第二章 液压油与液压、流体力学基础.ppt

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1、液压与气压传动是一门重要的专业基础课第2章 液压油及液压、流体力学基础2.1 液压油的性质及选用2.2 液体静力学2.3 液体动力学2.4 管路压力损失计算2.5 液体流经小孔及空隙的流量2.6 液压冲击与空穴现象2.1 液压油的性质及选用一、液体密度密度密度单位体积液体的质量单位体积液体的质量 =m/vm/v kg/m kg/m3 3 密度随着密度随着温度或压力温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常的变化而变化，但变化不大，通常忽略。忽略。二、液体的粘性二、液体的粘性 1.1.定义：定义：液体在外力作用下流动时液体在外力作用下流动时,由于液体分子间由于液体分子间的内聚力和液体分子与壁面间的

2、附着力的内聚力和液体分子与壁面间的附着力,导致液体分导致液体分子间相对运动而产生的内摩擦力子间相对运动而产生的内摩擦力,这种特性称为这种特性称为粘性粘性.即流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质即流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质.2.液体的粘度粘度：粘度：衡量粘性大小的物理量衡量粘性大小的物理量动力粘度、运动粘度、相对粘度动力粘度、运动粘度、相对粘度（1）动力粘度动力粘度 牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：液层间的内摩擦力与液层液层间的内摩擦力与液层接触面积及液层之间的速度成正比。可用下接触面积及液层之间的速度成正比。可用下式表示：式表示：内摩擦力表达式内摩擦力表达式 F=F=AA du/

3、dydu/dy 液体静止时液体静止时,du/dydu/dy=0=0 静止液体不呈现粘性静止液体不呈现粘性 为比例系数，称为为比例系数，称为运动粘度运动粘度 公式公式:=F/A=:=F/A=du/dydu/dy（N/mN/m2 2）=dy/dudy/du （N Ns/ms/m2 2）du/dydu/dy为速度梯度为速度梯度，即液层相对运动速度对液层间距，即液层相对运动速度对液层间距离的变化率。离的变化率。运动粘度单位：运动粘度单位：国际单位国际单位（SISI制）中：制）中：帕帕秒（秒（PaPaS S）或牛顿）或牛顿秒秒/米米2 2（N NS/mS/m2 2）；）；以前沿用单位以前沿用单位（CGS

4、CGS制）中：制）中：泊（泊（P P）或厘泊（）或厘泊（CPCP）达因达因秒秒/厘米厘米2 2dyndynS/cmS/cm2 2）换算关系换算关系：1Pa1PaS=10P=10S=10P=103 3 CP CP动力粘度的物理意义动力粘度的物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力。接触液层间单位面积上内摩擦力。（2）运动粘度运动粘度 定义定义：动力粘度与液体密度之比值动力粘度与液体密度之比值 =/（m2/S）单位：单位：SI制：制：m2/S CGS制：制：St（斯）、（斯）、CSt（厘斯）（厘斯）（cm2/S）（mm2/S）换算关系：换算关系

5、：1m2/S=104St=106 cSt物理意义物理意义：无。：无。（只是因为（只是因为/在流体力学中经常出现在流体力学中经常出现 用用代替（代替（/）常用于液压油牌号标注。常用于液压油牌号标注。L-HL-46的含义：的含义：46表示该液压油在表示该液压油在40时的运动粘度为时的运动粘度为46cSt。（3）相对粘度相对粘度0E定义：又叫条件粘度。它是采用特定的粘度计在规定的条件下测量出来的液体粘度。恩氏度0E 中国、德国、前苏联等用赛氏秒SSU 美国用雷氏秒R 英国用巴氏度0B 法国用恩氏粘度与运动粘度之间的恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系换算关系（P11)3.粘度与压力、温度的关系压力压力，

6、粘度，粘度；温度温度，粘度，粘度。三、液体的可压缩性定义：液体受压力作用而发生体积缩小性质。液体受压力作用而发生体积缩小性质。液体的可压缩性可用体积压缩率来表示：液体的可压缩性可用体积压缩率来表示：一般情况下，由于压力引起液体体积的变化很一般情况下，由于压力引起液体体积的变化很小，可认为液体是不可压缩的。小，可认为液体是不可压缩的。=-v/v p =（5-7）x10-10 m2/N四、液压油的选择四、液压油的选择液压油的任务：液压油的任务：工作介质工作介质传递运动和动力传递运动和动力 润滑剂润滑剂 润滑运动部件润滑运动部件对液压油的要求对液压油的要求：（1）合适的粘度和良好的粘温特性；）合适的

