液压及气压传动1(流体力学基础)1

1、元培学院元培学院School of Yuanpei 液压系统中的压力取决于（液压系统中的压力取决于（ ），执行元件的运），执行元件的运动速度取决于（动速度取决于（ ） 。 液压传动装置由（液压传动装置由（ ）、（）、（ ）、（）、（ ） 、（、（ ）和（和（ ）五部分组成，其中（）五部分组成，其中（ ）和（）和（ ）为能量）为能量转换装置。转换装置。元培学院元培学院School of Yuanpei 元培学院元培学院School of Yuanpei了解与液压及气动技术有关的流体力学基本内容了解与液压及气动技术有关的流体力学基本内容流体经过薄壁小孔、短孔、细长孔等小孔的流动情况，流体经过薄壁小

2、孔、短孔、细长孔等小孔的流动情况，相应的流量公式相应的流量公式流体经过各种缝隙的流动特性及其流量公式流体经过各种缝隙的流动特性及其流量公式液压冲击和气穴现象及其减小措施液压冲击和气穴现象及其减小措施 元培学院元培学院School of Yuanpei 在传动及控制中起传递在传动及控制中起传递和和的作用。的作用。流体传动及控制（包括液压与气动），在工作、性能特点上和机流体传动及控制（包括液压与气动），在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于械、电气传动之间的差异主要取决于的不同，前者采用工作的不同，前者采用工作介质。因此，掌握液压与气动技术之前，必须先对其工作介质有介质。因此，掌握

3、液压与气动技术之前，必须先对其工作介质有一清晰的了解一清晰的了解 。元培学院元培学院School of Yuanpei 单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度 。即：。即：Vm 式中式中 液体的密度液体的密度(kg/m3)； 液体的体积液体的体积(m3) ； 液体的质量液体的质量(kg) 。 元培学院元培学院School of Yuanpei液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量一般液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量一般很小，在工程计算中可以很小，在工程计算中可以 。一般取一般取=900kg/m 3。元培学院元培学院Sc

4、hool of Yuanpei液体因所受液体因所受而发生而发生的性质称为的性质称为。若。若时液体的时液体的，当压力增加，当压力增加，液体的体积减小，液体的体积减小，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为：则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为：01VVpk式中，式中， 称为液体的称为液体的。由于压力增加时液体的体积减小，两。由于压力增加时液体的体积减小，两者变化方向相反，为使者变化方向相反，为使 成为正值，在上式右边须加一负号成为正值，在上式右边须加一负号 。液体压缩率液体压缩率，称为液体，称为液体，即，即 01VVpkK元培学院元培学院School of Yuanpei，工作介质的，工作

5、介质的，。但若油液中混入空气，其压缩性显著增。但若油液中混入空气，其压缩性显著增加，故加，故。元培学院元培学院School of Yuanpei ，分子间，分子间的存在的存在使其流动受到牵制从而沿其界面产生使其流动受到牵制从而沿其界面产生，这一特性称为液，这一特性称为液体的体的 。图图1-1 液体粘性示意图液体粘性示意图 现以现以为例说明液体的粘性。为例说明液体的粘性。若若的两平行平板间充满液的两平行平板间充满液体，下平板固定，而体，下平板固定，而向右平动由于液体和固体壁面间向右平动由于液体和固体壁面间的附着力及液体的粘性，会使流动的附着力及液体的粘性，会使流动液体内部各液层的速度大小不等：液

6、体内部各液层的速度大小不等：， ，而中间各层液体的速度当层间距离而中间各层液体的速度当层间距离时，从上到下近似呈时，从上到下近似呈规律分布。其中速度快的液层带规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的；而速度慢的液层对速动速度慢的；而速度慢的液层对速度快的起阻滞作用度快的起阻滞作用 。hydyu0yxO元培学院元培学院School of Yuanpei实验测定表明，流动液体相邻液层间的实验测定表明，流动液体相邻液层间的与液层与液层、液层间的、液层间的成正比，成正比， 即：即：yuAFddf 式中，式中，称为称为或或 。若以若以 表示表示，即，即，则上式可表，则上式可表示为：示为： yuFddAf

