液压课件02基础知识zuixin

1、第一章 液压流体力学基础 n液压油液的性质n静止液体的力学规律n流动液体的力学规律n管路系统流动分析n液压系统的气穴与液压冲击现象1.1 液压传动工作介质n液压油的主要物理性质 液体的密度液体的密度 液体的粘性液体的粘性 液体的可压缩液体的可压缩 其他性质其他性质n液压油的选择原则1.1.1液压油的主要物理性质n密度密度：单位体积液体的质量单位体积液体的质量 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（：液体的体积（m m3 3）；）； =900 kg/ m=900 kg/ m3 3 Vm1.1.1液压油的主要物理性质n可压缩性可压缩性：液体受压力作用而发生

2、体积变化的性质。液体受压力作用而发生体积变化的性质。可用液体压缩系数可用液体压缩系数或体积弹性模量或体积弹性模量K K表示表示 n体积压缩系数体积压缩系数：单位压力变化所引起的体积相对变单位压力变化所引起的体积相对变化量，化量， （m m2 2/N/N） 式中式中 V V：液体加压前的体积（：液体加压前的体积（m m3 3）；）； V V：加压后液体体积变化量（：加压后液体体积变化量（m m3 3）；）； p p：液体压力变化量（：液体压力变化量（N/ mN/ m2 2）；）；n体积弹性模量体积弹性模量K K （N/ mN/ m2 2） ：液体体积压缩系数：液体体积压缩系数的倒的倒数数 计算时

3、常取计算时常取K=K=（1.21.22 2）x10 x103 3MPaMPa若混入空气会怎么样？VVp11K粘度n液体的粘性液体的粘性： 液体在流动时产生内摩擦力的特性液体在流动时产生内摩擦力的特性 静止液体则不显示粘性静止液体则不显示粘性 n液体的粘度：液体的粘度： 液体粘性的大小可用粘度来衡量。液体粘性的大小可用粘度来衡量。 粘度是液体的根本特性，也是选择液压油的最重要指标粘度是液体的根本特性，也是选择液压油的最重要指标 常用的粘度有三种不同单位：常用的粘度有三种不同单位： 动力粘度动力粘度 运动粘度运动粘度 相对粘度相对粘度 动力粘度（绝对粘度） n牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 式中式中

4、 :称为动力粘度系数（称为动力粘度系数（PaPas s） :单位面积上的摩擦力（即剪切应力）单位面积上的摩擦力（即剪切应力） : :速度梯度，即液层间速度对液层距离的变化率速度梯度，即液层间速度对液层距离的变化率n物理意义物理意义 ：表征流动液体内摩擦力大小的粘度系数，其数表征流动液体内摩擦力大小的粘度系数，其数值等于当速度梯度为值等于当速度梯度为1 1时接触液层间单位面积上的内摩擦力时接触液层间单位面积上的内摩擦力 n法定计量单位法定计量单位 ：帕帕秒（秒（PaPas s）图1-4 液体粘性示意图dzdudzduAFdzdu运动粘度 n定义定义：动力粘度动力粘度与密度与密度之比之比 n法定计

5、量单位法定计量单位：m m2 2/s/s 由于由于的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。的单位中只有运动学要素，故称为运动粘度。液压油的粘度等级就是以其液压油的粘度等级就是以其4040C C时运动粘度时运动粘度的某一平的某一平均值来表示，如均值来表示，如L-HM32L-HM32液压油的粘度等级为液压油的粘度等级为3232，则，则4040C C时其运动粘度的平均值为时其运动粘度的平均值为32mm32mm2 2/s/s 相对粘度（恩式粘度） n恩氏粘度恩氏粘度：它表示它表示200mL200mL被测液体在被测液体在t tC C时，通过恩时，通过恩氏粘度计小孔（氏粘度计小孔（=2.8mm=2.8mm

