第二章 液压流体力学基础

第二章液压流体力学基础第1页，课件共46页，创作于2023年2月教学内容：液压油（重点）流体静力学流体动力学管路中液体的压力损失（重点、难点）孔口及缝隙的流量—压力特性（液压元件设计理论基础，定性了解）液压冲击及气穴现象第2页，课件共46页，创作于2023年2月

液压系统中完全靠液压油把能量从液压泵经管路、控制阀传递到执行元件，根据统计，许多液压设备的故障，皆起因于液压油的使用不当，故应对液压油要有充分的了解。

2.1液压油

第3页，课件共46页，创作于2023年2月1、液压油的用途（1）

传递运动与动力：将泵的机械能转换成液体的压力能并传至各处，由于油本身具有粘度，在传递过程中会产生一定的动力损失。（2）润滑：液压元件内各移动部位，都可受到液压油充分润滑，从而减低元件磨耗。（3）密封：油本身的粘性对细小的间隙有密封的作用。（4）冷却：系统损失的能量会变成热，被油带出。（5）防锈：2.1液压油

第4页，课件共46页，创作于2023年2月2、液压油的种类：（1）矿物油系液压油（可燃性）：主要由石腊基的原油精制而成，再加抗氧化剂和防锈剂，为用途最多的一种；其缺点为耐火性差。（2）耐火性液压油（难燃性）：专用于防止有引起火灾危险的乳化型液压油。有水中油滴型（o/w）和油中水滴形（w/o）两种，水中油滴型（o/w）的润滑性差，会侵蚀油封和金属；油中水滴形（w/o）化学稳定性很差。（3）专用液压油：航空、舰船、炮用及车辆制动用液压油。

2.1液压油

第5页，课件共46页，创作于2023年2月3、液压油的基本性质（1）密度：密度越大，泵吸入性越差。（2）闪火点与燃烧点：油温升高时，部分的油会蒸发而与空气混合成油气，此油气所能点火的最低温度称为闪火点，如继续加热，则会连续燃烧，此温度称为燃烧点。（3）粘性：流体流动时，沿其边界面会产生一种阻止其运动的流体磨擦作用，这种产生内摩擦力的性质称为粘性。（4）压缩性：有体积压缩系数β或其倒数体积弹性模数K表示。

液压油还有其他一些性质，如稳定性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性、以及相容性等。2.1液压油

第6页，课件共46页，创作于2023年2月4、液压油的粘性（1）牛顿内摩擦定律液体流动时相邻液层间的内摩擦力F与液层的接触面积A和液层间的相对运动速度du成正比，与液层间的距离dy成反比。F=μAdu/dy

(2）动力粘度μ(绝对粘度)单位：Pa.s,一般用P（泊dyn.s/cm2）、cP（厘泊）来表示，1Pa.s=10P=1000cP

动力粘度的物理意义：当速度梯度为1时，接触液层间单位面积上的内摩擦力。2.1液压油

第7页，课件共46页，创作于2023年2月4、液压油的粘性（3）运动粘度液体动力粘度与液体密度之比单位：m2/s,1m2/s=104cm2/s(斯，St)=106mm2/s(厘斯，cSt)油的牌号：40度的运动粘度的平均值(厘斯，cSt)表示（4）相对粘度相对粘度又称条件粘度。常用的有：恩氏粘度、赛氏粘度、雷氏粘度恩氏粘度：200ml，直径2.8mm，与20·c下蒸馏水的时间比较。中国、俄罗斯及德国采用。美国、英国采用通用赛氏粘度和商用雷氏粘度。（5）粘度测量：相对粘度—动力（运动）粘度2.1液压油

第8页，课件共46页，创作于2023年2月

粘性的影响：

液压油粘性对机械效率、磨耗、压力损失、容积效率、漏油及泵的吸入性影响很大。粘度是液压油的最重要的性能指标。

影响油的粘性的因素：（1）温度（粘温特性）

温度上升，粘度降低，造成泄漏、磨损增加、效率降低等问题；

温度下降，粘度增加，造成流动困难及泵转动不易等问题。液压设备运转时油液温度超过60度，就必须加装冷却器，因油温在60度以上，每超过10度，油的劣化速度就会加倍。（2）压力压力上升，粘度上升（影响较小，常忽略）2.1液压油

