液压传动液压流体力学知识.pptx

2-1液压油的性质（Workingmediumofhydraulicshydraulicoil）液压传动是以液体为工作介质来传递能量的。因此要了解液体工作介质液压油和液体的力学性质是必要的，它有助于正确理解液压传动的原理和规律，为正确使用和维修液压元件和液压系统打下良好的基础。液压油的类型：第1页/共158页第2页/共158页矿物油（石油型）包括有（1）机械油；（2）普通液压油（其中加入抗氧剂，防锈剂，抗泡剂等添加剂）；（3）专用液压油（航空液压油，炮用液压油，舰用液压油等）；（4）汽机油；（5）柴油机油等。乳化油油包水乳化液、水包油乳化液。它们是由两种互不相容的液体（如水和油）构成，其中一种液体成为小液滴并均匀地分散在另一种液体中。第3页/共158页乳化型分两大类：一类乳化型分又称高水基液（少量油分散在大量水中）；另一类油包水乳化液（水分散中）。合成型油磷酸酯基液压油、水-一、二元醇基液压油。第4页/共158页一、液压油物理性质（一）液压油的密度（massdensity）密度-用符号表示，即=m/v（kg/m）m液体的质量（kg）；V液体的体积（m）。一般机械油和液压油的密度=850900kg/m。单位体积内所含液体质量的多少。第5页/共158页（二）液体的压缩性液体的压缩性：压缩性的大小可用压缩系数k来表示，它是指温度不变时，每产生一个单位压力变化时，液体体积的减小量。即：液体所受压力增大一个压力时，所发生的体积的相对变化值，K=-（1/）（V/V0）是指液体受到压力作用时体积将缩小，密度将有所增加。第6页/共158页式中K：液体的压缩系数；：压力变化值；V：液体体积的变化量；V0：正常压力时的液体体积。从压缩系数可以看到油液的可压缩性很小，一般可以忽略不计，但在分析液体元件或系统的动态性能时，却是一个不可忽略的因素。第7页/共158页（三）液体的膨胀性液体的膨胀性是指：液体的温度升高而体积增大的性质。体积膨胀性的大小用体积膨胀系数表示。其物理意义是：温度每升高1度时，所发生的体积v的相对变化值。第8页/共158页（四）液体的粘性(viscosity)1.液体运动的当液体在外力作用下流动时，一般液体各层的运动速度不相等，这是由于液体与固体壁间的附着力和液体分子间的内聚力造成的。特点液体流时速度的布：第9页/共158页通过分析得知运动较快的液层带动运动较慢的液层，而运动较慢的液层却阻滞运动较快的液层。这样，运动较快的液层在运动较慢的液层上滑过时，就类似固体的摩擦过程。由于液体与固体（容器）界壁的附着力和液体本身的内聚力而使液体各处的速度产生差异。如管道中的液体流动（参见图），紧贴管壁的液体流动速度为零，愈接近轴心的液体流动速度愈大，轴心处的液体流动速度最大。第10页/共158页液体只有流动时才显现出粘性，而静止液体不显现出粘性。液体具有一定的体积而无一定的形状，因此很容易改变其形状。从工程角度看液体几乎不能抵抗拉力和切力的作用，即使在一个微小的拉力和切力作用，液体都不能保持其原来的平衡状态，产生变形，这种性质称为液体的流动性。液体的流动性第11页/共158页2.粘性的定义液体的粘性：液体流动时，各液层之间产生的内摩擦力（或称切应力），液体的这种性质称液体的粘性。表现液体粘性大小程度的物理量称粘度。在液压传动中所用液压油主要是根据粘度来选择的。3.粘性的度量表现流体粘性大小程度的物理量称粘度。第12页/共158页第13页/共158页表现形式有动力粘度和运动粘度。一般在理论计算、理论分析和推导时经常使用的计算公式。但较难接测量。在工程上常用该粘度表示油液的粘度大小。可在实际中测量出来。绝对粘度：相对粘度第14页/共158页（1）动力粘度（dynamicviscosity)牛顿在实验中发现液体流动时相邻液层单位面积上的内摩擦力（或切应力）与液体运动时的速度梯度成正比，并与液体的性质有关：-表示内摩擦力；-比例系数；-速度梯度。第15页/共158页上式即为著名的牛顿液体内摩擦定律的数学表达式-通过实验测定得出的结果：液体流动时相邻液层之间的内摩擦力F F与液层接触的面积A A、液层间的速度梯度dv/dydv/dy成正比。式中的 称比例系数，称其为动力粘度。dv/dydv/dy速度梯度，表示液层之间的相对滑动的梯度。第16页/共158页动力粘度的物理意义：液体在单位速度梯度（|dv/dy|=1|dv/dy|=1）下流动时，相邻液层单位面积上的内摩擦力。