第1章 液压气动基础知识

1、第1章 液压、气压传动基础理论1.1 流体的概念流体液体气体具有与容器无关的体积体积随压力变化很小始终充满容纳它的容积体积受压力影响很大形状与容器形状有关流体由质点组成、质点间无间隙M 流体是由无数微小质点构成的易于流动的连续介质1.2.1 密度、重度、比体积密度：单位体积流体所具有的质量，VmVlim0Vmdd重度：单位体积流体所具有的重量，VWVlim0VWdd均质流体Vm均质流体VWgVmgVW重度与密度的关系1.2 流体的物理性质第1章 液压、气压传动基础理论比体积：密度的倒数V1V单位密 度重 度比体积3kg/m3N/m/kgm3第1章 液压、气压传动基础理论1.2.1 密度、重度、

2、比体积矿物油 3kg/m9003N/m8800空 气（密度、重度与温度、压力有关） 000ppTT基准状态下干空气3N/m68.12第1章 液压、气压传动基础理论1.2.1 密度、重度、比体积1.2.2 压缩性和热膨胀性流体的体积将随压力的增高而减小体积压缩系数：单位压力变化下的体积变化率pVVpVVd1dd1d体积弹性模量VpVdd11.压缩性压力增加，体积减小，加一负号使和为正。第1章 液压、气压传动基础理论第1章 液压、气压传动基础理论可压缩性:动态表现明显,静态或稳态可不考虑温度压力对于气体：对于液体：压力变化可能伴随温度变化，故和与变化过程有关。1.2.2 压缩性和热膨胀性第1章 液

3、压、气压传动基础理论2.热膨胀性流体体积随温度变化的性质热膨胀系数：单位温度变化下的体积变化率pTVV1该式表示流体某恒定压力下的热膨胀系数。液压油：取决于油液本身，与压力、温度无关气 体：热膨胀系数较大。1.2.2 压缩性和热膨胀性1.2.3 粘性流体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，流体在发生相对运动时，分子间的内聚力将产生阻止相对运动的内摩檫力。M 流体只有在流动(或有流动趋势)时 才会呈现出黏性 静止流体不呈现黏性第1章 液压、气压传动基础理论1) 动力粘度u 0yuu+duyy+dyhu 0z内摩擦力在单位速度梯度下， 单位面积上产生的内摩擦力国际单位Pas原用单位P(泊,dyns

4、/cm)1Pas=10P=103cP(厘泊)第1章 液压、气压传动基础理论yuAFfddyudd或1.2.3 粘性2) 运动粘度流体动力粘度与密度的比值国际单位m2/s原用单位St (cm2/s)1m2/s=104 St=106 cSt M 我国机械油的牌号 以摄氏40度的运动粘度(cSt)的平均值来定义的第1章 液压、气压传动基础理论1.2.3 粘性3) 相对粘度(恩式粘度)Et式中：t1200ml被测液体从恩氏粘度计流出时间 t2200ml同温度纯水从恩氏粘度计流出时间一般有EEE2050100, 恩氏粘度与运动粘度的换算关系731631.()EEcSttt第1章 液压、气压传动基础理论2

5、10ttEt1.2.3 粘性4) 粘度受压力和温度的影响压力粘度一般情况,影响小,忽略温度粘度影响大第1章 液压、气压传动基础理论气体：由分子间动量交换引起， 液体：由分子间的引力（内聚力）引起气体粘度与压力无关温度粘度1.2.3 粘性1.2.4液压油液的特性和选择第1章 液压、气压传动基础理论1）液压油液的种类石油型机械油汽轮机油 普通液压油抗磨液压油 低温液压油液压导轨油高粘度指数液压油其他专用液压油难燃型乳化型水包油乳化液油包水乳化液合成型水乙二醇液磷酸脂液其他2）对液压油液的要求合适的粘度，良好的粘温性 =11.541.3cst 选择油的最重要因素良好的润滑性良好的防蚀性,防锈性和相容