7、这就是这就是 。 元培学院元培学院School of Yuanpei 度量粘性大小的物理量称为度量粘性大小的物理量称为。常用的粘度。常用的粘度 有三种，即有三种，即、。由由可知，动力粘度可知，动力粘度是表征流动液体是表征流动液体大小的粘性系数。其大小的粘性系数。其等于等于， yudd在我国在我国及及（中，中，的单位是的单位是（）或用）或用（）表示。）表示。元培学院元培学院School of Yuanpei液体液体与与即即 在我国在我国及及中，运动粘度中，运动粘度v的单位是的单位是（米（米2/秒）。液压油的运动粘度通常采用秒）。液压油的运动粘度通常采用（毫米（毫米2/秒秒），习惯上常用它），习惯

8、上常用它来标志液体粘度。液压传动工作介质的粘度等级（来标志液体粘度。液压传动工作介质的粘度等级（牌号牌号）是以）是以4040时时运动运动粘度粘度（以（以计）的中心值来划分的。计）的中心值来划分的。 常用液压油运动粘度等级常用液压油运动粘度等级 元培学院元培学院School of Yuanpei。相对粘度是。相对粘度是根据根据制定制定的，故又称的，故又称。测量条件不同，采用的测量条件不同，采用的相对粘度单位也不同。相对粘度单位也不同。如如（欧洲一（欧洲一些国家）、通用些国家）、通用（美国、英国）、（美国、英国）、商用商用（英、（英、美等国）和美等国）和（法国）等（法国）等 。已规已规定统一采用定

9、统一采用来来表示油的粘度。表示油的粘度。 3恩氏粘度计恩氏粘度计20恩氏粘度计恩氏粘度计20元培学院元培学院School of Yuanpei 温度变化使液体内聚力发生变化，因此液温度变化使液体内聚力发生变化，因此液体的体的对对的变化的变化：，（见（见）。这一特性称为液体的粘温特性。粘度的变化直接）。这一特性称为液体的粘温特性。粘度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量，因此影响液压系统的性能和泄漏量，因此希望粘度随温度的变化越小希望粘度随温度的变化越小越好。越好。 ，。但是这种影响在低压时并不明显，可以忽略。但是这种影响在低压时并不明显，可以忽略不计；不计；，其，其。元培学院元培学院Schoo

10、l of Yuanpei 可压缩性尽可能小，响应性好；可压缩性尽可能小，响应性好； 温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性好；好； 对液压元件滑动部位充分润滑对液压元件滑动部位充分润滑 ； 不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿命长；命长； 对铁及非铁金属的锈蚀性小对铁及非铁金属的锈蚀性小 ； 介质中的气泡容易逸出并消除介质中的气泡容易逸出并消除 ；液压传动工作介质的液压传动工作介质的与与元培学院元培学院School of Yuanpei为为，对其工作介质提出的要，对其工作介质提出的

11、要求还有：求还有： 除含水液压液外的油液，油水分离要容易除含水液压液外的油液，油水分离要容易 ； 质地要纯净，尽可能不含污染物，当污染物从外部侵质地要纯净，尽可能不含污染物，当污染物从外部侵入时能迅速分离；入时能迅速分离； 对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性 ； 燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性；燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性； 对工作介质的其他要求还有；对工作介质的其他要求还有；和和；和和；等等 。元培学院元培学院School of Yuanpei能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压能够同时满足上述各项要求的理想

12、的工作介质是不存在的。液压系统中使用的工作介质按系统中使用的工作介质按（）的分类（我国国家）的分类（我国国家标准标准与此等效）如与此等效）如所示所示 。 液压传动工作介质的种类液压传动工作介质的种类 元培学院元培学院School of Yuanpei 正确而合理地正确而合理地和和工作介质对于液压系统达到工作介质对于液压系统达到、等方面都有重要影响等方面都有重要影响 。元培学院元培学院School of Yuanpei在液压系统所有元件中，在液压系统所有元件中，的工作条件最为严峻，不但的工作条件最为严峻，不但、和和，而且，而且要要，所以一般根据，所以一般根据来确定介质来确定介质的粘度。的粘度。（