动力粘度的单位：帕秒（PaPas s）帕=N/=N/（帕秒N NS/S/，1Pa1Pas=1Ns=1NS/S/）通过动力粘度的公式得知：在静止液体中，由于速度梯度等于零内摩擦力为零，故液体在静止液体状态下不显粘性。第17页/共158页（2 2）运动粘度运动粘度（kinematic viscosity)kinematic viscosity)在同一温度下液体的动力粘度与其密度的比值称为运动粘度，用表示，即 =/=/单位：/S/S，mmmm/S/S（1/S=106mm/s）在液压传动计算中和液压油的牌号上，一般不用动力粘度，而用运动粘度。第18页/共158页（3）相对粘度（又称条件粘度）相对粘度：美国采用赛氏粘度SSU;英国采用雷氏粘度ReI;我国采用的是恩氏粘度。恩氏粘度用恩氏粘度器来测定。以被测液体的粘度相对于水的粘度的相比较的相对值。第19页/共158页恩式粘度测量-（动画2-1恩式粘度.swf）通过刚才的演示，其测量过程为：（1）在某温度下，取被测液体200cmcm放入容器中，从其底部的小孔（直径2.8mm2.8mm）全部流出，用了t t1 1秒时间；（2）取标准温度（20C C）时蒸馏水200cmcm放入同一容器中，从底部的小孔全部流出，用了t t2 2秒时间；第20页/共158页E ET T=t=t1 1/t/t2 2 。工业上一般以20c、50c、100c为测定恩氏粘度的标准温度，用E20、E50、E100表示。影响粘度的因素有温度压力第21页/共158页4.粘度与温度的关系粘度与温度的关系：油液的粘度随温度的增高而变小，又随温度的降低而变大。油液粘度的变化将直接影响到液压传动系统的性能和泄漏，所以液压用油的粘度随温度变化愈小愈好。液体粘性随温度变化的性质称粘温特性。（见下图液压油的粘温特性曲线）第22页/共158页液压油的粘温特性曲线第23页/共158页由于矿物油的组成、炼制方法等不同，各种矿物油的粘度与温度的关系也不一样，有时用粘度指数（VI）来表示。粘度指数：被测液体的粘度随温度变化的程度同标准油液的粘度随温度变化程度比较的相对值。通过粘温曲线图可知，粘度指数高其粘温曲线平缓，粘度随温度变化小，粘温性能好，液压传动用油一般要求粘度指数在90以上，最好的在100以上。第24页/共158页 5.粘度与压力的关系粘度与压力的关系：油液的压力增大时其密度加大，分子间的距离缩小，粘度变大（粘度变稠）。但粘度压力变化程度并不大。也就是说，压力对粘度的影响在低压时不明显：当压力大于50MPa时，其影响趋于显著；压力升到70Mpa时，液体的粘度将比常压下增加410倍。当压力在050Mpa的范围内时，可用经验公式计算其粘度。第25页/共158页当压力在32MPa以下时，可不考虑压力对粘度的影响。二、液压油的化学性质第26页/共158页1.闪点和燃点（1）是指油液加热后会产生可燃性体，这些可燃性气体与空气混合在油面上，接触火焰的瞬间，会产生一闪一闪的燃烧，这时最低温度称油液的闪点。（2）如果油液的温度继续上升，便会出现连续性燃烧，此时的温度称油液的燃点。闪点燃点第27页/共158页闪点高的油液挥发性小，燃点高的油液难以着火燃烧。油液防火性能的指标是闪点和燃点。一般液压传动用油的闪点为130210C。随着液压传动技术的迅速发展，液压系统的工作压力和工作温度会不断提高，这样对液压油的防火性能要求将会越高。第28页/共158页2.2.凝固点和流动点（1 1）凝固点当温度降低到一定程度时，油液失去了流动性，此时的温度称为液体的凝固点。是指油液在试验条件下，冷却到失去流动时的最高温度，即油液的粘度随着温度的降低而增大。第29页/共158页（2 2）流动点液体的低温流动性与凝固点有关，一般液压传动用的油液其凝固点为：-10-10至-1515。凝固点在-10-10C C时，液压油的流动性最好的。比凝固点高出2.5C时的温度称液体的流动点第30页/共158页3.3.化学稳定性和热稳定性(1)(1)化学稳定性油液与空气或其他氧化剂接触会发生化学反应生成酸性物质，使油液变质。油液温度越高，酸化速度越快，油液的使用寿命缩短，并且腐蚀金属表面，损坏橡胶密封圈，影响密封效果，使系统不能正常工作。是指油液抵抗与含氧物质、特别是与空气起化学反应的能力。第31页/共158页(2)(2)热稳定性当温度升高时，油液的化学反应加快，油分子裂化并产生沥青、焦油等树状的物质。这些物质粘附在油路的各处，堵塞液压元件的小孔和缝隙并抱咬阀芯，影响系统的正常工作。