第2章 液压流体力学基础 (新版本)

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1、第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动第第 2 2 章章 流体力学基础流体力学基础 本章主要内容：本章主要内容：S2.1 S2.1 工作介质工作介质S2.2 S2.2 流体静力学流体静力学S2.3 S2.3 流体运动学流体运动学和和流体动力学流体动力学S2.4 S2.4 管道流动管道流动 S2.5 S2.5 孔口流动孔口流动S2.6 S2.6 缝隙流动缝隙流动第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动了解与液压技术有关的流体力学基本内容流体的静力学和动力学基本方程 流体经过薄壁小孔、短孔、细长孔等小孔的流动情 况，相应的流量公式,流体经过

2、各种缝隙的流动特性及 其流量公式液压冲击和气穴现象及其减小措施目的任务目的任务: : 重点难点重点难点: : 第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动Part 2.1Part 2.1 工作介质工作介质 工作介质：工作介质：在传动及控制中起传递能量能量和信号信号的作 用。流体传动及控制（包括液压与气动），在工作、性 能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于 载体载体的不同，前者采用工作介质。因此，掌握液压 与气动技术之前，必须先对其工作介质有一清晰的 了解 。第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动Part 2.1.1Part 2.1.

3、1 液压传动介质液压传动介质1. 1. 基本要求基本要求与种类种类 液压传动及控制所用的工作介质为液压油液液压油液或其他合成液体合成液体，其 应具备的功能功能如下 ：1 1）传动传动 把由液压泵液压泵所赋予的能量传递给执行元件执行元件； 2 2）润滑润滑 润滑液压泵液压泵、液压阀液压阀、液压执行元件液压执行元件等运动件 ； 3 3）冷却冷却 吸收并带出液压装置液压装置所产生的热量 ； 4 4）去污去污 带走工作中产生的磨粒磨粒和来自外界的污染物污染物 ； 5 5）防锈防锈 防止液压元件所用各种金属的锈蚀金属的锈蚀 。第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动为使液压系

4、统长期保持正常的工作性能使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要 求是: 1 1）可压缩性可压缩性 可压缩性尽可能小，响应性好；2 2）粘性粘性 温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性 好；3 3）润滑性润滑性 通用性对液压元件滑动部位充分润滑 ；4 4）安定性安定性 不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿 命长；5 5）防锈和抗腐蚀性防锈和抗腐蚀性 对铁及非铁金属的锈蚀性小 ；6 6）抗泡沫性抗泡沫性 介质中的气泡容易逸出并消除 ；第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动为使液压系统长期保持正常的工作性能使液压系统长期保持正常的工作

5、性能，对其工作介质提出的要 求还有： 7 7）抗乳化性抗乳化性 除含水液压液外的油液，油水分离要容易 ；8 8）洁净性洁净性 质地要纯净，尽可能不含污染物，当污染物从外部侵 入时能迅速分离；9 9）相容性相容性 对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性 ；1010）阻燃性阻燃性 燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性； 1111）其他其他 对工作介质的其他要求还有；无毒性无毒性和臭味臭味；比热容比热容和 热导率要大热导率要大；体胀系数要小体胀系数要小等 。School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液

6、压与气压传动能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压 系统中使用的工作介质按国际标准组织国际标准组织（ISOISO）的分类（我国国家 标准GB/T7631.21987GB/T7631.21987与此等效）如表表2-12-1所示 。工 作 介 质质类类 别别组组成与特性代 号石油基液压压液无添加剂剂的石油基液压压液 HH+抗氧化剂剂、防锈剂锈剂 HL+抗磨剂剂 HL+增粘剂剂 HM+增粘剂剂 HM+防爬剂剂 无特定难难燃性的合成液（特殊性能）LHH LHL LHM LHR LHV LHG LHS难难燃液压压液含水液压压液高含水液压压液水包油乳化液 水的化学溶液含水大于 80%（休

7、积积分数）LHFALHFAELHFAS油包水乳化液 含水小于 80%（体积积分数）LHFB含聚合物水溶液/水乙二醇液LHFC合成液压压液磷酸酯酯无水合成液LHFDLHFDR氯氯化烃烃无水合成液LHFDSHFDR和HFDS液混合的无水合成液LHFDT其他成分的无水合成液LHFDU表表2-12-1 液压传动工作介质的种类 第一章第一章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动目前90%以上的液压设备采用石油基液压油液石油基液压油液。基油为精制的石 油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不 同要求，往往在基油中加入各种添加剂。添加剂添加剂有两类：一类是 改善油液化学性能改

8、善油液化学性能的，如抗氧化剂抗氧化剂、防腐剂防腐剂、防锈剂防锈剂等；另一类 是改善油液物理性能改善油液物理性能的，如增粘剂增粘剂、抗磨剂抗磨剂、防爬剂防爬剂等 。为了军事目的军事目的，近年来在某些舰船液压系统中，也有以海水海水或淡淡水水为工作介质的。而且正在逐渐向水下作业水下作业、河道工程河道工程、海洋开海洋开 发发等领域延伸。 第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动2. 2. 物理性质物理性质 密度密度 单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度 。即：（2-12-1）式中 液体的密度；V V 液体的体积； m m 液体的质量 。第第2 2章章 流体力学基础流体力

