液压与气压传动2

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1、第1章 液压流体力学基础n液压流体力学是研究液体平衡和运动的力学规律的一 门学科。n液体静力学 研究液体在静止状态下的力学规律及 其应用n液体动力学 研究液体流动时流速和压力的变化规 律n管道中液流的特性 用于计算液体在管路中流动时 的压力损失n孔口及缝隙的压力流量特性 是分析节流调速回路 性能和计算元件泄漏量的理论依据n液压冲击和气穴现象n 1.1 液压油的主要物理性 质n 1.2 液体静力学n 1.3 流体动力学n 1.4 液体流动时的压力损 失 n 1.5 孔口和缝隙流动n 1.6 空穴现象和液压冲击第1章 液压流体力学基础1.1 液压油主要的物理性质由于流体力学研究流体宏观表象的运动，

2、并不顾及 它的内部微观结构，因此，我们以宏观的质点作为介质 的基本单位，一个质点可包含着一群分子，质点的运动 参数即为该群分子运动参数的统计平均值，并且认为介 质质点与质点间没有间断的空隙，而是连绵不断组成的 ，即把流体看成具有连续性的介质。这样，在流体中的 运动参数将是空间点坐标和时间的连续函数，这样就能 采用数学工具来处理解决问题。一、流体的密度一、流体的密度一般的定义：单位体积液体的质量称为该液体的密度。一般液压油的密度为900kg/m3。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，在工程计算中可以忽略不计 。严格的定义：严格的定义：流体质量在空间点上密集的程度。数学

3、上的 ，物理上指体积趋向去空间中的一个点。单位：二、流体的可压缩性二、流体的可压缩性液体因所受压力增高而发生体积缩小 的性质称为可压缩性。若压力为p0 时液体 的体积为V0，当压力增加p，液体的体积 减小V，则液体在单位压力变化下的体积 相对变化量为：式中， 称为液体的压缩率。由于压力增加时液体的体积减小， 两者变化方向相反，为使 k 成为正值，在上式右边须加一负号 。液体压缩率k的倒数，称为液体体积弹性模量，即 单位：Mpa当温度不变时，产生一个单位体积的相 对变化率所需要的压力变化量。K越大， 表示流体越不容易被压缩。一般矿物油的体积弹性模量为：可压缩性是钢的100150倍。一般情况下，工

4、作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大， 但在高压下或研究系统动态性能及计算机远距离操纵的液压机构时 ，则必须予以考虑 。二、流体的可压缩性二、流体的可压缩性液体体积弹性模量三三 流体的粘性流体的粘性hydyu0yxO1.粘性的概念流体流动时，分子之间产生内 摩擦力的性质。2.牛顿内摩擦力定律速度梯度：在垂直速度方向 上的速度变化率3.粘性的物理性质流体抵抗剪切变形的能力。切应力：注意：流体只有在流动时才呈现出粘性，静止时不呈现粘性。粘性的度量粘性的度量 粘度粘度4.粘性的度量 粘度粘度 概念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。理论计算中常出现 ，故采用作为

5、一个参数。我国机 械油牌号就是相应的运动粘度 厘斯数值。我国采用恩氏粘度粘度与温度、压力的关系粘度与温度、压力的关系粘性摩擦 在管道中造成压力损失（能量损失）； 在液压阀中增加了阀芯运动的阻力。粘度低时，增 大泄漏，造成流量损失（能量损失）。P50Mpa影响才趋 于显著！液压油液的功能液压油液的功能液压传动及控制所用的工作介质为液压油液，其应具备 的功能功能如下 ：n传动 把由液压泵所赋予的能量传递给执行元件；n润滑 润滑液压泵、液压阀、液压执行元件等运动件； n冷却 吸收并带出液压装置所产生的热量 ；n去污 带走工作中产生的磨粒和来自外界的污染物 ；n防锈 防止液压元件所用各种金属的锈蚀 。