7、粘度和良好的粘温特性；（2）良好的润滑性；）良好的润滑性；（3）纯净度好，杂质少；）纯净度好，杂质少；（4）对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。）对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。（5）对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；）对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；（6）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；（7）比比热热和和传传热热系系数数大大，体体积积膨膨胀胀系系数数小小，闪闪点点和和燃燃点点高高，流流动动点点和和凝凝固固点点低低（凝凝点点 油油液液完完全全失失去去其其流流动动性性的最高温度）的最高温度）（8）对人体无害，对环

8、境污染小，成本低，价格便宜）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜液压油的选择：1.选择液压油品种选择液压油品种 矿物质油、难燃型液压油矿物质油、难燃型液压油 一般要根据一般要根据液压系统的特点液压系统的特点、工作环境工作环境和和液压泵液压泵的类型来的类型来选择液压油的品种。选择液压油的品种。2 .选择液压油粘度选择液压油粘度 当品种确定后，主要考虑液压油的粘度。根据液压油的粘度等级，再选择油液的牌号。考虑因素：工作压力、工作速度、环境温度2.2 液体静力学研究内容研究内容：研究液体处于静止状态的力学规律和这些规律的研究液体处于静止状态的力学规律和这些规律的实际应用。实际应用。静止液体静止

9、液体：指液体内部质点之间没有相对运动，至于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。一、液体的静压力及其特性定义：定义：液体单位面积上所受的法向力。液体单位面积上所受的法向力。特性：（1 1）垂直并指向于承压表面）垂直并指向于承压表面 液体在静止状态下不呈现粘性液体在静止状态下不呈现粘性 内部不存在切向剪应力而只有法向应力内部不存在切向剪应力而只有法向应力（2 2）各向压力相等）各向压力相等 有一向压力不等，液体就会流动有一向压力不等，液体就会流动 各向压力必须相等各向压力必须相等静压力的表示方法及单位：表示方法：1、绝对压力（以真空为基准）2、相对压力（以大气压力为基准）绝对压力=大气压力+相对

10、压力真空度=大气压力-绝对压力 绝对、相对压力单位：Pa或N/m2 ，kPa，MPa工程单位制：kgf/cm2、bar(巴）、at(工程大气压）、atm（标准大气压）、液柱高度思考：Pa是压力的单位还是压强的单位？工程上常用的公斤力指的是什么？二、液体静力学基本方程由力平衡方程可得：p=pp=p0 0+gh+gh（静力学平衡方程）由此可得，重力作用下静止液体其压力分布特征：（1 1）静止液体中任一点处的压力由两部分）静止液体中任一点处的压力由两部分 液面压力液面压力p p0 0 组成组成 液体自重所形成的压力液体自重所形成的压力ghgh（2)2)静止液体内压力沿液深呈线性规律分布静止液体内压力

11、沿液深呈线性规律分布（3)3)离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相等的点组成的面叫等压面等的点组成的面叫等压面.三、液体静压力的传递帕斯卡原理（静压传递原理）：在密闭容器内，液体表面的压力可等值传递到液体内部所有各点。在液压传动系统中，通常有外力产生的压力要比液体自重形成的压力大很多，因此常常将重力省略不计，而认为“静止液体的压力处处相等。”应用实例：液压千斤顶四、静止液体对容器壁面上的作用力1.1.作用在平面上的总作用力作用在平面上的总作用力 F=pF=pA A 如：液压缸，若设活塞直径为如：液压缸，若设活塞直径为D,D,则则 F=pF=pA=pA

12、=pDD2 2/4/4 2.作用在曲面上的总作用力作用在曲面上的总作用力 F Fx x =p=pA Ax x结论：结论：曲面在某一方向上所受的作用力，等于液体曲面在某一方向上所受的作用力，等于液体压力与曲面在该方向的压力与曲面在该方向的 垂直投影面积之乘积。垂直投影面积之乘积。2.3 液体动力学目的任务：目的任务：了解流动液体特性、传递规律了解流动液体特性、传递规律 掌握动力学三大方程、流量和结论掌握动力学三大方程、流量和结论重点难点：重点难点：流量与流速关系及结论三大方程及结论、流量与流速关系及结论三大方程及结论、物理意义物理意义研究内容研究内容:研究液体运动和引起运动的原因，即研究研究液体