6、性良好的化学稳定性良好的抗泡性,抗乳化性第1章 液压、气压传动基础理论1.2.4液压油液的特性和选择3）液压油液的选择系统工作环境(地点、场合、工作对象)系统工作条件(系统压力、液压元件、温度范围)液压油液的特性要求成本(价格、使用寿命、维护成本)参考液压油液的产品性能说明书咨询生产厂家第1章 液压、气压传动基础理论1.2.4液压油液的特性和选择4）液压油液的使用控制系统工作温度防止油液被污染定期抽检、定期更换控制系统油液总量注意系统防水、防尘第1章 液压、气压传动基础理论1.2.4液压油液的特性和选择液压油液的污染是系统发生故障的主要原因污染的种类和危害（混入固体颗粒、水、空气、 化学物质、

7、微生物等各种杂物）污染的原因（外界侵入、工作中产生）污染度的等级（以油液中所含固体颗粒尺度 划分）控制污染的措施（清洗、防侵入、过虑、 密封等）第1章 液压、气压传动基础理论1.2.4液压油液的特性和选择第1章 液压、气压传动基础理论1.4 流体静力学基础研究静止流体所具有的力学特性液体静止:液体内部质点间没有相对运动静止流体上的作用力质量力：表面力：作用于流体所有质点上的力，如重力、惯性力作用于流体示力单元表面上的力压力的大小pFA第1章 液压、气压传动基础理论1.4 .1 静止流体的压力及其性质M 方向沿承压面内法线方向压力的性质M 任一点各方向的压力相等在密闭的容器内，施加于静止液体上的

8、压力将以等值同时传到液体内各点。F2F1A2A1pFAFA1122第1章 液压、气压传动基础理论1.4 .2 帕斯卡原理第1章 液压、气压传动基础理论1.4.2 帕斯卡原理静力学基本方程 p0Gphghpp0M静止液体内的压力与表面压力及深度有关国际单位:PaPa10MPa1,N/m1Pa162原用单位:barMPa1 . 0 bar1 ,kgf/cm1bar12绝对压力pMPa001 .0绝对压力p相对压力0相对压力pp0真空度pp0第1章 液压、气压传动基础理论1.4.3压力的表示方法及单位表示方法：单 位：1.5.1 基本概念第1章 液压、气压传动基础理论1.5 流体流动基本方程恒定流动

9、理想流体流体流动时内部各点压力、速度、密度仅是空间坐标的函数，不随时间变化。没有粘性的流体对于液体，即没有粘性又不可压缩的流体第1章 液压、气压传动基础理论1.5.1 基本概念流线:流束:过流断面：流线上流体质点的速度方向与该曲线相切过任一面积上每一点流线的集合M流体质点不能穿过流束流动流体中垂直于流线的截面迹线:流线质点运动的轨迹第1章 液压、气压传动基础理论1.5.1 基本概念流量:平均流速:单位时间内流过某过流断面的流体体积AAuqd流量单位:体积流量s/m3质量流量kg/sAqvvAAuqA/d质量流量vAqm体积流量vAq 第1章 液压、气压传动基础理论1.5.2 流量连续性方程（质

10、量守恒定律）V mqm1qm2某瞬时流入、流出某控制体的流体的质量流量等于该瞬时控制体中流体质量的变化率111mqq222mqqVmtVtVtVqqdddddd2211tVdd密度变化增补的流体质量tVdd体积变化增补的流体质量由于所以当控制体为固体界面且流体充满控制体，则有对于液体constqqq2211constAvvAvA2211恒定流动,通过截面的不可压缩液体的流量相等流体所有的动力参数不随时间变化的流动v截面的平均流速第1章 液压、气压传动基础理论1.5.2 流量连续性方程（质量守恒定律）const21constqqq21即有第1章 液压、气压传动基础理论1.5.3 伯努利方程 (能