第9页，课件共46页，创作于2023年2月4、对液压油的要求（1）

适当的粘度和良好的粘温性；（2）有良好的化学稳定性（氧化安定性，热安定性及不易氧化、变质）（3）良好的润滑性，以减少相对运动间的磨损（4）良好的抗泡沫性（起泡少，消泡快）（5）体积膨胀系数低，闪点及燃点高（6）成分纯净，不含腐蚀性物质，具有足够的清洁度（7）对人体无害，对环境污染小，价格便宜2.1液压油

第10页，课件共46页，创作于2023年2月5、液压油的选用根据液压系统的使用性能和工作环境选用合适的品种；在品种确定的情况下，最主要考虑的是油液的粘度

具体选用考虑的因素：（1）液压泵的类型：在液压系统中，对液压泵的润滑要求苛刻，不同类型的泵对油的粘度有不同的要求，具体可参见有关资料。（2）液压系统的工作压力：工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油，以减少泄露；反之便选用粘度较低的油。p=7.0～20.0Mpa时，宜选用N46～N100的液压油；p＜7.0Mpa时，宜选用N32～N68的液压油。（3）运动速度：执行机构运动速度较高时，为了减小液流的功率损失，宜选用粘度较低的液压油。（4）工作环境温度高时选用粘度较高的液压油，减少容积损失。2.1液压油

第11页，课件共46页，创作于2023年2月6、液压油的污染与保养液压油使用一段时间后会受到污染，常使阀内的阀芯卡死，并使油封加速磨耗及液压缸内壁磨损，更为严重的会导致油泵损坏。三种需要注意的情况：1）污染：（1）外部侵入的污物；（2）内部生成的不纯物2）恶化：液压油的恶化速度与含水量、气泡、压力、油温、金属粉末等有关，

其中以温度影响最大，故液压设备运转时，须特别注意油温之变化。3）泄漏：液压设备因配管不良，油封破损是造成泄漏的原因，泄漏发生时空气、水、尘埃便可轻易的侵入油中，故当泄漏发生时，必须立即加以排除。7、液压油的更换目视法判定法：当油颜色混蚀并有异味时，须立即更换；定期更换法：约为5000-20000小时理化分析方法：测量液压油的粘度、酸值、水分及杂质）确定液压油是否需要更换。（油液质量快速分析仪）

2.1液压油

第12页，课件共46页，创作于2023年2月1.液压油的（

）具有明确的物理意义，它表示了液体在以单位速度梯度流动时，单位面积上的内摩擦力。A.动力粘度B.运动粘度C.恩氏粘度D.赛氏粘度2.当系统的工作压力、环境温度较高，工作部件运动速度较低时，为减少泄漏，宜采用粘度较（

）的液压油；当系统工作压力、环境温度较低，工作部件运动速度较高时，为了减少功率损失，宜采用粘度较（）的液压油。A.高低B.高高C.低高D.低低3.我国生产的机械油和液压油采用40OC时其（）的标号。A.动力粘度，PasB.恩氏粘度OEC.运动粘度mm²/sD.赛氏粘度思考题

第13页，课件共46页，创作于2023年2月1、液体静压力：

静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。静压力在液压传动中简称压力,在物理学中则称为压强。2.液体静压力有两个重要特性:（1）液体静压力垂直于承压面,其方向和该面的内法线方向一致。（2）静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等。

为什么？如果某点受到的压力在某个方向上不相等,那么液体就会流动,这就违背了液体静止的条件。2.2流体静力学第14页，课件共46页，创作于2023年2月3、液体静压力基本方程

由力平衡方程：

pdA=PodA+ρghdA式中，ρgh△A为小液柱的重力，ρ—液体的密度上式化简后得：p=p0+ρgh2.2流体静力学第15页，课件共46页，创作于2023年2月3、液体静压力基本方程说明什么问题：（1）

