液压传动流体力学基础(浙江海洋大学教学课件)

1、 第第2章章 液压传动流体力学基础液压传动流体力学基础液压和气压传动与控制n本章主要叙述了液压传动工作介质的性质，揭示了本章主要叙述了液压传动工作介质的性质，揭示了工作介质的污染原因及控制方法，论述了液体静力工作介质的污染原因及控制方法，论述了液体静力学、动力学的性质，阐述了液体动力学的三个基本学、动力学的性质，阐述了液体动力学的三个基本方程，管道中液流的特性，液压冲击和气穴现象。方程，管道中液流的特性，液压冲击和气穴现象。通过本章学习，使学生对工作介质在管道中流动的通过本章学习，使学生对工作介质在管道中流动的流体力学特性有一个较全面的了解。流体力学特性有一个较全面的了解。 内容提要：内容提要

2、： n1 1、掌握工作介质的基本性质。了解工作介质的、掌握工作介质的基本性质。了解工作介质的污染原因、危害及其控制方法；污染原因、危害及其控制方法；n2 2、掌握压力的表示方法和本质；、掌握压力的表示方法和本质；n3 3、了解三个基本方程的推导过程，掌握三个基、了解三个基本方程的推导过程，掌握三个基本方程的运用；本方程的运用；n4 4、掌握液流在管道中流动的特性及压力损失的、掌握液流在管道中流动的特性及压力损失的计算方法；计算方法；n5 5、了解液体流经小孔和缝隙的流量压力特性；、了解液体流经小孔和缝隙的流量压力特性；n6 6、了解液压冲击和气穴现象产生的原因、危害。、了解液压冲击和气穴现象产

3、生的原因、危害。 教学基本要求：教学基本要求： 本章重点内容本章重点内容: :1 1、工作介质的基本性质；、工作介质的基本性质；2 2、压力的表示方法和本质；、压力的表示方法和本质；3 3、三个运动方程的运用。、三个运动方程的运用。 本章的难点本章的难点: : 1 1、三个基本方程的推导。、三个基本方程的推导。 重点和难点：重点和难点： 液压传动工作介质的物理性质液压传动工作介质的物理性质2.1液体静力学液体静力学2.2液体动力学液体动力学2.3管道中液流的特性管道中液流的特性2.42.52.6液压冲击和气蚀现象液压冲击和气蚀现象2.7液体流经小孔与缝隙的流量压力特性液体流经小孔与缝隙的流量压

4、力特性液压油的污染及其控制液压油的污染及其控制本章内容目录：本章内容目录： 2.1 2.1 液压传动工作介质的物理性质液压传动工作介质的物理性质液体的密度液体的密度液体的可压缩性液体的可压缩性液体的粘性和粘度液体的粘性和粘度液压油的类型和选用液压油的类型和选用对液压油的要求对液压油的要求主要内容：主要内容：1.1.密度密度 均质液体中单位体积所具有的质量: 其中： m-液体的质量； V -液体的体积 液体的密度随温度和压力的变化而变化，但影响很小，可以忽略。 液压油计算时取 = 900kg/m = 900kg/m3 3 Vm2.2.可压缩性可压缩性 在温度不变条件下，液压油的体积将随压力的增高

5、而减小的性质。 （1）体积压缩系数 :即单位压力变化下的体积相对变化量01VVp体积变化初始体积压力变化 油的可压缩性很小，可以忽略，认为液体是不可压缩的。（2 2）体积弹性模量）体积弹性模量K K (体积压缩系数的倒数) V0一定，在同样p下， K 越大, V 越小 说明K 越大，液体的抗压能力越强 矿物油 K = (1.42.0)10 9 N/m 2 钢 K = 2.06 10 11 N/m 2 油 = 100150 钢 VpVK013.粘性粘性 (1)(1)粘性的定义粘性的定义 液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩檫力，它使液体各层间的

