液压与气压传动 教学课件 ppt 作者 张世亮 2.流体力学 0液压课件2

第二章液压传动基础知识,第一节 液压传动的工作介质一、工作介质的物理性质 工作油液1、密度 单位体积液体所具有的质量，用公式表示为 =m/v 液压系统计算时，通常取液压油的密度为900kg/m3。2、液体的可压缩性 用压缩系数k表示，是指液体在单位压力变化下的体积相对变化量，用公式表示为 压力增大时液体的体积减小，为了使k为正值，在上式右边加一负号。,第二章液压传动基础知识,3、液体的体积弹性模量 液体压缩系数k的倒数，用K 表示，即 工作介质的可压缩性在研究液压系统静态（稳态）条件下工作性能时，可以不予考虑； 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系统时，必须予以考虑。,第二章液压传动基础知识,4.液体的粘性 1）粘性的定义： 液体分子间相互作用的内聚力。动画 粘性只有在液体流动时或有流动趋势时才能表现出来。,第二章液压传动基础知识,2) 粘度 A.动力粘度 由于液 体粘性和液体与固体壁面间作用 力的共同影响，两平行平板间各 层的速度分布从上到下按线性规 律变化。液体流动时相邻液层间 的内摩擦力Ff为: 为粘性系数或动力粘度。 单位面积上的内摩擦力为,第二章液压传动基础知识,动力粘度的单位： 1）在国际单位制中，的单位为Pas（帕秒） 2）在厘米克秒（CGS）制中, 单位为P（泊） 或cP（厘泊） 3）相互关系：1Pas=10P=103cP 具有力、长度、时的量纲，即具有动力学 的量，故叫动力粘度。 动力粘度的物理意义是：液体在单位速度梯度下，单位面积上的内摩擦力大小。,第二章液压传动基础知识,B.运动粘度 在同一温度下，液体的动力粘度 与它的密度之比，即 运动粘度的单位 在国际单位制中为: m2/s, 在CGS制中为: cm2/s（斯，St）,cSt（厘斯）来表示。,第二章液压传动基础知识,运动粘度具有长度和时间的量纲，具有运动学的量，故叫运动粘度。相互关系: 1 m2/s =104 St=106 cSt 运动粘度用来标明液体的粘度，如40号全损耗系统用油就是指在40时的运动粘度的平均值为40 cSt（厘斯）。,第二章液压传动基础知识,C.相对粘度 是特定测量条件下制定的，又称为条件粘度。有 恩氏粘度E， 通用赛氏秒SUS， 商用雷氏秒（R1S），巴氏度0B等。 恩氏粘度测定方法（见测量示意图），即 恩氏粘度与运动粘度间的换算关系式为,第二章液压传动基础知识,粘度与温度的关系 当油温升高时，其粘度显著下降，这一特性称为油液的粘温特性，如图2-2所示。,第二章液压传动基础知识,5液压系统对工作介质的性能要求 不同工作机械、不同使用条件的液压系统对工作介质的要求有很大不同。工作介质应主要具备以下性能要有合适的粘度和较好的粘温特性。防腐性、防锈性要好，抗泡沫性、抗乳化性、抗磨性要好。抗氧化性、抗剪切稳定性，抗空气释放性、抗水解安定性好，抗低温性要好。与金属和密封件、橡胶软管、涂料等的相容性要好。流动点和凝固点要低，闪点和燃点高，比热容和热导率要大，体积膨胀要小。,第二章液压传动基础知识,6工作介质的类型与选用液压系统的环境条件 如气温的变化情况，系统的冷却条件，有无高温热源和明火，抑制噪声能力，废液再生处理及环保要求。 液压系统的工作条件 如压力范围、液压泵的类型和转速、温度范围、与金属及密封和涂料的相容性、系统的运转时间和工作特点等。 液压油的性质 如液压油的理化指标和使用性能，各类液压油的特性等经济性和供货情况 如液压油的价格、使用寿命、对液压元件寿命的影响、当地油品的货源以及维护、更换的难易程度等。,第二章液压传动基础知识,第二节 液压油的污染及其控制(自学） 一、污染产生的原因 二、污染的危害 三、污染测定的方法与标准 四、防止污染的措施,第二章液压传动基础知识,液压流体力学是研究液体平衡和运动的力学规律的一门学本章的主要内容是液体静力学 研究液体在静止状态下的力学 规律及其应用液体动力学 研究液体流动时流速和压力的变化规律,第二章液压传动基础知识,管道中液流的特性 计算液体在管路中流动时的压力损失孔口及缝隙的压力流量特性 是分析节流调速回路性能和计算元件泄漏量的理论依据液压冲击和气穴现象,第二章液压传动基础知识,第三节 液体静力学 力传递一、液体静压力（压强）的性质和单位1、质量力 作用于液体内部任何一个质点上，与质量成正比，由加速度引起，如重力、惯性力、离心力等。