11、量守恒定律)1.理想流体的微分方程作用于理想流体上的力重 力压 力惯性力szsAgsAgddcosddAsspAssppApdddddtusuusAtusAmadddddd第1章 液压、气压传动基础理论1.5.3 伯努利方程 (能量守恒定律)由牛顿第二定律可得01tusuuspszg理想流体一维流动运动微分方程，欧拉方程对于恒定流动0dddd1ddsuuspszg0dd1duupzg或3.实际液体的伯努利方程zpgugconst22比位能比压能比动能第1章 液压、气压传动基础理论1.5.3 伯努利方程 (能量守恒定律)理想液体微流束问题缓变过流断面 速度平行断面速度分布不均 动能修正系数比能量

12、损失M理想液体重力场中恒定流动任意断面比能量之和恒为常数whgugpzgugpz22222221113.实际流体的伯努利方程第1章 液压、气压传动基础理论1.5.3 伯努利方程 (能量守恒定律)实际流体微流束实际流体总流whgvgpzgvgpz222222221111vi平均流速代替瞬时流速uii平均动能代替实际动能的动能修正系数hw平均能量损耗仅受重力作用,恒定流动的实际流体第1章 液压、气压传动基础理论1.5.3 伯努利方程 (能量守恒定律)应用伯努利方程时注意选取适当的水平基准面选取两个缓变过流断面在两断面上各选定一个高度已知的点对该两点列写伯努利方程一个参数已知一个参数要求物体动量的变

13、化率等于作用在物体上外力的和dtIddtvmdF)()(1122vvqF恒定流动vi平均流速代替瞬时流速uii平均动量代替实际动量的动量修正系数第1章 液压、气压传动基础理论1.5.4 动量方程动量方程用于求解流体作用于限制其流动的固体壁面的作用力第1章 液压、气压传动基础理论1.5.4 动量方程注意：控制体积选取的是否正确与恰当。控制体积应恰好完全包含受所求总作用力影响的全部流体，且流入、流出界面上的压力和速度应为已知。第1章 液压、气压传动基础理论1.5.4 动量方程例：如图所示，求R？q1、q2？解：平板作用于射流的力为F，且FR，垂直于平板所以sinqvFRsinqvF有沿平板方向0c

14、os21qvvqvq由连续方程有qqq21解得qq2cos12qq2cos11有qvR且221qqq090当F第1章 液压、气压传动基础理论1.5.4 动量方程关于液动力的说明1.6.1 层流、紊流、雷诺数1.层流和紊流层流线性或层状,平行于管道轴线紊流轴向运动横向运动受粘性制约, 摩擦损失存在惯性力, 动能损失2.雷诺数Rf v de( , , )圆管vdRe第1章 液压、气压传动基础理论1.6 流体在管道中的流动层流00eeeeRRRR紊流0eR临界雷诺数金属圆管232020000eR第1章 液压、气压传动基础理论1.6.2 圆管中的层流流动在圆管流动中取一微小圆柱体力平衡方程f221Fr

15、pprurlFd/d2f内摩擦力，为使其为正加一负号第1章 液压、气压传动基础理论1.6.2 圆管中的层流流动令21ppp得rlpru2dd积分得uudrrlpd2crlp24c为积分常数，由边界条件确定得当rR时，u0，得lpRc42)(422rRlpu当r0时2max4Rlpul管内半径方向流速按抛物线分布l管轴上流速最大第1章 液压、气压传动基础理论1.6.2 圆管中的层流流动流量：在半径r处取dr厚度的微小环形面积，流过该面积的流量为rruqd2d积分得RRpldrrrRlprruqq04220R0128d24d2d平均流速max2218ulpRAqv管径对流量影响显著平均流速为最大流

