液压流体力学基础a.pptx

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1、1第2页/共118页第1页/共118页2 防锈。防止液压元件所用各种金属的锈蚀。防锈。防止液压元件所用各种金属的锈蚀。第3页/共118页第2页/共118页3第4页/共118页第3页/共118页4工作介质的种类难燃液压油含水液压液水乙二醇液合成液压液磷酸酯液第5页/共118页第4页/共118页5几种国产液压油的质量指标第6页/共118页第5页/共118页6一般的液压油的密度第7页/共118页第6页/共118页7液体的可压缩性第8页/共118页第7页/共118页8一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大，但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构时，则必须予以考虑。温度升高

2、 K值（液体体积模量）减小压力升高K值（液体体积模量）增大液体的可压缩性第9页/共118页第8页/共118页液体在外力作用下流动时，分子间内聚力的存在使其流动受到牵制，从而沿其界面产生内摩擦力，这一特性称为液体的粘性第10页/共118页第9页/共118页静止液体不呈现粘性静止液体不呈现粘性层间切应力第11页/共118页第10页/共118页又称条件粘度。又称条件粘度。第12页/共118页第11页/共118页粘度随温度变化越小，其粘温特性越好。粘度随温度变化越小，其粘温特性越好。第13页/共118页第12页/共118页13国产液压油粘度温度曲线第14页/共118页第13页/共118页第二节第15页

3、/共118页第14页/共118页第16页/共118页第15页/共118页16一 静压力及其特性静止液体在单位面积上所受的法向力称为静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力静压力液体静压力有两个重要特性液体静压力有两个重要特性液体静压力，其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体质点间的内聚力很小，不能受拉只能受液体静压力，其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体质点间的内聚力很小，不能受拉只能受压。压。静止液体内任一点所受的压力在各个方向上都相等。静止液体内任一点所受的压力在各个方向上都相等。第17页/共118页第16页/共118页第18页/共118页第17页/共118页第19页/共118

4、页第18页/共118页19静压力基本方程的物理意义静压力基本方程的物理意义第20页/共118页第19页/共118页20物理意义静止液体内任何一点具有压力能和静止液体内任何一点具有压力能和位能两种能量形式，且其总和保持位能两种能量形式，且其总和保持不变。即能量守恒。但两种能量可不变。即能量守恒。但两种能量可以互相转换。以互相转换。第21页/共118页第20页/共118页第22页/共118页第21页/共118页22帕斯卡定律静压传递原理第23页/共118页第22页/共118页第24页/共118页第23页/共118页第25页/共118页第24页/共118页25绝对压力、相对压力和真空度之间的关系 真

5、空度真空度=大气压力大气压力-绝对压力绝对压力第26页/共118页第25页/共118页第27页/共118页第26页/共118页27静压力对固体壁面的作用力静压力对固体壁面的作用力第28页/共118页第27页/共118页28思考题1压力有哪几种表示方法？液压系统的压力与外负载有什么关系?表压力是指什么压力?答：（1）压力有两种表示方法：绝对压力和相对压力。（2）液压系统的压力与外负载的关系是：外负载越大，液压系统的压力就越高；反之，外负载越小，液压系统的压力就越低。（3）表压力是指相对压力。第29页/共118页第28页/共118页29例1-2第30页/共118页第29页/共118页30第三节第三

6、节 流体运动学和流体动力流体运动学和流体动力学学流体的连续性方程、能量方程和动量方程是流体运动学和流体动力学的三个基本方程。气体流速比较低(v5m/s)时，气体和液体的这三个基本方程完全相同第31页/共118页第30页/共118页31一一 基本概念基本概念（一）理想流体（一）理想流体 恒定流动和一维流动恒定流动和一维流动理想流体理想流体-既无粘性又不可压缩的液体称为理想流既无粘性又不可压缩的液体称为理想流体。体。实际流体实际流体既有粘性又可压缩的液体称为实际流体。既有粘性又可压缩的液体称为实际流体。恒定流动恒定流动-液体流动时，如液体中任何一点的压力、液体流动时，如液体中任何一点的压力、速度和

