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1、 液压流体力学基础 机电教研室 本章主要内容 液压油的主要性质及选用流体静力学基础流体动力学基础管路中液流的压力损失液压冲击及气穴现象 第一节液压油的主要性质及选用 一 液压油的主要性质 液压传动以液体作为工作介质来传递能量和运动 因此 了解液体的主要物理性质 掌握液体平衡和运动的规律等主要力学特性 对于正确理解液压传动原理 液压元件的工作原理 以及合理设计 调整 使用和维护液压系统都是十分重要的 液体是液压传动的工作介质 同时它还起到润滑 冷却和防锈作用 液压系统能否可靠 有效地进行工作 在很大程度上取决于系统中所用的液压油液的物理性质 1 密度 单位体积液体内所含有的质量 以表示 说明 密
2、度是液压油的一个重要物理参数 随着液压油温度和压力的变化 其密度也会发生变化 但这种变化量通常很小 可以忽略不加 故实际应用中可认为液压油密度不受温度和压力变化的影响 一般液压油的密度为900kg m3 2 液体的可压缩性 1 定义 液体受压后体积缩小的性质 2 表示方法 受压液体在变化单位压力时引起的液体体积的相对变化量 压缩性系数 容积弹性模量 液体的压缩性系数的倒数 液压油液体积 压力增加 体积增量 定义体积压缩系数为 影响因素 容易被压缩 不易被压缩 说明 压力增大时 K值增大 但这种变化不呈线性关系 当p 3MPa时 K值基本上不再增大 液压油液中如混有气泡时 K值将大大减小 3 液
3、体的黏性 1 黏性的意义定义 液体在外力作用下流动时 液体分子间的内聚力阻碍其分子间的相对运动而产生一种内摩擦力的现象称为液体的黏性 式中 是衡量液体黏性的比例系数 称为绝对黏度 实验表明 液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A和液层间的速度梯度du dy成正比 即 剪切应力 牛顿内摩擦定律 2 液体的黏度液体黏性的大小用黏度来表示 常用的黏度有三种 即 动力黏度 运动黏度和相对黏度 1 动力黏度 绝对黏度 缪 物理意义 液体在单位速度梯度下流动时 接触液体层间单位面积上的内摩擦力 单位 Pa s 帕 秒 或者N s m2 2 运动黏度 纽 定义 液体的动力黏度 与其密度 的比值被
4、称为液体的运动黏度 单位 m2 s 米2 秒 或mm2 s 1m2 s 106mm2 s 液体的运动黏度没有明确的物理意义 但它在工程实际中经常用到 我国液压油的牌号就是用它在温度为40 时的运动黏度平均值来表示的 例如N32号液压油 就是指这种油在40 时的运动黏度平均值为32mm2 s 1 L HL22是什么意思 2 两种流体的黏度比较用哪一种黏度 3 相对黏度 条件黏度 动力黏度和运动黏度难以直接测量 因此在工程上常常使用相对黏度 相对黏度又称为条件黏度 它是采用特定的黏度计在规定的条件下测量出来的黏度 我国采用的相对黏度为恩氏黏度 E 恩氏黏度由恩氏黏度计测出 用木塞堵住锥形短管 将2
5、20cm2的被测液体注入贮液罐 将水箱中的水加热 一般 水等液体要求保持在20 润滑油50 燃料油80 迅速拔起塞杆 使被测液体从锥形短管流入长颈瓶 再用同样的步骤记下200cm2蒸馏水在同样温度下流经锥形短管所需的时间t0 约51秒 求得了恩氏粘度oEt后 可由下面的半经验公式求出被测液体的运动粘度 被测液体在规定温度下的恩氏粘度为 液压油对温度的变化很敏感 当温度升高时 黏度显著降低 这一特性称为液体的黏 温特性 黏 温特性常用黏 温特性曲线和粘度指数 来表示 3 黏温特性 工作介质的黏度变化直接影响液压系统的工作性能 因此黏度随温度的变化越小越好 黏度指数高 黏度随温度变化小黏温特性好
