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1、39-1,第二章 液压传动的流体力学基础,第一节 流体静力学基础 第二节 流体动力学基础 第三节 液体流动时的压力损失 第四节 液体流经小孔和缝隙的流量 第五节 液压冲击和空穴现象,39-2,第一节 流体静力学基础,1.液体的压力 2.重力作用下静止液体中的压力分布 3.压力的表示方法和计量单位 4.静止液体内压力的传递 5.液体静压力作用在固体壁面上的力,39-3,1.液体的压力,液体单位面积上所受的法向力称为静压力。这一定义在物理学中称为压强，但在液压传动中习惯称为压力,即 静止液体的压力有如下特性： 1）液体的压力沿着内法线方向作用于承压面。 2）静止液体内任一点的压力在各个方向上都相等
2、。,39-4,2.重力作用下静止液体中的压力分布,1）静止液体内任一点处的压力都由两部分组成：一部分是液面上的压力 ，另一部分是该点以上液体自重所形成的压力。 2）静止液体内的压力随液体深度呈直线规律变化。 3）离液面深度相同处各点压力都相等。,重力作用下的静止液体,液体静力学基本方程式：,39-5,3.压力的表示方法和计量单位,（1）绝对压力：绝对真空基准度量 （2）表压力：相对压力 （3）相对压力：大气压力基准度量 （4）真空度：绝对压力小于大气压时，比大气压力小的那部分数值,39-6,4.静止液体内压力的传递,如图所示，在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值传递到液体内各点。这就是
3、静压力传递原理，或称帕斯卡原理。,静止液体内的压力,39-7,5.液体静压力作用在固体壁面上的力,液体和固体壁面相接触时，固体壁面将受到总液压力的作用。 1）当固体壁面为一平面时，压力油作用在上面的力 2）当固体壁面为曲面时，压力油作用在上面的力 曲面上各点所受的静压力的方向是变化的，但大小相等。,39-8,5.液体静压力作用在固体壁面上的力,如图所示，液压缸缸筒，为求压力油对右半部缸筒内壁在x方向上的作用力，可在内避面上取一微小面积 ，则压力油作用在这块面积上的力dF的分量dFx为 由此得压力油对缸筒内壁在x方向上的作用力为,39-9,第二节 流体动力学基础,一、基本概念 1.理想液体、恒定
4、流动和一维流动 2.流线、流管和流束 3.通流截面、流量和平均流速 二、连续性方程 三、伯努利方程 1.理想液体的运动微分方程 2.理想液体的能量方程 3.实际液体的能量方程 四、动量方程,39-10,1.理想液体、恒定流动和一维流动,一、基本概念,39-11,2.流线、流管和流束,流线、流管和流束,39-12,3.通流截面、流量和平均流速,流量和平均流速,流量：,平均流速：,39-13,二、连续性方程,在管中作稳定流动的理想液体，既不能增多也不能减少，即符合物质不灭定律。因此，在单位时间内通过任意截面的液体质量一定是相等的，此即液体的连续性原理。,39-14,1）压力作用在两端截面上的力 2
5、）作用在微元体上的重力 3）微元体的惯性力 根据牛顿第二定律 有,1.理想液体的运动微分方程,（运动微分方程，即欧拉方程）,三、伯努利方程,39-15,理想液体能量方程的物理意义是：理想液体作恒定流动时具有压力能、位能和动能三种能量形式，在任一截面上这三种能量形式之间可以相互转换，但三者之和为一定值，即能量守恒。,2.理想液体的能量方程,微元体流动时的能量关系式：,39-16,3.实际液体的能量方程,实际液体在管道内流动时，由于液体存在粘性，会产生摩擦力而消耗能量；同时，管道局部形状和尺寸的变化，会使液流产生扰动，也消耗一部分能量。同时，引入速度分布不均匀修正系数，实际液体流动的伯努利方程为,
6、39-17,四、动量方程,动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。用动量方程来计算液流作用在固体壁面上的力比较方便。动量定理指出：作用在物体上的合外力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变化率，即,39-18,第三节 液体流动时的压力损失,实际液体具有粘性，流动时会有阻力产生。为了克服阻力，流动液体需要损耗一部分能量，通常称为压力损失。压力损失可分为两类：沿程压力损失和局部压力损失。 一、两种流态和雷诺数 二、沿程压力损失 三、局部压力损失 四、管路中的总压力损失,39-19,一、两种流态和雷诺数,液体的流动有两种状态，即层流和紊流（又称湍流）。这两种流动状态的物理现象可以通过一个试验观察出
7、来，这就是雷诺试验。,1出口 2 入口 3 小水箱 4 开关 5 细导管 6 水箱 7 水平玻璃管 8 阀门,雷诺数：,39-20,雷诺数的物理意义 雷诺数是液流的惯性力对粘性力的无量纲比值。当雷诺数较大时，液体的惯性力起主导作用，液体处于紊流状态；当雷诺数较小时，粘性力起主导作用，液体处于层流状态。 非圆截面管道的雷诺数为 水力直径为,39-21,二、沿程压力损失,液体在等径直管中流动时因粘性摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失。液体的流动状态不同，所产生的沿程压力损失也有所不同。 1.层流时的沿程压力损失计算公式： 2.湍流时 的沿程压力损失计算相同。,39-22,三、局部压力损失,液体