油液在高温时，抵抗化学反应的能力。第32页/共158页三、液压油的添加剂液压传动用的油液应具有较高的粘度指数，有较好的化学性质，而普通矿物油不具备这些性质，往往需要添入适当的添加剂来改善他们的性能。常见的添加剂类型有两类一类用来改善基础油液的化学性质；另一类用来改善基础油液的物理性质。第33页/共158页改善化学性质的有：抗氧化剂、防腐剂、防锈剂、防霉剂等。改善物理性质的有：增粘剂、抗泡剂、降凝剂、油性剂等。使用时根据需要组合，在选用时，应注意添加剂与基础油液之间的相互作用，不能影响和改变油的性质，各自的作用不能抵消与减弱。第34页/共158页防止氧化剂能抑制氧化生酸，又能在金属表面形成防蚀保护层，以避免酸性物质直接接处金属。防锈剂当油中混入水分后，会侵蚀金属表面引起生锈。在金属表面形成一层保护膜，能达到防锈目的。减摩剂防止相对滑动表面的磨损。第35页/共158页黏度指数提高剂用来提高油液的黏度，使其使用的温度范围扩大。其他添加剂在此不多介绍。四、液压传动用油的要求、选择在液压传动中，油液是传递动力或力矩的工作介质，所选用油液的性质将直接影响到液压传动系统工作的好坏。必须正确选择液压油。第36页/共158页（一）对液压传动用油的基本要求合适的黏度和良好的粘温特性；润滑性能好；对密封材料的相容性；对氧化、乳化和剪切都有良好的稳定性，长期工作不易变质；抗泡沫性好、腐蚀性小；清洁度高，质地纯洁，杂质少；燃点高、凝固点低；对人无害，成本低。第37页/共158页（二）油液的选择在具体选择液压油的粘度时，一般应考虑下列具体因素：1.液压系统中工作压力的高低。2.液压系统中运动速度的快慢。3.液压系统周围环境温度。有时也从以下几个因素考虑：液压系统所处的环境；液压系统的工作条件；液压油的性质；经济性；第38页/共158页第39页/共158页P6表1-1是液压泵使用油液的粘度范围。五、液压油的合理使用（污染与控制）液压油受到污染，常常是系统发生故障的主要原因，因此控制液压系统的污染是十分重要的。第40页/共158页（一）液压油污染的危害什么是液压油的污染使系统不断地发生故障，液压元件的寿命也大大降低。是指液压油中含有的水分、空气、微小固体颗粒及胶状生物等杂质。第41页/共158页污染对系统造成的主要危害：固体颗粒和胶状生成物堵塞过滤器液压泵运转困难，产生噪声；堵塞元件的小孔或缝隙，使元件动作失灵；微小固体颗粒会加速零件磨损，磨伤密封元件，使系统出现泄漏；水分和空气的混入，降低液压油的润滑能力，并使其氧化变质，产生气蚀，加剧元件的损坏；使液压系统出现振动、爬行等现象。第42页/共158页（二）污染产生的原因第43页/共158页（1）残留物污染液压元件在制造、储存、运输、安装、维修过程中带入的沙粒、铁削、焊杂、灰土等等，虽经清洗，但还会留有，造成液压油的污染。（2）侵入物污染环境中的污物（水滴、空气、尘埃等）。（3）生成物污染系统工作时产生的金属微粒、密封材料磨损颗粒、油液变质后产生的胶状生成物等。第44页/共158页（三）污染的控制措施（1）力求减少外来污染；（2）滤除系统产生的杂质；（3）定期检查更换液压油。第45页/共158页2-2节静止液体的力学基础知识静止液体（或相对静止的液体）：是指液体处于相对静止。当液体处于相对静止状态时，各液体之间没有相对运动，故在分析液体性质时，不考虑其粘性的影响，即液体不显粘性。一、静止液体的压力及特性（一）静压力（用p表示）定义：液体处于相对静止时，单位面积上所受力的大小称静压力，简称压力。第46页/共158页压力数学表达式：P=F/A(Pa=N/m2）式中：F-作用在液面上的合外力（N牛顿）S-作用面积（m2）。（二）由自重产生的压力液体由自重产生的压力与离开液面的深度成正比，即：p1=gh gh （N/mN/m2 2)重力作用下的静止液体第47页/共158页(三）静压力的特性 (为什么?)?)1.1.静止液体中，任意一点所受到的各个方向上的压力都相等。2.液体压力垂直与承压表面，其方向与承压面的内法线方向相同。二、压力的表示方法及单位表示方法-第48页/共158页绝对压力：相对压力：以绝对真空度为基准度量的压力。以大气压力为基准度量的压力。（它是通过仪表显示的值，又称表压力）。第49页/共158页真空：真空用真空度表示。真空度：如果液体中某点的压力小于大气压力，习惯称“这一点具有真空”。某点的绝对压力不足于大气压力的数值称真空度。