液压与气压传动技术 课件 任务1.3 液压流体力学基础知识的认识

液压与气压传动技术1学习任务项目一液压传动基础知识的认识任务1.1液压传动的认识任务1.2液压传动工作介质的认识任务1.3液压流体力学基础知识的认识2任务1.3液压流体力学基础知识的认识3知识库一、液体静力学基础

液体静力学主要是研究液体处于相对平衡状态下的力学规律和这些规律的实际应用。

1．液体静压力及其特性1）液体静压力静止液体在单位面积上所受的法向力称为液体静压力，在物理学中称压强，在液压传动中称压力，用p表示。若法向力F（单位为N）均匀作用于面积A（单位为m2）上，则压力的法定单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa，1Pa=1N/m2，在工程中上常用单位为兆帕（MPa），1MPa=106Pa。2）液体静压力的特性（1）液体静压力沿着内法线方向并垂直于受压平面。（2）静止液体内任意一点处所受到的静压力在各个方向上都相等。任务1.3液压流体力学基础知识的认识

2．液体静力学基本方程如图1-4所示，计算距液面深度为h处某一点A的压力p。假想从液面往下取一个包含A点，高度为h，底面积为ΔA的小液柱为研究对象，这个小液柱在重力和周围液体压力作用下处于平衡状态，则有

得液体静力学基本方程：由方程可知：（1）静止液体中任一点的压力均由两部分组成，即液面上的压力p0和液体自重而引起的对该点的压力ρgh。（2）静止液体内的压力随液体距液面的深度变化呈线性规律分布。（3）在同一深度上各点的压力相等，压力相等的所有点组成的面为等压面，在重力作用下静止液体的等压面为一个平面。图1-4静止液体内压力分布规律任务1.3液压流体力学基础知识的认识4

3．压力的表示方法

压力通常有绝对压力、相对压力和真空度三种表示方法，如图1-5所示。绝对压力=大气压力+相对压力真空度=大气压力-绝对压力任务1.3液压流体力学基础知识的认识5

4．压力的传递

在密封容器内，施加于静止液体上的压力，能等值地传递到液体中各点，这就是液体压力传递原理，也称为帕斯卡原理。在液压传动中，由外力所产生的压力要比液体自重形成的压力大得多，为此可将静力学基本方程中的ρgh项忽略不计，而认为静止液体内各点的压力相等，即p=p0。如图1-6所示，负载F作用在密封容器的活塞上，活塞的横截面面积为A，由静压力公式可得p0=F/A，则得容器内深度为h处液体的压力p=F/A。液体内部的压力是由外界负载作用所形成的，即压力取决于负载。任务1.3液压流体力学基础知识的认识6图1-6液体内压力的计算

5．液体对固体壁面的作用力

当固体壁面为平面时，液体对固体壁面上的作用力F

等于液体压力p与该平面面积A

的乘积，即当固体壁面是曲面时，液体作用于曲面某x方向上的作用力等于液体压力p与曲面在该方向投影面积Ax的乘积，即任务1.3液压流体力学基础知识的认识78二、液体动力学基础液体动力学是研究液体在外力的作用下流动时的运动规律、能量转换和流动液体对固体壁面的作用力，这是液体动力学的基础。

1．基本概念

1）理想液体和恒定流动一般把液体既无粘性又不可压缩的假想液体称为理想液体。恒定流动是液体流动时，液体中任意一点处的压力、流速和密度不随时间而变化。反之，则是非恒定流动。2）流量和平均流速（1）流量q

指单位时间内流过某一通流截面（液体在管道中流动时，垂直于液体流动方向的截面）的液体体积，即任务1.3液压流体力学基础知识的认识9（2）平均流速v

平均流速是假设通流截面上各点的流速是均匀分布的，单位为m/s；并定义液体以平均流速流过通流截面的流量等于以实际流速流过该截面的流量，则有平均流速v等于流过通流截面的流量q与通流截面的面积A之比，即

在工程实际中，平均流速v才有应用价值。

如液压缸工作时，活塞的运动速度就等于液压缸内液体的平均流速。当液压缸活塞的有效工作面积一定时，活塞的运动速度由输入液压缸的流量决定，即流速取决于流量。

工程上指的流速一般均为平均流速。任务1.3液压流体力学基础知识的认识10

3）流态和雷诺数（1）层流和紊流液体在管道中流动时有层流和紊流两种流动状态。

层流时，液体质点互不干扰，液体分层流动，且平行于管道轴线。

紊流时，液体质点运动杂乱无章，既有轴向运动，也有横向运动。（2）雷诺数试验证明，液体在圆管中的流动状态与平均流速v、管道直径d及液体的运动粘度υ有关。

由这三个因数所组成的无量纲组合数称为雷诺数，用Re表示，即雷诺数可决定液体的流动状态。如果液体流动时的雷诺数相同，则流动状态也相同。工程中以临界雷诺数Rec作为判断液流状态的依据。当液流的实际雷诺数Re小于临界雷诺数Rec时，为层流；反之，为紊流。任务1.3液压流体力学基础知识的认识112．连续性方程连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。

如图1-7所示，管道中作恒定流动不可压缩的液体，则单位时间内流过任意两截面的液体质量相等，即任务1.3液压流体力学基础知识的认识图1-7连续性方程示意图连续性方程表明液体在同一管道中作恒定流动时，流量是一个常数；当流量一定时，流速与通流截面的面积成反比。123．伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。

如图1-8所示的理想液体在管道中作恒定流动，根据能量守恒定律，由理论推导可得管道上任意取两个通流截面间的理想液体伯努利方程为任务1.3液压流体力学基础知识的认识图1-8理想液体伯努利方程示意理想液体的伯努利方程表明在密封管道内做恒定流动的理想液体在任意一个通流截面上具有压力能、位能和动能三种形式的能量，流动中三种能量可以互相转换，但能量总和不变，即能量守恒。13任务1.3液压流体力学基础知识的认识