6、对液压油液的要求n合适的粘度，具有良好的粘 温特性。n具有良好的润滑性能和足够的油膜强度，使系统中的各摩擦表 面获得足够的润滑而不至磨损。n不得含有蒸气、空气及容易汽化和产生气体的杂质，否则会起 气泡。气泡是产生剧烈振动和噪声的主要原因之一。n对金属和密封件有良好的相容性。不含有水溶性酸和碱等，以 免腐蚀机件和管道，破坏密封装置。n对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性，在贮存和使用 过程中不变质。n抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。n质地纯净、杂质少。n对人体无害，成本低。液压油液分类液压油液分类矿物性液压油：按照ISO规定，采用40时油液的 运动粘度（mm 2/s)作为油液粘度牌

7、号，共分为10、15、22、32、46、68、100、150等8个等级。难燃液压液：乳化液高水基液压液海水或淡水液压油液的选用液压油液的选用n液压系统的工作压力 压力高，要选择粘度较大的液压油液 。n环境温度 温度高，选用粘度较大的液压油液。n运动速度 速度高，选用粘度较低的液压油液。n液压泵的类型 各类泵适用的粘度范围见表14。条件 液压泵类压泵类 型运动粘(40)/mm2s-1 环境温度540时运动粘度 (40)/ mm2s-1 环境温度4080时 叶 片 泵泵7MPa以下305040757MPa以上50705590齿轮泵齿轮泵307095165 柱塞泵泵305065240表1-4 按液压

8、泵类型推荐用油粘度液压油液的选用液压油液的选用1.2 1.2 液体静力学基础液体静力学基础研究液体在静止状态下的力学规律及其应用。n静压力及其特性n静压力基本方程式n帕斯卡原理n静压力对固体壁面的作用力一一 静压力及其性质静压力及其性质静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。若法向作用力F均匀地作用在面积A上，则压力可表示为： 静压力在液压传动中简称压力压力，在物理学中则称为压强 。液体只能受压不能受拉，静压力垂直于承压面，其方向 和该面的内法线方向一致。静止液体内任意点所受到的压力与作用方位无关，即 在各个方向上都相等。二二 静止液体基本方程（静止液体基本方程（1 1）取研究对象：微圆柱

9、体受力情况液体静力学基本方程1）静止液体内任一点的压力由两部分组成：一部分是液面上的压 力p0，另一部分是单位截面上液体重力所形成的压力gh。2）压力分布规律：p是h的线性函数，也是的线性函数。3）引伸出帕斯卡原理：液面压力将等值的传递到液体中任一点上去。4）等压面概念：在连通器中，同一液体中深度相等的各点压力相等。 压力相等的点组成的面称为等压面。帕斯卡原理帕斯卡原理 n图示是应用帕斯卡原理的实例 作用在大活塞上的负载F1形成液体压力 p= F1/A1 为防止大活塞下降，在小活塞上应施加 的力 F2= pA2= F1A2/A1 由此可得n液压传动可使力放大， 可使力缩小，也可以改变力的方 向

10、。n液体内的压力是由负载 决定的。n 在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体 各点，这就是帕斯卡原理。也称为静压传递原理。根据液体静力学基本方程 可知 二二 静止液体基本方程（静止液体基本方程（2 2）经过坐标变换后的另一种形式：液体静力学基本方程式中p/(g)表示了单位重力液体的压力能，z表示了单位重力液体 的位能。因此，静压力基本方程的物理意义是：静止液体内任何一点具有压力 能和位能两种能量形式，且其总和保持不变，即能量守恒。但是两种 能量形式之间可以相互转换 。三三 压力的表示方法压力的表示方法以绝对真空（零压）为基准 称为绝对压力绝对压力。以大气压力为基准 相对压力。绝

11、对压力比大气压力小的那部分压力值称为真空度真空度。压力单位：液柱高度：大气压单位：四四 基本方程式应用举例基本方程式应用举例如图所示为一充满油液的容器，如作用在活塞上的力为 F=1000N，活塞面积A=1103m2，忽略活塞的质量。试 问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少？油液的密 度=900kg/m3 。解： 依据式静压力基本方程式式静压力基本方程式p p= =p p0 0+ +g gh h，活塞和液面接触处的压力p p0 0= =F F/ /A A=1000/=1000/（1101103 3）N/mN/m2 2=10=106 6N/mN/m2 2，因此，深度为h h=0.5m=0.

