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1、第二章液压流体力学基础,一、液压油的主要性质 1、密度 单位体积液体的质量称为该液体的密度。,1-1 流动液体的基本力学特性,单位：kg/m3,一般液压油的密度为900kg/m3,可压缩性:液体受压力作用而发生体积缩小的性质。体积压缩系数：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。,2、可压缩性,=-v/p v,K=1/=-p v/v,液体的体积模量：,K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。,在常温下，一般认为油液是不可压缩的。若分析动态特性或p变化很大的高压系统，则必须考虑可压缩性的影响。尽量减少油液中的游离空气。,3
2、、粘性（1）物理本质 液体在外力作用下流动时,由于液体分子间的内聚力和液体分子与壁面间的附着力，导致液体分子间相对运动而产生的内摩擦力，这种特性称为粘性。或:流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质。,（2）牛顿内摩擦定律 液体流动时，相邻液层间的内摩擦力F与液层接触面积A及液层之间的相对运动速度du 成正比，而与液层间的距离dy成反比，即：F=Adu/dy 若用单位接触上的内摩擦力（切应力）来 表示，则：（牛顿内摩擦定律）=F/A=du/dy-粘性系数 du/dy-速度梯度 液体静止时,du/dy=0 静止液体不呈现粘性,（3）粘度 常用的粘度有三种：动力粘度（绝对粘度）、运动粘度和相对粘度。
3、1）动力粘度 是表征流动液体内摩擦力大小的粘度系数。其值等于液体在以单位速度梯度流动时，液层接触面单位面积上的内摩擦力，即：=F/（Adu/dy）=dy/du 单位：Pas(帕秒）,2）运动粘度:动力粘度与液体密度之比值，即：=/物理意义：无（只是因为/在流体力学中经常出现,用代替（/）)单位：/s，c/s，m/s ISO和我国标准规定，工作介质按其在一定下运动粘度的平均值来标定粘度等级。,（4）粘度和温度的关系,油液对温度的变化很敏感，由左图可看出：温度升高，油的粘度即降低。油的粘度随温度变化的性质称粘温特性。,液体所受的压力增大时，其分子间的距离将减小，内摩擦力增大，粘度亦随之增大。,（5
4、）粘度与压力的关系,4、其它性质 油液的其他物理及化学性质包括：防锈性、润滑性、抗燃性、抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、导热性、相容性以及纯净性等。都对液压系统工作性能有重要影响。,二、液压油的选用1、液压油的使用要求1）对人体无害且成本低廉；2）粘度适当，粘温特性好；3）润滑性能好，防锈能力强；4）质地纯净，杂质少；5）对金属和密封件有良好的相容性；6）氧化稳定性好，长期工作不易变质；7）抗泡沫性和抗乳化性好；8）体积膨胀系数小；9）燃点高，凝点低；,2、液压油的品种 主要分为：矿油型、合成型和乳化型三大类 液压油的主要品种、ISO代号及其特性用途见表2-1。目前，90%以上的液压设备
5、采用石油型液压油，其粘度高、润滑性能较好，但抗燃性较差。,三、液压油的选择1、油液品种的选择 一般应根据是否液压专用、有无起火危险、工作压力及温度范围等。2、选择油的粘度等级 一般是液压系统的工作压力较高或环境温度较高时，选择粘度较高的液压油。工作部件的运动速度较高时，选择粘度较低的液压油。由于液压泵对液压油的性质最为敏感，因此，常根据液压泵的类型及其要求来选择液压油的粘度。,四、液压油的污染及控制,1、污染的危害（1）堵塞（2）加速液压元件的磨损，擦伤密封件，造成泄漏增加（3）水分和空气的混入会降低液压油的润滑能力，并使其变质，产生气蚀，使液压元件加速损坏，使液压系统出现振动、噪音、爬行等现
6、象。,2、污染的原因（1）残留物的污染 液压元件内残留物（2）侵入物的污染 环境侵入（3）生成物的污染 金属微粒、密封件磨损、液压油变质等。,3、污染的控制（1）消除残留物的污染（2）力求减少外来污染（3）滤除系统产生的杂质（4）定期检查更换液压油,1-2 液体静力学,一、静压力（压力）及其性质,1.静止液体：液体内部质点与质点无相对运动,2.静压力：单位面积上液体所受作用力,单位:,1-2 液体静力学,一、静压力（压力）及其性质,3.性质：,静止液体不呈粘性；液体静压力垂直于作用面，指向作用面的内法线方向；静止液体 内，任意点的压力 在各个方向上都相等。,1-2 液体静力学,二、在重力作用下
7、静止液体中的压力分布,1-2 液体静力学,二、在重力作用下静止液体中的压力分布,结论：,静压力由两部分组成：液面压力 液柱重量产生的压力 静止液体内的压力沿深度呈直线规律分布；离液面深度相同处各点的压力都相等。,1-2 液体静力学,三、压力的表示方法及单位,1.绝对压力 2.相对压力3.真空度,帕（Pa）：N/,绝对压力相对压力大气压力,真空度大气压力绝对压力负的相对压力,1-2 液体静力学,四、帕斯卡定律静压传递原理,帕斯卡原理（静压传递原理）：在密闭的容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点。,1-2 液体静力学,四、帕斯卡定律静压传递原理,盛放在密封容器内的液体，其外加压力