9、学基础液压与气压传动液压与气压传动常用液压传动工作介质的密度值见表表2-22-2 工作介质质密度/（kgm3）工作介质质密度/（kgm3）抗磨液压压液LHM32 抗磨液压压液LHM46 油包水乳化液LHFB 水包油乳化液LHFAE0.8103 0.8875103 0.932103 0.9977103水乙二醇液压压液LHFC 通用磷酸脂液压压液LHFDR 飞飞机用磷酸酯酯液压压液L HFDR 10号航空液压压油1.06103 1.15103 1.05103 0. 85103表2-2 常用液压传动工作介质的密度（20） 液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量 一般很小，在工程计算中可

10、以忽略不计忽略不计 ,一般计算中，液压 油密度取900kg/m3。第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动可压缩性可压缩性 液体因所受压力增高压力增高而发生体积缩小体积缩小的性质称为可压缩性可压缩性。若压压 力为力为p p0 0时液体的体积为体积为V V0 0，当压力增加 p p，液体的体积减小 V V， 则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为：（2-22-2）式中， 称为液体的压缩率压缩率。由于压力增加时液体的体积减小，两 者变化方向相反，为使 成为正值，在上式右边须加一负号 。液体压缩率k k的倒数的倒数，称为液体体积模量体积模量，即 （2-32-3）第一章第

11、一章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动表表2-32-3所示为各种工作介质的体积模量体积模量。由表中石油基液压油体积石油基液压油体积 模量模量的数量可知，它的可压缩性是钢的100170100170倍倍（钢的弹性模 量为2.1105MPa） 。工作介质质体积积模量K/MPa工作介质质体积积模量K/MPa 石油基液压压油 水包油乳化液 油包水乳化液（1.22）103 1.95103 2.3103水乙二醇液压压液 磷酸酯酯液压压液3.45103 2.65103表2-3 各种工作介质的体积模量（20，大气压） 一般情况下一般情况下，K值很大，工作介质的可压缩性对液压系统性能影响可压缩

12、性对液压系统性能影响 不大不大，但在高压下在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压 机构时机构时，则必须予以考虑必须予以考虑 。第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动粘性粘性 1 1）粘性的表现）粘性的表现 液体在外力作用下流动时液体在外力作用下流动时，分子间内聚力内聚力的存在 使其流动受到牵制从而沿其界面产生内摩擦力内摩擦力，这一特性称为液 体的粘性粘性 。图2-1 液体粘性示意图 现以图图2-12-1为例说明液体的粘性。 若距离为距离为h h的两平行平板间充满液 体，下平板固定，而上平板以速度上平板以速度u u0

13、0向右平动由于液体和固体壁面间 的附着力及液体的粘性，会使流动 液体内部各液层的速度大小不等： 紧靠着下平板的液层速度为零紧靠着下平板的液层速度为零，紧紧 靠着上平板的液层速度为靠着上平板的液层速度为u u0 0，而中间各层液体的速度当层间距离 h h较小较小时，从上到下近似呈线性递线性递 减减规律分布。其中速度快的液层带 动速度慢的；而速度慢的液层对速 度快的起阻滞作用 。hydyu0yxO第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动实验测定表明，流动液体相邻液层间的内摩擦力内摩擦力F Ff f与液层接触面接触面 积积A A、液层间的速度梯度速度梯度d du u/d/

14、dy y成正比， 即：（2-42-4）式中，比例系数比例系数 称为粘性系数粘性系数或动力粘度动力粘度 。若以 表示液层间的切应力液层间的切应力，即单位面上的内摩擦力单位面上的内摩擦力，则上式可表 示为： （2-52-5）这就是牛顿液体内摩擦定律牛顿液体内摩擦定律 。由此可知，在静止液体中，由此可知，在静止液体中， 速度梯度速度梯度d du u/d/dy y=0=0，故其内摩擦力，故其内摩擦力 为零，因此静止液体不呈现粘性，为零，因此静止液体不呈现粘性， 液体只在流动时才显示其粘性。液体只在流动时才显示其粘性。 第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动2 2）粘性的度

15、量）粘性的度量 度量粘性大小的物理量称为粘度粘度。常用的粘度有三种，即动力粘度动力粘度、运动粘度运动粘度、相对粘度相对粘度 。 动力粘度动力粘度 由式（式（2-52-5）可知，动力粘度是表征流动液体 内摩擦力内摩擦力大小的粘性系数。其量值量值等于液体在以单位速度梯度流液体在以单位速度梯度流 动时动时，单位面积上的内摩擦力单位面积上的内摩擦力， （2-62-6）在我国法定计量单位制法定计量单位制及SISI制制中， 动力粘度动力粘度 的单位是PasPas（帕帕 秒秒）或用Ns/mNs/m2 2（牛牛 秒秒/ /米米2 2）表示 。如果动力粘度动力粘度只与液体种类液体种类有关有关而与速度梯度速度梯度无关无关，这种液体称为 牛顿液体牛顿液体，否则为非牛顿液体。石油基液压油一般为牛顿液体。 第第2 2章章 流体力学基础流体力学基础液压与气压传动液压与气压传动 运动粘度运动粘度v v 液体动力粘度动力粘度与其密度其密度之比之比称为该液体的运动粘运动粘 度度v v， 即（2-72-7）在我国法定计量单位制法定计量单位制及SISI制制中，运动粘度v的单位是mm2 2/s/s（米2/秒 ）。因其中只有长度和时间的量纲，故得