7、密度等运动参数都不随时间而变化，则称之速度和密度等运动参数都不随时间而变化，则称之为恒定流动，也称定常流动。为恒定流动，也称定常流动。非恒定流动非恒定流动-只要压力、速度或密度中有一个参数只要压力、速度或密度中有一个参数随时间变化，则为非恒定流动，也称非定常流动。随时间变化，则为非恒定流动，也称非定常流动。第32页/共118页第31页/共118页32研究静态时研究静态时-可认为液体作恒定流动可认为液体作恒定流动研究动态时研究动态时-必须按非恒定流动必须按非恒定流动一维流动一维流动-当液体整个作线性流动时。当液体整个作线性流动时。二维或三维流动二维或三维流动-当液体作平面或空间流动时。当液体作平

8、面或空间流动时。一维流动要求液体截面上各点处的速度矢量完全一致。一维流动要求液体截面上各点处的速度矢量完全一致。第33页/共118页第32页/共118页33（二）流线、流管和流束（二）流线、流管和流束流线-是某一瞬时液流中一条条标志其质点运动状态的曲线，在流线上各点处的瞬时液流方向与该点的切线方向重合。对于恒定流动，流线形状不随时间变化。流线不能相交，也不能转折，它是一条条光滑的曲线流管-流线组成的表面称为流管。第34页/共118页第33页/共118页34流束：如果通过某截面A上所有各点画出流线，这些流线的集合构成流束。流束的特性：稳定流动时，流束的形状不随时间改变；流体质点不能穿过流束表面流

9、入或流出；流束是一个物理概念，具有一定的质量和能量；微小流束：通流截面无限小时的流束为微小流束，由于微小流束的横断面很小，所以在此截面上各点的运动参数可视为相同。第35页/共118页第34页/共118页35（三）通流截面、流量和平均流速（三）通流截面、流量和平均流速通流截面-流束中所有流线正交的截面，即与流体流动方向垂直的横截面，也叫过流断面。流量-单位时间内流过某通流截面的液体体积称为流量。q=V/t平均流速 v=q/A关于平均流速：由于液体具有粘性，过流断面上各点液体的速度不尽相同。所以，通常以过流断面上的平均流速来代替实际流速。第36页/共118页第35页/共118页第37页/共118页

10、第36页/共118页37第38页/共118页第37页/共118页38第39页/共118页第38页/共118页39第40页/共118页第39页/共118页40第41页/共118页第40页/共118页41连续性方程例题第42页/共118页第41页/共118页42能量方程（伯努利方程）能量方程（伯努利方程）第43页/共118页第42页/共118页第44页/共118页第43页/共118页44第45页/共118页第44页/共118页第46页/共118页第45页/共118页第47页/共118页第46页/共118页第48页/共118页第47页/共118页第49页/共118页第48页/共118页第50页/共1

11、18页第49页/共118页50第51页/共118页第50页/共118页51能量损失也用平均能量损耗来处理第52页/共118页第51页/共118页52文丘里流量计，或称文氏管流量计文丘里流量计是一种节流式流量计，使用时将测速管径先做成逐渐缩小而后又做成逐渐扩大，以减小流体流过时的机械能损失。文氏管流量计优点：能量损失小，压头损失约为测得压头的10文氏管流量计缺点：各部分尺寸都有严格要求，加工需要精细，因而造价较高。第53页/共118页第52页/共118页53例1-4 推导文丘利流量计的流量公式不计能量损失不计能量损失取修正系数取修正系数第54页/共118页第53页/共118页54第55页/共11