8、p0发生变化时，只要液体仍然保持原有的静止状态，液体中的任一点的压力，均将发生同样大小的变化。,1-3 液体动力学基础,液体动力学：1.基本概念；2.基本方程：连续方程（质量守恒定律）伯努利方程（能量守恒定律）动量方程（动量守恒定律）,一、基本概念,1.理想液体：是一种假想的没有粘性、不可压缩的液体。,2.恒定流动：指液体运动参数仅是空间坐标的函数，不随时间变化，即在任何时间内，通过空间某一固定点的各液体质点的速度、压力和密度等参数都保持某一常数。,1-3 液体动力学基础,一、基本概念,3.非恒定流动：通过空间某一固定点的各液体质点的速度、压力和密度等任一参数只要有一个是随时间变化的，即为非恒
9、定流动。,1-3 液体动力学基础,一、基本概念,5.流量：单位时间内通过某通流截面的液体体积，用qv来表示。,4.过流断面（通流截面）：液体在管道中流动时，其垂直于流动方向的截面。,理想液体：qv=V/t=Al/t=Au 单位：m3/s;L/min.1 m3/s=6104 L/min,实际液体：,1-3 液体动力学基础,一、基本概念,6.平均流速：是假想的液体运动速度，认为通流截面上所有各点的流速均等于该速度，以此流速通过通流截面的流量恰好等于以实际不均匀的流速所通过的流量。,1-3 液体动力学基础,二、层流、紊流、雷诺数p16,1-3 液体动力学基础,二、层流、紊流、雷诺数,层流：指液体流动
10、时，液体质点没有横向运动，互不混杂，呈线状或层状的流动。紊流：指液体流动时，液体质点有横向流动（或产生小漩涡），作混杂紊乱的流动状态。,1-3 液体动力学基础,二、层流、紊流、雷诺数,层流和紊流是两种不同性质的流动状态。层流粘性力起主导作用 紊流惯性力起主导作用液体的流动状态用雷诺数来判断,1-3 液体动力学基础,二、层流、紊流、雷诺数,雷诺数,非圆截面管道雷诺数计算详见教材P16.,式中：v 为管内的平均流速 d 为管道内径 为液体的运动粘度,雷诺数为无量纲数。如果液流的雷诺数相同，它的流动状态亦相同。,1-3 液体动力学基础,一般以液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液体流态的依据，称为临
11、界雷诺数，记为Rec。当ReRec，为层流；当ReRec，为紊流。常见液流管道的临界雷诺数见下表。,1-3 液体动力学基础,二、层流、紊流、雷诺数,1-3 液体动力学基础,三、连续性方程,假设液体是不可压缩的，而且是作恒定流动，则液体的流动过程遵守质量守恒定律，即在单位时间内流体流过通道任意截面的液体质量相等。,1-3 液体动力学基础,四、伯努利方程能量守恒定律,1-3 液体动力学基础,外力对液体所作的功 P17,W=p1dA1ds1-p2dA2ds2=p1dA1 u 1 dt-p2dA2 u 2 dt由连续性方程：dA1 u 1=dA2 u 2=dq 代入得：W=dqdt(p1-p2)(2)
12、液体机械能的变化动能的变化：Ek=dqdtu22/2-dqdt u12/2位能的变化：Ep=gdqdth2-gdqdth1机械能的变化：E=Ek+Ep,1、理想液体的伯努利方程,根据能量守恒定律：外力对液体所作的功，应等于其机械能的变化，即：E=W,物理意义：在密闭管道内作恒定流动的理想液体，具有三种形式的能量。即压力能、动能和位能，它们之间可以相互转化，但在管道内任一处，单位重量的的液体所包含的这三种能量的总和是一定的。,1-3 液体动力学基础,2、实际液体的伯努利方程,式中：hw为能量损失。1、2是动能修正系数，其值与液体的流态有关，紊流时等于1，层流时等于2。,1-3 液体动力学基础,五
13、、动量方程P19,刚体力学动量定理指出，作用在物体上的外力等于物体在单位时间内的动量变化量，即：,1、2动量修正系数，紊流时=1，层流=4/3。,上式表明：作用在液体控制体积上的外力的总和，等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体动量之差。,作用在固体壁面上的力是：,五、动量方程,求滑阀阀芯所受的轴向稳态液动力。,1-4 液体流动时的压力损失,一、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。1.层流时的沿程压力损失 通流截面上的流速分布规律,（p1-p2）r=Ff,式中，内摩擦力Ff=-2rldu/dr（负号表示流速u随r的增大而减小）。若令p=p1-
