第2章--液压流体力学基础1

液压与气压传动第2章液压流体力学基础引言(INTRODUCTION)流体力学：宏观力学。FluidMechanics,FluidHydrodynamics，Hydrodynamics研究对象：流体(Fluid)。包括液体和气体。液体——无形状，有一定的体积；不易压缩，存在自由（液）面。气体——既无形状，也无体积，易于压缩。研究任务：研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围物体之间的相互作用。2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动1）传递能量和信号；2）润滑运动零件，减少摩擦和磨损；3）吸收、运送和传递系统所产生的热量；4）防止锈蚀；5）传输、分离和沉淀系统中的非可溶性污染物质；6）为元件和系统的失效提供和传递诊断信息。工作介质的功用2.1工作介质2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.1工作介质2.1.1使用要求与种类1、对工作介质的使用要求(1)粘度适当，粘温特性好（温度变化时粘度变化的幅度要小），压力对粘度影响要小。(2)润滑性能好，防锈能力强。(3)质地纯洁，杂质少，当污染物从外部侵入时能迅速分离。(4)化学稳定性好，长期工作不易因热、氧化或水解而变质。(5)抗泡沫性、抗乳化性能好。(7)对金属、密封件、橡胶软管等具有兼容性。(8)空气分离压、饱和蒸汽压及凝固点要低，闪点、燃点要高，能防火、防爆。(9)体积膨胀系数小；比热容大；对人体无害；成本低等。总之：粘度是第一位的2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2、工作介质的种类2.1工作介质2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.1工作介质液压工作介质命名按GB标准，“类组号－代号-尾注号－数字”。如：L－HL22，表示“防锈抗氧型液压油，在40℃时运动粘度的平均值为22mm2/s”。其中：“类组号L”：石油产品的总分类号，表示“润滑剂和有关产品”；“代号H”：表示液压系统用的工作介质。“尾注号”：表示其特殊性质，如：H表示由石油烃叠合或缩合等工艺制得的产品；G表示具有良好的粘-温特性，可减少导轨的爬行现象；D表示具有良好的低温起动性能；K表示对镀银部件具有良好的抗腐蚀性。“数字”：表示该介质在40℃时的运动粘度平均值。2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.1工作介质液压工作介质命名老牌号——20号液压油，指这种油在50°C时的平均运动粘度为20cst。新牌号——L—HL32号液压油，指这种油在40°C时的平均运动粘度为32cst。2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.1工作介质液压油选择首先根据工作条件（v、p、T）和元件类型选择油液品种，然后根据粘度选择牌号慢速、高压、高温：μ大（以↓△q）通常快速、低压、低温：μ小（以↓△P）流体的密度相对密度比容非均质：()均质流体比容密度的倒数相对密度式中──流体的密度（kg/m3）；──4℃时水的密度（kg/m3）。VmV0lim3mkg1v密度单位体内流体所具有的质量，表征流体在空间的密集程度＝mVdfw＝fw)(),,(rzyx2.1工作介质2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.1工作介质1、密度(Density)密度:单位体积液体的质量，称为液体的密度。Vm（kg/m3）2.1.2物理性质◎液压油的密度随压力的增加而加大；◎液压油的密度随温度的升高而减小；一般情况下变化都很小，可将其近似地视为常数。液压油液的密度一般液压油取ρ=900kg/m32021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2、可压缩性Compressibility可压缩性:液体的压强增大，体积缩小，密度增大的性质。VVpk1体积为V的液体，当压力增大△p时，体积减小△V，则流体在单位压力变化下体积的相对变化量，定义为体积压缩系数k。k——液体的体积压缩系数；V——液体的体积；ΔV——体积变化量；Δp——压力增量。2.1工作介质2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动体积弹性模量:液体体积压缩系数的倒数，简称体积模量。pVVkK1VVpk1体积压缩系数:液体在单位压力变化下的体积相对变化量。单位：Pa体积模量K物理意义：液体产生单位体积相对变化量时所需要的压力增量。2.1工作介质在实际应用中，常用K值说明液体抗压缩能力的大小：◎K值越大，液体抗压缩能力越强；◎K值越小，液体抗压缩能力越弱。2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动温度增大时，K值减小，可压缩性增大；压力增大时，K值增大；液体如果混有气泡时，K值将大大减小。液体的体积弹性模量与温度、压力有关：2.1工作介质一般认为油液不可压缩（因压缩性很小），计算时取：k=（1、4-1、9）*109N/m2若分析动态特性或p变化很大的高压系统,则必须考虑。流体的膨胀性当压强一定时，流体温度变化体积改变的性质称为流体的膨胀性，膨胀性的大小用温度膨胀系数来表示。膨胀性系数式中或为温度增量；为相应的体积变化率。由于温度升高体积膨胀，故二者同号。的单位为1/K或1/℃。VdTdVdTVdVaVdTdtVdV可压缩流体和不可压缩流体气体和液体都是可压缩的，通常将气体时为可压缩流体，液体视为不可压缩流体。水下爆炸：水也要视为可压缩流体；当气体流速比较低时也可以视为不可压缩流体。2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动3、粘性1）粘性(Viscosity)的概念粘性：流体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，液体内分子间的内聚力要阻止液体分子的相对运动，因而产生一种内摩擦力。流体内摩擦定律内摩擦力（试验结果表明）AFf流层接触面积流层间相对速度流层间距离dyFf1duFf2.1工作介质3.流体的粘性流体流动时产生内摩擦力的性质称为流体的黏性。流体内摩擦的概念最早由牛顿（I.Newton,1687，）提出。