第50页/共158页由P6图1-3分析，Pa=P0+gh gh（1 1）式中 Pa为液体的绝对压力。P0-为大气压力。gh gh 为相对压力。式（1 1）为静力学中液体的平衡方程式。绝对压力相对压力真空度三者之间的关系怎样？第51页/共158页三者关系：绝对压力=大气压力+相对压力绝对压力=大气压力-真空度真空度与相对压力的关系：两者是相反的，对某点来讲，如果有相对压力，就不会有真空度；有真空度，就不会有相对压力。真空度不是绝对压力，是大气压力不足的表现。液体元件铭牌上标示的额度压力和最大压力等是指的是相对压力（即表压力通过仪表显示出的压力）。第52页/共158页三、静止液体内压力传递原理(一)液压系统压力的形成液压系统中压力是油液在系统中受到的作用而形成的。由静压公式p=F/S得知，液压系统中的压力取决于外载荷，并随外载荷的变化而变化。“前阻后推”第53页/共158页（二）静压传递原理（即帕斯卡原理）在密闭容器内的平衡液体中，任意点的压力如果有变化，这个变化值将传递给液体中的所有各点，其值不变。其表现方式，通过油压千斤顶的工作过程得知：小缸活塞面积A1，施加的外力为F1；大缸活塞面积A2，用来举升重物W。(画千斤顶工作示意图分析)静压传递原理内容第54页/共158页在小缸内产生的压力为p=F1/A1，缸中的压力增大了p，故各点的压力也增大了p。p=W/A2，所以（F1/A1）=（W/A2）W=（A2/A1）F1W是举升的重物，F1举升重物需要的外力A2/A1面积比越大，抬起的重物越重，施加的力可以小些，但重物上移的距离就小。第55页/共158页液压缸的工作图(画液压缸,分析压力与负载的关系）工作时，当负载增大，缸的结构尺不变，由压力公式得知，p增大；当负载等于零时，p=0。因此，液压系统中的压力，是油液在系统中受到“前阻后推”的作用形成的。压力的大小取决与负载，并随负载的变化而变化。第56页/共158页四、作用在平面上和曲面上的力（一）作用在平面上的力（参见李P8图1-5所示分析）利用压力公式即可：p=F/A，=Ap第57页/共158页（二）作用在曲面上的力在液压系统中，常见的曲面有圆柱形表面、圆锥形表面、球面等。当压力油作用在这些曲面上时，压力的作用方向均垂直曲面，因此相互是不平行的，在求作用于曲面上作用力时,必须确定某个方向。计算方法：首先应明确要计算的哪一方向上的力，建立坐标。（参见课本P10图1-6压力油作用在曲面上的受力分析）第58页/共158页设:阴影面积A=ldsds-弧长，ds=rd d-圆心角。则A=lrd 作用在A面上的作用力由F=pA得：dF=pA=plrd 对其积分，积分区间（略）得：PX=2plr第59页/共158页上式表示压力油沿X方向上作用力等压力p和面积2lr的乘积，面积正好是液压缸右半壁曲面在与X方向垂直的平面上的投影面积。故压力油作用在曲面某一方向的力等于:(课本例题)油压力 p与曲面在该方向的垂直平面上的投影面积的乘积：第60页/共158页2-3节流动液体的性质液压系统工作时，将以一定的速度进行。我们就要掌握液体流动时的状态、运动规律、能量形式与转换、流动液体与固体壁之间的相互作用力等问题。这些问题构成了流动液体的基本性质。一、名词解释1.理想液体、稳定流动理想液体：一种既没粘性又没压缩性的液体。第61页/共158页：稳定流动恒定流动示意（动画2-2恒定流动.swf）液体流动时，液体中任一点的 压力、速度、密度都不随时间变化而变化的一种流动状态。第62页/共158页2.有效断面(即过水断面)：垂直于液体流动方向的液体横截面积。过水断面示意图3 3.湿周：在有效断面上，液体与固体接触的边长。第63页/共158页4 4.流量：单位时间内通过某有效断面的液体体积的多少。流量用Q Q表示，Q=V/t=sl/t=vsQ=V/t=sl/t=vs 。(单位：m/s,l/min)V-表示平均速度：在液体有效断面上各点液体流动速度的平均值。S-液体的作用面积。平均流速示意图计算时都用平均值。第64页/共158页流动液体的性质主要掌握三大定律第65页/共158页二、液体的连续性原理内容：当液体在管道内流动时，根据物质不灭定律，液体在管道内既不能增加也不能减少。因此根据液体的连续性原理的内容得知：(画图推导可推导分析或参见下页图)第66页/共158页液体连续原理简图-设参数第67页/共158页 因为：m1=m2=mm1=VV1 1 m2=VV2 2VV1 1=V=V2 2=VV (1).