6、）流出所需的时间）流出所需的时间t t1 1，与同，与同体积体积2020C C的蒸馏水通过同样小孔流出所需时间的蒸馏水通过同样小孔流出所需时间t t2 2之比值之比值n工业上常用工业上常用2020C C、5050C C和和100100C C作为测定恩式粘度的标准作为测定恩式粘度的标准温度，分别以温度，分别以2020、5050、100100表示表示21ttEt粘温特性 n定义定义：粘度随温度变化的特性粘度随温度变化的特性温度升高，粘度降低温度升高，粘度降低 图1-5 几种国产油液粘温图粘压特性 n定义定义：粘度随压力变化的特性粘度随压力变化的特性n压力升高，粘度增大压力升高，粘度增大 在压力系统

7、中，若系统压力不高，一般可忽略在压力系统中，若系统压力不高，一般可忽略压力对黏度的影响压力对黏度的影响1.1.2 液压油的选择n液压油的作用液压油的作用 1 1 传递能量传递能量 2 2 作为润滑剂润滑运动零件的工作表面作为润滑剂润滑运动零件的工作表面1.1.2 液压油的选择液压油的要求液压油的要求 ：1 1合适的粘度合适的粘度 2 2质地纯净，杂质少质地纯净，杂质少 3 3润滑性能较好润滑性能较好 4 4良好的化学稳定性良好的化学稳定性5 5闪点高，凝点低闪点高，凝点低 1.1.2 液压油的选择液压油的选择液压油的选择：选用时主要考虑黏度问题。选用时主要考虑黏度问题。从以下几方面确定油液的黏

8、度：从以下几方面确定油液的黏度：1 1工作压力工作压力2 2运动速度运动速度3 3环境温度环境温度4. 4. 液压泵的类型液压泵的类型1.2 液体静力学n液体的静压力液体的静压力n静压力基本方程静压力基本方程n静压力基本方程的物理意义静压力基本方程的物理意义n压力的计量单位压力的计量单位n压力的传递压力的传递n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1.2 液体静力学研究对象：研究对象：静止液体的受力平衡规律及其静止液体的受力平衡规律及其应用。应用。 静止的含义静止的含义：液体内部质点无相对运动，：液体内部质点无相对运动，即不呈现粘性。即不呈现粘性。 1.2.1 液体的静压力n

9、静压力静压力: : 是指液体处于静止状态时是指液体处于静止状态时, ,其单位面其单位面积上所受的积上所受的法向法向作用力作用力n若包含液体某点的微小面积若包含液体某点的微小面积AA上所作用的法上所作用的法向力为向力为FF，则该点的静压力，则该点的静压力p p定义为：定义为：n若法向力若法向力F F均匀地作用在面积均匀地作用在面积A A上，则压力可表上，则压力可表示为示为: :AFpAlim0AFp 1.2.1 液体的静压力静压力的特性静压力的特性: :n液体的静压力的方向总是沿着作用面的内法线液体的静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向方向n静止液体中任何一点所受到各个方向的压力都静止液体中任

10、何一点所受到各个方向的压力都相等相等1.2.2 液体静压力的基本方程n液体静压力基本方程液体静压力基本方程: : p=po+ghnp p是静止液体中深度为是静止液体中深度为h h处的任意处的任意点上的压力点上的压力,p,p0 0 为液面上的压力，为液面上的压力，若液面为与大气接触的表面，则若液面为与大气接触的表面，则p p0 0等于大气压等于大气压p p。n同一容器同一液体中的静压力随同一容器同一液体中的静压力随着深度着深度h h的增加线性地增加的增加线性地增加 n同一液体中深度同一液体中深度h h相同的各点压相同的各点压力都相等力都相等. . 在重力作用下静止液体中的等压在重力作用下静止液体

11、中的等压面是深度（与液面的距离）相同面是深度（与液面的距离）相同的水平面的水平面 重心作用下的静止液体1.2.3 静压力基本方程物理意义np=p0+g(z0 - z) n + gz= + gz0=C zg:zg:单位质量液体的势能单位质量液体的势能 : :单位质量液体的压力能单位质量液体的压力能n物理意义物理意义:静止液体具有两种能量形式，即压静止液体具有两种能量形式，即压力能与势能。这两种能量形式可以相互转换，力能与势能。这两种能量形式可以相互转换，但其总和对液体中的每一点都保持不变为恒值，但其总和对液体中的每一点都保持不变为恒值，因此静压力基本方程从本质上反映了静止液体因此静压力基本方程从

