第二章 流体力学基础(1-6)

《第二章 流体力学基础(1-6)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章 流体力学基础(1-6)（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 液压传动流体力学基础本章是学习液压传动理论基础的章节，集中了学习 本课程的基本概念、基本原理和基本定律（方程）。2.1 液压油2.2 液体静力学2.3 液体动力学2.4 流动阻力和能量损失2.5 孔口和缝隙流量2.6 空穴现象和液压冲击12.1 液压油 液压传动使用流体作为工作介质传递能量。在液压传动系统中，工作介质用来传递动力和信号的，同时对于液压传动系统来说液压油还起到润滑、冷却和防锈等作用。 2.1.1 液压油的种类 2液 压 工 作 介 质石 油 基 液 压 液 无添加剂的石油基液压液（L-HH） HH + 抗氧化剂、防锈剂（L-HL）HL + 抗磨剂（L-HM） HL + 增

2、粘剂（L-HR）HM + 增粘剂（L-HV） HM + 防爬剂（L-HG）难 燃 液 压 液 含水液压液 高含水液压液 （L-HFA）水包油乳化液（L-HFAE）水的化学溶液 （L-HFAS）合成液压液 油包水乳化液（L-HFB） 水-乙二醇（L-HFC） 磷酸酯液(（L-HFAE）) 氯化氢（L-HFAE） HFDR + HFDS（L-HFDT） 其它合成液压液（L-HFDU）举例：液压油：L- HL- 68L： 代表润滑剂类，H：代表液压油，L：代表防锈、抗氧 化型，最后的数字：代表运 动粘度。 2.1 液压油 32.1.2 液压油的性质 1 .密度密度单位体积液体的质量。=m/v kg/

3、m3密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常忽略，一般取=900kg/m3的大小（15OC）。重度：rG/v=g其中：Gmg2.1 液压油 42. 可压缩性和膨胀性液体受压力作用而发生体积缩小性质称为液体的可压缩性。可用体积压缩系数或体积弹性模量K表示 。液体受温度的影响而使体积发生变化的性质称为液体的膨胀性。液体的体积压缩系数定义定义： 体积为v的液体，当压力增大p时，体积减小v,则液体 在单位压力变化下体积的相对变化量。为：液体的体积压缩系数。单位压力所引起液体体积的变 化， p v， 为保证为正值，式中须加负号。式中 V：液体加压前的体积（m3）；V：加压后液体体积变化量（m3）

4、；p：液体压力变化量（N/ m2）；2.1 液压油 5液体的体积弹性模数定义：液体压缩系数的倒数液体的体积弹性模数公式：k = 1/= - p v /v液压油液的体积弹性模量K与温度T、压力P的关系：（1）温度增大时，K值减小，在液压油液正常的工作温度范围内，K值会有5%25%的变化。（2）压力增大时，K值增大；反之则减小，但这种变化不呈线性关系。当压力大于3MPa时，K值基本上不再增大。2.1 液压油 液体的体积弹性模数物理意义 表示单位体积相对变化量所需要的压力增量，也即液体抵抗压缩能力 的大小。一般认为油液不可压缩（因压缩性很小），计算时常取K=0.7103 MPa 6密封在容器内的液体

5、在外力作用下像一根弹簧：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。液体的可压缩性很小，在一般情况下 当液压系统在稳态下工作时可以不考 虑可压缩的影响。但在高压下或受压体积较大以及 对液压系统进行动态分析时，就需要 考虑液体可压缩性的影响。2.1 液压油 液压弹簧刚度73. 粘性及其表示方法（1）粘性的定义 动力粘度液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 体分子间的相对运动，由此产生一种内 摩擦力，这种现象被称为液体的粘性。 粘性是液体在流动时产生内摩擦力 的特性。静止液体则不显示粘性 2.1 液压油 内摩擦力82.1 液压油 92.1 液压油 10（2）粘性的度量液体