6、运动速度不等，这种现象叫做液体的粘性。 静止液体不呈现粘性粘性示意图n下板固定n上板以u0运动nA点：u = 0 B点：u = u0n两板之间液流速度逐渐减小（2 2）牛顿内摩擦定律）牛顿内摩擦定律动画演示式中： Ff 液体流动时，相邻液体层间的内摩擦力 粘性系数，与液体的种类和温度有关 A 液层接触面积 du /dy速度梯度dyduAFf两液层的速度差两液层间的距离静止液体 du0 不呈现粘性 牛顿内摩擦定律dyduAFf切应力:(3)(3)粘度粘度三种表示方法：2) 运动粘度 单位：Pa.S（帕秒）单位：m2/sdyduAFf1) 动力粘度3) 条件粘度 1）动力粘度dyduAFf单位：单

7、位：帕斯卡.秒（Pa.s） 泊（P）1P=1dyn.s.cm-2 1Pa.s = 10 P = 103cP动力粘度物理意义：动力粘度物理意义：液体在单位速度梯度下流动 时单位面积上产生的内摩擦力dydudyduAFf/2）运动粘度机械油的牌号：表示这种油在40时以mm2/s为单位的运动粘度的平均值。 例如YAN32中YA是普通液压油，N32表示40时油的平均运动粘度为32 mm2/s。 运动粘度单位： 1 m2 2/s = 104 St = 106 cSt (=106 mm2/s) 拖(cm2/s) 厘拖(mm2/s) 3)相对粘度(恩氏粘度)21ttEt式中：t1 油流出的时间 t220OC

8、蒸馏水流出时间1005020,EEE 恩氏粘度与运动粘度的换算关系恩氏粘度与运动粘度的换算关系610)31. 631. 7(ttEE 通常以通常以20、50、100OC作为标准测定温度，作为标准测定温度，记为：记为：200ml=2. 8mm恩氏粘度计(4) (4) 粘度与压力的关系粘度与压力的关系 压力对粘度的影响不大，一般情况下，特别是压力较低时，可不考虑。(5) 粘度与温度的关系粘度与温度的关系 影响： 大，阻力大，能耗 小，油变稀，泄漏 限制油温：T，加冷却器 T，加热器T p 粘温图 液压工作介质一般称为液压油。液压介质的性能对液压系统的工作状态有很大影响，对液压系统对工作介质的基本要

9、求如下： （l）有适当的粘度和良好的粘温特性。 4.4.对液压油的要求对液压油的要求（2）氧化安定性和剪切安定性好。 （3）抗乳化性、抗泡沫性好。 （4）闪点、燃点要高，能防火、防爆。 （5）有良好的润滑性和防腐蚀性，不腐蚀金属和密封件。 （6）对人体无害，成本低。 石油型机械油汽轮机油液压油难燃型水-乙二醇液磷酸酯液水包油油包水乳化液合成型5.5.液压油的类型和选用液压油的类型和选用 液压传动介质按照GB/T7631.2-87（等效采用ISO 6743/4）进行分类，主要有石油基液压油石油基液压油和难燃液压难燃液压液液两大类。 类型类型类型名称ISO代号特 性 和 用 途矿油型普通液压油L-

10、HL精制矿油加添加剂，提高抗氧化和防锈性能，适用于室内一般设备的中低压系统抗磨液压油L-HML-HL油加添加剂，改善抗磨性能，适用于工程机械、车辆液压系统低温液压油L-HVL-HM油加添加剂，改善黏温特性，可用于环境温度在-20-40的高压系统高黏度指数液压油L-HRL-HL油加添加剂，改善黏温特性，VI值达175以上，适用于对黏温特性有特殊要求的低压系统，如数控机床液压系统液压导轨油L-HGL-HM油加添加剂，改善黏一滑性能，适用于机床中液压和导轨润滑合用的系统全损耗系统用油L-HH浅度精制矿油，抗氧化性、抗泡沫性较差，主要用于机械润滑，可作液压代用油，用于要求不高的低压系统汽轮机油L-TS

