液压与气压传动 第5版 课件 第一章 液压流体力学基础

液压与气压传动流体动力与控制工程系讲课教师：刘银水1液压油液

液压油液是液压传动的工作介质，好比人体中的血液。对液压油液进行相关的了解，对正确理解液压传动原理、合理设计和使用液压系统十分重要。2液压油液一、液压油液的性质1、密度密度会随着温度的变化发生变化，对于液压油液来说，其随温度的变化量较小，一般可忽略不计。在实际工程中，液压油液的密度一般取900kg/m33液压油液一、液压油液的性质2、压缩性液压油液受压力作用而发生体积减小的性质称为其可压缩性。压缩系数：弹性模量：弹性模量反应了液体抵抗压缩能力的大小；液压油液弹性模量一般为K=(1.2~2)×103MPa，对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的。4液压油液一、液压油液的性质3、粘度①粘度的物理意义液体在外力作用下流动时，液体分子间内聚力会阻碍分子相对运动，即分子之间会产生一种内摩擦力，这种特性称为流体的粘性。5液压油液一、液压油液的性质3、粘度②粘度的分类动力粘度：运动粘度：工程上常用来标志液体的粘度。6液压油液一、液压油液的性质3、粘度②粘度的分类相对粘度：为了满足液压系统对液压油液的特别要求，将两种不同粘度的液压油液混合起来使用，称为调和油。调和粘度：7液压油液一、液压油液的性质3、粘度③粘度与温度的关系对于粘度不超过15oE的液压油液，当温度在30~150℃范围内，其运动粘度随温度变化的近似公式为：液压油液在不同温度下的粘度，还可以从相关图标中查出。8液压油液一、液压油液的性质3、粘度④粘度与压力的关系0<p<500MPa时，若系统压力不高，可不考虑压力对粘度的影响；若压力较高或压力变化较大时，压力的影响必须考虑。9液压油液一、液压油液的性质4、其它特性抗燃性、抗氧化性、抗凝性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性、导热性、稳定性、相容性等。10液压油液二、液压油液的要求和选用1、要求粘温性好；有良好的润滑性；成分要纯净；有良好的化学稳定性；抗泡沫性和抗乳化性好；材料相容性好；弹性模量大、燃点高；无毒，价格便宜。11液压油液二、液压油液的要求和选用2、选用选择液压油液首先考虑的是粘度：液压系统的工作压力：压力高，要选择粘度较大的液压油液；环境温度：温度高，选用粘度较大的液压油液；运动速度：速度高，选用粘度较低的液压油液；液压泵的类型。12液体静力学液体静力学是研究液体处于静止状态下的力学规律及这些规律的应用。13液体静力学一、静压力及其特性1、液体的静压力静止液体在单位面积上所受的法向力：若受力均匀：※流体静压力在物理学上叫压强，在工程实际应用中称为压力。14液体静力学一、静压力及其特性2、液体静压力的特性液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向；液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。15液体静力学二、静压力基本方程式1、静压力基本方程式16液体静力学二、静压力基本方程式1、静压力基本方程式压力由两部分组成：液面压力p0，自重形成的压力ρgh；液体内的压力与液体深度成线性规律递增；离液面深度相同处各点的压力相等，压力相等的所有点组成等压面，重力作用下静止液体的等压面为水平面；静止液体中任一质点的总能量p/ρg+Z保持不变，即能量守恒。17液体静力学二、静压力基本方程式2、压力的表示方法及单位绝对压力：以绝对真空为基准进行度量相对压力或表压力：以大气压为基准进行度量真空度：绝对压力不足于大气压力的那部分压力值18液体静力学二、静压力基本方程式2、压力的表示方法及单位1Pa（帕）=1N/m21bar（巴）=1×105Pa=1×105N/m21at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8×104N/m21mH2O（米水柱）=9.8×103N/m21mmHg（毫米汞柱）=1.33×102N/m219液体静力学三、帕斯卡原理液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向；可使速度（位移）放大，使速度（位移）缩小，改变速度（位移）的方向；液体内的压力是由负载决定的。20液体静力学四、静压力对固体壁面的作用力液体和固体壁面接触时，固体壁面将受到液体静压力的作用：当固体壁面为平面时，液体压力在该平面的总作用力F=pA

，方向垂直于该平面。当固体壁面为曲面时，液体压力在曲面某方向上的总作用力F=pAx

，Ax

为曲面在该方向的投影面积。21液体动力学液体动力学力学是研究液体流动时流速和压力的变化规律。主要包括三个重要方程：连续性方程伯努利方程动量方程22液体动力学一、基本概念1、理想流体和恒定流动理想流体：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：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变流动；若其中一个参数发生变化，称为非恒定流动23液体动力学一、基本概念2、通流面积、流量和平均流速通流面积：垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。流量：单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以q表示，单位为m3/s或L/min；平均流速：实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。假设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为v=q/A。24液体动力学二、流量连续性方程流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达方式。动画演示恒定流动状态下：25液体动力学三、伯努利方程伯努利方程方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达方式，揭示了流体流动过程中的能量变化规律。26液体动力学三、伯努利方程1、理想液体的伯努利方程27液体动力学三、伯努利方程2、实际液体的伯努利方程实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，hwg为单位质量液体在两截面之间流动的能量损失；