实际液体在管道中流动时，由于存在液体黏性，管道突变，流动时产生内摩擦力及液流扰动而消耗能量，因此造成能量损失Δpw。另外，实际流速在管道通流截面上分布是不均匀的，用平均流速来代替，必然会产生偏差，这样就需引入动能修正系数α来补偿产生的偏差，因此实际液体的伯努利方程为

伯努利方程是流体力学的重要方程。在液压传动中常与连续性方程一起应用来求解系统中的压力和速度问题。144．动量方程动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。它是研究液体流动时作用在液体上的外力与其动量的变化之间的关系。

液体做恒定流动，且忽略其可压缩性，则动量方程式为动量方程是一个矢量表达式。它表明作用在液流控制体上的外力合力等于单位时间内流出与流入控制表面的液体的动量之差。

液体对固体壁面的作用力（稳态液动力，简称液动力）与液体所受的外力是一对作用力与反作用力。因此，可按动量方程计算流动液体作用在固体壁面上的作用力。任务1.3液压流体力学基础知识的认识15三、管路中液流的压力损失压力损失分为沿程压力损失和局部压力损失两类。1．沿程压力损失液体在等径直管中流动时因粘性摩擦阻力而产生的能量损失称为沿程压力损失。试验证明：液体的沿程压力损失与管道长度、单位体积的动能成正比，与管径成反比，即沿程压力损失为

2．局部压力损失液体流经阀口、弯管、管接头及突变的截面等处时，液体速度的大小和方向发生变化，会产生漩涡并使质点互相撞击和摩擦而造成的能量损失，称为局部压力损失。局部压力损失可按下式计算任务1.3液压流体力学基础知识的认识163．管路系统的总压力损失管路系统的总压力损失等于系统中所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即减少管路系统中的措施：

减小流速

缩短管路的长度

减少管路截面突变和管路的弯曲

减少管路内壁的粗糙度和适当增大管路的直径

合理选用阀门元件等任务1.3液压流体力学基础知识的认识17四、液体流经小孔和缝隙的流量小孔及缝隙是液压元件和液压系统中常见的结构，前者用来调节流量或压力，以此来达到调速或调压的目的；后者会造成系统泄漏而降低效率。1．液体流经小孔的流量图1-9所示为液体流经的小孔。根据长度径之比分为薄壁孔、细长孔和短孔。

当l/d≤0.5时为薄壁孔；

当l/d＞4时为细长孔；

当0.5＜l/d≤4时为短孔。

任务1.3液压流体力学基础知识的认识图1-9液体在小孔中的流动18流经各种小孔的流量通用公式为（1）流经薄壁孔的流量与小孔的通流截面面积成正比，与小孔前后压差的平方根成正比。由于薄壁孔的流程很短，沿程阻力小，且不受粘度的影响，因而油温变化对流量影响也很小，薄壁孔处流速较高且不易堵塞，故常用作节流阀的阀口。（2）流经细长孔的流量由于与液体的动力粘度成反比，受油温的影响较大，同时细长孔易被堵塞，故常用作控制阀的阻尼孔。（3）流经短孔的流量计算可采用薄壁孔的公式，但流量系数Cq不同，一般取Cq=0.82。加工短孔比薄壁孔容易，故常用作固定的节流孔。任务1.3液压流体力学基础知识的认识2．液体流经缝隙的流量常见的缝隙有两个平行平板形成的缝隙和内、外圆柱表面形成的环状缝隙两种。液体流经缝隙的流量是由压差流动、剪切流动及压差流动和剪切流动联合流动引起的。液体流经缝隙的流量公式见表1-5。任务1.3液压流体力学基础知识的认识19

结论：在压差流动下流经缝隙的流量与缝隙高度δ的三次方成正比，可见液压元件内缝隙的大小对泄漏的影响很大，故要尽量提高元件的制造精度，以减小泄漏。通过同心环状缝隙的流量公式是偏心环状缝隙流量公式在ε=0时的特例，当e=δ、ε=l时，即完全偏心时，其压差流动的流量是同心环状缝隙的2.5倍。所以，应尽可能使液压配合元件的轴线处于同心状态。20五、液压冲击和气穴现象

1．液压冲击在液压系统中，由于某种原因引起液体压力在瞬间急剧升高，形成很大的压力峰值的现象，称为液压冲击。1）液压冲击产生的原因（1）快速关闭阀门，使流动液体突然停止，这时流动液体的动能在极短的时间内转化为较高的压力能而引起液压冲击。（2）运动部件突然制动或换向时，运动部件的动能将引起液压执行元件的回油腔和管路内的油液产生液压激振，导致液压冲击。（3）液压元件反应不灵敏导致液压冲击。如液压系统中压力突然升高时，溢流阀不能迅速打开阀口，便产生压力超调，形成液压冲击。任务1.3液压流体力学基础知识的认识21

2）液压冲击的危害引起振动和噪声，使某些液压元件，如压力继电器、顺序阀等产生误动作而影响系统正常工作。

损坏液压元件、密封装置和管路，造成设备事故。3）减小液压冲击的措施（1）开关阀门的速度要缓慢，减少冲击波的强度。（2）限制管道中液流的流速和运动部件的速度。（3）采用吸收液压冲击的能量装置，如蓄能器等。（4）在液压元件中设置缓冲装置。（5）在出现液压冲击的地方，安装限制压力的安全阀。（6）适当加大管道内径，缩短管道长度。（7）采用橡胶软管，以增加系统的弹性。任务1.3液压流体力学基础知识的认识222．气穴现象在流动的液体中，因某点处的压力