液压与气压传动-第二版-教学课件-袁承训-主编-液压与气压传动第2章

在线教务辅导网：教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187

或者直接输入下面地址：在线教务辅导网：http://www.shangfuwang1第二章液压传动的基本知识第一节液压油第二节液体静力学基础第三节液体动力学方程第四节液体流动时的压力损失第五节液体流经小孔和缝隙的流量计算第六节液压冲击和空穴现象液压传动第二章液压传动的基本知识液压传动2液体是液压传动的工作介质。了解液体的某些基本物理性质，研究液体的静力学、运动学和动力学规律，对理解和掌握液压传动的基本原理是十分重要的。这些内容也是液压系统的合理使用及设计计算的理论基础。2液体是液压传动的工作介质。23第一节液压油2一、液压油的性质㈠密度式中，m——体积为V的液体的质量；

V——液体的体积。

计算时，常取15℃时的液压油密度单位体积液体的质量称为该液体的密度，用ρ表示第一节液压油2一、液压油的性质单位体积液体的质量称为该液体42㈡可压缩性式中，V——增压前液体的体积；

ΔV——压力变化Δp时液体体积的变化量；

Δp——液体压力的变化量。常用液压油的体积压缩系数液体受压力作用而发生体积减小的性质，用体积压缩系数κ表示。2㈡可压缩性液体受压力作用而发生体积减小的性质，52实际应用中，常用K值说明液体抵抗压缩能力的大小，它表示产生单位体积相对变化量所需的压力增量。

*对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的。只有研究液压系统的动态特性和高压情况下，才考虑油液的可压缩性。液体的体积压缩系数κ的倒数称为液体的体积弹性模量，用K表示。2液体的体积压缩系数κ的倒数称为液体的体积弹性模量，62㈢粘性⒈粘性的意义

实验测定指出：液体流动时，相邻液层间的内磨擦力F与液层间的接触面积A和液层间相对运动的速度du成正比，而与液层间的距离dy成反比。即液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动而产生内磨擦力的性质称为粘性。2㈢粘性液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍分子间的相72

若用单位面积上的磨擦力τ（切应力）来表示，则上式可以改写成式中，μ——比例系数，称为粘度系数；

du/dy——速度梯度，即相对运动速度对液层距离的变化率。上式称为牛顿液体内磨擦定律。2若用单位面积上的磨擦力τ（切应力）来表示，则上式82⒉液体的粘度⑴动力粘度μ

动力粘度又称绝对粘度，表征液体粘性的内磨擦系数。

其物理意义是：当速度梯度等于1时，流动液体液层间单位面积上的内磨擦力，即动力粘度。液体粘性的大小用粘度表示。常用的粘度有：动力粘度、运动粘度和相对粘度。2⒉液体的粘度液体粘性的大小用粘度表示。常用的粘度有：92⑵运动粘度ν

动力粘度μ和液体密度ρ之比称为运动粘度，用ν表示。

因其单位中只有长度和时间的量纲，所以称为运动粘度，运动粘度没有明确的物理意义，但在工程中常用它来标志液体的粘度。2⑵运动粘度ν102⑶相对粘度

又称条件粘度，它是采用特定的粘度计，在规定的条件下测出来的液体粘度。我国采用恩氏粘度（ºE）

恩氏粘度由恩氏粘度计测定，即将200cm3的被测液体装入底部有ф2.8mm小孔的恩氏粘度计的容器中，在某一特定温度t（℃）时，测定全部液体在自重作用下流过小孔所需的时间t1与同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需的时间t2的之比值，便是该液体在t（℃）时的恩氏粘度，表示为ºEt其与运动粘度之间可用下面经验公式换算2⑶相对粘度112⒊粘度与压力的关系式中，μ0——大气压力下液压油的动力粘度；

k——随液压油而异的指数，矿油型液压油k=0.015~0.03当压力增加时，液体分子间距离减小，内聚力增加，其粘度也有所增加，二者关系为2⒊粘度与压力的关系当压力增加时，液体分子间距离减小，内聚力122⒋粘度与温度的关系式中，ν40——温度40℃时液压油的运动粘度；

n——指数见下表液压油的粘度对温度的变化很敏感，温度升高，粘度将显著降低。ν403.49.314183348637689105119135207288368447535771n1.391.591.721.791.922.422.492.522.562.762.862.963.063.103.172⒋粘度与温度的关系液压油的粘度对温度的变化很敏感，ν403132液压油的粘温特性可以用粘度指数VI来表示，VI值越大表示油液粘度随温度的变化率越小，即粘温特性越好。㈣其他特性