(1).体积V=Al=Avt V=Al=Avt 代入（1 1）得:A A1 1v v1 1=A=A2 2v v2 2=常数=Q =Q （2 2）式（2 2）表示液体在管道中作稳定流动时，管道中任意截面所通过的流量相等。v v1 1/v/v2 2=A=A1 1/A/A2 2 此式说明通过管道内不同截面的流速与其截面的大小成反比，第68页/共158页即管道细的地方流速快，管道粗的地方流速慢。三、液体的伯努利定律（能量方程）液体的伯努利定律（即能量方程）液压系统是利用有压力的液体来传递能量的。因此需要对液体在管道内流动时，存在的能量形式进行分析。（一）理想液体在管道内流动时的能量形式-理想液体的伯努利方程(画图分析)第69页/共158页伯努利定理分析图设定参数的方法第70页/共158页如图文字分析：设任取管道内一段液体AB，以地面为基准，A、B为两过水断面液体在管道内其相应的作稳定流动，在较短的时间t内，从AB流到AB，由于时间短，位移也较短，所以断面A到A，B到B，其对应的截面、压力、流速和距基准面的高度可以看做不变。设相应的参数：A截面：过水断面SA，压力pA，流速vA，基准高hA（或标号为1）。B截面：过水断面SB，压力pB，流速vB，基准高hB（或标号为2）。第71页/共158页液体在移动过程中，由于“前阻后推”的作用，液体AB从AB位置移到AB位置处，外力产生的作用力（推力）：后面作用力：前面的阻力：，对液体其作功第72页/共158页功：由连续性原理得知：整理代入作功公式中第73页/共158页外力做功：根据功能原理：作的功等于机械能增加，机械能为E1：A位置：从AA移到BB位置时的机械能E2；B位置：第74页/共158页在整个流动中，AB段液体流到AB位置时，AB段内的液体没有发生变化，故可以看作AA段液体移动至BB位置处，由于液体是做稳定流动，AB段内的液体的参数均未发生变化则其内的能量也未发生变化，有变化的是AA段液体参数变成BB段处的参数。机械能的增加：E第75页/共158页其做功等于机械能的增加E=A，整理：其做功等于机械能的增加E=A第76页/共158页整理后：或第77页/共158页经整合后使用的计算公式（理想液体伯努力方程）：-表示单位质量的液体所有的压力能.-所具有的动能。-所具有的势能。第78页/共158页理想液体伯努利方程的物理意义：在密闭的管道内稳定流动的理想液体具有的压力能、动能、势能，它们之间可以相互转化，但不管怎样转化，液体在管道中的任何一处的三种能量之和是一定的（即常数）。（二）实际液体在管道内流动时的能量形式-实际液体的伯努利方程第79页/共158页实际液体在流动中，既有粘性又有压缩性，流动时必然有损耗一些能量，损耗的能量等用能量损失来表示h损，这些损失发生在移动后的过程中，因此将其考虑在后面即：第80页/共158页利用伯努利方程计算时必须设定以下条件：1.选择基准；2.选择两个过水断面；注意与连续性方程式一起使用。（课本例题P12例1-2解题方法）第81页/共158页四、液体的动量定律（动量方程式）液体的动量定理也是流体的力学基本规律之一。液体的动量定律：是用来求解液体和固体壁面之间的相互作用力。是研究液体运动时动量的变化与作用在液体上的外力之间的关系。第82页/共158页根据流动液体的特性，其动量定义的内容为：在某一时间间隔内（dt），流出控制容积的液体具有的动量与流入控制容积的液体所具有的动量之差，等于同一时间间隔内作用于控制容积液体上外力的冲量。如图分析如下：(可推导)第83页/共158页动量定律推导示意图参数的设定如图：第84页/共158页文字分析：取管道内任意一段液体AB作为控制液体溶积，在外力的作用下经过时间间隔dt后，流到AB的位置由于不考虑各种损失，AB段的液体具有的能量未发生变化，分析时仅看成是AA段液体流至BB段处。这样相关的参数发生了变化，则动能也就发生变化。公式推导：第85页/共158页动量变化：（1）所以在时间间隔dt内，控制容积中液体动量的变化应等于BB段液体与AA段液体动量之差（m1、m2分别为AA、BB控制液体的质量）。第86页/共158页根据液体流动时的连续性原理，在时间间隔内流经截面A、B液体质量相等，即m1=m2=m（2）将（2）代（1）式得：第87页/共158页根据动量定理，作用在控制容积中液体上的外力F：（4）（4）为液体流动时的动量方程式。