11、A深度精制矿油加添加剂，改善抗氧化、抗泡沫等性能，为汽轮机专用油，可作液压代用油，用于一般液压系统液压油的主要品种及其特性和用途液压油的主要品种及其特性和用途 乳化型水包油乳化液L-HFA又称高水基液，特点是难燃、黏温特性好，有一定的防锈能力，润滑性差，易泄漏。适用于有抗燃要求，油液用量大且泄漏严重的系统油包水乳化液L-HFB既具有矿油型液压油的抗磨、防锈性能，又具有抗燃性，适用于有抗燃要求的中压系统合成型 水-乙二醇液L-HFC难燃，黏温特性和抗蚀性好，能在-3060温度下使用，适用于有抗燃要求的中低压系统磷酸酯液L-HFDR难燃，润滑抗磨性能和抗氧化性能良好，能在-54135温度范围内使用

12、，缺点是有毒。适用于有抗燃要求的高压精密液压系统液压油的主要品种及其特性和用途液压油的主要品种及其特性和用途（1）优先考虑粘性 =11.5 41.3 cSt 即 20、30、40号机械油（2）按工作压力 p 高，选大； p 低，选小（3）按环境温度 T 高，选大； T 低，选小（4）按运动速度 v 高，选小； v 低，选大（5）其他 环境 （污染、抗燃） 经济（价格、使用寿命） 特殊要求（精密机床、野外工作的工程机械）液压油液的选择液压油液的选择正确的使用液压油正确的使用液压油（1）控制油温（2）防止污染（3）定期抽检、定期更换（4）油箱储油充分（5）确保密封n液压油的污染是液压系统发生故障的

13、主要原因。因此，对液压油的正确使用及污染控制是提高液压系统综合性能的重要手段。n1、污染的原因n（1）残留污染：装配中的残留物，如毛刺、切屑、型砂、棉纱等。n（2）侵入污染：因密封不完善由系统外部侵入的污染物。n（3）生成污染：运行中本身生成的污染物。如腐蚀剥落的金属颗粒、油液老化后胶状生成物等。2.22.2液压油的污染及控制液压油的污染及控制n2、污染的危害n（1）固体颗粒 及胶状物。造成缝隙堵塞，过滤器失效，泵运转困难，阀动作失灵，产生噪声。n（2）微小颗粒。加速零件磨损，擦伤密封件，泄漏增加。n（3）水分和空气。降低油液润滑能力，加快油液氧化变质，在元件表面产生气蚀，系统出现振动和爬行现

14、象。n3、污染等级：是指单位容积液体内固体颗粒污染物的含量。目前，等级标准有两个：n（1）ISO4406国际标准，见表2-3。n（2）NAS1638美国标准。n4、污染控制措施n（1）液压系统装配后、运转前必须用系统工作中使用的油液进行彻底清洗。n（2）液压油在工作中保持清洁。尽量防止工作中空气、水分和灰尘的侵入。n（3）采用合适的滤油器。并要定期检查和清洗滤油器和油箱。n（4）定期更换液压油。n（5）控制液压油的工作温度。一般系统控制在65以下，机床系统控制在55以下。2.3 2.3 液体静力学液体静力学静止液体：液体内质点间无相对运动、不呈现黏性的液体 流体静力学是研究平衡流体流体静力学是

15、研究平衡流体（包括：流体对地球无相对运动和流体对运动容器无相对运动）的力的力学规律及其应用学规律及其应用。 由于平衡流体之间无相对运动，流体的粘性不起作用。所以，流体静力学中所得出的结论，对于理想流体和粘性流体都适用。理论不需要实验修正。一、一、静压力及其性质静压力及其性质按作用方式，平衡流体上的作用力有： 1.静压力的定义 。 表面力按其作用方向可分为两种：沿表面沿表面内法线方向的压力、沿表面切向的摩擦力内法线方向的压力、沿表面切向的摩擦力。 对于处于平衡状态的流体，切向摩擦力为零，只有沿受压面内法线方向的流体静压力。)(lim0PadAdFAFpA静压力（简称压力）：指液体处于相对静止时，