6、4 抗燃性闪点 指在此温度下 液体能产生足够的蒸汽 在特定条件下以一个微小的火焰接近它们时 在油液表面上的任何一点都会出现火焰闪光的现象 着火点 油液所达到的某一温度 在该温度下油液能连续燃烧5S 自燃着火点 油液在该温度下会自动着火 5 油液的机械稳定性指液体在长时间的高压作用 主要是挤压作用 下 保持其原有的物理性质的能力 液压油应具有良好的机械稳定性 6 油液的化学安定性指液体抗氧化的能力 液压油应具有良好的化学稳定性 并且不含杂质 二 液压油的分类 三 液压油的选择 1 液压油的使用要求 粘温特性好有良好的润滑性成分要纯净对热 氧化水解都有良好的化学稳定性 使用寿命长比热和传热系数大
7、体积膨胀系数小 闪点和燃点高 流动点和凝固点低 凝点 油液完全失去其流动性的最高温度 抗泡沫性和抗乳化性好 防锈性好材料相容性好 腐蚀性小对人体无害 对环境污染小 价格便宜无毒 2 选用 1 工作机械的特点 伺服系统 精密机械选低粘度 2 液压泵的类型 低压系统可以选用HL油 中高压系统用HM油 3 系统工作压力 5Mpa 40Mpa 控制泄漏 4 环境温度 温度高 选高粘度 5 运动速度 速度高 选低粘度 6 选择液压油品种 机械油 普通液压油 低温液压油 抗燃液压油 抗磨液压油 液压工作介质的污染液压工作介质被污染指的是介质中混入了微小固体颗粒及胶状生成物 空气 氯和水分等杂质的情况 油液
8、污染的原因及其控制措施原因 残留物的污染周围环境中污染物的侵入生成物污染控制 减少外来的污染滤除系统产生的杂质定期检查更换液压油液 练习题 1 我国油液牌号与40 时的平均粘度有关系 如油的密度 900kg m3 试回答以下几个问题 1 30号机油的平均运动粘度为 m2 s 2 30号机油的平均动力粘度为 Pa s 在液体静止时 40号机油与30号机油所呈现的粘性哪个大 练习题 2 20 时水的运动黏度为l 10 6m2 s 密度 1000kg m3 20 时空气的运动黏度为15 10 6m2 s 密度 1 2kg m3 试比较水和空气的黏度 A 水的黏性比空气大 B 空气的黏性比水大 3 黏
9、度指数高的油 表示该油 A 黏度较大 B 黏度因压力变化而改变较大 C 黏度因温度变化而改变较小 D 黏度因温度变化而改变较大 4 现有一桶机械用油 但不知油的牌号 若从桶中取出200mL 并在40 时 令其从恩氏黏度计的小孔中流出 测出其所用的时间为230s 计算该油动力粘度和运动黏度的数值 并判断油的牌号 练习题 第二节流体静力学基础 流体静力学的任务是研究液体处于相对平衡状态下的力学规律 以及这些规律的实际应用 所谓相对平衡是指流体质点之间无相对运动 流体静力学在工程实践中有着广泛的用途 许多机器和仪器就是根据流体静力学原理制造出来的 注意 对于处于静止平衡状态的流体 黏性将不起作用 所
10、以流体静力学理论无论对理想流体还是对实际流体都是适用的 一 液体的压力及其性质 1 质量力与流体质量成正比且作用在流体质量中心上的力称为质量力 举例 重力 惯性力单位质量流体所受的质量力称为单位质量力 2 表面力走路 游泳作用在所研究流体体积表面上的力就称为表面力 是由与流体相接触的其他物体 可以是流体 也可以是固体 的作用而产生的 单位面积上作用的表面力称为应力 法向应力 与流体表面垂直切向应力 与流体表面相切 法线 两层流体 作用力P 面积f 单位面积法向力p 单位面积切向力 单位 Pa或MPa 或 作用力 压力x面积 静压力及其性质 静止液体单位面积上所受的法向力称为静压力 液体静压力有
11、两个基本特性 1 液体静压力沿法线方向 垂直于承压面 2 静止液体内 任一点的压力 在各个方向上都相等 由上述性质可知 静止液体总是处于受压状态 并且其内部的任何质点都是受平衡压力作用的 如图所示 容器中静止液体所受的力有 液体重力 FG 液面上压力 p0 及容器壁面作用在液体上的反压力 该液体中任意一点的静压力可从液体中取微元体进行研究 微元体在垂直方向上的力的平衡方程为 静压力的基本方程 1 静压力基本方程 二 液体静力学基本方程及其物理意义 2 结论 液体内任意一点的压力由两部分组成 表面压力 p0 质量压力 gh 静止液体中压力随液体深度呈线性分布 压力相等的所有点组成的面积称为等压面
