1、第2章 液压流体力学基础液压与气动技术高等教育出版社01 液压油02 流体静力学03 流体动力学目录CONTENTS04 管路中液体的压力损失05 液体流经孔口及缝隙的流量-压力特性06 液压冲击及气穴现象液 压 油012.1.1 液压油的物理性质一一、液、液体的密度体的密度液体单位体积内的质量称为密度，通常用 表示：液压油的密度随压力的增加而加大，随温度的升高而减小。一般情况下，由压力和温度引起的这种变化都较小，可将其近似地视为常数。二、二、液体的粘性液体的粘性液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力会阻碍分子间的相对运动而产生一种内摩擦力，这一特性称做液体的粘性。2.1.1 液压油的物理性质
2、二二、液体的粘性液体的粘性在实验测定指出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力 F 与液层间的接触面积 A 及液层间的相对运动速度 du 成正比，而与液层间的距离 dy 成反比，即如以 表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则2.1.1 液压油的物理性质二二、液体的粘性液体的粘性1.动动力粘度力粘度 由此可知，动力粘度的物理意义是液体在单位速度梯度下流动时，液层间单位面积上产生的内摩擦力。动力粘度 又称绝对粘度。2.运动粘度运动粘度 动力粘度 与液体密度 之比叫做运动粘度，即其单位中有长度和时间的量纲，故称为运动粘度。2.1.1 液压油的物理性质二二、液体的粘性液体的粘性3.相对粘度相对粘度Et恩氏粘
3、度用恩氏粘度计测定。其方法是：将 200 mL温度为 t（以 为单位）的被测液体装入粘度计的容器，经其底部直径为 2.8 mm 的小孔流出，测出液体流尽所需时间 t1，再测出 200 mL温度为 20 的蒸馏水在同一粘度计中流尽所需时间 t2；这两个时间的比值即为被测液体在温度t 下的恩氏粘度，即工程中常采用先测出液体的相对粘度，再根据关系式换算出动力粘度或运动粘度的测量粘度方法。2.1.1 液压油的物理性质三三、液体的可压缩性液体的可压缩性液体受压力作用而体积缩小的性质称为液体的可压缩性。可压缩性用体积压缩系数 k 表示，并定义为单位压力变化下的液体体积的相对变化量。液体的压缩系数 k 的倒
4、数称为液体的体积弹性模量，用 表示。即2.1.1 液压油的物理性质四四、其他性质其他性质1.粘度与压力的关系粘度与压力的关系液体分子间的距离随压力增加而减小，内聚力增大，其粘度也随之增大。当压力不高且变化不大时，压力对粘度的影响较小，一般可忽略不计。当压力较高（大于 107 Pa）或压力变化较大时，需要考虑这种影响。2.粘温特性粘温特性温度变化对液体的粘度影响较大，液体的温度升高其粘度下降。液体粘度随温度变化的性质称为粘温特性。2.1.2 对液压油的要求及选用一一、对液压油的要求对液压油的要求1）合适的粘度和良好的粘温特性。2）润滑性能好。3）纯净度好，杂质少。4）对热、氧化、水解都有良好的稳
5、定性，使用寿命长。5）对液压系统所用金属及密封件材料等有良好的相容性。6）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小。7）比热容和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝固点低。二、二、液压油的选用液压油的选用液压系统通常采用矿物油，常用的有机械油、精密机床液压油、汽轮机油和变压器油等。一般根据液压系统的使用性能和工作环境等因素确定液压油的品种，当选购不到合适粘度的液压油时，可采用调和的方法得到满足粘度要求的调和油。2.1.3 液压油的污染及控制一一、污染物的种类及危害污染物的种类及危害1）固体颗粒会加速元件磨损，堵塞元件小孔、缝隙及过滤器，使液压泵和液压阀性能下降，产生噪声。2）水侵
6、入到液压系统会加速液压油氧化，并和添加剂起作用产生粘性胶质，堵塞滤芯。3）空气混入液压系统会降低液压油的体积模量，引起气蚀，降低润滑性。4）溶剂和表面活性化合物等化学物质会使金属腐蚀。5）液压系统中生成的微生物会使液压油变质，降低润滑性能，加速元件腐蚀。二二、污染的原因污染的原因液压系统的污染有外部侵入和内部生成两种原因。液压装置组装时残留下来的污染物主要是指切屑、毛刺、型砂、磨料、焊渣和铁锈等；从周围环境混入的污染物主要是指空气、尘埃、水滴等；在工作过程中产生的污染物主要是指金属微粒、锈斑、涂料和密封件的剥离片、水分、气泡以及液压油变质后的胶状生成物等。2.1.3 液压油的污染及控制三三、液
7、压油的污染控制液压油的污染控制1）严格清洗液压元件和液压系统。2）防止污染物从外界侵入3）采用高性能的过滤器。4）控制液压油的温度。5）保持液压系统所有部位良好的密封性。6）定期检查和更换液压油并使之形成制度流体静力学022.2 流体静力学一一、液、液体静压力及其特体静压力及其特性性单位面积上作用的表面力称为应力，它有切向应力和法向应力之分。静止液体各质点间没有相对运动，故不存在内摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力。液体静压力具有下列两个特性液体静压力具有下列两个特性：1）液体的静压力垂直于其受压平面，且方向与该面的内法线方向一致。2）静止液体内任意点处所受到的静压力在各个方向上都相等。2