16、速的一半 243, 动能、动量修正系数第1章 液压、气压传动基础理论1.6.3 圆管中的紊流流动l流体质点流速大小、方向时刻变化第1章 液压、气压传动基础理论1.6.3 圆管中的紊流流动时均流速流速分布TtuTu0d1时均压力TtpTp0d1动能、动量修正系数05. 104. 1第1章 液压、气压传动基础理论1.6.4 流体在管道中流动时的能量损失流体流动时克服粘性摩擦阻力而产生能量损失能量损失表现为压力降低实际流体的粘性损耗热量压力降低系统温度升高沿程压力损失直管中因摩擦而产生22vdlp沿程阻力系数 f Re()层流eR64局部压力损失管道截面突然变化、液流方向改变或其它形式液流阻力而产生

17、22vp第1章 液压、气压传动基础理论1.6.4 流体在管道中流动时的能量损失总损失2222iiiiiivvdlp压力损失1.7.1 不可压缩流体流过薄壁小孔第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性孔口薄壁孔短孔细长孔5 . 0/dl4/5 . 0dl4/dlP液压与气动技术中，一般均为小孔口孔口小孔口大孔口孔口断面上速度均布孔口断面上速度不均布液体流过薄壁小孔流束收缩系数112211, pvAd,22, pvcclpcvvc2ccvAq cepAc2vceccc出流系数第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性能量方程AAcccgvgvgpgvgpc

18、cccc222222111解得cvc11速度系数第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性1.7.2 不可压缩流体流过短孔及细长孔短孔壁厚影响液体出流，流量公式ccvAq cepAc2出流系数与薄壁孔不同细长孔流量公式pldq1284第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性61. 060. 0dC 在液压技术中，孔口出流为淹没出流，Ac位置不易确定，故以22面处压力进行计算。定义流量系数实测21ppppAqcd2则薄壁孔流量公式为pAcqd2Cd由实验确定112211, pvAd,22, pvccl流量系数：第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流

19、经孔口和缝隙的特性l细长孔流量与压差和粘度有关，温度变化，粘度变化，引起流量变化。l薄壁孔流量与粘度没有直接有关，温度变化，引起流量变化不大。l为减少影响流量的因素，液压技术中节流阀阀口多采用薄壁孔或近薄壁孔结构形式。第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性1.7.3 可压缩流体流过节流小孔112211, pvAd,22, pvccl由能量方程和相应的状态方程求得流量特性当p1、T1恒定，qm仅为pc的函数最大流量为ckkmcATpRkkq1112112对于空气KJ/kg287 , 4 . 1Rk第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性则有528.

20、01ppccmcATpq11*04. 0壅塞现象：孔口出口压力下降，流量增加；当出口压力与入口压力比达临界值时，流量达最大而不再随出口压力下降而增加。气动系统中，执行元件入口压力与阀入口压力之比达临界值时，气体流量达最大，输出速度亦达最大。再降低执行元件入口压力，速度也不增加。第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性1.7.4 缝隙流动 缝隙流动由于受固体壁面影响大、流体本身粘性，流动均为层流。lbh,缝隙流动压差流动剪切流动由缝隙两端压差造成由缝隙两壁面间相对运动造成blhyzx1.平行平板缝隙液流第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性如图所示0

21、ddddddddddzxzxzyppzyp整理后得yxpdddd对于层流有yudd则22ddddyuxp对y两次积分得BAyxpyudd212lA、B为积分常数，由边界条件确定。力平衡方程为第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性（1）固定平行平板中的压差流动边界条件。时，；时，0 00uhyuy得xphABdd2 , 0则xpyhyudd2质量流量xphbyhyyxpbyubqhhdd12ddd2d3020m第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性对于液体：不可压缩、流动均匀，压力线性下降lplppxp12dd得lpbhq12321ppp则缝隙前后压差体积流量体积流量等于质量流量第1章 液压、气压传动基础理论1.7 流体流经孔口和缝隙的特性此时有（2）具有相对运动平行平板间的剪切流动yuhu 0 x00ddxp边界条件0 0uy时，当0.uu 时，当hy积分常数0 ,0BhuA速度分布