第88页/共158页在计算时，根据问题将矢量向某一方向投影，即可列出该指定方向上的动量方程式：第89页/共158页由于分析时忽略一些因素，有时在计算时要考虑流动中的流速的影响，这样要引进修正系数得：一般不用考虑修正问题。第90页/共158页2-4节流动液体的压力损失一、液体压力损失的原因及分类（一）压力损失产生的原因液体流动时具有粘性，因此当它进行工作（流动）时，会消耗一部分能量，这种能量损耗称压力损失。液体本身的粘性。压力损失产生的原因液体与管壁之间的摩擦。内因外因第91页/共158页（二）压力损失的类型（两种）沿程压力损失：液体沿等截面的直管流动时，因摩擦而产生的压力损失，称沿程压力损失。局部压力损失：液体流经的截面形状、大小突然发生变化的管道区段或弯曲部分时所产生的压力损失，称局部压力损失。压力损失的类型沿程压力损失局部压力损失第92页/共158页压力损失关系到系统所的供应压力的大小、允许的流速、管道的布局和尺寸大小等；同时，管道中损耗的能量会转变为热能，使系统温度升高。因此在使用时应尽量减少系统的压力损失，以提高传动效率和避免系统工作温度的升高。第93页/共158页二、液体的流动状态（一）层流液体的分子沿平行与管道轴线的方向顺序流动，没有横向和其他方向流动，呈现互不混杂的线状或层状流动。（二）紊流液体分子除沿平行与管道轴线方向流动外还有其他方向不规则运动，出现杂乱的流动状态。液体的流动状态有层 流紊 流第94页/共158页（三）临界雷诺数和雷诺数Re如何判断液体在管道中的流动状态用雷诺数。雷诺数通过实验得出。雷诺实验见下图第95页/共158页水流是分层的：水流开始紊乱：红色液体和水完全混合;第96页/共158页雷诺实验 （动画2-3雷诺试验.swf）通过雷诺实验证明:同一种液体在同一种管道中流动时，由于流速的不同形成完全不同的两种流动状态，故流速是决定液体流动状态的一个重要因素。实验还证明，液体在圆管中流动状态不仅与管内的平均流速v有关还和管道内经d、液体的运动粘度有关。第97页/共158页实际上，判定液流状态的是上述三个参数组成的称雷诺数的无量纲数在水利学中，将两种流动状态发生转变时的流速称临界流速。这样雷诺数便有上临界雷诺数下临界雷诺数第98页/共158页上临界雷诺数：下临界雷诺数：实验证明下临界雷诺数比较稳定，一般以下临界雷诺数作为判断液体流动状态的标准。以后使用的临界雷诺数既是下临界雷诺数。计算Re值临界雷诺数时，液体为紊流。由层流转变为紊流时的临界雷诺数。由紊流转变为层流时的临界雷诺数。第99页/共158页雷诺数的物理意义：液体流动时其惯性力与粘性力比值。Re=（惯性力/粘性力）。Re=（惯性力/粘性力）。第100页/共158页若Re值大，维持液体质点作紊乱运动的惯性力对液体质点的运动起主导作用，液体处于紊流状态若Re值小，说明粘滞性内摩擦力对液体质点的运动起主导作用，控制质点不作紊乱运动，液体处于层流状态。有关临界雷诺数可见相关表。圆形光滑金属管使用的临界雷诺数值为2300。第101页/共158页对非圆截面的管道，Re由下式计算：式中：dH-过水断面的水利直径。A-过水断面面积。X-湿周。第102页/共158页三、液体的沿程压力损失液体在等径直管中流动时，因粘性摩擦而产生的压力损失称沿程压力损失。（一）层流状态时的沿程压力损失层流时液体质点作有规则的流动，分析如下：（参见课本P16图1-16或下图）第103页/共158页直管（即沿程）中的压力损失分析图-参数设定-如下图分析第104页/共158页设管子的内径d，小圆柱体的直径2r，长度l，液体从左向右流动，此时液柱受力情况左端受有压力p1，右端受有油压力p2，由于p1大于p2液体才会运动。推动液体运动的力的大小P1为：P1=（p1-p2）r（1）由于液体的粘性，流动时在液柱表面产生的内摩擦力P2为：P2=22rl（2）第105页/共158页液体在圆管中稳定流动，液柱受力平衡，即P1=P2这样得出速度的公式：第106页/共158页对上式进行积分：（A）利用边界条件，当，时，求得积分常数C：（B）将（B）代入（A）第107页/共158页得：该式是圆管中层流流速分布的一般公式，可见，流速分布图是旋转抛物面。液体通过圆管的层流流量计算公式为：第108页/共158页流经圆管层流的流量Q：第109页/共158页层流时圆管的压力损失p经整理得：圆管层流状态时沿程阻力系数。一般在，考虑一些因素阻力系数取。