8、.2 流体静力学二、液二、液体静力学基本方体静力学基本方程程液体静力学基本方程如下：静止液体内任意点的压力由两部分组成，即液面处压力 p0 和液体自重对该点产生的压力 gh。静止液体内的压力随液体的深度呈线性规律分布。静止液体内同一深度的各点压力相等，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是一个水平面。2.2 流体静力学三三、压、压力的表示方法及单位力的表示方法及单位压力的表示方法有绝对压力和相对压力（表压力）两种。绝对压力以绝对真空为基准来进行度量。相对压力以大气压 p0 为基准进行度量。绝对压力、相对压力、真空度的关系是：绝对压力 相对压力 大气压力；真空度 大气压
9、力 绝对压力2.2 流体静力学四四、静、静压传递原理压传递原理静压传递原理或帕斯卡原理：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各点。在液压传动系统中，通常是外力产生的压力要比液体自重（gh）所产生的压力大得多。因此认为静止液体内部各点的压力处处相等。2.2 流体静力学五、液五、液体对固体壁面的作用力体对固体壁面的作用力当承受压力的表面为平面时，液体对该平面的总作用力 F 为液体的压力 p 与受压面积 A 的乘积，其方向与该平面相垂直。如压力油作用在直径为 D 的柱塞上，则有当承受压力的表面为曲面时，由于压力总是垂直于承受压力的表面，所以作用在曲面上各点的力不平行但相等。作用在曲
10、面上的液压作用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。流体动力学032.3.1 基本概念一一、理想液体和恒定流动理想液体和恒定流动1.理理想液想液体体理想液体是一种假想的无粘性、不可压缩的液体，而把实际上既有粘性又可压缩的液体称为实际液体。2.恒定流动恒定流动液体流动时，液体中任意点处的压力、流速和密度都不随时间而变化，称为恒定流动；反之，称为非恒定流动。2.3.1 基本概念二二、流线、流束和通流截面流线、流束和通流截面1.流线流线流线是表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线。在此瞬时，流线上各液体质点速度方向与该曲线相切。流线既不能相交，也不能转折，是一条光滑曲线
11、。对于恒定流动，流线形状不随时间而变化。2.流束流束通过某截面 A 上所有各点作出流线，这些流线的集合构成流束。由于流线是不能相交的，所以流束内外的流线不能穿越流束表面。3.通流截面通流截面流束中与所有流线正交的截面称为通流截面，该截面上各点处的流束都垂直于此面。2.3.1 基本概念三三、流量与平均流速流量与平均流速1.流量流量单位时间内流过通流截面的液体的体积称为流量，用 q 表示。对于微小流束，通过该通流截面的流量为流过整个通流截面的流量为2.平均流速平均流速假设通流截面上流速均匀分布，该流速称为平均流速，用 v 表示，并定义为则平均流速为2.3.2 连续性方程液体流动的连续性方程：它说明
12、液体流过流管不同截面的流量是不变的。由上式知，当流量一定时，通流截面上的平均速度与其截面积成反比。2.3.3 伯努利方程一一、理想液体的伯努利方程理想液体的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。由理论推导可得到理想液体的伯努利方程为由于流束的 A1、A2 截面是任取的，因此伯努利方程表明，理想液体作恒定流动时，在同一流束内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。2.3.3 伯努利方程二二、实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程实际液体是有粘性的，流动时产生内摩擦力而消耗部分能量；同时，管道局部形状和尺寸的骤然变化使液流产生扰动，亦消耗能量。因此
13、，实体液体流动有能量损失存在。实际液体的伯努利方程为应用条件是：不可压缩液体作恒定流动；液体所受质量力仅为重力，且液流在所取计算点处的通流截面上为缓变流动。所谓缓变流动，是指流线之间的夹角很小和曲率半径很大的液流，即流线近似于平行的液流。2.3.4 动量方程动量定律指出：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的变化率，即管路中液体的压力损失042.4.1 液体的流动状态一一、层流和湍流层流和湍流19 世纪末，雷诺首先通过实验观察了水在圆管内的流动情况，发现液体有两种流动状态：层流层流和湍流湍流。实验结果表明，在层流时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线；而在