16、单位面积上所受的法向作用力。 如果法向力均匀地作用在面积上，压力表示为： 由流体的特性知，流体在平衡状态时只要有切应力作用，流体就会变形，引起流体质点间的相对运动，破坏流体的平衡。流体还不能承受拉力。所以，流体在平衡状态下只能承受垂直并指向作用面的压力二、液体静力学基本方程二、液体静力学基本方程 重力场中连续、均质、不可压缩流体的静压强基本方程式：ghpzzgpp000)(流体静压强基本方程式表明：（1）静止液体内任一点处的压力为液面压力和液柱重力所产生的压力之和。（2）静止液体内的压力随着深度h呈直线规律分布。（3）深度相同处各点的压力都相等。等压面：压力相同点组成的面叫作等压面在重力作用下

17、静止液体中的等压面是水平面水平面。真空度真空度:当压力比当地大气压低时，流体压力与当地大气压的差值称为真空度。三、压力的表示方法及单位三、压力的表示方法及单位以当地大气压为计算标准表示的压力。也称为计示压强、表压强也称为计示压强、表压强相对压力：相对压力：ghp绝对压力：绝对压力：ghppa以绝对真空为起点表示的压力。1. 1. 压力的表示方法压力的表示方法绝对压强绝对压强= =表压强表压强+ +当地大气压当地大气压表压强表压强= =绝对压力绝对压力- -当地大气压当地大气压当ppa 时：绝对压强绝对压强= =当地大气压当地大气压- -真空度真空度真空度真空度= =当地大气压当地大气压- -绝

18、对压力绝对压力当ppa 时：n2 2、 静压强的计量单位静压强的计量单位（1）压力单位：压力单位：Pa（N/m2）、bar 、MPa 1 bar=101 bar=105 5 PaPa0.1 0.1 MPaMPa （2）液柱高单位：液柱高单位：测压计常以水或水银作为工作介质，压力常以水柱高度（mH2O），或毫米汞柱（mmHg）表示。（3）大气压单位：大气压单位：以1标准大气压（1 atm）为单位表示。1 1 atmatm =1.013 =1.013* *10105 5PaPa=10.33 mH=10.33 mH2 2O O =760 mmHg1bar0.1MPa =760 mmHg1bar0.1

19、MPa四、帕斯卡原理 在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以相等的数值传递到液体各点，这就是静压传递原理，即帕斯卡原理。n五、静压力对固体壁面的总作用力1.1.固体壁面为平面时：固体壁面为平面时： 作用在平面上压力的方向互相平行，总作用力F等于静压力p与承压面积A的乘积。即：FpA积分后得 ：总作用力F为： 当承压面积为曲面时，作用在曲面上的压力的方向均垂直于曲面。这时可将曲面分成若干微小面积dA，作用在微小面积上的力为： dFpdA 将dF分解为x、y两个方向的力，即： dFxpdAsinpdAx dFypdAcospdAy2.2.固体壁面为曲面时固体壁面为曲面时 静压力作用在曲面上的力在

20、某一方向上的分力等于压力与曲面在该方向投影面积的乘积。结论：结论：一、基本概念基本概念1.理想液体和实际液体理想液体：理想液体：既无粘性，又无压缩性的假想液体。实际液体：实际液体：既有粘性，又有压缩性的真实液体。2. 定常流动和非定常流动定常流动：定常流动：液体的运动参数只随位置变化，与时 间无关。也称恒定流动。非定常流动：非定常流动：液体的运动参数不仅随位置变化，而且与时间有关。也称非恒定流动。3.一维流动 一维流动：液体整个地作线形流动。2.4 2.4 液体动力学液体动力学动画演示动画演示理想液体动画演示动画演示动画演示动画演示稳定流动稳定流动非稳定流动非稳定流动4. 流线、流束、过流截面