8、流经管道的弯头、管接头、突变截面以及阀口、滤网等局部装置时，液流会产生旋涡，并产生强烈的紊动现象。由此而造成的压力损失称为局部压力损失，即 局部阻力系数可查有关手册。,39-23,四、管路中的总压力损失,整个管路系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即 具体系统中，应根据实际情况对上式进行调整。,39-24,第四节 液体流经小孔和缝隙的流量,在液压系统中，常常利用液体流经阀的小孔或缝隙来控制流量和压力，从而达到调速和调压的目的。液压元件的泄漏也属于缝隙流动。因此，研究小孔或缝隙的流量计算，了解其影响因素，对正确分析液压元件和系统的工作性能、合理设计液压系统是很有必要的。
9、一、液体流过小孔的流量 二、液体流过缝隙的流量,39-25,1.薄壁孔的流量计算,当小孔的长径比 l /d 0.5时，称为薄壁孔 。其流量为,一、液体流过小孔的流量,39-26,2.流经短孔和细长孔的流量计算,当l/d 4时，称为细长孔；当0. 5l/d 4时，称为短孔。它们的流量为,qV=KATpm,39-27,二、液体流过缝隙的流量,在液压装置的各零件之间，特别是有相对运动的各零件之间，一般都存在缝隙（或称间隙）。油液流过缝隙就会产生泄漏，这就是缝隙流量。由于缝隙通道狭窄，液流受壁面的影响较大，故缝隙液流的流态均为层流。 缝隙流动有两种状况：一种是由缝隙两端的压力差造成的流动，称为压差流动
10、；另一种是形成缝隙的两壁面作相对运动所造成的流动，称剪切流动。这两种流动经常会同时存在。,39-28,1.液体流过平行平板缝隙的流量,液体流经平板缝隙流速计算的通式为：,39-29,（1）液体流过固定平行平板缝隙的流量 由压差引起的流动 p1p2，p=p1p2 ，将边界条件y= 0 ，u= 0；y=h ， u= 0 分别代入通式，求出常数C1、C2 ，得 流量和压力损失的计算公式：,39-30,（2）液体流过相对运动的平行平板缝隙的流量 剪切流动： （3）既有压差流动，又有剪切流动：,39-31,（1）流过同心圆环缝隙的流量,2.液体流过圆环缝隙的流量,39-32,（2）流过偏心圆环缝隙的流量
11、 当e = 0时，它就是同心圆环缝隙的流量公式； 当e =1时，即在最大偏心情况下，其压差流量为同心圆环缝隙压差流量的2.5倍。,2.液体流过圆环缝隙的流量,39-33,（3）圆环平面缝隙的流量,39-34,第五节 液压冲击和空穴现象,在液压传动系统中，液压冲击和空穴现象会给系统的正常工作带来不利影响，因此需要了解这些现象产生的原因，并采取措施加以防治。 一、液压冲击 二、空穴现象,39-35,一、液压冲击,在液压系统中，由于某种原因，系统的压力在某一瞬间会突然急剧上升，形成很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。,液流速度突变引起的液压冲击,39-36,1.液压冲击产生的原因,产生液压冲击的实
12、质是以速度v运动的液体瞬间停下来，由速度决定的动能变成了以压力体现的挤压能。 液流速度突变引起的液压冲击和运动部件制动引起的液压冲击,39-37,2.危害,当系统产生液压冲击时，瞬时压力峰值有时要比正常工作压力大很多倍。 1）引起机械振动，产生噪声，使管接头松动； 2）有时还会引起某些液压元件的误动作，降低系统的工作性能。 3）严重时会造成油管、密封装置及液压元件的损坏； 4）产生空穴、气蚀现象。,39-38,3.冲击压力,假设系统的正常工作压力为p，产生液压冲击时的最大压力，即压力冲击波第一波的峰值压力为 （1）管道阀门关闭时的液压冲击,p=c（v-v1） tc/t,39-39,3.冲击压力
13、,（2）运动部件制动时的液压冲击,运动部件制动引起的液压冲击,39-40,4.减小液压冲击的措施,主要措施有： 1）延长换向阀换向时间。实践证明，运动部件制动换向时间若能大于0.2s，冲击就会大为减轻。 2）在液压元件结构上采取一些措施，如在液压缸中设置节流缓冲装置，以减小流速的突然变化。 3）在易产生液压冲击的地方，设置溢流阀或蓄能器。 4）尽量缩短管路长度，减少管路弯曲，采用橡胶软管。,39-41,二、空穴现象,在液压系统中，如果某处的压力低于空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，导致液体中出现大量气泡的现象，称为空穴现象。 空穴多发生在阀口和液压泵的进口处。由于阀口的通道狭窄
14、，液流的速度增大，压力则大幅度下降，以致产生空穴。当泵的安装高度过大，吸油管直径太小，吸油阻力太大，或泵的转速过高，造成进口处真空度过大时，亦会产生空穴。,39-42,空穴现象的危害：,1) 形成无数微小范围内的液压冲击，这将引起噪声、振动等有害现象。 2) 零件的损害，另外，由于析出空气中有游离氧，对零件具有很强的氧化作用，引起零件的腐蚀。这些称之为气蚀作用。 3 )空穴现象使液体中带有一定量的气泡，从而引起流量的不连续及压力的波动。严重时甚至断流，使液压系统不能正常工作。,39-43,减少空穴和气蚀危害的措施,1）减小孔口或缝隙前后的压力降。一般希望孔口或缝隙前后的压力比值 p1/p2 3.5。 2 ）降低泵的吸油高度，适当加大吸油管直径，限制吸油管的流速，尽量减小吸油管路中的压力损失(如及时清洗过滤器或更换滤芯等)。对于自吸能力差的泵要安装辅助泵供油。 3）管路要有良好的密封，防止空气进入。 4）提高液压零件的抗气蚀能力，采用抗腐蚀能力强的金属材料，减小零件表面粗糙度值 。,
