液压流体力学基础知识

§2液压传动基础知识§2.1液压油§2.2液体静力学基础§2.3液体动力学基础§2.4管路内液流的压力损失§2.5孔口和缝隙的流量§2.6气穴现象和液压冲击§2.1液压油2.1.1液压油的主要性质单位体积液体的质量称为液体的密度。液体的密度为1.密度mVρ式中m：液体的质量(kg)；V：液体的体积（m3）；液压油的密度ρ=900kg/m3表2-1常用工作介质的密度（kg/m3）工作油液液体受增大的压力作用而使体积缩小的性质称为液体的可压缩性。液体的可压缩性可用体积压缩系数表示，它是指液体在单位压力变化下的体积相对变化量，用公式表示为2.可压缩性01VVpk液体压缩系数的倒数，称为液体的体积弹性模量，简称体积模量，用K表示，即01VVpkK液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，液体分子间内聚力要阻止分子间的相对运动，在液层相互作用的界面之间会产生一种内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。3.粘性yuAFddfyudd液体的粘性示意图（1）粘性的物理意义牛顿内摩擦定律单位面积上的内摩擦力表示粘性大小的物理量。流体抵抗剪切变形能力的度量，粘度大，这种能力强。（2）粘度动力粘度(绝对粘度)运动粘度相对粘度表示方法动力粘度：表征流动液体内摩擦力大小的粘性系数。运动粘度：液体动力粘度与密度的比值，没有明确的物理意义，但是工程实际中常用的物理量。一般的：同种介质比较大小时常用运动粘度不同介质比较大小时一般用动力粘度恩氏粘度0E——中国、德国、前苏联等用赛氏粘度SSU——美国用雷氏粘度R——英国用巴氏粘度0B——法国用液体的粘度随液体的压力和温度而变。对液压传动工作介质来说，压力增大时，粘度增大。在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可以忽略不计。但液压传动工作介质的粘度对温度的变化十分敏感，温度升高，粘度下降。这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用，其重要性不亚于粘度本身。（3）温度和压力对粘度的影响典型液压油的粘温特性曲线油液的其他物理机化学性质包括：防锈性、润滑性、抗燃性、抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、导热性、相溶性以及纯净性等。都对液压系统工作性能有重要影响。（4）其它性质粘温特性好有良好的润滑性有良好的化学稳定性成分要纯净抗泡沫性和抗乳化性好材料相容性好无毒、价格便宜燃点高，凝点低液压油的要求：2.1.2液压油的种类表2-2液压油的主要品种及其特性和应用2.1.3液压油的选用选择液压系统的工作介质一般需考虑以下几点：环境因素工作压力——压力高，选粘度较大的液压油环境温度——温度高，选粘度较大的液压油运动性能运动速度——速度高，选粘度较低的液压油液压泵的类型液压泵的类型——各类泵适用粘度范围见表2-62.1.4液压油的污染及控制液压油污染的危害液压油的污染源污染的控制造成系统故障降低元件寿命使液压油变质影响工作性质系统残留物外界侵入物内部生成物彻底清洗系统保持系统清洁定期清除污物定期换油§2.2液体静力学基础2.2.1液体的压力及其特性作用在液体上的两种力：质量力和表面力静压力：单位面积上所受的法向力。静压力在液体传动中简称压力，在物理学中称为压强。本书以后只用“压力”一词。静止液体中某点处微小面积A上作用有法线力F，则该点的压力定义为1.液体的压力AFpA0lim若法向作用力F均匀地作用在面积A上，则压力可表示为AFp2.液体静压力的重要特性（1）液体静压力的作用方向始终向作用面的内法线方向。由于液体质点间内聚力很小，液体不能受拉只能受压。（2）静止液体中，任何一点所受到各个方向的液体静压力都相等。2.2.2液体静力学基本方程及其物理意义静压力基本方程ghpp0重力作用下静止液体的受力分析可以看出：静止液体在自重作用下任何一点的压力随着液体深度呈线性规律递增。液体中压力相等的液面叫等压面，静止液体的等压面是一水平面。2.2.3压力的传递由帕斯卡原理可知，由外力作用所产生的压力可以等值地传递到液体内部所有各点，故在液体内部各点的压力也就处处相等了。