2、表面力 作用在所研究液体外表面上的力，与所受液体作用的表面积成正比。,第二章液压传动基础知识,第三节 液体静力学表面力有两种，法向表面力、切向表面力。切向表面力与液体表面相切，流体粘性引起的内摩擦力即为切向表面力。法向表面力总是指向液体表面内法线方向作用，即压力。单位面积上所受的法向力称为静压力。静压力在液压传动中简称压力，在物理学中称为压强,第二章液压传动基础知识,3、压力定义4、压力的单位1) 国际制单位 Pa（帕）N/m2 或兆帕(MPa) 。2) 工程制单位 kgf/cm2，国外也有用bar(巴），bar=105Pa。3) 标准大气压 1标准大气压0.98105Pa。4) 液体柱高度 h=p/g，常用的有水柱、酒精柱、汞柱等。,第二章液压传动基础知识,5、液体静压力几个重要特性1）液体静压力的作用方向始终指向作用面的内法线方向。液体只能受压。2）静止液体中任何一点所受到各个方向的液体静压力都相等。3）在密封容器内，施加于静止液体上的压力将以等值传递到液体中所有各点，这就是静压传递原理。,第二章液压传动基础知识,二、液体压力的表示方法 图,第二章液压传动基础知识,三、静压力方程及其物理本质 静压力方程,第二章液压传动基础知识,在垂直方向上力平衡方程式为 上式化简后得 如上表面受到大气压力pa作用，则 静止液体在自重作用下任何一点的压力随着液体深度呈线性规律递增。液体中压力相等的液面叫等压面，静止液体的等压面是一水平面。当不计自重时，液体静压力处处相等。液体自重产生的压力与液体传递压力相比要小得多，在液压传动中常常忽略不计。,第二章液压传动基础知识,2、静压力方程的物理本质在图2-5中盛有液体的容器放在基准面o-xy上，则静压力基本方程可写成 将上式整理后可得 =常数 式中Z表示单位重量液体的位能，称为位置水头；p/g表示单位重力液体的压力能，称为压力水头。静压力基本方程的物理本质是静止液体内任何一点具有位能和压力能两种能量形式，且其总和在任意位置保持不变，但两种能量形式之间可以互相转换。,第二章液压传动基础知识,四、液体静压力对固体壁面的作用力1、作用在平面上总力F等于压力p与承压面积 A的乘积，即 2、静压力在曲面某一方 向上的总力F1等于压 力 p 与曲面在该方向 投影面积Ax的乘积，即 F1= p.Ax下面以液压缸缸筒为例 加以说明。,第二章液压传动基础知识,第四节 液体动力学主要是研究液体流动时流速和压力的变化规律。连续性方程、伯努利方程、动量方程是描述流动液体力学规律的三个基本方程式。前两个方程反映了液体的压力、流速与流量之间的关系，动量方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。 主要内容是 基本概念 流量连续性方程 伯努利方程 动量方程,第二章液压传动基础知识,一、基本概念1.理想液体：既无粘性又不可压缩的液体为理想液体。2.恒定流动：液体中任何一点的压力、速度、密度等参数都不随时间变化而变化的流动。3.非恒定流动：液体中任何一点的压力、速度、密度有一个参数随时间变化而变化的流动。具体见恒定非恒定流动动画图、恒定流动2、非恒定流动24.一维流动 整个液体在管道中作线形流动。5.二维流动 整个液体在管道中作两坐标的平面流动。6.三维流动 整个液体在管道中作三坐标空间流动。,第二章液压传动基础知识,一、基本概念7.流线：某一瞬时液流中一条条标志其各处质点运动状态的曲线。流线间不能相交，不能转折，但可相切，流线是一条条光滑的曲线，见图2-7a。图8.流管：在流场的空间划出一任意封闭曲线，封闭曲线本身不是流线，经过该封闭曲线上每一点作流线，这些流线组合成一表面，称为流管，见图2-7b。9.流束：流管内的流线群称为流束，见图2-7c。,第二章液压传动基础知识,微小流管或流束 微小流束截面上各点处的流速可以认为是相等的。10.缓变流动：流线间的夹角很小，或流线曲率半径很大的流动称为缓变流动。平行流动和缓变流动都可以是一维流动。11.通流截面：流束中与所有流线垂直的横截面称为通流截面，其可能是平面或是曲面，见图2-7c所示。