12、本质上反映了静止液体中的能量守恒关系中的能量守恒关系. .p0pp1.2.4 压力的表示方法及单位n相对压力（表压力）相对压力（表压力）: : 以大气压力为基准，测量所得的压力以大气压力为基准，测量所得的压力 是高于大气压的部分是高于大气压的部分 n绝对压力绝对压力: : 以绝对零压为基准测得的压力以绝对零压为基准测得的压力 绝对压力绝对压力= =相对压力相对压力 + + 大气压力大气压力 n真空度真空度: :液体中某点的绝对压力小于大气压力的那部分压力值液体中某点的绝对压力小于大气压力的那部分压力值称为真空度。此时相对压力为负值，又称负压。称为真空度。此时相对压力为负值，又称负压。 1.2.

13、4 压力的表示方法及单位图22 绝对压力、相对压力和真空度1.2.4 压力的表示方法及单位压力的单位：压力的单位：n法定单位法定单位 :牛顿牛顿/ /米米2 2(N/m(N/m2 2) )即帕（即帕（PaPa） 1 MPa=101 MPa=106 6PaPan单位换算单位换算: : 1工程大气压（at）=1公斤力/厘米2（kgf/cm2）105帕 =0.1 MPa 1米水柱（mH20）=9.8103Pa 1毫米汞柱（mmHg）=1.33102Pa 例题：n活塞上的作用力F=1000N,活塞的作用面积A=10-3M2,h=0.5m处的液体压力，液体的密度=900KG/M3hA1.2.5液体静压传

14、递原理（帕斯卡原理） n在密闭容器内，施加于静止液体的压力以等值传递到在密闭容器内，施加于静止液体的压力以等值传递到液体各点。液体各点。n 实验表明，液体受外界压力时，液体自重产生的压力实验表明，液体受外界压力时，液体自重产生的压力可以忽可以忽 略不计，近似认为液体内部各点压力相等，且略不计，近似认为液体内部各点压力相等，且由外界负载作用形成，即由外界负载作用形成，即压力取决于负载（重要概压力取决于负载（重要概念）。念）。 小结：小结：本小节重点掌握液体静力学基本方程及静压传递原理，得出液压传动的一个重要概念：压力取决于负载。另外液体压力的两种表示方法要区分开来，表压力为相对压力。 1.3 液

15、体动力学n基本概念n连续性方程n伯努利方程1.3.1 基本概念1、理想液体和恒定流动理想液体和恒定流动 理想液体：假设即无粘性又无可压缩性的液体。（实际液体）恒定流动：当液体流动时，如果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。（非恒定流动） 1.3.1 基本概念2. 通流断面、流量和平均流速通流断面、流量和平均流速n通流截面通流截面: :液体在管道中流动时，其垂直于流动方向的截面。液体在管道中流动时，其垂直于流动方向的截面。n流量流量: :单位时间内流过某通流截面的液体体积，以单位时间内流过某通流截面的液体体积，以q q表表示。示。 q=Av q=Av 法定单位法定单位: :

16、 米米3 3/ /秒秒(m(m3 3/s)/s) 工程中常用升工程中常用升/ /分（分（L/minL/min）n当液流通过微小的通流截面当液流通过微小的通流截面dAdA时，液体在时，液体在该截面上各点的速度该截面上各点的速度u u可以认为是相等的，可以认为是相等的，所以流过该微小断面的流量为所以流过该微小断面的流量为 ndq=udAdq=udAn则流过整个通流断面则流过整个通流断面A A的流量为的流量为n通流截面上的平均流速通流截面上的平均流速: :上式中的上式中的v v即为通即为通流截面上的平均流速。流截面上的平均流速。 v=q/Av=q/A)162( AudAq液压缸的运动速度液压缸的运动