14、p2，则将Ff代入上式整理可得,1-4 液体流动时的压力损失p20,通过管道的流量,对于半径为r，宽度为dr的微小环形通流截面，面积dA=2rdr，所通过的流量,1-4 液体流动时的压力损失,管道内的平均流速,沿程压力损失,1-4 液体流动时的压力损失,为沿程阻力系数,对于圆管层流，理论值=64/Re。实际计算时，对金属管取=75/Re，橡胶管=80/Re。2.紊流时的沿程压力损失,=f（Re，/d），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从手册上有关曲线查出(p22图2-17)。,1-4 液体流动时的压力损失,二、局部压力损失批p22,液体流经管道
15、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，并发生强烈的紊动现象，由此而造成的压力损失称为局部压力损失。,式中 局部阻力系数。qn阀的额定流量；pn阀在额定流量qn下的压力损失；q通过阀的实际流量。,1-4 液体流动时的压力损失,阀类元件局部压力 损失实际计算公式,三、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,从公式可以看出，减小流速，缩短管道长度，减少管道截面的突变，提高管道内壁的加工质量等，都可使压力损失减小。,1-4 液体流动时的压力损失,1-5 小孔和缝隙流量,一、液体流过小孔的流量小孔可分为三种：当小孔的长径比
16、l/d0.5时，称为薄壁孔；l/d4时，称为细长孔；0.5l/d4时，称为短孔。对薄壁孔：,式中，hw为局部能量损失，它包括两部分，即截面突然减小时的局部压力损失hw1和截面突然增大时的局部压力损失hw2。,由于Ae A2，所以,将上式代入伯努利方程，并注意到由于A1=A2，故v1=v2，1=2；且h1=h2，得：,小孔前后的压力差，小孔速度系数，,式中 流量系数，=收缩系数，小孔通流截面的面积收缩断面的面积；,对细长孔片(p21式2-26）：,小孔的流量压力特性公式：,m由孔的长径比决定的指数。薄壁孔m=0.5，细长孔m=1。K 系数p25。,二、缝隙流量,液体流过平行平板缝隙的流量1、流过
17、固定平行平板缝隙的流量（压差流动）pbdy+（+d）bdx=（p+dp）bdy+bdx,整理后得：,式中，C1、C 2为积分常数。由边界条件：当y=0，u=0；y=，u=0，分别代入得：,在缝隙液流中，dp/dx是一常数,2.液体流过相对运动的平行平板缝隙的流量（剪切流动）当一平板固定，另一平板以速度u0作相对运动时，液体的平均流速v=u0/2，故由于平板相对运动而使液体流过缝隙的流量为：,既有压差流动，又有剪切流动时p27,（二）圆环缝隙的流量,流过同心圆环缝隙的流量,流过偏心圆环缝隙的流量,若圆环的内外圆不同心，偏心距为e，则形成偏心圆环缝隙。其流量公式为：,式中 内外圆同心时 的缝隙厚度
18、；相对偏心率，=e/,一、液压冲击定义：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。1液压冲击产生的原因（1）阀门突然关闭或换向；（2）运动部件突然制动或换向；（3）某些液压元件动作失灵或不灵敏。,1-6 液压冲击和气穴现象,液压冲击引起振动、噪声、导致某些元件如密封装置、管路等损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生动作，影响系统正常工作。,2、液压冲击产生的危害性,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,p冲击压力的最大升高值。,管道阀门关闭时的液压冲击,设压力冲击
19、波在管中往复一次的时间为tc，tc=2l/c。当阀门关闭时间ttc时，此时压力峰值很大，称为直接冲击，这时p可按下式计算：当ttc时，压力峰值较小，称为间接冲击，这时p可按下式计算：,运动部件制动时的液压冲击,设总质量为m的运动部件在制动时的减速时间为t，速度减小值为，液压缸有效面积为A，则根据动量定理得：,4减小液压冲击的措施,延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。限制管道流速及运动部件速度。适当加大管道直径，尽量缩短管路长度。在冲击区附近安装蓄能器等缓冲装置。采用软管，以增加系统的弹性。,二、气穴现象,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，称为气穴现象。空穴现象的危害：（1）系统发生强烈的振动和噪声（2）发生气蚀（3）液流不连续，流量、压力脉动,二、气穴现象,当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局部高温和高压会使金属剥蚀，这种由气穴造成的腐蚀作用称为气蚀。危害：气蚀会使液压元件的工作性能变坏，并使其寿命大大缩短。,控制气穴、气蚀措施：,减小小孔或缝隙前后的压力降。一般p1/p23.5。降低泵的吸油高度，适当加大吸油管内径，限制吸油管内液体的流速，尽量减少吸油管路中的压力损失（如及时清洗滤油器或更换滤芯等）。对于自吸能力差的泵需用辅助泵供油。管路要有良好的密封，防止空气进入。,