静止液体中任何一点的静压力为作用在液面的压力Po和液体重力所产生的压力ρgh之和。（2）

液体中的静压力随着深度h而线性增加。

（3）在连通器里，静止液体中只要深度h相同其压力都相等。p=p0+ρgh2.2流体静力学第16页，课件共46页，创作于2023年2月3、应用液体静压力基本方程：

例1-1如图1-3所示，容器内盛油液。已知油的密度

=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面积A=1×10-3m2，假设活塞的重量忽略不计。问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少？

2.2流体静力学第17页，课件共46页，创作于2023年2月解:活塞与液体接触面上的压力均匀分布，有根据静压力的基本方程式（1-3），深度为h处的液体压力

=106+900×9.8×0.5

=106+4410

106(Pa)从本例可以看出，液体在受外界压力作用的情况下，液体自重所形成的那部分压力

gh相对甚小，在液压系统中常可忽略不计，因而可近似认为整个液体内部的压力是相等的。以后我们在分析液压系统的压力时，一般都采用这种结论。2.2流体静力学第18页，课件共46页，创作于2023年2月4、绝对压力、表压力及真空度

根据度量方法的不同有所谓的表压力又称相对压力（gaugepressure）和绝对压力（absolutepressure）之分。以当地大气压力(atmosphere)为基准所表示的压力称为表压力。以绝对零压力作为基准所表示的压力称为绝对压力。

表压力=绝对压力-大气压力如液体中某点处的绝对压力小于大气压力，这时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值，称为真空度。

真空度=大气压力-绝对压力

2.2流体静力学第19页，课件共46页，创作于2023年2月4、绝对压力、表压力及真空度有关表压力、绝对压力和真空度的关系见图。2.2流体静力学第20页，课件共46页，创作于2023年2月2.2流体静力学5、静压传递原理（帕斯卡原理Pascal’sPrinciple）

在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以等值传到液体的各点

第21页，课件共46页，创作于2023年2月2.2流体静力学6、液体对固体壁面的作用力当承压面为平面时液体对该平面的总作用力为液体的压力与受压面积的乘积当承压面积为曲面时作用在曲面上的液压力在某一方向上的分力等于静压力与曲面在该方向投影面积的乘积第22页，课件共46页，创作于2023年2月2.3流体动力学1、基本概念理想液体--无粘性、不可压缩的液体恒定流动—液体中任意点的压力、流速、密度不随时间变化动画1

动画2流线—表示某一瞬间液流各质点运动状态的曲线流束—流线的集合通流面积—与流线正交的通流截面流量—单位时间通过通流面积的液体的体积平均流速—流量/有效面积第23页，课件共46页，创作于2023年2月2、连续定理(PrincipleofContinuity)液体在密封管道作恒定流动时，单位时间液体通过管内任一截面的液体质量相等。

Q=AV=A1V1=A2V2=常量

基本概念：运动速度取决于流量，而与流体的压力无关。2.3流体动力学第24页，课件共46页，创作于2023年2月

例：如图所示为相互连通的两个液压缸，已知大缸内径D=100mm,小缸内径d=20mm,大活塞上放上质量为5000kg的物体。问:1.在小活塞上所加的力F有多大才能使大活塞顶起重物？2.若小活塞下压速度为0.2m/s，试求大活塞上升速度？

2.3流体动力学第25页，课件共46页，创作于2023年2月解：1．物体的重力为G=mg=5000kg×9.8m/s2=49000kg·m/s2=49000N根据帕斯卡原理，由外力产生的压力在两缸中相等，即故为了顶起重物应在小活塞上加力为=×49000N=1960N2.由连续定理：Q=AV=常数得出：故大活塞上升速度：本例说明了液压千斤顶等液压起重机械的工作原理，体现了液压装置的力放大作用。

2.3流体动力学第26页，课件共46页，创作于2023年2月3、伯努利方程（1）理想液体的伯努利方程（2.3.3及2.3.4）动画

(单位：Pa)

