液压流体力学基础知识

1、2 2 液压传动基础知识液压传动基础知识2.1 2.1 液压油液压油2.2 2.2 液体静力学基础液体静力学基础2.3 2.3 液体动力学基础液体动力学基础2.4 2.4 管路内液流的压力损失管路内液流的压力损失2.5 2.5 孔口和缝隙的流量孔口和缝隙的流量2.6 2.6 气穴现象和液压冲击气穴现象和液压冲击2.1 2.1 液压油液压油2.1.1 2.1.1 液压油的主要性质液压油的主要性质 单位体积液体的质量称为液体的密度。液体的密度为单位体积液体的质量称为液体的密度。液体的密度为 1.1.密度密度mV 式中式中 m m：液体的质量液体的质量(kg)(kg)； V V：液体的体积（液体的体

2、积（m m3 3）；）； 液压油的密度液压油的密度=900 kg/ m=900 kg/ m3 3 表表2-12-1常用工作介质的密度常用工作介质的密度 （kg/m3 3）工作油液工作油液 液体受增大的压力作用而使体积缩小的性质称为液体的可压液体受增大的压力作用而使体积缩小的性质称为液体的可压缩性。液体的可压缩性可用缩性。液体的可压缩性可用体积压缩系数体积压缩系数表示，它是指液体在单表示，它是指液体在单位压力变化下的体积相对变化量，用公式表示为位压力变化下的体积相对变化量，用公式表示为2.2.可压缩性可压缩性01VVpk 液体压缩系数的倒数，称为液体的液体压缩系数的倒数，称为液体的体积弹性模量体

3、积弹性模量，简称体，简称体积模量，用积模量，用K 表示，即表示，即01VVpkK 液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，液体分子间内液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，液体分子间内聚力要阻止分子间的相对运动，在液层相互作用的界面之间会产聚力要阻止分子间的相对运动，在液层相互作用的界面之间会产生一种内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。生一种内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。 3.3.粘性粘性yuAFddfyudd液体的粘性示意图液体的粘性示意图（1 1）粘性的物理意义粘性的物理意义牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律单位面积上的内摩擦力单位面积上的内摩擦力 表示粘性大小的物理量。流体抵抗剪切变形能力

4、的度量，表示粘性大小的物理量。流体抵抗剪切变形能力的度量，粘度大，这种能力强。粘度大，这种能力强。 （2 2）粘度粘度动力粘度动力粘度( (绝对粘度绝对粘度) )运动粘度运动粘度相对粘度相对粘度表示方法表示方法动力粘度：动力粘度：表征流动液体内摩擦力大小的粘性系数。表征流动液体内摩擦力大小的粘性系数。运动粘度：运动粘度：液体动力粘度与密度的比值，没有明确的物理意义，但液体动力粘度与密度的比值，没有明确的物理意义，但是工程实际中常用的物理量。是工程实际中常用的物理量。一般的：一般的： 同种介质比较大小时常用运动粘度同种介质比较大小时常用运动粘度 不同介质比较大小时一般用动力粘度不同介质比较大小时

5、一般用动力粘度恩氏粘度恩氏粘度0 0E E 中国、德国、前苏联等用中国、德国、前苏联等用赛氏粘度赛氏粘度SSUSSU 美国用美国用雷氏粘度雷氏粘度R R 英国用英国用巴氏粘度巴氏粘度0 0B B 法国用法国用 液体的粘度随液体的压力和温度而变。对液压传动工作液体的粘度随液体的压力和温度而变。对液压传动工作介质来说，介质来说，压力增大时，粘度增大压力增大时，粘度增大。在一般液压系统使用的。在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可以忽略不计。但液压传动压力范围内，增大的数值很小，可以忽略不计。但液压传动工作介质的粘度对温度的变化十分敏感，工作介质的粘度对温度的变化十分敏感，温度升高，粘度

6、下温度升高，粘度下降降。这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用，。这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用，其重要性不亚于粘度本身。其重要性不亚于粘度本身。（3 3）温度和压力对）温度和压力对粘度的影响粘度的影响典型液压油的粘温特性曲线典型液压油的粘温特性曲线 油液的其他物理机化学性质包括：防锈性、润滑性、抗燃性、油液的其他物理机化学性质包括：防锈性、润滑性、抗燃性、抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、导热性、相溶性以及纯净性等。抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、导热性、相溶性以及纯净性等。都对液压系统工作性能有重要影响。都对液压系统工作性能有重要影响。 （4 4）其它性质其它性质粘温特性好粘