液压油还有其它一些物理化学性质，如抗燃性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、抗磨性等。2液压油的粘温特性可以用粘度指数VI来表示，V142二、对液压油的要求和选用㈠要求

⑴粘温性好；

⑵润滑性能好；

⑶化学稳定性好；

⑷质地纯净，抗泡沫性好；

⑸闪点要高，凝固点要低。

㈡种类和选用

矿物油型； 合成型；

乳化型。2二、对液压油的要求和选用1522162217第二节液体静力学基础2一、液体的压力㈠液体的静压力及其特性若在液体的面积A上，所受的为均匀分布的作用力F时，则静压力可表示为

静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力，用p表示第二节液体静力学基础2一、液体的压力静止液体在单位面积上所182

液体的静压力在物理学上称为压强，但在液压传动中习惯称为压力。

液体的压力有如下特征：⑴液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致；⑵静止液体内，任意点处的静压力在各个方向上都相等。2液体的静压力在物理学上称为压强，但在液压传动中习192㈡静压力基本方程

由于液体处于平衡状态，在垂直方向上的力存在如下关系

2㈡静压力基本方程202

上式即为液体静压力基本方程，由上式可知：⑴静止液体内任一点处的压力由液面上压力和该点以上液体的自重所产生的压力。⑵静止液体内的压力沿液深呈线性规律分布，如下图。⑶离液面深度相同处各点的压力相等⑷对静止液体，液体内任一点的压力为p，与基准水平的距离为h，则由静压力基本方程式可得即任意一点总能量保持不变。2上式即为液体静压力基本方程，由上式可知：212㈢压力的表示方法及单位

根据度量基准的不同，液体压力分为绝对压力和相对压力两种。显然有真空度就是大气压力和绝对压力之差，即压力的单位为Pa（帕斯卡，简称帕）绝对压力=大气压力+相对压力真空度=大气压力-相对压力2㈢压力的表示方法及单位绝对压力=大气压力+相对压力222二、压力的传递

根据帕斯卡原理p1=p2=p，则或由此可得出一个重要概念：液压系统中，液体的压力是由外负载决定。在密闭的容器中，由外力作用所产生的压力可以等值地传递到液体内部的所有各点——这就是帕斯卡原理。2二、压力的传递在密闭的容器中，由外力作用所产生的压力可以等232三、液体作用于容器壁面上的力

由于静压力近似处处相等，所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布。

液压油作用于这块面积上的力的水平分力dFx为对上式积分，得缺体右侧内壁所受的x方向的作用力为2三、液体作用于容器壁面上的力24第三节液体动力学方程2一、基本概念⒈理想液体和恒定流动液体流动时，若液体中任何一点的压力、流速和密度都不随时间而变化，这种流动就称为恒定流动。⒉通流截面、流量和平均流速第三节液体动力学方程2一、基本概念252液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面称为通流截面。单位时间内流过通流截面的液体体积为体积流量，简称流量。假设流经通流截面的流速是均匀分布的，液体按平均流速流动通过流截面的流量等于以实际流速流过的流量。即

流截面上的平均流速为2液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面称为通流截面。262⒊层流、紊流、雷诺数雷诺实验：2⒊层流、紊流、雷诺数272实验证明，液体在管中流动时是层流还是紊流，不仅与管内平均流速有关，还和管径d、液体的运动粘度v有关。

对于非圆截面的管道，液流的雷诺数可按下式计算R为水力半径，是指通流有效截面积A和其湿周（有效截面的周界长度）X之比。即2实验证明，液体在管中流动时是层流还是紊流，不仅与管282二、连续性方程

该方程说明：在管道中作恒定流动的不可压缩液体，流过截面的流量是相等的，流速与通流面积成反比。2二、连续性方程292三、伯努利方程㈠理想液体的伯努利方程

其物理意义是：在流束内作恒定流动的理想液体具有三种形式的比能，即比压能、比动能和比势能，它们可相互转化，但在流束的任一处，这三种比能的总和是一定的。2三、伯努利方程302㈡实际液体的伯努利方程