(单位：单位长度液柱)伯努利方程能量组成：压力能（比压能）、位能（比位能）、动能（比动能）

2.3流体动力学第27页，课件共46页，创作于2023年2月3、伯努利方程（2）实际液体的伯努利方程（粘性和液流扰动，有能量消耗；微小流束通流截面的速度不相等）

应用条件:1)不可压缩液体恒流；2）仅有重力作用；3）缓变流动（3）液压传动中的简化（近似）形式（2.3.6）（忽略高差及流速变化）2.3流体动力学第28页，课件共46页，创作于2023年2月4、动量方程（一般了解）作用在液流控制约束的外力等于液流控制束的动量变化2.3流体动力学第29页，课件共46页，创作于2023年2月一、选择题1.在密闭容器中，施加于静止液体内任一点的压力能等值地传递到液体中的所有地方，这称为（）A.能量守恒原理B.动量守恒定律C.质量守恒原理D.帕斯卡原理2.理想流体的（）表明，当理想作恒定流动时，在同一流束任意截面上的三种能量的总和等于常数，且三种能量之间可以互相转换。A.连续性方程B.伯努利方程C.动量方程D.帕斯卡原理

堂上练习第30页，课件共46页，创作于2023年2月1、液体流动中的压力和流量的损失概述（1）压力损失原因：液体具有粘性—液层间产生内摩擦管道局部形状和尺寸变化—液流脉动

压力损失的类型:沿程损失是当液体在等径直管中流过一段距离时，因摩擦而产生的压力损失。局部损失是由于管子截面形状突然变化、液流方向改变或其它形式的液流阻力而引起的压力损失。总压力损失=沿程损失+局部损失

2.4管道中液体的压力和流量损失第31页，课件共46页，创作于2023年2月1、液体流动中的压力和流量的损失概述（2）流量损失

在液压系统中,各被压元件都有相对运动的表面,如液压缸内表面和活塞外表面，因为要有相对运动,所以它们之间都有一定的间隙,如果间隙的一边为高压油,另一边为低压油,则高压油就会经间隙流向低压区从而造成泄漏（内部泄漏）。同时由于液压元件密封不完善，一部分油液也会向外部泄漏。这种泄漏造成实际流量有所减少,这就是我们所说的流量损失。

2.4管道中液体的压力和流量损失第32页，课件共46页，创作于2023年2月2、层流和紊流动画3、流动状态的判断--与流速、管径、粘度有关雷诺数定义：临界雷诺数Rec—判断层流和紊流的标准Re<Rec：层流Re>Rec：紊流2.4管道中液体的压力和流量损失第33页，课件共46页，创作于2023年2月4、沿程压力损失（1）定义：流体在等径直管中流动时因粘性摩擦而产生的压力损失（2）流速分布规律（3）圆管层流的流量

2.4管道中液体的压力和流量损失第34页，课件共46页，创作于2023年2月4、沿程压力损失（4）圆管沿程压力损失（层流和紊流时λ取值不同）

2.4管道中液体的压力和流量损失第35页，课件共46页，创作于2023年2月5、局部压力损失

--局部阻力系数（查表可得）

v--平均流速（下游）

2.4管道中液体的压力和流量损失第36页，课件共46页，创作于2023年2月例题有一段钢管，公称直径40mm，长1m，现已知通过运动粘度0.4cm2/s的油液，油液密度0.9g/cm3，流量400L/min,试求流过此段钢管的压力损失。2.4管道中液体的压力和流量损失第37页，课件共46页，创作于2023年2月例题解：（统一化为国际单位制）

1.计算雷诺数，判断流动状态大于光滑金属圆管临界雷诺数，属紊流。2.4管道中液体的压力和流量损失第38页，课件共46页，创作于2023年2月例题解：2.计算值（代入2.4.5式）3.计算沿程压力损失（代入2.4.4式）因直管无局部压力损失，故总的压力损失为沿程压力损失，即11756Pa。2.4管道中液体的压力和流量损失第39页，课件共46页，创作于2023年2月6、小结：管路系统压力损失计算步骤（1）计算雷诺数，判断各段等径直管的流动状态（层流、紊流）（2）按各段等径直管的流动状态，选取层流和紊流不同的λ值，代入

式计算的沿程压力损失。（3）计算管路系统各局部压力