13、运动和引起运动的原因，即研究液体流动时流速和压力之间的关系（或液压传动液体流动时流速和压力之间的关系（或液压传动两个基本参数的变化规律）两个基本参数的变化规律）主要讨论主要讨论:动力学三个基本方程动力学三个基本方程一、基本概念1.理想液体和稳定流动理想液体理想液体：既无粘性又不可压缩的液体：既无粘性又不可压缩的液体恒定流动恒定流动（稳定流动、定常流动）：流动液体中任（稳定流动、定常流动）：流动液体中任一点的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动一点的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动.2.流量与平均流速流量流量单位时间内流过某通流截面液体体积单位时间内流过某通流截面液体体积q q平均流速平

14、均流速通流截面上各点均匀分布，是一假想流通流截面上各点均匀分布，是一假想流速速 u =q/A图 稳定流动和不稳定流动(a)稳定流动 （b)不稳定流动 在液压缸中，液体的流速与活塞的运动速度相同，在液压缸中，液体的流速与活塞的运动速度相同，由此可见，由此可见，当液压缸的有效面积一定时，活塞运动当液压缸的有效面积一定时，活塞运动速度的大小由输入液压缸的流量来决定。速度的大小由输入液压缸的流量来决定。3.液体的流动状态液体的流动状态分为分为层流层流和和紊流（湍流）紊流（湍流）层流层流液体质点沿管路做直线运动，互不干扰，没液体质点沿管路做直线运动，互不干扰，没 有横向运动，即液体做分层流动。有横向运动

15、，即液体做分层流动。紊流紊流液体质点除了沿管路运动外，还有横向运液体质点除了沿管路运动外，还有横向运 动，呈紊乱混杂状态。动，呈紊乱混杂状态。实验证明：流速u、管路的内径d、油液的运动粘度v满足：(雷诺数）Re=ud/v物理意义：雷诺数是液流的惯性力与内摩擦力的比值。二、连续性方程（质量守恒定律在流体力学中的应用）质量守恒定律在流体力学中的应用）连续性原理连续性原理理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守恒，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时恒，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒等于间内流入液体的质量应恒等于流出

16、液体的质量流出液体的质量。液体流动的连续性 如上图所示，管路的通流面积分别为A1、A2，液体流速分别为v1、v2，液体的密度为，则有 液流的的连续性方程 它说明不可压缩液体在通道中稳定流动时，流过各截面的流量相等，而流速和流通截面面积成反比。因此，流量一定时，管路细的地方流速大，管路粗的地方流速小。三、伯努利方程1.理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程 理想液体在管内稳定流动时没有能量损失。在流动过程中，由于它具有一定的速度，因此除了具有位置势能和压力能外，还具有动能。如下图所示，取该管上的任意两截面1-1和2-2,假定截面面积分别为A1、A2，两截面上液体的压力分别为p1、p2，速度分别

17、为v1、v2，由两截面至水平参考面的距离分别为h1、h2。根据能量守恒定律，重力作用下的理想液体在通道内稳定流动时的伯努利方程为理想液体伯努利方程伯努利方程示意图物理意义：在管内做稳定流动的理想液体具有位位置势能置势能、压力能压力能和动能动能三种能量，在任一截面上的这三种能量都可以相互转换，但其和保持不变。2.实际液体的伯努利方程 实际液体具有粘性，在过流断面上各点的速度是不同的，所以方程中这一项要进行修正，其修正系数为，称为动能修正系数。一般液体处于层流流动时取=2；液体处于紊流流动时取=1。另外，由于液体有粘性，会产生内摩擦力，因而会造成能量损失。若单位质量的实际液体从一个截面流到另一截面

18、的能量损失用pw表示，则实际液体的伯努利方程为 四、动量方程 动量方程是动量定理在流体力学中的应用。由动量定理可知，作用在物体上的外力等于物体在受力方向上的动量变化率，即 对于在管道内作稳定流动的液体，若忽略其可压缩性，可将m=qt代入上式。考虑到以平均流速代替实际流速会产生误差，因而引入动量修正系数，则上式变成 必须注意式(2-21)中的F是液流所受到的作用力，但在工程上往往需要的是固体壁面所受到的液流作用力，即F的反作用力F（称为稳态液动力）。小结 1.了解液压油的性质及选用 2.掌握流量与流速关系及结论三大方程流量与流速关系及结论三大方程及结论、物理意义及结论、物理意义作业作业：P28