,第二章液压传动基础知识,二、连续方程1、流量与平均流速1）流量 单位时间内流过某通流截面的液体体积，用q表示，即 实际液体具有粘度，液体在某一通流截面流动时截面上各点的流速是不相等，流量表示为 图 通过整个通流截面的总流量为,第二章液压传动基础知识,2）平均流速流 过通流截面A的流量与以实际流速 流过通流截面A的流量相等，即 图所以平均流速,第二章液压传动基础知识,2.连续方程如图2-8所示，在恒定流动、液体是不可压缩条件下，根据质量守恒定律,第二章液压传动基础知识,12故上式简化为 对上式等号两端进行积分，则 上式可写成 或 =常数 不管平均流速和液流通流截面面积沿着流程怎样变化，流过不同截面的液体流量仍然相同。,第二章液压传动基础知识,三、伯努利方程 图1、理想液体的伯努利方程 常数 上式就是只受重力作用的理想液体作恒定流动时的伯努利方程或能量方程,第二章液压传动基础知识,2、理想液体伯努利方程的物理本质 只受重力作用下的理想液体作恒定流动时具有 比压力能（压力头） 比位能（水头） 比动能（速度头） 三种能量形式，在任一截面上这三种能量形式之间可以互相转换，但这三种能量在任意截面上的形式之和为一定值 测量装置动画1、2、3、4,第二章液压传动基础知识,3.实际液体的伯努利方程4、应用实际液体的伯努利方程时必须注意以下几点1）液流是只受重力作用和不可压缩，密度在流动中保持不变。2）液流是恒定流动，如不是恒定流动，则要加入惯性项。3）要取在平行流或缓变流上，至于两截面之间是什么流动没有关系， 和为通流截面的同一点上的两个参数，通常把这两个参数都取在通流截面的轴心处，公式中的速度取平均速度。,第二章液压传动基础知识,5.伯努利方程应用举例如图所示，液压泵的流量为q=32L/min，吸油管通道d=20mm，液压泵吸油口距离液面高度h=500mm，液压泵的运动粘度20106 m2/s，密度900kg/m3，不计压力损失，求液压泵吸油口的真空度。解：吸油管的平均速度为 油液运动粘度,第二章液压传动基础知识,油液在吸油管中的流动状态 此时液体在吸油管中的运动为层流状态。选取自由液面和靠近吸油口的截面列伯努利方程，以截面为基准面，因此Z10，10（截面大，油箱下降速度相对于管道流动速度要小得多），p1=pa（液面受大气压力的作），即得如下伯努利方程,第二章液压传动基础知识,因 所以泵吸油口（截面）的真空度为,第二章液压传动基础知识,四、动量方程动量定理认为：作用在物体上的合力大小应等于物体在力作用方向上的动量变化率。即：,第二章液压传动基础知识,四、动量方程动量方程的表达式为：应用上式时必须注意以下几点1）适当选取控制体，且注意2）式中均为向量,计算时应列出指定方向上的动量方程3）等式左边的力是作用在被研究的流体段上的所有外力；控制体内的液体与固体壁面间为相互作用力，求作用在固体壁面上的力时，要应用作用力与反作用力。4）等式右边的为流出的速度 ， 为流入的速度，并注意方向。图,第二章液压传动基础知识,例2-4 有一股流量为，密度为的油流，以速度为垂直射向平板，之后分两股平行平板射出，如图214所示。求射流对平板的作用力。解 运用动量方程求作用力问题的关键是正确选用控制体。本题中以截面11、22、33所划出的区域为控制体积，这三截面上的压力都为大气压力，相对压力为零。设平板对射流的作用力为F，方向向左，不考虑其它力的作用，由动量方程可得因此射流对平板的作用力,第二章液压传动基础知识,第五节 管道中液流的特性一、液体的两种流态及雷诺数判断 流动状态 1.层流： 液体流动时，液体质点间作线状或层状的流动。 2.紊流： 液体流动时，液体质点有横向运动或产生小漩涡，作杂乱无章的运动。,第二章液压传动基础知识,第五节 管道中液流的特性 3.雷诺数判据 具体见雷诺实验动画1、2、3 实验证明，液体在圆管中的流动状态可用下式来表示 对于非圆截面的管道来说，雷诺数可用下式表示 水力直径可用下式来表示,第二章液压传动基础知识,4、雷诺数的物理意义： 由雷诺数的数学表达式可知，惯影响液体流动的力主要是惯性力和粘性力。 雷诺数大就说明惯性力起主导作用，液流呈紊流状态； 雷诺数小就说明粘性力起主导作用，液流呈层流状态。,第二章液压传动基础知识,二、沿程压力损失 1.圆管中液体的流速与流量 1）流速 图 流速在圆管中的分布：抛物线，管中心线处流量最大，管壁出流量为零。 