21、流线、流束、过流截面流线：流线：某一瞬时液流中标志其各处质点运动状态的曲线，在流线上各点的瞬时速度方向与该点的切线方向重合。流线的性质：流线的性质：l稳定流动时，流线形状不随时间变化。l流线不能相交，也不能转折。l流线是连续光滑的曲线。通流截面：通流截面：流束中与所有流线正交的截面。 流线彼此平行的流动称为平行流动； 流线间的夹角很小，或流线的曲率半径很大的流 动称为缓变流动缓变流动（相反情况便是急变流动）。 前两者的通流截面均认为是平面，急变流动的过流截面是曲面。流束：流束：面积A上所有各点的流线的集合。 流束内外流线均不能穿越流束表面。 面积A无限小时的流束，称为微小流束微小流束。5.流量

22、和平均流速流量和平均流速流量：流量：单位时间内通过流束过流截面的液体体积。平均流速：平均流速：流量与通流截面之比。vAq AudAqAqAudAvA单位时间内流入控制体积的质量单位时间内流入控制体积的质量 ： 单位时间内流出控制体积的质量单位时间内流出控制体积的质量 ：二、液体流动的连续性方程液体流动的连续性方程连续性方程是质量守恒规律在流体力学中的表现。连续性方程是质量守恒规律在流体力学中的表现。设：不可压缩流体在非断面管中作定常流动。对于稳定流动，不可压缩液体，对于稳定流动，不可压缩液体，为常数：为常数： 过流断面1和2的面积分别为A1和A2，平均流速分别为V1和V2，11111AvQQm

23、122222AvQQm2constAvAvQ2211在定常流动中，流过各截面的不可压缩液体的流量是相等的，而且液体的平均流速与管道的过流截面积成反比。constAvAvQ2211说明：说明：流量连续性的动画演示流量连续性的动画演示流量连续性的动画演示流量连续性的动画演示 在一维流动的情况下， 根据牛顿第二定律，有： 三、液体流动的伯努利方程液体流动的伯努利方程1. 理想液体一元定常流动的运动微分方程理想液体一元定常流动的运动微分方程伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表示伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表示tlfu,ldAdlagdAdldAdpppdAcos)(dldzcosdttu

24、dlludutuluudtdual0tu定常流动 整理得理想液体一元定常流动的运动微分方运动微分方程程，也叫欧拉方程欧拉方程。01ududpgdz将欧拉方程两边同乘以ds，并从截面1积分到截面2两边同除以g，移项整理得2.理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程对于稳定流动稳定流动， 故上式变为理想液体微小流束理想液体微小流束的伯努利方程。Z:Z:单位重量液体所具有的位能，称为比位能单位重量液体所具有的位能，称为比位能( (位置水头位置水头) )。P/P/ g g : :单位重量液体所具有的压力能，称为比压能（压单位重量液体所具有的压力能，称为比压能（压力水头）。力水头）。u2/2g:u2/2

25、g:单位重量液体所具有的动能，称为比动能（速度单位重量液体所具有的动能，称为比动能（速度水头）。水头）。Z+ P/Z+ P/ g g + u2/2g : + u2/2g :单位重量液体所具有的总能量，称为单位重量液体所具有的总能量，称为总比能（总水头）。总比能（总水头）。方程的物理（能量）意义物理（能量）意义：能量意义：能量意义： 管内作定常流动定常流动的理想液体理想液体，在任意截面上，液体的总比能保持不变，但比位能、比压能、比动能可以相互转换。 -单位重量实际液体在微小流束中从截面1流到截面2，因粘性而损耗的能量。3. 实际液体流速的伯努利方程实际液体流速的伯努利方程n若所选截面为缓变流截面

26、缓变流截面，n以平均流速v代替实际流速u， 动能修正系数动能修正系数实际动能/平均动能，即n用平均能量损失代替实际能量损失，即令 实际液体总流的伯努利方程实际液体总流的伯努利方程方程的适用条件方程的适用条件：l定常流动，不可压缩液体；l质量力只有重力；l所取截面为缓变流截面；l流量沿流程保持不变；l层流时2，紊流时1；l没有机械能加入。(1) 选水平基准面选水平基准面 管子轴心、已知数多、未知数少(2) 选缓变流断面选缓变流断面 直管段、大容器自由表面、较小截面出口的管嘴、 已知数多、未知数少(3) 在缓变流断面上选点在缓变流断面上选点(4) 按照液体流动方向列写伯努利方程按照液体流动方向列写