液压传动是依据帕斯卡原理实现力的传递、放大和方向变换的。液压系统的压力完全决定于外负载。2.2.4压力的表示方法及单位相对压力（表压力）:以大气压力为基准，测量所得的压力，是高于大气压的部分。绝对压力:以绝对零压为基准测得的压力绝对压力=相对压力+大气压力真空度:如果液体中某点的绝对压力小于大气压力，则称该点出现真空。此时相对压力为负值，常将这一负相对压力的绝对值称为该点的真空度真空度=|负的相对压力|=|绝对压力-大气压力|1.压力的表示方法2.压力的单位国际单位制单位国际单位制单位为Pa（帕）、N/m2（我国法定计量单位）或兆帕(MPa)，1MPa=106Pa。工程制单位kgf/cm2。国外也有用bar(巴），1bar=105Pa。标准大气压1标准大气压=101325Pa。液体柱高度h=p/(ρg)，常用的有水柱、汞柱等，如1个标准大气压约等于10m水柱高。2.2.5液体静压力对固体壁面的作用力当承受压力的固体壁面为平面时:则作用在其上的总作用力等于压力与该壁面面积之积当承受压力的固体壁面是曲面时:曲面上总作用力在某一方向上的分力等于曲面在与该方向垂直平面内的投影面积与静压力的乘积。若已知曲面上总作用力在三个坐标轴方向的分量分别为Fx、Fy和Fz时，总作用力的大小为：24DpF21222)(ZYXFFFF§2.3液体动力学基础2.3.1基本概念1.理想液体和恒定流动理想液体恒定流动假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。恒定流动与非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。2.流线、流束、流管和通流截面流线流束某一瞬时液流中一条条标志其各处质点运动状态的曲线。在流线上各点处的瞬时液流方向与该点的切线方向重合，在恒定流动状态下流线的形状不随时间而变化。对于非恒定流动来说，由于液流通过空间点的速度随时间而变化，因而流线形状也随时间变化而变化。液体中的某个质点在同一时刻只能有一个速度，所以流线不能相交，不能转折，但可相切，是一条条光滑的曲线。许多流线组成的一束曲线。流管通流截面通过一条封闭曲线的密集流线束。垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。流线、流束、流管和通流截面3.流量和平均流速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。在通流截面A上取一微小流束的截面dA，则通过dA的微小流量为对上式积分，可得流经整个通流截面A的流量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4.层流、紊流和雷诺数层流液体流动时，液体质点间没有横向运动，且不混杂，作线状或层状的流动。液体流动时，液体质点有横向运动或产生小漩涡，作杂乱无章的运动。紊流ab雷诺实验雷诺实验动画雷诺数判断液体的流动状态是层流还是紊流，可以通过无量纲值雷诺数来判断。实验证明，液体在圆管中的流动状态可用下式来表示Redv常见管道的临界雷诺数2.3.2流体连续性方程液流连续性方程推导用图流体连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达方式。液体在管内作恒定流动，任取1、2两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的液体质量相等，即：ρ1v1A1=ρ2v2A2不考虑液体的压缩性则得q=vA=常量流量连续性方程说明了恒定流动中流过各截面的不可压缩流体的流量是不变的。因而流速与通流截面的面积成反比。管细流速大，管粗流速小连续性方程在液压系统中的应用2.3.3伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的表达方式。1.理想液体的伯努利方程在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能和动能三种形式的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。