12、8页第54页/共118页55联立三方程求解，得第56页/共118页第55页/共118页第57页/共118页第56页/共118页57第58页/共118页第57页/共118页58 液压泵吸油口处的真空度由三部分组成：把油液提升到高度h所需的压力，将静止液体加速到v2所需的压力和吸油管路的压力损失。第59页/共118页第58页/共118页59伯努利方程应用举例3第60页/共118页第59页/共118页第61页/共118页第60页/共118页第62页/共118页第61页/共118页第63页/共118页第62页/共118页63动量修正系数动量修正系数等于实际动量与按平均流速计算出的动量之比层流时=4/3

13、湍流时=1.04，近似取为1第64页/共118页第63页/共118页第65页/共118页第64页/共118页第66页/共118页第65页/共118页第67页/共118页第66页/共118页67液流状态实验第68页/共118页第67页/共118页层流：指液体流动时，液体质点没层流：指液体流动时，液体质点没有横向运动，互不混杂，呈线状或有横向运动，互不混杂，呈线状或层状的流动。层状的流动。第69页/共118页第68页/共118页69n紊流：指液体流动时，液体质点有紊流：指液体流动时，液体质点有横向流动（或产生小漩涡），作混横向流动（或产生小漩涡），作混杂紊乱的流动状态。杂紊乱的流动状态。第70页/

14、共118页第69页/共118页70液体的流动状态、雷诺数层流和紊流是两种不同性质的流动状态。层流时粘性力起主导作用，惯性力与粘性力相比不大，液体质点受粘性的约束，不能随意运动；紊流时惯性力起主导作用，液体质点在高速流动时，粘性不再能约束它。第71页/共118页第70页/共118页第72页/共118页第71页/共118页72临界雷诺数 n液体由层流转变为湍流或由湍流转变为层流的雷诺数叫做临界雷诺数ReRecrcr。n对于非圆截面的管道，雷诺数为n d dH H 为通流截面的水力直径第73页/共118页第72页/共118页73水力直径大，液流阻力小，通流能力大。临界雷诺数：判断液体流态依据 Re

15、Recr为紊流 雷诺数物理意义：液流的惯性力对粘性力的无因次比 第74页/共118页第73页/共118页74第75页/共118页第74页/共118页75第76页/共118页第75页/共118页76圆管内的流速分布规律液体在等径水平直管中作层流运动，沿管轴线取一半径为r，长度为l的小圆柱体两端面压力为p1、p2，侧面的内摩擦力为F，匀速运动时，其受力平衡方程为：(p1-p2)r2=F F=-2rldu/dr p=p1-p2 du=-rdrp/2l 对上式积分，并应用边界条件r=R时，u=0,得 u=(R2-r2)p/4l 第77页/共118页第76页/共118页77圆管内的流速分布规律结论：液体

16、在圆管中作层流运动时，速度对称于圆管中心线并按抛物线规律分布。umin=0 (r=R)um=R2p/4l=d2 p/16l (r=0)第78页/共118页第77页/共118页78圆管层流的流量、平均流速第79页/共118页第78页/共118页 液体在圆管中液体在圆管中作层流流动时，作层流流动时，流量与管径的四流量与管径的四次方成比例，压次方成比例，压力差力差(压力损失压力损失)则与管径的四次则与管径的四次方成反比，可见方成反比，可见管径对流量及压管径对流量及压力损失的影响是力损失的影响是很大的。很大的。第80页/共118页第79页/共118页第81页/共118页第80页/共118页81圆管层流

17、沿程压力损失考虑沿程损失，列伯努利方程第82页/共118页第81页/共118页第83页/共118页第82页/共118页83圆管紊流的沿程压力损失p =l/dv2/2 =0.3164Re-0.25 （105 Re 3000，水力光滑管）=0.032+0.221Re-0.237 （3106 Re 105）水力粗糙管=1.74+2lg（d/）-2（Re 3106 或 Re900d/，阻力平方区）紊流运动时，p比层流大 液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动第84页/共118页第83页/共118页84第85页/共118页第84页/共118页第86页/共118页第85页/共118页86局部压力损失 产生