27、伯努利方程 方程两边压力基准要统一未知数多于方程个数时，应列其他辅助方程求解未知数多于方程个数时，应列其他辅助方程求解解题步骤：解题步骤： 泵从油箱吸油，泵的输出流量Q25L/min ，吸油管直径d30mm，设滤网及管道内总的压降为0.03MPa，油液的密度880kg/m3，要保证泵的进口真空度不大于0.0336MPa，试求泵的安装高度？例题：例题：动量定律指出：作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量变化率，即四、动量方程四、动量方程 由于液体做定常流动，控制体积内在dt时间内控制体积中液体质量的动量变化，为两微小单元II-II1和I-I1液体的动量之差，而在I1-II1之间所围液

28、体的动量没有变化。IIIIIIIIIvmvmmvd11IvIIvdtvqdtvqIvIIvvqvqdtmvdF用平均流速代替实际流速。动量修正系数动量修正系数平均动量/实际动量，即 层流时层流时4/34/3，紊流时，紊流时1 1。IvIIvvqvqdtmvdFIIIvvvqdtmvdF12注：液体对壁面作用力的大小与注：液体对壁面作用力的大小与F F相同，相同，但方向与但方向与F F相反。相反。1雷诺实验2.5 2.5 管道中液流的特性管道中液流的特性一、液体的流态液体的流态动画演示动画演示雷诺实验动画演示雷诺实验动画演示 2流态流态 液体质点互不干扰，流动呈线性或层液体质点互不干扰，流动呈线

29、性或层状，平行于管道轴线，没有横向运动。状，平行于管道轴线，没有横向运动。 液体质点的运动杂乱无章，除沿管道液体质点的运动杂乱无章，除沿管道轴线运动外，还有剧烈的横向运动。轴线运动外，还有剧烈的横向运动。层流层流：紊流紊流： 3 3雷诺数雷诺数：液流由层流转变为紊流的雷诺数称为临界雷诺数Rer ，光滑的金属圆管， Rer2320 Re Rer 紊流紊流DH通流截面的水力直径水力直径，A通流截面积， 湿周HHevDvDR4非圆形截面的管道的雷诺数非圆形截面的管道的雷诺数ADH4 液压油在光滑的钢管中流动，运动粘度液压油在光滑的钢管中流动，运动粘度303010106 6 m m2 2/s/s，钢管

30、内径，钢管内径d d20mm20mm，临界雷，临界雷诺数诺数ReRe20002000，求流态变为紊流时管内液流的，求流态变为紊流时管内液流的流量？流量？解：解：例题：例题：1通流截面上流速的分布规律 管内流速在半径方向上按抛物线规律分布，最大流速umax发生在轴心上二、直管中的层流2流量流量3平均流速平均流速 4动能修正系数和动量修正系数动能修正系数和动量修正系数 层流时层流时 2 2 , ,4/3=1.334/3=1.33 pldplRrdruqR12882404pldAQv 322max21uv pldplRrdruQR 128824041紊流的脉动现象紊流的脉动现象2时均化原则时均化原则时均紊流视为稳定流动或准稳定流动。时均紊流视为稳定流动或准稳定流动。3.通流截面上速度分布规律通流截面上速度分布规律 水力光滑管、水力粗糙管水力光滑管、水力粗糙管4动能修正系数和动量修正系数紊流运动动能修正系数和动量修正系数紊流运动 =1， =1TudtuT0三、直管中的紊流三、直管中的紊流沿程压力损失沿程压力损失：液体在等径直管中流动时，因摩擦而产液体在等径直管中流动时，因摩擦而产 生的损失。生的损失。局部压力损失：局部压力损失：由于管道的截面突然变化，液流方向改由于管道的截面突然变化，液流方向改 变或其它形式的液流阻力而引起的损失。变