14、湍流时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。层流和湍流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用；湍流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。2.4.1 液体的流动状态二二、雷诺数雷诺数实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内平均流速 v 有关，还与管径 d 及液体的粘度v 有关。无论管径 d、液体平均流速 v 和液体运动粘度 如何变化，液流状态可用一个无量纲组合数 vd/来判断。这个组合数叫雷诺数 Re，即2.4.2 沿程压力损失一一、流速分布规律流速分布规律经理论推导得知，液体在圆管中
15、作层流运动时，速度对称于圆管中心线分布，在某一压力降p p1 p2 的作用下，液流流速 u 沿圆管半径 r 呈抛物线规律分布。当 r 0时，即圆管轴线上，流速最大，当 r R 时，流速为零。速度分布表达式为二、二、圆管层流的流量圆管层流的流量根据速度分布表达式可推导出圆管层流的流量 q 为2.4.2 沿程压力损失三三、圆管沿程压力损失圆管沿程压力损失湍流是一种很复杂的流动，值需按具体情况来确定。根据 Re 的取值范围，值可用下列经验公式计算：管壁粗糙度 值与制造工艺有关。计算时可考虑下列 取值；铸铁管取 0.25 mm，无缝钢管取0.04 mm，冷拔铜管取 0.001 5 0.01 mm，铝管
16、取 0.001 5 0.06 mm，橡胶软管取 0.03 mm。2.4.3 局部压力损失液体流经阀口、弯管及突然变化的截面时，产生的能量损失称为局部压力损失压力损失。一般用实验来得出局部阻力系数，然后按下式计算：液体流经各种阀的局部压力损失可由阀的产品技术规格中查得。查得的压力损失为在其公称流量 qn 下的压力损失 pn。当实际通过阀的流量 q 不等于公称流量 qn 时，局部压力损失可按下式计算：2.4.4 管路系统的总压力损失管路系统的总压力损失等于所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即应用上式计算系统压力损失，要求两个相邻局部阻力区间的距离（直管长度）应大于10 20 倍直管内径。否则
17、，液流经过一局部阻力区后，还没稳定下来，又要经过另一局部阻力区，将使扰动更严重，阻力损失将大大增加，实际压力损失可能大好几倍。液体流经孔口及缝隙的流量-压力特性052.5.1 小孔流量-压力特性一一、薄壁小孔流量薄壁小孔流量 压力特性压力特性薄壁小孔是指孔的长度 l 与其直径 d 之比 l/d 0.5，一般带有刃口边沿的孔。由于孔的长度很小，可不考虑其沿程损失。流经小孔的流量为薄壁小孔的流量与小孔前后压差的 1/2 次方成正比，且薄壁小孔的沿程阻力损失非常小，流量受粘度影响小，对油温变化不敏感，且不易堵塞。2.5.1 小孔流量-压力特性二二、短孔和细长孔的流量短孔和细长孔的流量 压力特性压力特
18、性一般指小孔的长径比 l/d 4 时为短孔，而 l/d 4 时为细长孔。液流在细长孔中的流动一般为层流，可用下式来表达其流量 压力特性，即2.5.2 液体流经缝隙的流量 压力特性一一、液体流经平行平板缝隙的流量液体流经平行平板缝隙的流量 压力特性压力特性1.固定平行平板缝隙固定平行平板缝隙液体在两固定平行平板间流动是由压差引起的，故也称压差流动。液体流经该平板缝隙的流量为液体流经两固定平行平板缝隙的流量 q 与缝隙高 的三次方成正比。这说明液压元件的间隙对泄漏的影响很大。2.5.2 液体流经缝隙的流量 压力特性一一、液体流经平行平板缝隙的流量液体流经平行平板缝隙的流量 压力特性压力特性2.相对
19、运动平行平板缝隙相对运动平行平板缝隙若一个平板以一定速度 v 相对另一固定平板运动。在无压差作用下，由于液体的粘性，缝隙间的液体仍会产生流动，此流动称为剪切流动，这种情况下通过该缝隙的流量为在压差作用下，液体流经相对运动平行平板缝隙的流量应为压差流动和剪切流动两种流量的叠加，即2.5.2 液体流经缝隙的流量 压力特性二二、液体流经环形缝隙的流量液体流经环形缝隙的流量 压力特性压力特性在液压传动系统中，流体流经同心和偏心环形缝隙是最常见的情况，如液压缸缸体与活塞之间的缝隙、阀套与阀芯之间的缝隙等。如图所示为偏心环形缝隙，通过该缝隙的流量为如果内外环间无相对运动，即没有剪切流动时，则液压冲击及气穴
20、现象062.6 液压冲击及气穴现象一一、液、液压冲压冲击击在液压系统工作过程中，管路中流动的液体往往会因执行部件换向或阀门关闭而突然停止运动。由于液流和运动部件的惯性，在系统内会产生很大的瞬时压力峰值，这种现象叫做液压冲击。液压冲击会引起振动和噪声。其压力峰值可超过工作压力的几倍；有时使某些液压元件，如压力继电器、顺序阀等产生错误动作而影响系统正常工作，甚至可能使某些液压元件、密封装置和管路损坏。二二、气穴现象、气穴现象在液压传动中，液压油总是含有一定量的空气。空气可溶解在液压油中，也可以气泡的形式混合在液压油中。对于矿物型液压油，常温时在一个大气压下含有 6 12 的溶解空气。如果某一处的压力低于空气分离压力时，溶解于油中的空气就会从油中分离出来形成气泡，当压力降至油液的饱和蒸气压力以下时，油液就会沸腾而产生大量气泡。这些气泡混杂在油液中，使得原来充满导管和元件容腔中的油液成为不连续状态，这种现象称为气穴现象。谢谢THANK YOU