6、粘性的大小用粘度来表示。常用的液体粘度表示 方法有三种，即动力粘度、运动粘度和相对粘度。其物理意义：液体在单位速度梯度下流动或有流动趋势时，相接触的 液层间单位面积上产生的内摩擦力。2.1 液压油 动力粘度的法定计量单位为： 在国际单位制（SI）中的单位为：Pa.s(1Pa.s=1N.s/m2), 在工程上(CGS)用的单位是P(泊)或cP(厘泊)(1Pa.s=1N.s/m2=10P=103cP),11因为它的单位只有长度和时间的量纲，类似于运动学的量，所以被 称为运动粘度。它的法定计量单位为m2/s,以前沿用的单位为St（斯 ），其关系： 1m2/S=104St106cSt（厘斯）我国液压油

7、的牌号就是用它在温度为40oC时的运动粘度 平均值来表示的。液压油的粘度等级就是以其40C时运动粘度的某一平均 值来表示， 如L-HM32液压油（32号液压油）的粘度等级为32，则 40C时其运动粘度的平均值为32mm2/s 。2.1 液压油 12单位：无量纲相对粘度雷氏粘度R英国、欧洲赛氏粘度SSU美国恩氏粘度oE俄国、德国、中国200ml 温度为T的被测液体,流经恩氏粘度计小孔（2.8mm）所用时间t1，与同体积20度的水通过小孔所用时 间t2 (51s)之比。t2oE=t1恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系：2.1 液压油 13恩氏粘度2.1 液压油 142.1 液压油 15VI：表明试油

8、的粘度随温度的变化的程度与标准油的 粘度变化程度的相对值。VI值越大，表示油液粘度随温度的变化越小。2.1 液压油 162.1 液压油 pVc 即上临界速度下临界速度当V c Rec为紊流 雷诺数物理意义：雷诺数是液流的惯性作用对粘性作用的比。雷诺数大 ，惯性力起主导作用，液体处于紊流；雷诺数小时，粘性力起主导作用 ，液体处于层流。 732.4.2 沿程压力损失 液体在等径直管中流动时产生的压力损失称为沿程压力损失。该损失与液体的流动状态有关。 （一） 层流时的沿程压力损失 图2.24 圆管层流运动分析液体在等径水平直管中的层流流动如图2.24所示。取一段与管轴重合的微小圆柱体作为研究对象。液

9、体作匀速运动时该微元体处于受力平衡状态，即 式中，Ff是液体内摩擦力。这里用到了牛顿液体内摩擦定律。整理上 式可得 2.4 液体流动时的压力损失74对上式进行积分，并代入边界条件，得 可见，流速在半径方向上是按抛物线规律分布的，在管道轴线上流速 取最大值。通过微元体的流量微元为 2.4 液体流动时的压力损失积分上式可得 可见，层流流动时流量和相应的压差是线性关系。 75所以平均流速为 所以，沿程压力损失为 上式也可以写为 式中，是沿程阻力系数。实际计算时，对金属管取=75/Re，橡 胶管取=80/Re。2.4 液体流动时的压力损失76（二） 紊流时的沿程压力损失紊流时计算沿程压力损失的公式在形

10、式上与上式相同。不同的是此时的不仅与雷诺数有关，还与管壁的粗糙度有关，即=f(Re，/d）绝对粗糙度与管径d的比值/d称为相对粗糙度。对于光滑管，=0.3164Re 0.25；对于粗糙管，的值可以根据不同的Re和/d从图2.12中查出。表2.3给出了常见管壁的绝对粗糙度。2.4 液体流动时的压力损失772.4 液体流动时的压力损失沿 程 阻 力 系 数 曲 线 图返回782.4 液体流动时的压力损失返回792.4.3 局部压力损失 液体流经管道的弯头、接头、突变截面、阀口和滤网等局部装置时产生的压力损失称为局部压力损失。局部压力损失的计算公式如下 式中，pn阀在额定流量qn下的压力损失；qn阀

11、的额定流量；q阀的实际流量。 2.4 液体流动时的压力损失式中，局部阻力系数。各种局部装置结构的是由实验测定的，可 查手册。 阀类元件局部压力损失可按下式计算 80在液压传动系统中，绝大多数压力损失转变为热量，造成系统温度增高，泄漏增大，影响系统的工作性能。从计算压力损失的公式可以看出，较小流速，缩短管道长度，减小管道截面突变，提高管道内壁的加工质量等，都可以使压力损失减小。在管路系统的压力损失中，液体的流速影响最大，流速高压力损失会增大很多。但流速太低会增加管路和阀类元件的尺寸。合理选择液体在管路中的流速是液压系统设计中一个重要问题。2.4 液体流动时的压力损失2.4.4 管路系统总的压力损