19、2-1 2-3P28 2-1 2-32.4 管路压力损失计算 能量损失主要表现为压力损失，压力损失分为两类：一类是由液压油沿等径直管流动时所产生的压力损失，称为沿程压力损失。一类是液压油流经局部障碍（如弯头、接头、管道截面突然、扩大或收缩）时由于液流的方向和速度突然变化，在局部形成旋涡引起液压油质点间以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦所产生的压力损失，称为局部压力损失一、沿程压力损失 液体在直管中流动时的沿程压力损失经理论分析及实验验证，可用以下公式确定 式中：p为沿程压力损失，单位Pa；l为管路长度，单位m；v为液流速度，单位m/s；d为管路内径，单位m；为液体密度，单位kg/m3；为沿

20、程阻力系数（与Re有关）。结论：液体在直圆通道内层流时，其沿程压力损失与液体动力粘度、通道长度和液流速度的平方成正比，与通道内径的成反比。可见，通道内径是沿程压力损失最重要的影响因素（d增大可使p减小；同时d增大还会使v减小，而进一步使p减小）。二、局部压力损失二、局部压力损失 液体经过局部障碍处的流动现象是十分复杂的，其压力损失一般由实验求得，可用下式计算：式中:p为局部压力损失；为局部阻力系数，由实验求得，具体数据可查阅有关液压传动设计计算手册；v为液流的流速，一般情况下均指局部阻力后部的流速；为液体密度，单位kg/m3。对于液流通过各种阀时的局部压力损失，可在阀的产品样本中直接查得，或查

21、得在公称流量qn时的压力损失qn。若实际通过阀的流量q不是公称流量qn，且压力损失又是与流量有关的阀类元件，如换向阀、过滤器等，则压力损失可按下式计算：三、三、管路中的总压力损失管路中的总压力损失 管路系统总的压力损失等于直管中的沿程压力损失p和所有局部压力损失p的总和。即 大多数情况下，总的压力损失只包括局部压力损失和长管的沿程损失，只对这两项进行讨论计算。研究压力损失的目的是为了正确估算压力损失的大小和找出减少压力损失的途径。（减小流速、缩短管路长度、减少管路截面的突然变化、提高管路的内壁加工质量）2.5 液体流经小孔及间隙的流量一、液体流经小孔的流量一、液体流经小孔的流量小孔可分为三种：

22、l/d0.5时，称为薄壁小孔；l/d4时，称为细长孔；0.5l/d4时，称为短孔（厚壁孔）。1.1.液体流经薄壁小孔的流量液体流经薄壁小孔的流量 对于圆形薄壁小孔，当D/d7时，液流的收缩不受孔前通道内壁的影响，这时的收缩称为完全收缩；反之，孔前通道内壁对收缩程度有影响的收缩称为不完全收缩。液体流经薄壁小孔的情况 根据伯努利方程和连续性方程可以推得通过薄壁孔的流量为：式中:Cq为流量系数,一般由实验确定,当液流完全收缩时，Cq=0.60.62,当不完全收缩时，Cq=0.70.8;A为小孔通流截面面积。由上式可知，流经薄壁小孔的流量不受粘度变化的影响，而只与小孔前后的压差的平方根以及小孔面积有关

23、。因此，常用薄壁小孔作流量控制阀的节流孔，使流量不受粘度变化的影响。2.2.液体流经短孔的流量液体流经短孔的流量 液体流经短孔的流量计算仍可用薄壁小孔的流量计算公式，只是流量系数不同，一般取Cq=0.82。短孔比薄壁小孔加工容易，因此特别适用要求不高的节流阀用。3.液体流经细长孔的流量液体流经细长孔的流量 液体流经细长孔时，由于液体内摩擦力的作用较突出，因此多为层流。细长孔的流量计算公式：从上式可得，流经细长孔的流量会随液体粘度变化（油温变化和油液氧化等都会引起其粘度变化）而变化，因此流量受油温影响较大。细长孔可用来作控制阀中的阻尼孔。二、二、液体流经间隙的流量液体流经间隙的流量1.1.液体流

24、经平行平板间隙的流动（液体流经平行平板间隙的流动（动画动画）平行平板间隙分为固定平行平板间隙和相对运动平行平板间隙两种。1）液体流经固定平行平板间隙的流量 在这种间隙中液体的流动属于压差流动，其流量计算公式为：式中:p为间隙两端的压力差；b、l、h分别为间隙的长、宽、高；为液体的动力粘度。2）液体流经相对运动平行平板间隙的流量 如图所示，油液充满两平行平板之间，平板宽度b，间隙为h。当一平板不动，另一平板以速度v0作相对运动时,由于油液存在粘度，紧贴相对运动平板上的油液以速度v0运动，紧贴于不动平板上的油液则保持静止，中间液体的速度呈线性分布，液体作剪切流动，其平均流速v=v0/2。则平板运动