7、温特性好有良好的润滑性有良好的润滑性有良好的化学稳定性有良好的化学稳定性成分要纯净成分要纯净抗泡沫性和抗乳化性好抗泡沫性和抗乳化性好材料相容性好材料相容性好无毒、价格便宜无毒、价格便宜燃点高，凝点低燃点高，凝点低液压油的要求：液压油的要求：2.1.2 2.1.2 液压油的种类液压油的种类表表2-22-2液压油的主要品种及其特性和应用液压油的主要品种及其特性和应用2.1.3 2.1.3 液压油的选用液压油的选用选择液压系统的工作介质一般需考虑以下几点：选择液压系统的工作介质一般需考虑以下几点：环境因素环境因素 工作压力工作压力压力高，选粘度较大的液压油压力高，选粘度较大的液压油 环境温度环境温度

8、温度高，温度高，选粘度较大的液压油选粘度较大的液压油运动性能运动性能 运动速度运动速度速度高，选粘度较低的液压油速度高，选粘度较低的液压油液压泵的类型液压泵的类型 液压泵的类型液压泵的类型各类泵适用粘度范围见表各类泵适用粘度范围见表2-62.1.4 2.1.4 液压油的污染及控制液压油的污染及控制液压油污染的危害液压油污染的危害液压油的污染源液压油的污染源污染的控制污染的控制造成系统故障造成系统故障 降低元件寿命降低元件寿命 使液压油变质使液压油变质 影响工作性质影响工作性质系统残留物系统残留物 外界侵入物外界侵入物 内部生成物内部生成物彻底清洗系统彻底清洗系统 保持系统清洁保持系统清洁 定期

9、清除污物定期清除污物 定期换油定期换油2.2 2.2 液体静力学基础液体静力学基础2.2.1 2.2.1 液体的压力及其特性液体的压力及其特性 作用在液体上的两种力：作用在液体上的两种力：质量力和表面力质量力和表面力 静压力静压力：单位面积上所受的法向力。静压力在液体传动中：单位面积上所受的法向力。静压力在液体传动中简称压力，在物理学中称为压强。本书以后只用简称压力，在物理学中称为压强。本书以后只用“压力压力”一词。一词。 静止液体中某点处微小面积静止液体中某点处微小面积 A A上作用有法线力上作用有法线力 F F，则该点，则该点的压力定义为的压力定义为 1.1.液体的压力液体的压力AFpA0

10、lim 若法向作用力若法向作用力F F均匀地作用在面积均匀地作用在面积 A A上，则压力可表示为上，则压力可表示为AFp 2.2. 液体静压力的重要特性液体静压力的重要特性 （1 1）液体静压力的作用方向始终向作用面的内法线方向。由）液体静压力的作用方向始终向作用面的内法线方向。由于液体质点间内聚力很小，液体不能受拉只能受压。于液体质点间内聚力很小，液体不能受拉只能受压。（2 2）静止液体中，任何一点所受到各个方向的液体静压力都）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。相等。 2.2.2 2.2.2 液体静力学基本方程及其物理意义液体静力学基本方程及其物理意义 静压力基本方程静压

11、力基本方程ghpp0重力作用下静止液体的受力分析重力作用下静止液体的受力分析 可以看出可以看出：静止液体在自重作用下任何一点的压力随着液体：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。体的等压面是一水平面。 2.2.3 2.2.3 压力的传递压力的传递 由帕斯卡原理由帕斯卡原理可知，由外力作用所产生的压力可以等值地传递可知，由外力作用所产生的压力可以等值地传递到液体内部所有各点，故在液体内部各点的压力也就处处相等了。到液体内部所有各点，故在液体内部各点的压力也就处

12、处相等了。n 液压传动是依据帕斯卡原理实现力的传递、放大和方向变换的。液压传动是依据帕斯卡原理实现力的传递、放大和方向变换的。n 液压系统的压力完全决定于外负载。液压系统的压力完全决定于外负载。2.2.4 2.2.4 压力的表示方法及单位压力的表示方法及单位相对压力（表压力）相对压力（表压力）: : 以大气压力为基准，测以大气压力为基准，测量所得的压力，是高于大气量所得的压力，是高于大气压的部分压的部分 。绝对压力绝对压力: : 以绝对零压为基以绝对零压为基准测得的压力准测得的压力 绝对压力绝对压力= =相对压力相对压力 + + 大气压力大气压力 真空度真空度: :如果液体中某点的绝对压力小于