应用伯努利方程时须注意：⑴截面1和2需顺流向选取，否则hw为负值；⑵截面中心在基准以上时，h取正值，反之取负值；⑶两通流截面压力的表示应相同，如p1是相对压力，p2也是相对压力。2㈡实际液体的伯努利方程312四、动量方程作用在物体上的力等于物体的动量变化率，即由此得ρ——流动液体的密度；qv——液体的流量；v1、v2——液流流经截面1-1和2-2的平均流速。2四、动量方程322应用动量方程时应注意：⑴实际液体有粘性，用平均流速计算动量时，需修正误差。⑵在具体应用时，应将该矢量向某指定方向投影，列出在该方向上的动量议程。⑶液体所受到固体壁面的作用力，而液体对固体壁面的作用力与F相同，但方向则与F相反。2应用动量方程时应注意：33第四节液体流动时的压力损失2一、沿程压力损失液体在直径不变的直管中流动时，由于液体内磨擦力的作用而产生的能量损失，称为沿程压力损失。第四节液体流动时的压力损失2一、沿程压力损失液体在直径不变342⒈流速的分布规律⒉通过管道的流量⒊管道内的平均流速⒋沿程压力损失2⒈流速的分布规律352二、局部压力损失

当实际通过的流量qv不是额定流量时，通过该阀的压力损失可按正式计算当液体流过弯头、突然扩大或突然缩小的管道断面以及各种控制阀时，液流将被迫改变其流速大小或方向，因而产生撞击、分离、脱流、旋涡等现象，于是产生液体流动阻力，造成的能量损失为局部压力损失。2二、局部压力损失当液体流过弯头、突然扩大或突然缩小的管道断362三、管道系统中的总压力损失或管道系统总的压力损失等于所有管道的沿程压力损失和所有局部压力损失之总和。2三、管道系统中的总压力损失管道系统总的压力损失等于所有管道37第五节液体流经小孔和缝隙的流量计算2一、液体流经小孔的流量计算⒈薄壁小孔的流量计算小孔的长度l、直径d的比值l/d≤0.5时，称为薄壁小孔。薄壁小孔因其沿程阻力非常小，通过小孔的流量与粘度无关，即流量对油温的变化不敏感。第五节液体流经小孔和缝隙的流量计算2一、液体流经小孔的流量382⒉短孔的流量计算

短孔的流量公式同上，但流量系数不同，一般⒊细长孔的流量计算小孔的长度l、直径d的比值l/d>4时称细长孔。由层流时直管的流量公式可得上述各小孔的流量可归纳为一个通用公式2⒉短孔的流量计算392二、液体流经缝隙的流量计算⒈平行平板缝隙

2二、液体流经缝隙的流量计算402⒉同心环形缝隙

2⒉同心环形缝隙412⒊偏心环形缝隙

2⒊偏心环形缝隙42第六节液压冲击和空穴现象2一、液压冲击㈠产生液压冲击的原因在液压系统中，由于某种原因引起液压油的压力在某瞬时突然急剧上升，形成一个很大的峰值⑴当管道内的液体运动时，如在某一瞬时将液流通路迅速切断，则液体的流速将突然降为零；⑵液压系统中的高速运动部件突然制动时；⑶当液压系统中的某些元件反应不灵敏时。第六节液压冲击和空穴现象2一、液压冲击在液压系统中，由于某432㈡液压冲击的危害

瞬时压力峰值有时比正常压力要大好几倍，这就容易引起液压设备振动，导致密封装置、管道和元件的损坏，有时还会使压力继电器、顺序阀等液压元件产生误动作，影响系统的正常工作。㈢减小液压冲击的措施⑴关闭阀门的速度不能过快；⑵在液压冲击源附近设置蓄能器；⑶限制管中流速；⑷在液压冲击源前装安全阀。2㈡液压冲击的危害⑴关闭阀门的速度不能过快；442二、气穴现象

在液流中，若某一点的压力低于相应温度的液体饱和蒸汽压力时，液体就会加速汽化，形成大量气泡。防止产生气穴现象和气蚀可采取下列措施：气泡混杂在油液中产生气穴，使油液成为不连续状态，称为气穴现象⑴减小液流在小孔或间隙处的压力降；⑵正确确定液压泵管径，对流速加以限制，降低吸油高度，对高压泵采用辅助泵供油；⑶整个系统的管道尽可能平直；⑷提高零件抗气蚀能力。2二、气穴现象气泡混杂在油液中产生气穴，⑴减小液流在小孔或间45在线教务辅导网：教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187

或者直接输入下面地址：在线教务辅导网：http://www.shangfuwang46第二章液压传动的基本知识第一节液压油第二节液体静力学基础第三节液体动力学方程第四节液体流动时的压力损失第五节液体流经小孔和缝隙的流量计算第六节液压冲击和空穴现象液压传动第二章液压传动的基本知识液压传动47液体是液压传动的工作介质。了解液体的某些基本物理性质，研究液体的静力学、运动学和动力学规律，对理解和掌握液压传动的基本原理是十分重要的。这些内容也是液压系统的合理使用及设计计算的理论基础。2液体是液压传动的工作介质。248第一节液压油2一、液压油的性质㈠密度式中，m——体积为V的液体的质量；