18、原因：碰撞、旋涡（突变管、弯管)产生附加摩擦 附加摩擦 只有紊流时才有，是由于分子作横向运动时产生的摩擦，即速度分布规律改变，造成液体的附加摩擦。第87页/共118页第86页/共118页第88页/共118页第87页/共118页第89页/共118页第88页/共118页第90页/共118页第89页/共118页第91页/共118页第90页/共118页第92页/共118页第91页/共118页92第93页/共118页第92页/共118页93思考题1 动力学三大方程各是什么？分别是刚体力学中哪动力学三大方程各是什么？分别是刚体力学中哪 些定些定 律在律在流体力学中的具体应用流体力学中的具体应用?2 液压传

19、动中液体的流态和压力损失有哪几种？其判别方法和液压传动中液体的流态和压力损失有哪几种？其判别方法和产生原产生原 因各是什么？因各是什么？3 液压传动油管中为何种流态？产生什么损失液压传动油管中为何种流态？产生什么损失?第94页/共118页第93页/共118页94液体流经孔口及缝隙的流量压力特性液体流经孔口及缝隙的流量压力特性孔的长度和直径之比l/d4 时称为细长孔薄壁小孔 l/d 05短孔 0.5 l/d 4 孔口和缝隙流量在液压技术中占有很重要的地位，它涉及液压元件的密封性，系统的容积效率，更为重要孔口和缝隙流量在液压技术中占有很重要的地位，它涉及液压元件的密封性，系统的容积效率，更为重要的

20、是它是设计计算的基础的是它是设计计算的基础第95页/共118页第94页/共118页951.51.5 液体流经薄壁小孔的流量计算 当孔的长度和直径之比l/d 105 Cc=0.61 0.63 Cv=0.97 0.98 Cd=0.6 0.62 液流不完全收缩时（D/d 7），查P46表1-19 第98页/共118页第97页/共118页第99页/共118页第98页/共118页99结论Re较小时，Cd随Re的增大而迅速增大，这是由于粘性起主导作用的结果。它对收缩系数影响较小，而对速度系数Cv影响较大。Re增大时，Cd随Re增加而缓慢增加，此时粘性作用减小而惯性作用增大，直到惯性作用起主导作用时，它对收

21、缩系数Cc影响较大，而对速度系数Cv影响较小。在Re增大到一定值后，粘性作用可以忽略，此时Cv趋近1，Cd也趋于某一常数。第100页/共118页第99页/共118页100结论流经薄壁小孔的流量q与小孔前后的压差p的平方根以及小孔面积A0成正比，而与粘度无关。由于薄壁小孔具有沿程压力损失小、通过小孔的流量对工作介质温度的变化不敏感等特性，所以常被用作调节流量的器件。如锥阀、滑阀、喷嘴挡板阀等。第101页/共118页第100页/共118页结论：结论：q p，反比于，反比于 流量受油温变化影响较大流量受油温变化影响较大（T q）短孔（管）的流量计算可采短孔（管）的流量计算可采用薄壁小孔的流量公式，但

22、流用薄壁小孔的流量公式，但流量系数量系数Cd的选取则具体情况具的选取则具体情况具体确定体确定第102页/共118页第101页/共118页第103页/共118页第102页/共118页103滑阀阀口滑阀阀口可视为薄壁小孔，流经阀口的流量为 qCdDxv(2p/)1/2式中 Cd流量系数 D滑阀阀芯台肩直径 xv阀口开度，xv24mmn 锥阀阀口锥阀阀口n 锥阀阀口与薄壁小孔类似，流经阀口的流量为锥阀阀口与薄壁小孔类似，流经阀口的流量为 qCddmxvsin(2p/)1/2n 式中式中Cd流量系数流量系数 dm阀座孔直径阀座孔直径 xv阀芯抬起高度阀芯抬起高度 阀芯半锥角阀芯半锥角第104页/共11