13、）给出了各种液压泵用油的粘度范围）给出了各种液压泵用油的粘度范围及推荐牌号及推荐牌号 。此外，选择工作介质的粘度时，还应考虑此外，选择工作介质的粘度时，还应考虑、和和以及以及等因素：等因素：（1）当）当、，或或，或，或，而，而时宜有用时宜有用，以减，以减少系统泄漏；少系统泄漏；（2）当）当、，或或时，宜时，宜采用采用，以减少液流功率损失，以减少液流功率损失 。元培学院元培学院School of Yuanpei 本节主要介绍本节主要介绍。液体静力学是研究。液体静力学是研究的力学规律的力学规律以及这些规律的应用。这里所说的以及这些规律的应用。这里所说的是指是指而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止

14、的或是运动而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是运动的，都没有关系。的，都没有关系。元培学院元培学院School of Yuanpei 在在所受的所受的称为称为。静压力在液压。静压力在液压传动中简称传动中简称，在物理学中则称为，在物理学中则称为 。静止液体中某点处静止液体中某点处上作用有上作用有，则该点的压力，则该点的压力定义为：定义为： AFpA lim0，则压力可表示，则压力可表示为：为： AFp 元培学院元培学院School of Yuanpei我国采用法定计量单位我国采用法定计量单位Pa来计量压力，来计量压力，。液压技术中。液压技术中习惯用习惯用MPa，。液体静压力有液体静压力有

15、：，其方向和该面的内法线方向一致。，其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体质量点间的内聚力很小，不能受拉只能受压之故这是由于液体质量点间的内聚力很小，不能受拉只能受压之故 ；。如果某。如果某点受到的压力在某个方向上不相等，那么液体就会流动，这就违点受到的压力在某个方向上不相等，那么液体就会流动，这就违背了液体静止的条件背了液体静止的条件 。元培学院元培学院School of Yuanpei 图图1-3 重力作用下的静止液体重力作用下的静止液体在重力作用下的静止液体，其在重力作用下的静止液体，其如如所示，除了所示，除了，还有，还有和和。如。如，可以从液体内取出一个底面通，可以从液体内取出一个

16、底面通过该点的垂直小液柱作为控制体。过该点的垂直小液柱作为控制体。设设，如如所示。所示。这个小液柱在重力及周围液体的压力这个小液柱在重力及周围液体的压力 作用下处于平衡状态，其在垂直方向作用下处于平衡状态，其在垂直方向上的力平衡方程式为上的力平衡方程式为 ：AgAA0hpp 式中，式中，ghA为小液柱的重力。为小液柱的重力。上式化简后得：上式化简后得： hppg 0元培学院元培学院School of Yuanpei即为即为。它说明液体静压力分布有如下。它说明液体静压力分布有如下： 1）静止液体内任一点的压力由）静止液体内任一点的压力由：一部分是：一部分是，另一部分是，另一部分是当当，则该点的压

17、力为：，则该点的压力为： hppga 2）静止液体内的压力随液体深度呈）静止液体内的压力随液体深度呈递增。递增。3），。由压力相等。由压力相等的点组成的面称为的点组成的面称为。在重力作用下静止液体中的等压面是。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。一个水平面。 元培学院元培学院School of Yuanpei将将所示盛有液体的密闭容器放在基准水平面（所示盛有液体的密闭容器放在基准水平面（O-x）上加以）上加以考察，如考察，如所示，则静压力基本方程可改写成所示，则静压力基本方程可改写成 ： 静压力基本方程的静压力基本方程的物理意义物理意义 )(gg0zzphpp 00式中式中 液面与基准