17、速度【问题问题1】为什么在医院挂水时，皮管流速与阀口为什么在医院挂水时，皮管流速与阀口通流截面积成正比？通流截面积成正比？ 【举例举例】单杆液压缸活塞直径单杆液压缸活塞直径D100mm,活塞杆直径活塞杆直径d=50mm,进、回油管直径进、回油管直径d0=20mm,输入流量输入流量qv=100L/min,求进油管、活塞及回油管的速度求进油管、活塞及回油管的速度V1、V、V2 。1.3.1 基本概念 3、 层流、紊流、雷诺数层流、紊流、雷诺数流动状态* 实际液体流动时具有两种状态，即层流和紊流。实际液体流动时具有两种状态，即层流和紊流。层流：层流：液体的流动是分层的，层与层之间互不干扰液体的流动是

18、分层的，层与层之间互不干扰 。 特点：特点：流速低，粘性力起主导作用流速低，粘性力起主导作用紊流：紊流：液体流动不分层，做混杂紊乱流动。液体流动不分层，做混杂紊乱流动。 特点：特点：流速高，粘性力弱，惯性力主导流速高，粘性力弱，惯性力主导 1.3.1 基本概念雷诺数：雷诺数： 其中其中v v 为管内液体平均为管内液体平均流速，流速，d d为管径，为液体为管径，为液体的运动粘度。的运动粘度。 若液流的雷诺数相同，若液流的雷诺数相同，则流动状态相同则流动状态相同 判断液流状态一般由判断液流状态一般由临界雷诺数临界雷诺数ReRecrcr决定，即决定，即实际实际ReRe小于小于ReRecrcr时为层流

19、，时为层流，反之为紊流。反之为紊流。 )182(Revdn对通流截面相同的管道来说，若液流的雷诺数对通流截面相同的管道来说，若液流的雷诺数ReRe相同，相同，它的流动状态就相同。它的流动状态就相同。n液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由液流由层流转变为紊流时的雷诺数和由紊流转变为层紊流转变为层流流时的雷诺数是不同的，后者的数值较前者小，所以时的雷诺数是不同的，后者的数值较前者小，所以一般都用后者作为判断液流状态的依据，称为一般都用后者作为判断液流状态的依据，称为临界雷临界雷诺数诺数，记作，记作ReRec c。当液流的实际雷诺数。当液流的实际雷诺数ReRe小于临界雷诺小于临界雷诺数数ReRec c

20、时，为层流；反之，为紊流。时，为层流；反之，为紊流。n雷诺数的物理意义：雷诺数是液流的惯性力对粘性力雷诺数的物理意义：雷诺数是液流的惯性力对粘性力的无因次比。当雷诺数较大时，液体的惯性力起主导的无因次比。当雷诺数较大时，液体的惯性力起主导作用，液体处于紊流状态；当雷诺数较小时，粘性力作用，液体处于紊流状态；当雷诺数较小时，粘性力起主导作用，液体处于层流状态起主导作用，液体处于层流状态。 1.3.2 连续性方程:质量守恒定律在流动液体情况下的具体应用液流的连续性原理 1.3.2 连续性方程:质量守恒定律在流动液体情况下的具体应用 根据质量守恒定律，时间t内流过两截面的液体质量相等。 即 1v1A

21、1= 2v2A2 简化得 v1A1= v2A2 =qv=常数 上式为连续性方程，表明： n通过无分支管道任一通流断面的流量相等.n液体的平均流速与管道通流断面面积成反比。n速度不仅可以传递而且可以放大或者缩小1.3.3 伯努利方程(能量方程):能量守恒定律在流动液体中的表达形式n理想液体的伯努利方程n实际液体的伯努利方程n伯努利方程应用实例n物理意义：在管路内作稳定流动的理想液体具有压力能、势能、动能。在沿管流动过程中可互相转化，其总和保持不变。 理想液体的伯努利方程（不考虑粘性，不可压缩，无能量损失）伯努利方程推导简图czpzp2g2g22222111czp2g2实际液体的伯努利方程（考虑能