25、使液体通过平板间的间隙的泄漏流量为：在差压流动和剪切流动联合作用下的流动图3）液体在平行平板间隙既有压差流动又有剪切流动的流量 如图所示剪切流动和压差流动方向相同，其泄漏流量相加；图(b)所示剪切流动和压差流动方向相反，其泄漏流量相减，其流量计算公式为：2 2液体流经环状间隙的流量液体流经环状间隙的流量 1）液体流经同心环状间隙的流量 流经同心环状间隙的流量 图 2-17所 示 圆 柱 体 直 径 为d，间 隙 为，长度 为l。由 于 液 压 元 件 内 配 合 间 隙 较 小，因 此可 以 将 环 状 间 隙 的 流 动 近 似 看 成 平 行 平 板 间隙 内 的 流 动。只 要 将b=d

26、代 入 上 式，即 可求得流量：式中:第一项为压差流动的流量；第二项为纯剪切流动的流量。2 2）流体流经偏心环状间隙的流量）流体流经偏心环状间隙的流量 实际中形成环状间隙的两个圆柱表面很难完全同心，而常常带有一定的偏心量。图2-18 所示表示一个偏心环状间隙的横截面，其泄漏量可用下式计算:结论：在液压元件中，为了减少流经间隙的的泄漏，应保证较高的配合同轴度以减小环状间隙泄漏量。2.6 2.6 液压冲击与空穴现象液压冲击与空穴现象一、液压冲击一、液压冲击1.1.产生液压冲击的原因产生液压冲击的原因1）阀门突然关闭引起液压冲击 2 2）运动部件突然制动或换向时引起液压冲击运动部件突然制动或换向时引

27、起液压冲击 如换向阀等突然关闭液压缸的回油通道而使运动部件制动时，这一瞬间运动部件的动能会转化为封闭油液的压力能，使压力急剧上升，出现液压冲击。2 2液压冲击的危害液压冲击的危害液压冲击会造成如下危害：(1）巨大的瞬时压力峰值会使液压元件，尤其是液压密封件遭受破坏。(2）系统产生强烈振动及噪声，并使油温升高。(3）使压力控制元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作，造成设备故障及事故。3 3 减小液压冲击的措施减小液压冲击的措施为减小液压冲击的危害，一般采取以下措施：(1）延长阀门关闭和运动部件换向制动时间。(2）限制管道内液体的流速和运动部件速度。(3）适当加大管道内径或采用橡胶软管。(4）

28、在液压冲击源附近设置蓄能器。(压力冲击波往复一次的时间阀门关闭时间）二、二、空穴现象空穴现象 在液压系统中，如果某处压力低于油液工作温度下的空气分离压时，油液中的空气就会分离出来而形成大量气泡；当压力进一步降低到油液工作温度下的饱和蒸汽压力时，油液会迅速汽化而产生大量气泡。这些气泡混杂在油液中，产生空穴，使原来充满管道或液压元件中的油液成为不连续状态，这种现象一般称为空穴现象。空穴现象一般发生在阀口和液压泵的进油口处。油液流过阀口的狭窄通道时，液流速度增大，压力大幅度下降，就可能出现空穴现象。液压泵的安装高度过高，吸油管道内径过小，吸油阻力太大或液压泵转速过高、吸油不充足等，均可能产生空穴现象

29、。液压系统中出现空穴现象后，气泡随油液流到高压区时，在高压作用下气泡会迅速破裂，周围液体质点以高速来填补这一空穴，液体质点间高速碰撞而形成局部液压冲击，使局部的压力和温度均急剧升高，产生强烈的振动和噪声。在气泡凝聚处附近的管壁和元件表面因长期承受液压冲击及高温作用，以及油液中溢出气体的较强腐蚀作用，使管壁和元件表面金属颗粒被剥落，这种因空穴现象而产生的表面腐蚀称为气蚀。为了防止产生空穴现象和气蚀，一般可采取下列措施：(1)减小流经小孔和间隙处的压力降，一般希望小孔和间隙前后的压力比p1/p23.5。(2)正确确定液压泵吸油管内径，对管内液体的流速加以限制，降低液压泵的吸油高度，尽量减小吸油管路中的压力损失，管接头良好密封，对于高压泵可采用辅助泵供油。(3)整个系统管路应尽可能直，避免急弯和局部窄缝等。(4)提高元件抗气蚀能力。作业：P28 2-5 2-6