23、8页第103页/共118页液体流经缝隙的流量压力特性 平面缝隙平面缝隙 常见缝隙常见缝隙 环状缝隙环状缝隙 压差流动压差流动 缝隙流动状况缝隙流动状况 剪切流动剪切流动第105页/共118页第104页/共118页105缝隙流动通过平板缝隙的流量 q=b h 3p/12l u ob h/2在压差作用下，流量q 与 缝隙值h 的三次方成正比，这说明液压元件内缝隙的大小对泄漏量的影响非常大。平板缝隙平板缝隙 两平行平板缝隙间充满液体两平行平板缝隙间充满液体时，压差作用会使液体产生时，压差作用会使液体产生流动（压差流动）；两平板流动（压差流动）；两平板相对运动也会使液体产生流相对运动也会使液体产生流动

24、（剪切流动）动（剪切流动）。第106页/共118页第105页/共118页106环形缝隙通过同心圆柱环形缝隙的流量公式：q=（d h 3/12l）p d h uo/2 （当圆柱体移动方向和压差方向相同时取正号，方向相反时取负号。）相相对对运运动动的的圆圆柱柱体体与与孔孔之之间间的的间间隙隙为为圆圆柱柱环环形形间间隙隙。根根据据两两者者是是否否同同心心又又分分为为同同心心圆圆柱柱环环形形间间隙隙和和偏偏心心环环形形间间隙隙。通通过过其其间间的的流流量量也也包包括括压压差差流流动动流流量量和和剪剪切切流流动动流流量量。设设圆圆柱柱体体直直径径为为d，缝缝隙隙值值为为h，缝缝隙隙长长度度为为 l。第1

25、07页/共118页第106页/共118页107 设内外圆的偏心量为 e，流经偏心圆柱环形缝隙的流量公式：q=（d ho3/12l）p（1+1.5 2）式中：ho为内外圆同心时半径方向的缝隙值 为相对偏心率，e/ho 当偏心量e=ho，即1 时（最大偏心状态），其通过的流量是同心环形间隙流量的2.5 倍。因此在液压元件中应尽量使配合零件同心。第108页/共118页第107页/共118页108圆锥环形缝隙的流量及液压卡紧现象当柱塞或柱塞孔，阀芯或阀体孔带有一定锥度时，两相对运动零件之间的间隙为圆锥环形间隙，间隙大小沿轴线方向变化。阀芯大端为高压，液流由大端流向小端，称为倒锥，阀芯小端为高压，液流由

26、小端流向大端，称为顺锥。n 阀芯存在锥度不仅影响流经间隙的流量，而且影响缝隙中的阀芯存在锥度不仅影响流经间隙的流量，而且影响缝隙中的压力分布。压力分布。n 如果阀芯在阀体孔内出现偏心，作用在阀芯一侧的压力将大如果阀芯在阀体孔内出现偏心，作用在阀芯一侧的压力将大于另一侧的压力，使阀芯受到一个液压侧向力的作用。于另一侧的压力，使阀芯受到一个液压侧向力的作用。第109页/共118页第108页/共118页109液压卡紧现象倒锥的液压侧向力使偏心距加大，当液压侧向力足够大时，阀芯将紧贴孔的壁面，产生所谓液压卡紧现象；而顺锥的液压侧向力则力图使偏心距减小，不会出现液压卡紧现象。为减少液压侧向力，一般在阀芯