V——液体的体积。

计算时，常取15℃时的液压油密度单位体积液体的质量称为该液体的密度，用ρ表示第一节液压油2一、液压油的性质单位体积液体的质量称为该液体492㈡可压缩性式中，V——增压前液体的体积；

ΔV——压力变化Δp时液体体积的变化量；

Δp——液体压力的变化量。常用液压油的体积压缩系数液体受压力作用而发生体积减小的性质，用体积压缩系数κ表示。2㈡可压缩性液体受压力作用而发生体积减小的性质，502实际应用中，常用K值说明液体抵抗压缩能力的大小，它表示产生单位体积相对变化量所需的压力增量。

*对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的。只有研究液压系统的动态特性和高压情况下，才考虑油液的可压缩性。液体的体积压缩系数κ的倒数称为液体的体积弹性模量，用K表示。2液体的体积压缩系数κ的倒数称为液体的体积弹性模量，512㈢粘性⒈粘性的意义

实验测定指出：液体流动时，相邻液层间的内磨擦力F与液层间的接触面积A和液层间相对运动的速度du成正比，而与液层间的距离dy成反比。即液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动而产生内磨擦力的性质称为粘性。2㈢粘性液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍分子间的相522

若用单位面积上的磨擦力τ（切应力）来表示，则上式可以改写成式中，μ——比例系数，称为粘度系数；

du/dy——速度梯度，即相对运动速度对液层距离的变化率。上式称为牛顿液体内磨擦定律。2若用单位面积上的磨擦力τ（切应力）来表示，则上式532⒉液体的粘度⑴动力粘度μ

动力粘度又称绝对粘度，表征液体粘性的内磨擦系数。

其物理意义是：当速度梯度等于1时，流动液体液层间单位面积上的内磨擦力，即动力粘度。液体粘性的大小用粘度表示。常用的粘度有：动力粘度、运动粘度和相对粘度。2⒉液体的粘度液体粘性的大小用粘度表示。常用的粘度有：542⑵运动粘度ν

动力粘度μ和液体密度ρ之比称为运动粘度，用ν表示。

因其单位中只有长度和时间的量纲，所以称为运动粘度，运动粘度没有明确的物理意义，但在工程中常用它来标志液体的粘度。2⑵运动粘度ν552⑶相对粘度

又称条件粘度，它是采用特定的粘度计，在规定的条件下测出来的液体粘度。我国采用恩氏粘度（ºE）

恩氏粘度由恩氏粘度计测定，即将200cm3的被测液体装入底部有ф2.8mm小孔的恩氏粘度计的容器中，在某一特定温度t（℃）时，测定全部液体在自重作用下流过小孔所需的时间t1与同体积的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需的时间t2的之比值，便是该液体在t（℃）时的恩氏粘度，表示为ºEt其与运动粘度之间可用下面经验公式换算2⑶相对粘度562⒊粘度与压力的关系式中，μ0——大气压力下液压油的动力粘度；

k——随液压油而异的指数，矿油型液压油k=0.015~0.03当压力增加时，液体分子间距离减小，内聚力增加，其粘度也有所增加，二者关系为2⒊粘度与压力的关系当压力增加时，液体分子间距离减小，内聚力572⒋粘度与温度的关系式中，ν40——温度40℃时液压油的运动粘度；

n——指数见下表液压油的粘度对温度的变化很敏感，温度升高，粘度将显著降低。ν403.49.314183348637689105119135207288368447535771n1.391.591.721.791.922.422.492.522.562.762.862.963.063.103.172⒋粘度与温度的关系液压油的粘度对温度的变化很敏感，ν403582液压油的粘温特性可以用粘度指数VI来表示，VI值越大表示油液粘度随温度的变化率越小，即粘温特性越好。㈣其他特性

液压油还有其它一些物理化学性质，如抗燃性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、抗磨性等。2液压油的粘温特性可以用粘度指数VI来表示，V592二、对液压油的要求和选用㈠要求

⑴粘温性好；

⑵润滑性能好；

⑶化学稳定性好；

⑷质地纯净，抗泡沫性好；

⑸闪点要高，凝固点要低。

㈡种类和选用

矿物油型； 合成型；

乳化型。2二、对液压油的要求和选用6022612262第二节液体静力学基础2一、液体的压力㈠液体的静压力及其特性若在液体的面积A上，所受的为均匀分布的作用力F时，则静压力可表示为

静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力，用p表示第二节液体静力学基础2一、液体的压力静止液体在单位面积上所632