由库仑（C．A．Coulomb,1784，）用实验得到证实。库仑把一块薄圆板用细金属丝平吊在液体中，将圆板绕中心转过一角度后放开，靠金属丝的扭转作用，圆板开始往返摆动，由于液体的粘性作用，圆板摆动幅度逐渐衰减，直至静止。库仑分别测量了普通板、涂腊板和细沙板，三种圆板的衰减时间。2.1工作介质三种圆板的衰减时间均相等。库仑得出结论:衰减的原因，不是圆板与液体之间的相互摩擦，而是液体内部的摩擦。牛顿内摩擦定律（Newton’slawofinternalfriction）1686牛顿在《自然哲学的数学原理》中假设：“流体两部分由于缺乏润滑而引起的阻力速度梯度成正比”。上式称为牛顿粘性定律，它表明：⑴粘性切应力与速度梯度成正比；⑵粘性切应力与角变形速率成正比；⑶比例系数称动力粘度，简称粘度。•牛顿粘性定律已获得大量实验证实。kxf与固体的虎克定律作对比：e'f'g'h'tvxyyddxHUAF'——流体内摩擦切应力（垂直于y的平面上的流体切应力）——动力粘性系数U——上板移动速度粘性切应力由相邻两层流体之间的速度梯度决定,而不是由速度决定.粘性切应力由流体元的角变形速率决定，而不是由变形量决定.牛顿粘性定律指出：yddx流体粘性只能影响流动的快慢，却不能停止流动。公式适用条件：牛顿流体做层流运动牛顿内摩擦定律2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动式中：是比例常数，称为粘性系数或动力粘度。dyduAFf液体粘性示意图实验测定指出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比。即：（2-4）液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现粘性，静止液体是不呈现粘性的。粘性是流动液体内部各处的速度不相等。2.1工作介质2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动液体的粘性大小可用粘度来表示。粘度的表示方法有：动力粘度μ、运动粘度ν、相对粘度。dyduAFf以τ表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则上式可表示为：这就是牛顿的液体内摩擦定律。液体液体静止时，du/dy=0，不呈粘性。2）粘度（2-5）2.1工作介质2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动dudydyduAFf国际单位为Pa·s（帕·秒）1Pa·s=1N·s/m21Pa·s=10P（泊）=1000cP（厘泊）（1)动力粘度(Dynamicviscosity)：又称为绝对粘度(absoluteviscosity)。动力粘度：液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上的内摩擦力。由公式（2-4）得：2.1工作介质2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动运动粘度：液体动力粘度与液体密度之比。v中国液压油的牌号：用其在40℃时的运动粘度（以mm2/s计）平均值来表示。例如：L-HL32液压油，就是这种油在40℃时运动粘度平均值为32mm2/s(L表示润滑剂类，H表示液压油，L表示防锈抗氧型）。国际单位为m2/s。单位换算关系为1m2/s=106mm2/s＝106cSt(厘斯，cSt)（2）运动粘度(kinematicviscosity)：2.1工作介质2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动（3）相对粘度(relativeviscosity)：又称条件粘度(conditionalviscosity)。相对粘度：采用特定的粘度计在规定的条件下测量出来的粘度。2.1工作介质恩氏度0E——中国、德国、前苏联等用赛氏秒SSU——美国用雷氏秒R——英国用巴氏度0B——法国用2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动21/ttEt将200mL温度为t℃的被测液体从恩氏粘度计的容器内底部Φ2.8mm的小孔流尽所需时间t1，再测出200mL温度为20℃的蒸馏水所需的时间t2，在t℃下的恩氏粘度为：恩氏粘度的测定方法为：2.1工作介质工业上常用20℃、50℃、100℃作为测定恩氏粘度的标准温度，其恩氏粘度分别为°E20、°E50、°E100。2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动610)(ttEBEA；，，当64.8B8A2.335.1tE恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系式：。，，当4B6.7A2.3tE2.1工作介质3）粘度特性温度是影响粘度的主要因素。当温度升高时，液体的粘度减小。影响液体粘度的主要因素是温度和压力。2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动液压油的粘度随温度变化的性质称为粘温特性。可以用粘度－温度曲线表示。如图所示。2.1工作介质压力增大时，粘度增大。但在一般的液体系统使用的压力范围内，粘度变化的数值很小，可以忽略不计。2021年7月22日星期四湖南工程学院——液压与气压传动2.1工作介质压力增大时，粘度增大。但在一般的液体系统使用的压力范围内，粘度变化的数值很小，可以忽略不计。1、粘度和压力的关系∵P↑，F↑，μ↑∴μ随p↑而↑，压力较小时忽略，32Mpa以上才考虑2、粘度和温度的关系∵温度↑，内聚力↓，μ↓∴粘度随温度变化的关系叫粘温特性，粘度随温度的变化较小，即粘温特性较好。常温常压下水的粘度是空气的55.4倍常温常压下空气的运动粘度是水的15倍622110m/s0.01cm/s5221510m/s0.15cm/s水空气3110Pas0.01P51.810Pas0.00018P水空气习题如图所示，转轴直径=0.36m，轴承长度=1m，轴与轴承之间的缝隙＝0.2mm，其中充满动力粘度＝0.72Pa.s的油，如果轴的转速200rpm，求克服油的粘性阻力所消耗的功率。解：油层与轴承接触面上的速度为零，与轴接触面上的速度等于轴面上的线速度：smdn/77.36036.020060＝设油层在缝隙内的速度分布为直线分布，即则轴表面上总的切向力为：)(10535