太小，或液压泵吸油管直径太小，或吸油阻力太大，或液压泵吸油阻力太大，或液压泵转速过高。由于吸油腔压转速过高。由于吸油腔压力低于空气分离压而产生力低于空气分离压而产生空穴现象，形成气泡。空穴现象，形成气泡。节流口节流口处的空穴现象。处的空穴现象。第48页/共55页2006-9-2u空穴的空穴的危害危害：气蚀：气蚀：这些气泡随着液流流到下游压力较高的部位时，会因这些气泡随着液流流到下游压力较高的部位时，会因承受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声并引承受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声并引起振动，当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局起振动，当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局部高温和高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现海绵状的部高温和高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现海绵状的小洞穴。这种固体壁面的腐蚀、剥蚀的现象称为小洞穴。这种固体壁面的腐蚀、剥蚀的现象称为气蚀气蚀。u减小空穴现象的减小空穴现象的措施措施（1）减小流经节流小孔前后的压力差，一般希望小孔前后）