液体的静压力在物理学上称为压强，但在液压传动中习惯称为压力。

液体的压力有如下特征：⑴液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致；⑵静止液体内，任意点处的静压力在各个方向上都相等。2液体的静压力在物理学上称为压强，但在液压传动中习642㈡静压力基本方程

由于液体处于平衡状态，在垂直方向上的力存在如下关系

2㈡静压力基本方程652

上式即为液体静压力基本方程，由上式可知：⑴静止液体内任一点处的压力由液面上压力和该点以上液体的自重所产生的压力。⑵静止液体内的压力沿液深呈线性规律分布，如下图。⑶离液面深度相同处各点的压力相等⑷对静止液体，液体内任一点的压力为p，与基准水平的距离为h，则由静压力基本方程式可得即任意一点总能量保持不变。2上式即为液体静压力基本方程，由上式可知：662㈢压力的表示方法及单位

根据度量基准的不同，液体压力分为绝对压力和相对压力两种。显然有真空度就是大气压力和绝对压力之差，即压力的单位为Pa（帕斯卡，简称帕）绝对压力=大气压力+相对压力真空度=大气压力-相对压力2㈢压力的表示方法及单位绝对压力=大气压力+相对压力672二、压力的传递

根据帕斯卡原理p1=p2=p，则或由此可得出一个重要概念：液压系统中，液体的压力是由外负载决定。在密闭的容器中，由外力作用所产生的压力可以等值地传递到液体内部的所有各点——这就是帕斯卡原理。2二、压力的传递在密闭的容器中，由外力作用所产生的压力可以等682三、液体作用于容器壁面上的力

由于静压力近似处处相等，所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布。

液压油作用于这块面积上的力的水平分力dFx为对上式积分，得缺体右侧内壁所受的x方向的作用力为2三、液体作用于容器壁面上的力69第三节液体动力学方程2一、基本概念⒈理想液体和恒定流动液体流动时，若液体中任何一点的压力、流速和密度都不随时间而变化，这种流动就称为恒定流动。⒉通流截面、流量和平均流速第三节液体动力学方程2一、基本概念702液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面称为通流截面。单位时间内流过通流截面的液体体积为体积流量，简称流量。假设流经通流截面的流速是均匀分布的，液体按平均流速流动通过流截面的流量等于以实际流速流过的流量。即

流截面上的平均流速为2液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面称为通流截面。712⒊层流、紊流、雷诺数雷诺实验：2⒊层流、紊流、雷诺数722实验证明，液体在管中流动时是层流还是紊流，不仅与管内平均流速有关，还和管径d、液体的运动粘度v有关。

对于非圆截面的管道，液流的雷诺数可按下式计算R为水力半径，是指通流有效截面积A和其湿周（有效截面的周界长度）X之比。即2实验证明，液体在管中流动时是层流还是紊流，不仅与管732二、连续性方程

该方程说明：在管道中作恒定流动的不可压缩液体，流过截面的流量是相等的，流速与通流面积成反比。2二、连续性方程742三、伯努利方程㈠理想液体的伯努利方程

其物理意义是：在流束内作恒定流动的理想液体具有三种形式的比能，即比压能、比动能和比势能，它们可相互转化，但在流束的任一处，这三种比能的总和是一定的。2三、伯努利方程752㈡实际液体的伯努利方程

应用伯努利方程时须注意：⑴截面1和2需顺流向选取，否则hw为负值；⑵截面中心在基准以上时，h取正值，反之取负值；⑶两通流截面压力的表示应相同，如p1是相对压力，p2也是相对压力。2㈡实际液体的伯努利方程762四、动量方程作用在物体上的力等于物体的动量变化率，即由此得ρ——流动液体的密度；qv——液体的流量；v1、v2——液流流经截面1-1和2-2的平均流速。2四、动量方程772应用动量方程时应注意：⑴实际液体有粘性，用平均流速计算动量时，需修正误差。⑵在具体应用时，应将该矢量向某指定方向投影，列出在该方向上的动量议程。⑶液体所受到固体壁面的作用力，而液体对固体壁面的作用力与F相同，但方向则与F相反。2应用动量方程时应注意：78第四节液体流动时的压力损失2一、沿程压力损失液体在直径不变的直管中流动时，由于液体内磨擦力的作用而产生的能量损失，称为沿程压力损失。第四节液体流动时的压力损失2一、沿程压力损失液体在直径不变792⒈流速的分布规律⒉通过管道的流量⒊管道内的平均流速⒋沿程压力损失2⒈流速的分布规律802二、局部压力损失

当实际通过的流量qv不是额定流量时，通过该阀的压力损失可按正式计