18、水平面之间的距液面与基准水平面之间的距 离；离； 深度为深度为h的点与基准水平面之间的点与基准水平面之间 的距离的距离 。常数gzpzgp00上式整理后可得：上式整理后可得： 元培学院元培学院School of Yuanpei是静压力基本方程的另一形式。是静压力基本方程的另一形式。式中式中p/()表示了单位重力液体的压力能，故又常称作表示了单位重力液体的压力能，故又常称作；zg表示了单位重力液体的势能，也常称作表示了单位重力液体的势能，也常称作。因此，静压力基本方程的物理意义是：静止液体内任何一点具有因此，静压力基本方程的物理意义是：静止液体内任何一点具有和和两种能量形式，且其两种能量形式，且

19、其，即，即。但是但是 。5）在常用的液压装置中，一般外加压力）在常用的液压装置中，一般外加压力p0远大于自重形成的压远大于自重形成的压力力gh，因此，因此分析计算时忽略分析计算时忽略gh不计不计，在以后有关的分析计算，在以后有关的分析计算压力时，都采用这一结论。压力时，都采用这一结论。元培学院元培学院School of Yuanpei根据度量基准的不同，压力有根据度量基准的不同，压力有：以绝对零压力作为：以绝对零压力作为基准所表示的压力，称为基准所表示的压力，称为；以当地大气压力为基准所表；以当地大气压力为基准所表示的压力，称为示的压力，称为。绝对。绝对压力与相当对压力之间的关系如压力与相当对

20、压力之间的关系如所示。绝大多数测压仪表所示。绝大多数测压仪表因其外部均受大气压力作用，所因其外部均受大气压力作用，所以仪表指示的压力是相对压力。以仪表指示的压力是相对压力。今后，今后，。 绝对压力与相对压力间的关系绝对压力与相对压力间的关系pappappap=0元培学院元培学院School of Yuanpei如果如果，这时该点的绝对压，这时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值，称为力比大气压力小的那部分压力值，称为。 真空度真空度=大气压力绝对压力大气压力绝对压力 元培学院元培学院School of Yuanpei 所示为一充满油液的容器，如作用在活塞上的力为所示为一充满油液的容器，如作

21、用在活塞上的力为，活塞面积，活塞面积，忽略活塞的质量。试问活塞，忽略活塞的质量。试问活塞下方深度为下方深度为处的压力等于多少？油液的密度处的压力等于多少？油液的密度。 依据依据，活塞和液面接触处的压力，活塞和液面接触处的压力，因此，深度为，因此，深度为处的液体压力为：处的液体压力为： =（106+9009.80.5）N/m2 =1.0044106N/m2106Pa=1MPa 由这个例子可以看到，由这个例子可以看到，其，其，并认为，并认为。 元培学院元培学院School of Yuanpei 按按，盛放在密闭容器内的液体，其，盛放在密闭容器内的液体，其，。 也就是说，也就是说，。这就是。这就是，

22、或称，或称。帕斯卡原理是液压传动的一个基本。帕斯卡原理是液压传动的一个基本原理原理 。元培学院元培学院School of Yuanpei pAF 静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面将受到由液体静压所产静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面将受到由液体静压所产生的作用力生的作用力 。，故静压力作用在固体壁面上的，故静压力作用在固体壁面上的，且，且，即：，即： ，情况就不同了：，情况就不同了：，因此，静压力作用在曲面某，因此，静压力作用在曲面某一方面一方面x上的上的 ，即：，即：xxpAF 元培学院元培学院School of Yuanpei上述结论对于任何曲面都是适用的。下面以上述结论对于任何曲面都是适用的。下面以为例加以为例加以证实。证实。 静压力作用在静压力作用在液压缸内壁面上的力液压缸内壁面上的力设液压缸两端面封闭，缸筒内充满着设液压缸两端面封闭，缸筒内充满着的油液，的油液，如，如所示。这时，缸筒内壁上各点的静所示。这时，缸筒内壁上各点的静压力大小相等，都为压力大小相等，都为p，但并不平行。因，但并不平行。因此，为求得油液作用于缸筒右半壁内表面此，为求得油液作用于缸筒右半壁内表面在在x方向上的方向上的，需在壁面上取一微，需在壁面上取一微小面积小面积， ：dFx=dFc