12、 在重力作用下 对均质连续介质 等压面是一个水平面 连通器中 同一水平线上的压力值相等 不互溶液体的分界面的压力相等 即 三 压力的传递 帕斯卡原理 若处于密封容器中静止液体的部分边界面上施加外力使其压力发生变化 只要液体仍保持其原来的静止状态不变 则液体中任一点的压力均将发生同样大小的变化 两缸互相连通 构成一个密闭容器 则按帕斯卡原理 缸内压力到处相等 p1 p2 于是如果垂直液缸活塞上没负载 则在略去活塞重量及其它阻力时 不论怎样推动水平液压缸活塞 不能在液体中形成压力 四 绝对压力 相对压力和真空度 以当地大气压力为基准所表示的压力 称为相对压力 相对压力也称表压力 压力有两种表示方法
13、 以绝对零压力作为基准所表示的压力 称为绝对压力 相对压力为负数时 工程上称为真空度 真空度的大小以此负数的绝对值表示 显然绝对压力 大气压力 相对压力 表压力 相对压力 表压力 绝对压力 大气压力真空度 大气压力 绝对压力 压力单位法定计量单位 标准大气压 0 101325MPa 工程大气压 0 0981MPa 讨论题 如图是两个水平放置的液压缸 若 mm mm N 试分析以下几种情况可否出现 活塞怎样运动 为什么 并计算相应情况下密封容积中液体的压力 1当活塞1上作用力F逐渐加到314N时 2当F为157N时 3当F逐渐加到628N时 五 液体作用在固体壁面上的力 当承受压力的表面为平面时
14、 当承受压力的表面为曲面时 曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积 例1如图中 液压缸直径D 150mm 柱塞直径d 100mm 负载F 5 104N 若不计液压油自重及活塞或缸体重量 试求图示两种情况下液压缸内的液体压力是多少 例2如图所示的连通器内装两种液体 其中已知水的密度1000kg m h 60cm h 75cm 试求另一种液体的密度是多少 例3如题3 7图中所示的压力阀 当p1 6MPa时 液压阀动作 若d1 10mm d2 15mm p2 0 5MPa 试求 1 弹簧的预压力Fs 2 当弹簧刚度k 10N mm时的弹簧预压缩量x0 例4
15、如图所示 U型管测压机内装有汞 其左端与装有油液的容器相连 右端开口与大气相通 已知 h1 0 1m h2 0 2m 汞的密度为油液的密度为 试计算A点的绝对压力和真空度 M M 例5如图所示 如图所示U形管测压计 已知汞的密度是 油的密度是 若U形管内为汞 不计油液的自重 当管内相对压力为一个标准大气压 0 101325MPa 时 汞柱的高度hg为多少 若U形管内为油 当管内的压力为一个工程大气压 0 0981MPa 时 油柱的高度hy为多少 例6如图所示 密闭容器中充满密度为 的液体 柱塞直径为d 重量为FG 在力F作用下处于平衡状态 柱塞浸入液体深度h 试确定液体在测压管内上升的高度x
16、第三节流体动力学基础 一 基本概念 理想液体 既不可压缩又无黏性的液体实际液体 既可压缩又有黏性的液体恒定流动 液体中任何一点的压力 速度和密度都不随时间而变化非恒定流动 如果液体流动时在压力 速度和密度中有一个量随时间变化 非恒定流动 恒定流动 迹线 液体质点在空间的运动轨迹流线 某一瞬时 在流动液体流场内作的一条空间曲线 曲线的切线方向代表了质点在该点的速度方向 流管和流束 在流场中作一封闭曲线 通过这样的封闭曲线上各点的流线所构成的管状表面称为流管 流管内的流线群称为流束 过流断面 在流场中作一面 若该面与通过面上的每一条流线都垂直 则称该面为通流截面 流量 单位时间内流过某通流截面的流体体积法定单位 米3 秒 m3 s 工程中常用升 分 L min 通流截面上的平均流速 平均流速 通流截面上各点均匀分布假想流速 v q Aq 0v 0q v q v 结论 液压缸的运动速度取决于进入液压缸的流量 并且随着流量的变化而变化 流管 在稳定流动的流体中任选截面s 并且通过它的周边各点作流线 由这些流线所组成的管状体就叫做流管 1 层流 流体分层流动 相邻两层流体间只作相对滑动 流层间没