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，ΔPW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。层流为2，紊流为1.例1：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？3.伯努利方程应用举例例2：用伯努利方程分析如图所示液压泵的吸油过程，试分析吸油高度H对泵工作性能的影响。例3：如图，已知液压泵的流量q=32L/min，吸油管内径d=20mm，液压泵吸油口距离液面高度h=500mm，油箱足够大，液压油的运动粘度v=20x10-6m2/s，密度ρ=900kg/m3.试求：1.吸油管中油液的流速？2.判别吸油管中油液的流态？3.不计压力损失，泵吸油口的真空度？（为简化计算可取g=10m/s2）例4：如图，水箱两侧壁开一个小孔，水箱自由液面1-1与小孔2-2处的压力分别为P1和P2，小孔中心到水箱自由液面的距离为h，且h基本不变，如果不计损失，求水从小孔流出的速度。§2.4管路内液流的压力损失实际液体在管道中流动时，因其具有黏性而产生摩擦力，故有能量损失。另外，液体在流动时会因管道尺寸或形状变化而产生撞击和出现漩涡，也会造成能量损失。在液压管路中这种能量消耗表现为压力损失。损耗的能量转变为热能，使液压系统温度升高，性能变差。因此在设计液压系统时，应尽量减少压力损失。这种压力损失一般可分为两种，一种是沿程压力损失，一种是局部压力损失。2.4.1沿程压力损失液体在等截面直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。22flpd2.4.2局部压力损失局部压力损失，就是液体流经管道的弯头、接头、阀口以及突然变化的截面等处时，因流速或流向发生急剧变化而在局部区域产生流动阻力所造成的压力损失。由于液流在这些局部阻碍处的流动状态相当复杂，影响因素较多，因此除少数（比如液流流经突然扩大或突然缩小的截面时）能在理论上作一定的分析外，其它情况都必须通过实验来测定。2.4.3管路系统的总压力损失整个管路系统的总压力损失是系统中所有直管中的沿程压力损失和所有局部压力损失之和。减小液压系统压力损失的措施：减小流速缩短管道长度减小管道截面的突变提高管道内壁的加工质量例1：某液压泵装在油箱油面以下，液压泵的流量q=25L/min，所用液压油的运动粘度为20mm2/s，油液密度为900kg/m3，吸油管为光滑圆管，管道直径为20mm，过滤器的压力损失为0.2x105pa，试求油泵入口处的绝对压力。§2.5孔口的流量在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及方向的控制通常是通过特定的孔口来实现的，它们对液流形成阻力，使其产生压力降，其作用类似电阻，称其为液阻。“孔口流动”主要介绍孔口的流量公式及液阻特性。1.薄壁小孔的流量压力特性通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流量受液体温度影响较小.但流量与孔口前后压差的关系是非线性的。2.细长小孔的流量压力特性3.液体经小孔流动时流量压力的统一公式1.液压冲击概念在液压系统工作过程中，由于运动部件急速换向或关闭油路，因液流和运动部件的惯性作用，使系统内产生很高的瞬时压力峰值。2.液压冲击的危害引起振动，产生噪声引起系统误动作损坏密封装置、管道和液压元件3.解决措施缓慢关闭阀门在冲击源前设置蓄能器，减少冲击波传递距离在冲击源附近设置安全阀限制管中流速2.6.1液压冲击§2.6气穴现象和液压冲击在液压系统的工作介质中，不可避免地混有一定量的空气，当流动液体某处的压力低于空气分离压时，正常溶解于液体中的空气就成为过饱和状态，从而会从油液中迅速分离出来，使液体产生大量气泡。此外，当油液中某一点处的压力低于当时温度下的蒸汽压时，油液将沸腾汽化，也在油液中形成气泡。上两种情况都会使气泡混杂在液体中，使原来充满在管道或元件中的液体成为不连续状态，这种现象一般称为气穴现象。1.气穴现象概念2.解决气穴现象的措施减小阀口上的压力降，前后压力比小于3.5限制管中的流速，减小压力损失提高液压元件和管道的密封性能提高元件抗气蚀的能力2.6.2气穴现象如图，已知液压泵的流量q