第110页/共158页（二）紊流状态时的沿程压力损失紊流状态时的沿程压力损失：当流动状态为紊流时，其压力损失要比层流时的大，其原因是由于液体流动时除了要克服流层之间的摩擦力外，还要克服由于液体流动时扰动所引起的附加紊流摩擦力，而紊流时的摩擦力远远比层流时液体之间的摩擦力大。在紊流状态下沿层压力损失不仅与液体的粘性有关，而且与管道内壁的粗糙度有关，由公式得出：第111页/共158页光滑圆管紊流状态时的沿程阻力系数。光滑圆管紊流状态时的沿程阻力系数取值为：(参见课本例题)是它第112页/共158页四、液体的局部压力损失当液体流过某些局部地方时，通流面积的增大、减小，弯管，各阀口，节流小孔，缝隙等处会引起压力损失。在这些地方液体的流动方向和流速发生改变，并形成了旋涡，液体质点互相撞击，这是产生局部损失的主要原因。其计算公式通过实验得出的第113页/共158页局部阻力系数。一般由实验得出，参看P20表1-3给出的一些元件的局部阻力系数，液体流经各种阀的局部压力损失可由技术规格查取。查取的压力损失是指额定流量Q额下的压力损失p额。如果实际通过的流量不是Q额，压力损失的计算公式是：式中：Q通过阀的实际流量。Q额阀的额定流量。p额额定压力损失。第114页/共158页五、总的压力损失实际管道是很复杂的，它是由若干段直管、若干个局部等组成的。在计算时，系统中总的压力损失等于加上总的局部压力损失之和总的沿程压力损失之和。第115页/共158页使用时应注意：各局部之间必须有足够的距离时，才能发挥液压传动的效果。第116页/共158页因为当液体流经一个局部后的阻力，要在直管中经过一段距离后动才能稳定。否则，液流在不稳定的情况下又流经另一局部处，彼此之间就生互相干扰，此时的阻力系数要比正常情况下大23倍。一般在两局部之间直管的长度：L（1020）d0。d0管子的内径。第117页/共158页使用时，如果执行机构（液压缸或液压马达）需要考虑有效工作压力时，就应考虑到系统中的压力损失，此时液压泵输出的调整压力为：因此系统的压力效率为：管道中的压力损失将导致传动效率降低，油温升高泄漏增加，有时会造成液压泵因吸油阻力过大而吸不上油。第118页/共158页使用时应尽量缩短管路的长度，避免不必要的弯头和管道截面的突变，以减少压力损失。同时液体在管道中的流速不应过高，一般要求为：液压泵吸油管路根据直径大小流速在-v0.61.5m/s；压油管路：v35m/s；回油管路：v3m/s；溢流阀：v15m/s；安全阀：v30m/s；第119页/共158页分析特点：在液压系统中，绝大部分压力损失将转变为热能，造成系统温度升高，泄漏增大，以致影响系统的工作性能。从计算压力损失的公式可以看出，减小流速，缩短管道的长度，减小管道截面的突变，提高管道内壁的加工质量等，都可以使压力损失减小。其中以流速的影响为最大，故液体在管道系统中的流速不应过高。但流速过低也会使管道和阀类的元件的尺寸加大并使成本提高。第120页/共158页2-5节液体在小孔和缝隙中的流动（流量或泄漏量）在液压传动系统中，常会遇到油液流过小孔或缝隙的情况，如液压元件中有许多相对运动的表面，在这些相对运动的表面之间必须保持一定的间隙，一旦有高压有存在，便会出现泄漏。有些正常需要的间隙，流经它的液体则为流量。有时需要这些小孔和缝隙来调节流量和压力。第121页/共158页因此，弄清液体在缝隙与小孔中流动时的流量和压力的变化规律，对于液体传动系统的分析、计算具有很重要的意义。流量-泄漏量-如果出现泄漏就影响系统的容积效率、工作环境，应尽量减少泄漏。从规定的小孔和缝隙中流过的液体称从不应该流过处流过的液体称第122页/共158页一、油液在小孔中的流动小孔分为薄壁小孔、细长小孔、短孔。（一）油液在薄壁小孔中的流动薄壁小孔：薄壁小孔：长径比L/d0.5时第123页/共158页如图分析：在管道中有一薄壁小孔，小孔的直径为d，截面积为A，分析如下图第124页/共158页液体在管道中的流速1，在小孔中的流速为v2。取两个过水断面1-1、2-2，以中心轴为基准（如图）。在两个过水断面上的参数分别为：p1、h1、v1、p2、h2、v2。由理想液体的伯努利方程得知：第125页/共158页由于管道水平放置故h1=h2，1-1截面面积比2-2截面积大的多，所以v14时的孔。这样的小孔实质上是一段长管，油液流经细长小孔时，一般呈层流状态，所以细长小孔流量的计算用下式：（4）细长小孔的流量和小孔前后压力差成正比。第130页/共158页细长小孔的特点：该公式中有粘度的参数，其流量受温度的影响较大。