用平均流速替代实际流速，α为动能修正系数：28液体动力学三、伯努利方程3、例题如图示简易热水器，左端接冷水管，右端接淋浴莲蓬头。已知A1=A2/4和A1、h值，问冷水管内流量达到多少时才能抽吸热水？补充辅助方程：p1=pa－ρghp2=pa

v1A1=v2A2伯努利方程：代入计算得－h+v12/2g=(v1/4)2/2g

v1=(32gh/15)1/2

q=v1A1=(32gh/15)1/2A129液体动力学四、动量方程动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用，用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体的动量之差。30液体动力学四、动量方程当液流通过滑阀时，试求液流对阀芯的作用力？31液体动力学四、动量方程锥阀的锥角2α，液体在压力p的作用下以流量q流经锥阀，求作用在阀芯上的液动力的大小和方向？32液体动力学课后作业分析例1-5（图b）中内流式锥阀的液动力。下周四上课之前交。33液压与气压传动流体动力与控制工程系34管道流动由于流动流体具有粘性，在管道中流动时会和管壁产生摩擦力，以及在液体流动时突然转弯和通过阀口时会产生相互撞击和出现漩涡，因此流体在管道中流动时会产生阻力。流动液体在管路中流动时的压力损失和液体的流动状态有关。35管道流动一、流态与雷诺数1、流态层流：流速较低，液体质点间的粘性力起主导作用，液体质点受粘性的约束，不能随意运动。紊流：流速较高，液体质点间粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。动画演示36管道流动一、流态与雷诺数2、雷诺数试验表明：流体的流动状态不仅与圆管内的流速v有关，还与管道内径d、流体的运动粘度有关。表示了惯性力与粘性力之比。非圆截面管道：37管道流动一、流态与雷诺数2、雷诺数层流紊流紊流层流临界雷诺数：38管道流动一、流态与雷诺数2、雷诺数39管道流动二、圆管流动的沿程压力损失液体在等直径圆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。管道长度管道直径液体粘度液体流态雷诺数层流紊流40管道流动二、圆管流动的沿程压力损失1、层流时的沿程压力损失流速分布规律p241管道流动二、圆管流动的沿程压力损失1、层流时的沿程压力损失通过管道的流量管道内的平均流速42管道流动二、圆管流动的沿程压力损失1、层流时的沿程压力损失沿程压力损失43管道流动二、圆管流动的沿程压力损失2、紊流时的沿程压力损失44管道流动三、圆管流动的局部压力损失液体流经阀口、弯管、通流截面变化等这些地方时，由于液流方向和速度均发生变化，形成旋涡，使液体的质点间相互撞击，从而产生较大的能量损耗，形成了一定的压力损失。45管道流动三、圆管流动的局部压力损失46管道流动三、圆管流动的局部压力损失47管道流动三、圆管流动的局部压力损失※两相邻局部障碍之间的距离大于管道内径10~20倍的场合。48孔口流动液压控制阀对液流压力、流量和方向的控制通常通过一些特定的孔口来实现。对孔口的流量进行分析是研究液压控制阀节流调速的重要理论基础。49孔口流动一、薄壁小孔1、薄壁小孔结构及流态小孔的通流长度l与孔径d之比l/d<0.5时，称为薄壁小孔。动画演示D/d≥7，完全收缩D/d＜7，不完全收缩50孔口流动一、薄壁小孔2、通过薄壁小孔流速51孔口流动一、薄壁小孔3、通过薄壁小孔流量52缩缩孔口流动二、滑阀阀口53孔口流动三、锥阀阀口54孔口流动四、短孔和细长孔1、短孔小孔的通流长度l与孔径d之比0.5<l/d≤4时，称为短孔。55孔口流动四、短孔和细长孔2、细长孔小孔的通流长度l与孔径d之比/d>4时，称为细长孔。56缝隙流动液压元件内各零件间有相对运动，必须要有适当间隙。间隙过小，会使零件卡死；间隙过大，会造成泄漏。间隙中的流动一般为层流，一种是压差造成的流动称压差流动，另一种是相对运动造成的流动称剪切流动，还有一种是在压差与剪切同时作用下的流动。57缝隙流动一、平板缝隙压差流动剪切流动58缝隙流动二、圆柱环形缝隙在一些液压元件中，存在相对运动的零件，比如柱塞泵中的柱塞和柱塞孔、圆柱滑阀阀芯与阀体孔之间的间隙为圆柱形间隙。同心圆柱环形缝隙偏心圆柱环形缝隙59缝隙流动二、圆柱环形缝隙1、同心圆柱环形缝隙60缝隙流动二、圆柱环形缝隙2、偏心圆柱环形缝隙※在液压元件中，有配合的零件应尽量使其同心，以减小缝隙泄漏量。61缝隙流动三、圆锥环形缝隙及液压卡紧现象当柱塞或柱塞孔、阀芯或阀体孔因加工误差带有一定锥度时，两相对运动零件之间的间隙为圆锥形间隙，其间隙大小沿轴线方向变化。62缝隙流动三、圆锥环形缝隙及液压卡紧现象倒锥顺锥63缝隙流动三、圆锥环形缝隙及液压卡紧现象※开径向均压槽。64液压冲击和气穴现象一、液压冲击1、概念在液压系统中，由于某些原因（如速度急剧变化）液体压力在一瞬间突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象成为液压冲击。瞬间压力冲击不仅引起液压系统振动和噪声，而且会损坏密封装置、管道、元件，造成设备事故。65液压冲击和气穴现象一、液压冲击2、液压冲击类型迅速使油液换向或突然关闭油路，使液体流动受阻，动能转换为压力能，使压力升高。运动部件突然制动或换向，使压力升高。66液压冲击和气穴现象一、液压冲击3、减小液压冲击的措施延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间；限制管道流速及运动部件的速度；加大管道直径，尽量缩短管路长度；用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，吸收冲击能量；在容