12、失812.4 液体流动时的压力损失822.4 液体流动时的压力损失83孔口和缝隙流量在液压技术中占有很重要的地位，它涉及液压元件的密封性，系统的容积效率，更为重要的是它是设计计算的基础。在液压系统中，常利用液体流经阀的小孔或缝隙来控制流量和压力，以达到调速和调压目的。液压元件的泄漏也属于间隙流动。 2.5.1 孔口流量 2.5 孔口和缝隙流量84在液压系统中，孔口和缝隙流动是最常见的。研究液体在孔口和缝隙中 的流动规律，了解影响它们的因素，对液压系统的分析和设计都很有意 义。 （一）薄壁孔流量图2.31 (动画)2.5 孔口和缝隙流量孔口的长径比l/d0.5时称为薄壁孔，如图2.31所示。对孔

13、前通道断面1-1和收缩断面2-2之间的液体列出伯努力方程 。85式中，h1=h2，v1v2，2=1，局部损 失 ，整理上式后得：式中，Cv速度系数， ；p孔口前后压差，p=p1-p2。 由此可得通过薄壁孔口的流量公式为 式中， A2收缩断面面积，由实验测定；Cc收缩系数，Cc=A2/AT；AT孔口过流断面面积， AT=d2/4；Cq流量系数，Cq=CvCc。 Cc、Cv和Cq的数值可由实验确定。在液体完全收缩（d1/d7）的情 况下，Cq可查相关的图表或按下式计算 2.5 孔口和缝隙流量A1A2,所以v1=7)时，Cq=0.600.61。 当液体不完全收缩（d1/d4时为细长孔。细长孔中多为层

14、流，流量公式可用 前面推出的圆管流量公式，即 细长孔的流量总是与液体粘度有关的。2.5 孔口和缝隙流量882.5 孔口和缝隙流量（三）小孔流量通用公式892.5.2 缝隙流量 液压元件（特别是有相对运动的各部件）之间都存在缝隙（或称为间隙 ）。流过缝隙的油液流量就是泄漏量。了解影响泄漏量的因素是十分必 要的。 一）平行平板缝隙流量平板缝隙间的液体流动情况如图所示。设缝隙的长、宽、高分别为l、b、h，一般有bh和lh。液体在压差p=p1-p2和上平板运动的作用下流动。取其中的平行六面微元体做受力分析，显然有 2.5 孔口和缝隙流量90将牛顿液体内摩擦定律代入上式，整理后得 对y积分两次，代入相应

15、的边界条件，并考虑到液体作层流流动时压力 p只是x的线性函数，即 以及上平板可能有相反方向的运动，则有 由此得液体在平行平板缝隙中的流量为 如果将上面的流量理解为一种泄漏量，则泄漏量与缝隙的三次方成正比。 2.5 孔口和缝隙流量91（二）圆环缝隙流量在液压缸的活塞和缸筒之间，在液压阀的阀心和阀套之间都存在圆环 缝隙，下面分两种情况讨论。 1. 同心圆环缝隙流量同心圆环缝隙的结构和液体流动情况如图2.33所示。如果将圆环缝 隙沿圆周方向展开，就相当于一个平行平板缝隙。因此，只要用d取 代式（2.66）中的b，就可以得到内外表面有相对运动的同心圆环缝隙 流量公式，即 图2.33 同心圆环缝隙液流2.5 孔口和缝隙流量922.5 孔口和缝隙流量932. 偏心圆环缝隙流量偏心圆环缝隙的结构如图2.34所示。此时的流量公式为 式中，h内外圆同心时的缝隙值；相对偏心率，=e/h，e为偏心距。由此可见，当=0时，它就是同心圆环缝隙 的流量公式；当=1时，偏心圆环缝隙的流量 比同心圆环缝隙流量大了许多。可见，较高的 同心度可以减小泄漏量。 图2.34 偏心圆环缝隙流量2.5 孔口和缝隙流量94一、空穴现象 在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而产生气泡的现象，称为空穴现象。 在一定的温度下，如压力降低到某一值时，过饱和的空气将从油液中分离出来形成气泡，这一压力值称为该温度下的