随着油温的变化，液体的粘度将发生变化，流经细长小孔的流量将发生变化。细长小孔在液压技术中应用很广，多数用于阻尼小孔。第131页/共158页（三）油液在短孔中的流动短孔它利用薄壁小孔流量的计算公式：但是流量系数取值与薄壁小孔不一样，根据需要查表即可。L/d在0.5L/d4与之间。第132页/共158页二、油液在缝隙中的流动液压元件中常见的缝隙有两种：两缝隙之间有固定式的，有相对运动式的。（一）油液在两个固定平面缝隙中的流动一种是有两个平面组成的平面缝隙另一种是由两个内、外圆柱表面形成的环状缝隙第133页/共158页油液在两个固定平面缝隙中的流动如图分析：两平面之间的间隙的厚度为、液体沿X轴方向流动，缝隙的宽b，液体在缝隙中流动时的前后压力为p1、p2。在缝隙中取对称尺寸液体bX2yXL-第134页/共158页由于缝隙较小液体本身又有粘性，流动时呈层流。由于液体本身的特性，液层之间存在着速度差，液层上、下受相邻液层内摩擦力的作用。在稳定运动的情况下，作用在液体薄层上的作用力应相互平衡，即：作用在薄层两侧油液压力产生的作用力：F=F1-F2=p12yb-p22yb第135页/共158页作用在薄层上下由内摩擦力产生的作用力F=2lb 2lb F=F第136页/共158页对上式积分，得：在上式中当将两数代入得：故液体在该平面的速度方程式为：第137页/共158页计算液流通过平面缝隙的流量Q为：通过流量公式得知，油液流经平面间隙的流量和缝隙的厚度三次方成正比，和粘度的大小成反比。第138页/共158页在采用间隙密封地方，应尽可能缩小间隙量，并适当提高油液的粘度，以减少高压油的泄漏。（二）油液在具有相对运动的平面缝隙中流动这样的缝隙是由一个运动平面，一个固定平面组成的。上平面以v的运动速度移动，下平面固定不动，液体以V速度向右动。（参见下图）第139页/共158页如图分析：第140页/共158页如果平面运动速度方向与液体运动的方向一致，则促使液流速度增加，反之减小。由于两平面之间的间隙较小，受相对运动速度的影响较大，因此通过这样平面缝隙的流量就有变化。由v引起的流量的变化值：第141页/共158页（三）油液在同心圆固定环状缝隙中的流动如图分析：液压缸与活塞之间的关系，缝隙的厚度为，缝隙内侧圆柱面的直径d，第142页/共158页沿液流方向缝隙的长度L，由于间隙与直径之比非常小，油液沿环状缝隙的流动情况与在平面缝隙中的流动相似，此时将环状缝隙沿圆周展开，就相当于一个平面缝隙，利用前面的公式套用即可。此时缝隙长l，宽d，厚（间隙），油液流经此缝隙的流量：b=d d第143页/共158页产生的压力损失为：其它的间隙在此就不多讲述。第144页/共158页2-6节液压冲击、气穴现象等液压系统工作时，由于各种原因产生振动、冲击、噪声、爬行、温升、液压冲击及气穴等现象，会给液压系统的正常工作带来不利的影响甚至引起液压元件的损坏，在使用时应注意防止这些现象的产生。（一）液压冲击的定义一、液压冲击第145页/共158页液压冲击定义在液压系统中，由于某种原因造成油液的压力在某一瞬间突然急剧上升，产生峰值，并形成压力波，传播于充满油液的管道内，这种现象称为液压冲击。第146页/共158页（二）产生的原因：1.液体在管道中流动时，迅速将阀门关闭，使液体的流速突然将为零。（伯努利方程）2.在液压系统中，当运动机构质量较大时，运动速度较快时，易产生液压冲击。3.液压系统中某些元件反应不灵敏，引起液压冲击。（三）产生的危害系统出现冲击时，液体瞬时的压力峰值是正常工作压力的好几倍它会损坏密封装置、管道和液压元件，引起设备振动，产生很大的第147页/共158页噪声，有时使某些液压元件如压力继电器、顺序阀等产生误动作，影响系统正常工作，并污染环境。（四）减小液压冲击的措施1.延长阀门关闭时间、运动部件制动换向的时间。2.限制管道中液体的流速及运动部件的速度。3.适当加大管道直径，尽量缩短管道长度。4.采用橡胶软管，利用弹性吸收液压冲击。5.在容易发生液压冲击的地方，设置卸荷阀或蓄能器。第148页/共158页二、气穴现象（一）定义在常温和常压下，矿物油可以溶解容积比为612%的空气。当油液在系统中流动时，如果系统中某一处的压力低于空气从油液中分离出来的压（即空气分离压力），原来溶解与油液中的空气便迅速分离出来形成气泡。如果形成气泡处的压力更低，低于当时温度下油液的饱和蒸汽压力时，油液开始沸腾，形成大量的气泡。第149页/共158页这些气泡混杂在油液