13、大气压力，则称该点出现如果液体中某点的绝对压力小于大气压力，则称该点出现真空。此时相对压力为负值，常将这一负相对压力的绝对值称为该真空。此时相对压力为负值，常将这一负相对压力的绝对值称为该点的真空度点的真空度 真空度真空度=|=|负的相对压力负的相对压力|=|=|绝对压力绝对压力 - - 大气压力大气压力| | 1.1. 压力的表示方法压力的表示方法2.2. 压力的单位压力的单位n国际单位制单位国际单位制单位 国际单位制单位为国际单位制单位为PaPa（帕）、（帕）、N/mN/m2 2（我国法定（我国法定计量单位）或兆帕计量单位）或兆帕( (MPaMPa) )，1MPa=101MPa=106 6

14、PaPa。n工程制单位工程制单位 kgf/cmkgf/cm2 2。国外也有用。国外也有用bar(bar(巴），巴），1bar=101bar=105 5PaPa。n标准大气压标准大气压 1 1标准大气压标准大气压=101325Pa=101325Pa。n液体柱高度液体柱高度 h=h=p/(gp/(g) )，常用的有水柱、汞柱等，如，常用的有水柱、汞柱等，如1 1个标准个标准 大大气压约等于气压约等于10m10m水柱高。水柱高。2.2.5 2.2.5 液体静压力对固体壁面的作用力液体静压力对固体壁面的作用力 当承受压力的固体壁面为平面时当承受压力的固体壁面为平面时: :则作用在其上的总作用力等则作用

15、在其上的总作用力等于压力与该壁面面积之积于压力与该壁面面积之积 当承受压力的固体壁面是曲面时当承受压力的固体壁面是曲面时: :曲面上总作用力在某一方向曲面上总作用力在某一方向上的分力等于曲面在与该方向垂直平面内的投影面积与静压力的上的分力等于曲面在与该方向垂直平面内的投影面积与静压力的乘积。若已知曲面上总作用力在三个坐标轴方向的分量分别为乘积。若已知曲面上总作用力在三个坐标轴方向的分量分别为FxFx、 FyFy和和FzFz时，总作用力的大小为：时，总作用力的大小为： 24DpF21222)(ZYXFFFF2.3 2.3 液体动力学基础液体动力学基础2.3.1 2.3.1 基本概念基本概念1.1

16、.理想液体和恒定流动理想液体和恒定流动理想液体理想液体恒定流动恒定流动假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。恒定流动与非恒定流动恒定流动与非恒定流动液体流动时，液体中任一点处的压力、速度和密度液体流动时，液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动，亦称为定常流动或非时都不随时间而变化的流动，亦称为定常流动或非时变流动。变流动。2.2.流线、流束、流管和通流截面流线、流束、流管和通流截面 流线流线流束流束某一瞬时液流中一条条标志其各处质点运动状态的某一瞬时液流中一条条标志其各处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

17、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，在恒定流动状态下流线的形状不随时线方向重合，在恒定流动状态下流线的形状不随时间而变化。对于非恒定流动来说，由于液流通过空间而变化。对于非恒定流动来说，由于液流通过空间点的速度随时间而变化，因而流线形状也随时间间点的速度随时间而变化，因而流线形状也随时间变化而变化。液体中的某个质点在同一时刻只能有变化而变化。液体中的某个质点在同一时刻只能有一个速度，所以流线不能相交，不能转折，但可相一个速度，所以流线不能相交，不能转折，但可相切，是一条条光滑的曲线切，是一条条光滑的曲线 。许多流线组成的一束曲线。许多流线组成的一束曲线。流管流管通流截面通流

18、截面通过一条封闭曲线的密集流线束。通过一条封闭曲线的密集流线束。垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。流线、流束、流管和通流截面流线、流束、流管和通流截面 3.3.流量和平均流速流量和平均流速 流量流量单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以q q表表示，单位为示，单位为m m3 3/s/s或或L/minL/min。在通流截面在通流截面A A上取一微小流束的截面上取一微小流束的截面dAdA，则通过，则通过dAdA的微的微小流量为小流量为对上式积分，可得流经整个通流截面对上式积分，可得流经整个通流截面A A的流