22、量损失）n:动能修正系数动能修正系数, ,为截面上单位时间内流过液体所具为截面上单位时间内流过液体所具有的实际动能，与按截面上平均流速计算的动能之比有的实际动能，与按截面上平均流速计算的动能之比（层流时（层流时=2=2，紊流时，紊流时=1.1=1.1）n g :g :单位质量液体在两截面之间流动的能量损失单位质量液体在两截面之间流动的能量损失n应用伯努利方程时应注意的事项应用伯努利方程时应注意的事项 （1 1）断面）断面1 1、2 2需顺流向选取（否则需顺流向选取（否则hwhw为负值），且应选在缓变的流为负值），且应选在缓变的流动截面上。动截面上。 （2 2）z pz p两个参数定在通流截面的

23、轴心处两个参数定在通流截面的轴心处 （3 3）通流截面中心在基准面以上时为正，反之为负，通常取较低的）通流截面中心在基准面以上时为正，反之为负，通常取较低的通流截面的中心作为基准水平面通流截面的中心作为基准水平面whghgzpgzpw22222211112121例例2.42.4如图，水箱侧壁开一个小孔，水箱自由水面如图，水箱侧壁开一个小孔，水箱自由水面1 11 1与小孔与小孔2 22 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，小孔中心到水箱自由液面的距离为自由液面的距离为h h，且，且h h基本不变，如果不计损失，基本不变，如果不计损失，求水从小孔流出的速度？

24、求水从小孔流出的速度？h2211n例例2.52.5液压泵吸油装置如图液压泵吸油装置如图2.232.23所示，设油箱液面所示，设油箱液面压力为压力为p p1 1, ,液压泵吸油口处的液压泵吸油口处的绝对压力绝对压力为为p p2 2，泵吸，泵吸油口距油箱液面高度为油口距油箱液面高度为h h，吸油管路总能量损失为，吸油管路总能量损失为h hw wg g， 不考虑液体流动状态的影响，取不考虑液体流动状态的影响，取a a1 1，试确定，试确定液压泵吸油口处的真空度？液压泵吸油口处的真空度？h1122伯努利方程应用实例n液压泵吸油口处的真空度是油箱液压泵吸油口处的真空度是油箱 液面压力与吸油口处压力液面压

25、力与吸油口处压力p p2 2之差。之差。n液压泵吸油口处的真空度却不能液压泵吸油口处的真空度却不能 太大太大. . 实践中一般要求液压泵的实践中一般要求液压泵的 吸油口的高度吸油口的高度h h不超过不超过0.50.5米米. .图2-10 液压泵从油箱吸油1.4 管路系统流动分析n定常管流的压力损失n通过小孔的流动n通过间隙的流动1.4 .1流态n实际液体在流动过程中，为了克服黏性摩擦阻力，流动时实际液体在流动过程中，为了克服黏性摩擦阻力，流动时要损耗一部分能量，这种能量损耗表现为压力损失。要损耗一部分能量，这种能量损耗表现为压力损失。n压力损失产生的内因是液体本身的黏性，外因是管道结构压力损失

26、产生的内因是液体本身的黏性，外因是管道结构n压力损失分为两种：压力损失分为两种：沿程压力损失，局部压力损失沿程压力损失，局部压力损失液体的流动状态液体的流动状态层流和紊流层流和紊流层流层流：液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层：液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行与管道轴线。状，且平行与管道轴线。紊流紊流：液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道：液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。1.4.2 定常管流的压力损失 实际液体流动时的能量损失主要表现为压力损失，包含沿程压力损失 p 和局部压力损失 p 两大类