2）流量 与管道的压力差成正比， 与管径4次方成正比，与粘度成反比,第二章液压传动基础知识,二、沿程压力损失沿程压力损失：液体在直径不变的直管中流动时克服摩擦阻力的作用而产生的能量消耗称为沿程压力损失。液体流动有层流和紊流两种状态，沿程压力损失也有层流沿程损失和紊流沿程压力损失两种。层流沿程和紊流沿程压力损失公式:,第二章液压传动基础知识,三、局部压力损失 局部压力损失的计算公式为 -局部损失系数，有实验确定，（查手册） 实际的局部压力损失可用下式计算,第二章液压传动基础知识,四、管路中总的压力损失 管路总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失之和与所有局部压力损失之和的叠加 管路总的压力损失一般以局部损失为主。为了减少压力损失，常采用下列措施尽量缩短管道，减少截面变化和管道弯曲。管道内壁尽量做得光滑，油液粘度恰当。将油液的流速限制在适当的范围内等措施。,第二章液压传动基础知识,第六节、液体流经小孔和缝隙的流量压力特性一、液体流经小孔的流量压力特性孔口的分类薄壁孔：长径比 l/d 0.5厚壁孔：长径比 0.54,第二章液压传动基础知识,第六节、液体流经小孔和缝隙的流量压力特性一、液体流经小孔的流量压力特性1） 薄壁小孔的流量压力特性 见薄壁小孔动画1、2,第二章液压传动基础知识,薄壁小孔的流量为: 通常Cc的值可根据雷诺数的大小查有关手册。 而液体的流量系数Cd的值一般由实验测定。在液流完全收缩的情况下，这时对常用的液压油，流量系数可取 Cd0.62 三系数的关系 Cd Cv Cc,2）厚壁孔和细长孔的流量压力特性当小孔的长度和直径之比为 时，小孔称为厚壁小孔，其与薄壁小孔的流量公式相同，但流量系数 Cd 在 0.7-0.8之间变化。,第二章液压传动基础知识,3）细长孔的流量压力特性 当小孔的长度和直径之比 l/d 0.4时为细长孔。其流量可用圆管层流流量公式表达，即 4）液体经小孔流动时流量压力的统一公式上述三种小孔的流量公式，可以用以下公式统一表示,第二章液压传动基础知识,第二章液压传动基础知识,2、液体流经缝隙的流量压力特性1）液体平行平板缝隙流动的流量压力特性 平行平板缝隙的流量为,第二章液压传动基础知识,2）液体同心圆环和偏心圆环的流量压力特性 图同心圆环缝隙的流量 只要在平行平板缝隙的流量计算公式中将宽度用圆周长代入上式即可。将 bd 代如平行平板流量公式得：,第二章液压传动基础知识,偏心圆环缝隙的流量 公式为 其中 e偏心距, e在0h0之间变化 h同心圆环间隙 e/h0 偏心率,第二章液压传动基础知识,3、泄漏功率间隙泄漏会引起的功率损失。由泄漏引起的功率损失为 正号为两端压力差作用方向与平板运动方向相同，负号为两端压力差作用方向与平板运动方向相反，同心圆环和偏心圆环也有同样的形式。,第二章液压传动基础知识,第七节 液压冲击和空穴现象一、液压冲击在液压系统中，由于某种原因引起油液的压力在某一瞬间突然急剧升高，形成较大的压力峰值，这种现象叫做液压冲击。,第二章液压传动基础知识,第七节 液压冲击和空穴现象1.产生的原因及危害 原因液流突然停止运动，造成液体的压力急剧升高，引起液压冲击。高速运动的工作部件件换向或制动时，引起液压缸和管路中局部油压急剧升高产生液压冲击。图液压系统中某些元件反应动作不够灵敏，造成液压冲击。,第二章液压传动基础知识,第七节 液压冲击和空穴现象 危害：引起设备振动和噪声，大大降低了液压传动的精度和寿命；会损坏液压元件、密封装置，甚至使管子爆裂，会使系统中的某些元件产生误动作，影响系统正常工作，有可能会造成工作中的事故。,第二章液压传动基础知识,2、液体突然停止运动时产生的液压冲击 根据能量守恒定律，液体的动能转化为液体的压力能，即 其中 c-压力冲击波速，一般取c8901270 m/s 完全关闭时间：tT,第二章液压传动基础知识,3、运动部件制动时引起的液压冲击，图运动部件惯性是引起液压冲击重要原因设运动部件在制动时的减速时间为，速度减小值为，则根据动量定律可求得右腔内的冲击压力值,第二章液压传动基础知识,4、少液压冲击的措施适当加大管径，限制管速，一般控制在4.5m/s以内.正确设计阀口或设置缓冲装置，使运动部件制动时速度变化比较均匀；缓慢