27、或柱塞的圆柱面开径向均压槽，使槽内液体压力在圆周方向处处相等，槽深和宽为0.31.0mm。第110页/共118页第109页/共118页1101.6 瞬变流动一、液压冲击在液压系统中，当突然关闭或开启液流通道时，在通道内液体压力发生急剧交替升降的波动过程称为液压冲击。比如：阀门口突然关闭引起的管内液流速度突变和运动部件的制动引起的液压冲击。出现液压冲击时，液体中的瞬时峰值压力往往比正常工作压力高好几倍，它不仅会损坏密封装置、管道和液压元件，而且还会引起振动和噪声；有时使某些压力控制的液压元件产生误动作，造成事故。第111页/共118页第110页/共118页1111.6 瞬变流动减小液压冲击的措施

28、适当加大管径，限制管道流速v。一般在液压系统中把v控制在4.5m/s内，使Pmax不超过5MPa就可以认为是安全的。正确设计阀口或设置制动装置，使运动部件制动时速度变化比较均匀。延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间，可采用换向时间可调的换向阀。尽可能缩短管长，以减小压力冲击波的传播时间，变直接冲击为间接冲击。在容易发生液压冲击的部位采用橡胶软管或设置蓄能器，以吸收冲击压力；也可以在这些部位安装安全阀，以限制压力升高。第112页/共118页第111页/共118页1121.6 瞬变流动二、气穴现象空气在液体中的溶解度与液体的绝对压力成正比。在一定温度下，当液体压力低于某值时，溶解在液体中的空气将会

29、突然地迅速从液体中分离出来，产生大量气泡，这个压力称为液体在该温度下的空气分离压。在液压系统中，当流动液体某处的压力低于空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会游离出来，使液体中产生大量气泡，这种现象称为气穴现象。气穴现象使液压装置产生噪声和振动，使金属表面受到腐蚀。当液体在某一温度下其压力继续下降而低于一定数值时，液体本身便迅速汽化，产生大量蒸气，这时的压力称为液体在该温度下的饱和蒸气压。一般说来，液体的饱和蒸气压比空气分离压要小得多。第113页/共118页第112页/共118页113气穴什么时候发生液体流经节流口的喉部时，由于流速很高，根据能量方程，该处的压力会很低。如那里的压力低于液体工

30、作温度下的空气分离压，就会出现气穴现象。当液压系统出现气穴现象时，大量的气泡使液流的流动特性变坏，造成流量不稳，噪声骤增。第114页/共118页第113页/共118页114气穴什么时候发生在液压泵的自吸过程当中，当油不能完全补充至泵中时，会产生气穴现象。这就会在油中留下对泵有害的气泡。假定泵入口管道较窄，那么它会引起输入油的压力降低。压力降低时，油不能像它被泵出时那样快速补充到泵内。结果是，在输入油中形成了气穴或空腔。第115页/共118页第114页/共118页115液压油中的空气压力下降使溶解在液压油中的空气分离出来，从而产生气穴。当带有气泡的液压油被带到泵的高压区时，高压会使气泡崩溃。这就

31、形成了一种类似于爆裂的作用，它使泵元件表面的金属剥落，并造成异常响声和泵的异常振动。第116页/共118页第115页/共118页116爆裂效应破坏瞬时出现，并发生很剧烈的爆裂。这种爆裂产生的压力达几百MPa，局部温度可高达7661149C。引起金属表面疲劳，工作介质变质，对金属产生化学腐蚀，使液压元件表面受到侵蚀。它剥落泵零件上的金属微粒，甚至出现海绵状小洞穴。如果泵总是出现气穴现象，则泵将受到严重损坏，大大缩短其使用寿命。这种因气穴而对金属表面产生腐蚀的现象称为气蚀。气穴现象发生在液流的低压区，气蚀现象发生在高压区第117页/共118页第116页/共118页117减小气穴的措施避免液压系统中的压力过分降低：减小阀孔口前后的压差，一般希望其压力比p1/p23.5正确设计和使用液压泵站液压系统各元部件的连接处要密封可靠，严防空气侵入采用抗腐蚀能力强的金属材料，提高零件的机械强度，减小零件表面粗糙度值第118页/共118页第117页/共118页118感谢您的观看！第118页/共118页