19、量的流量平均流速平均流速实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。假设通流实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。假设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为截面上各点的流速均匀分布，平均流速为4.4.层流、紊流和雷诺数层流、紊流和雷诺数 层流层流液体流动时，液体质点间没有横向运动，且不混杂，液体流动时，液体质点间没有横向运动，且不混杂，作线状或层状的流动。作线状或层状的流动。液体流动时，液体质点有横向运动或产生小漩涡，液体流动时，液体质点有横向运动或产生小漩涡，作杂乱无章的运动作杂乱无章的运动。紊流紊流ab雷诺实验雷诺实验雷诺实验动画雷诺实验动画雷诺数判断雷诺数判断液体的流动状态是层流还是紊流，可

20、以通过无量纲液体的流动状态是层流还是紊流，可以通过无量纲值雷诺数来判断。实验证明，液体在圆管中的流动值雷诺数来判断。实验证明，液体在圆管中的流动状态可用下式来表示状态可用下式来表示Redv常见管道的临界雷诺数常见管道的临界雷诺数2.3.2 2.3.2 流体连续性方程流体连续性方程液流连续性方程推导用图液流连续性方程推导用图 流体连续性方程是流体连续性方程是质量守恒定律质量守恒定律在流体力学中的表达方式。在流体力学中的表达方式。 液体在管内作恒定流动，液体在管内作恒定流动，任取任取1 1、2 2两个通流截面，根据两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的

21、液体质量相等，流过两个截面的液体质量相等，即：即： 1 1v v1 1 A A1 1 = = 2 2v v2 2 A A2 2 不考虑液体的压缩性则得不考虑液体的压缩性则得 q = v A = q = v A = 常量常量 流量连续性方程说明了恒定流动中流过各截面的不可压缩流量连续性方程说明了恒定流动中流过各截面的不可压缩流体的流体的流量流量是不变的。因而流速与通流截面的面积成反比。是不变的。因而流速与通流截面的面积成反比。管细流速大，管粗流速小连续性方程在液压系统中的应用连续性方程在液压系统中的应用2.3.3 2.3.3 伯努利方程伯努利方程 伯努利方程是伯努利方程是能量守恒定律能量守恒定律

22、在流体力学中的表达方式。在流体力学中的表达方式。1.1.理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程 在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能和动能在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能和动能三种形式的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能三种形式的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。量守恒。2.2. 实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程 n实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，PW 为单位质量液体为单位质量液体在两截面之间流动的能量损失。在两截面之间流动的能量损失。n用平均流速替代实际流速，用平均流速替代实际流速， 为动能修正系数

23、。层流为为动能修正系数。层流为2 2，紊流，紊流为为1.1.例例1 1：如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬：如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。已知头。已知 A A1 1= =A A2 2/4/4和和A A1 1、h h值，问冷水管内流量达到多少时值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？才能抽吸热水？3.3. 伯努利方程应用举例伯努利方程应用举例 例例2 2：用伯努利方程分析如图所示液压泵的吸油过程，试分：用伯努利方程分析如图所示液压泵的吸油过程，试分析吸油高度析吸油高度H H对泵工作性能的影响。对泵工作性能的影响。例例3 3：如图，已知液压泵的流量：如图，已知液压

24、泵的流量q=32L/minq=32L/min，吸油管内径，吸油管内径d=20mmd=20mm，液压泵，液压泵吸油口距离液面高度吸油口距离液面高度h=500mmh=500mm，油箱足够大，液压油的运动粘度，油箱足够大，液压油的运动粘度v=20v=20 x10 x10-6-6m m2 2/s/s，密度，密度=900kg/m=900kg/m3 3. .试求：试求：1.1.吸油管中油液的流速？吸油管中油液的流速？2.2.判别吸油管中油液的流态？判别吸油管中油液的流态？3.3.不计压力损失，泵吸油口的真空度？（为简化计算可取不计压力损失，泵吸油口的真空度？（为简化计算可取g=10m/sg=10m/s2