12、5m 处的液体压力为： p=pp=p0 0+gh +gh =（106+9009.80.5）N/m2=1.0044106N/m2106Pa=1MPa 由这个例子可以看到，液体在受压情况下，其液柱高度所引起的那部分 压力gh相当小，可以忽略不计，并认为整个静止液体内部的压力是近 乎相等的。 四四 基本方程式应用举例基本方程式应用举例求A管中油液液面的压力抓住等压面！有压力 取绝对值为真空度五五 基本方程在液压传动中的应用基本方程在液压传动中的应用液面压力可以等值地传递到连通器液体中的任一点上。液压千斤顶六六 压力对固体壁面的液压作用力压力对固体壁面的液压作用力液压作用力大小、方向、作用点都与受压面

13、的形状及受压面上 液体压力的分布有关。液体对固体壁面产生作用力。根据压力的性质，这个作 用力总是指向壁面的，通常称作液压作用力。活塞受力平衡方程始终成立！使用时要注意p1、 p2和F的具体情况！对于曲面来说，不同点上的压力方向是不一致的，应在曲 面上先取一微小面积，将其上的液压作用力分解为法向力 和切向力，然后积分得出总作用力的分量，最后进行力的 矢量求和。但这种方法很麻烦，结论是：作用在曲面上的液压作用力在某一方向上的分力 =静压力该曲面在该方向投影面积1.3 1.3 流体动力学流体动力学 主要是研究液体流动时流速和压力的变化规律。流动液体的连续性方程、伯努利方程、动量方程是描 述流动液体力

14、学规律的三个基本方程式。前两个方程 反映了液体的压力、流速与流量之间的关系，动量方 程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。n基本概念n流量连续性方程n伯努利方程n动量方程一、基本概一、基本概 念念 n理想液体n恒定流动n通流截面n流量n平均流速n流线、流束、流管指一种假想的既没有粘性，又不可压缩的液体；由于理想液体没有粘性，在流动时不存在内摩擦力，没 有摩擦损失，这样对研究问题带来很大方便。实际液体具有粘性，研究液体流动时必须考虑粘性的影响，但由 于这个问题非常复杂，所以开始分析时可以假设液体没有粘性，然后 再考虑粘性的作用并通过实验验证等办法对理想化的结论进行补充和 修正。这样方法同样

15、可以用来处理液体的可压缩性问题。液体流动时，如果液体中任何一点处的压力、速度和 密度都不随时间变化。反之，只要压力、速度或密度中有 一个参数随时间变化，则液体的流动称为非恒定流动。当液体整体作线性流动时，称为 一维流动；当作平面或空间流动时， 成为二维或三维流动。液流中一条条标志其各处质点运动状态的曲线称为流线。在某一 瞬时，流线上各点处的质点的瞬时流动方向与该点的切线方向重合。流线彼此平行的流动称为平行流动，流线间夹角很小，或流线曲率半径 很大的流动称为缓变流动。平行流动和缓变流动都可以看成是一维流动。通过某截面A上各点画出流线， 这些流线所构成的集合称为流束。 流束表面称为流管。液体在管道中流动时，其垂直于流动 方向的截面为通流截面。 在流束中，与所有流线正交的截面， 可以是平面，也可以是曲面。流量和平均流流量和平均流 速速实际液体具有粘性，因此液体在管道内流动时，通流截面上各点的 流速是不相等的。管壁处的流速为零，管道中心处流速最大。单位时间内流过某通流截面的液体体积。一般用符号 表示，即: 流量和平均流流量和