27、。【结论结论】在液压传动的压力油路内，液体如果没有在液压传动的压力油路内，液体如果没有流动，就没有压力损失，压力就处处相等。流动，就没有压力损失，压力就处处相等。1.4.2 定常管流的压力损失一、一、沿程压力损失沿程压力损失 n定义：定义：油液沿等直径管道流动时，由于粘性引起的内外摩擦造油液沿等直径管道流动时，由于粘性引起的内外摩擦造成的损失。成的损失。 n原因：原因：摩擦：摩擦： 内摩擦内摩擦因粘性，液体分子间摩擦因粘性，液体分子间摩擦 外摩擦外摩擦液体与管壁间液体与管壁间 沿程压力损失取决于：管道长度、直径、粘度和流动状态沿程压力损失取决于：管道长度、直径、粘度和流动状态 p1.4.2定常

28、管流的压力损失二二. . 局部压力损失局部压力损失p : 在流经阀口、管道在流经阀口、管道截面变化、弯曲等处时，由于流动方向和速度截面变化、弯曲等处时，由于流动方向和速度变化及复杂的流动现象变化及复杂的流动现象( (旋涡，二次流等旋涡，二次流等) )而造而造成局部能量损失成局部能量损失 产生原因：碰撞、旋涡（突变管、弯管产生原因：碰撞、旋涡（突变管、弯管) )产生附加摩擦。产生附加摩擦。 1.4.3 总压力损失三、总压力损失三、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的沿程压力损失和所有局部压力损失之和 在液压系统中，大部分压力损失转化为热能，使油温升高，泄漏增加，影响系统的工作

29、性能，因此应尽量减少压力损失。 措施： 减小流速（影响最大）；减小流速（影响最大）； 缩短管长，缩短管长，增大管径；增大管径； 减小管道截面突变，提高管道内壁加减小管道截面突变，提高管道内壁加工质量。工质量。 1.5 孔口流动 在液压与气压传动中常用通过改变阀口通流截在液压与气压传动中常用通过改变阀口通流截面积或通过通流通道的长短来控制流量的节流装置来面积或通过通流通道的长短来控制流量的节流装置来实现流量控制。这种节流装置的通流截面一般为不同实现流量控制。这种节流装置的通流截面一般为不同形式的小孔。形式的小孔。n通过通过薄壁小孔薄壁小孔* *( (孔的通流长度孔的通流长度l l与孔径与孔径d

30、d之比之比l/d0.5 )l/d0.5 )的流动的流动n通过通过细长小孔细长小孔( (小孔的长径比小孔的长径比l/d4)l/d4)的流动的流动 小孔的流量压力特性公式小孔的流量压力特性公式 ：)362(mTpKAqA AT T，p p：小孔的通流截面和两端压力差：小孔的通流截面和两端压力差m m由孔的长径比决定的指数。由孔的长径比决定的指数。 薄壁孔薄壁孔m m=0.5=0.5，细长孔，细长孔m m =1=1。K K 由孔的形状、尺寸和液体性质决定的系数。由孔的形状、尺寸和液体性质决定的系数。对于细长孔，对于细长孔，)32(K2ld2qCK 对于薄壁孔、短孔对于薄壁孔、短孔通过小孔的流动n通过

31、薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流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量受液体温度影响较小. .但流量与孔口前后压但流量与孔口前后压差的关系是非线性的差的关系是非线性的n液体流经细长小孔的流量将随液体温度的变化液体流经细长小孔的流量将随液体温度的变化而变化。但细长小孔的流量与孔前后的压差关而变化。但细长小孔的流量与孔前后的压差关系是线性的系是线性的 1.6 缝隙流动n液压元件内各零件间有相对运动，必须要有适液压元件内各零件间有相对运动，必须要有适当间隙。间隙过当间隙。间隙过 大，会造成泄漏；间隙过小，大，会造成泄漏；间隙过小，会使零件卡死。会使零件卡死。 n泄漏泄漏: :当流体流经这些间隙时就会发生从压力当流体流经这些间隙时就会发生从压力高处经过间隙流到系统中压力低处或直接进入高处经过间隙流到系统中压力低处或直接进入大气的现象大气的现象( (前者称为内泄漏，后者称为外泄前者称为内泄漏，后者