25、2）例例4 4：如图，水箱两侧壁开一个小孔，水箱自由液面：如图，水箱两侧壁开一个小孔，水箱自由液面1-11-1与小孔与小孔2-2-2 2处的压力分别为处的压力分别为P P1 1和和P P2 2，小孔中心到水箱自由液面的距离为，小孔中心到水箱自由液面的距离为h h，且，且h h基本不变，如果不计损失，求水从小孔流出的速度。基本不变，如果不计损失，求水从小孔流出的速度。2.4 2.4 管路内液流的压力损失管路内液流的压力损失 实际液体在管道中流动时，因其具有黏性而产生摩擦实际液体在管道中流动时，因其具有黏性而产生摩擦力，故有能量损失。另外，液体在流动时会因管道尺寸或形力，故有能量损失。另外，液体在

26、流动时会因管道尺寸或形状变化而产生撞击和出现漩涡，也会造成能量损失。在液压状变化而产生撞击和出现漩涡，也会造成能量损失。在液压管路中这种能量消耗表现为压力损失。损耗的能量转变为热管路中这种能量消耗表现为压力损失。损耗的能量转变为热能，使液压系统温度升高，性能变差。因此在设计液压系统能，使液压系统温度升高，性能变差。因此在设计液压系统时，应尽量减少压力损失。这种压力损失一般可分为两种，时，应尽量减少压力损失。这种压力损失一般可分为两种，一种是一种是沿程压力损失沿程压力损失，一种是，一种是局部压力损失局部压力损失。2.4.1 2.4.1 沿程压力损失沿程压力损失 液体在等截面直管中流动时因粘性摩擦

27、而产生的压力损失称为液体在等截面直管中流动时因粘性摩擦而产生的压力损失称为沿程压力损失。沿程压力损失。22flpd2.4.2 2.4.2 局部压力损失局部压力损失 局部压力损失，就是液体流经管道的弯头、接头、阀口以局部压力损失，就是液体流经管道的弯头、接头、阀口以及突然变化的截面等处时，因流速或流向发生急剧变化而在局及突然变化的截面等处时，因流速或流向发生急剧变化而在局部区域产生流动阻力所造成的压力损失。由于液流在这些局部部区域产生流动阻力所造成的压力损失。由于液流在这些局部阻碍处的流动状态相当复杂，影响因素较多，因此除少数（比阻碍处的流动状态相当复杂，影响因素较多，因此除少数（比如液流流经突

28、然扩大或突然缩小的截面时）能在理论上作一定如液流流经突然扩大或突然缩小的截面时）能在理论上作一定的分析外，其它情况都必须通过实验来测定。的分析外，其它情况都必须通过实验来测定。2.4.3 2.4.3 管路系统的总压力损失管路系统的总压力损失 整个管路系统的总压力损失是系统中所有直管中的沿程压力整个管路系统的总压力损失是系统中所有直管中的沿程压力损失和所有局部压力损失之和。损失和所有局部压力损失之和。减小液压系统压力损失的减小液压系统压力损失的措施措施：n减小流速减小流速n缩短管道长度缩短管道长度n减小管道截面的突变减小管道截面的突变n提高管道内壁的加工质量提高管道内壁的加工质量 例例1 1：某

29、液压泵装在油箱油面以下，液压泵的流量：某液压泵装在油箱油面以下，液压泵的流量q=25L/minq=25L/min，所用，所用液压油的运动粘度为液压油的运动粘度为20mm20mm2 2/s/s，油液密度为，油液密度为900kg/m900kg/m3 3，吸油管为光滑，吸油管为光滑圆管，管道直径为圆管，管道直径为20mm20mm，过滤器的压力损失为，过滤器的压力损失为0.20.2x10 x105 5papa，试求油泵，试求油泵入口处的绝对压力。入口处的绝对压力。2.5 2.5 孔口的流量孔口的流量 在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及方向在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及方

30、向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们对液流形成阻力，的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们对液流形成阻力，使其产生压力降，其作用类似电阻，称其为液阻。使其产生压力降，其作用类似电阻，称其为液阻。“孔口流动孔口流动”主要介绍孔口的流量公式及液阻特性。主要介绍孔口的流量公式及液阻特性。1.1.薄壁小孔的流量压力特性薄壁小孔的流量压力特性 通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流量受液体温通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流量受液体温度影响较小度影响较小. .但流量与孔口前后压差的关系是非线性的。但流量与孔口前后压差的关系是非线性的。2.2.细长细长小孔的流量压力特性小孔的流量压力特性3.3.液体经小孔流动时流量压力的统一公式液体经小孔流动时流量压力的统一公式 1.1.液压冲击概念液压冲击概念 在液压系统工作过程中，由于运动部件急速换向或关闭油路，在液压系统工作过程中，由于