第一章 液壓流體力學基礎

第一章液壓流體力學基礎第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎2

（4）安定性，不因熱、氧化或水解而變質(zhì)，剪切穩(wěn)定性好，使用壽命長。（5）防銹和抗腐蝕性，對鐵及非鐵金屬的銹蝕性小。（6）抗泡沫性，介質(zhì)中的氣泡容易逸出并消除。（7）抗乳化性，除含水液壓液外的油液，油水分離要容易。（8）潔凈性，質(zhì)地要純凈，盡可能不含污染物，當污染物從外部侵入時能迅速分離。（9）相容性，對金屬、密封件、橡膠軟管、涂料等有良好的相容性。（10）阻燃性，燃點高，揮發(fā)性小，最好具有阻燃性。（11）其他對工作介質(zhì)的其他要求還有：無毒性和臭味；比熱容和熱導率要大；體脹系數(shù)要小等。第一節(jié)工作介質(zhì)第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎3

其實，能夠同時滿足上述各項要求的理想的工作介質(zhì)是不存在的。液壓系統(tǒng)中使用的工作介質(zhì)按國際標準組織（ISO）的分類如表1－1所示。目前90％以上的液壓設備采用石油基液壓油液?；蜑榫频氖蜐櫥宛s分。為了改善液壓油液的性能，以滿足液壓設備的不同要求，往往在基油中加入各種添加劑。添加劑有兩類：一類是改善油液化學性能的，加抗氧化劑、防腐劑、防銹劑等；另一類是改善油液物理性能的，如增粘劑、抗磨劑、防爬劑等。第一節(jié)工作介質(zhì)第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎4第一節(jié)工作介質(zhì)第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎5第一節(jié)工作介質(zhì)

（二）物理性質(zhì)1．密度單位體積液體所具有的質(zhì)量稱為該液體的密度，即工作介質(zhì)密度、（kg/m3）L-HM32液壓油0.87L-HM46液壓油0.875油包水乳化液0.932水包油乳化液0.9977水-乙二醇1.06通用磷酸酯1.15飛機用磷酸酯1.05第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎6第一節(jié)工作介質(zhì)2．可壓縮性液體因所受壓力增高而發(fā)生體積縮小的性質(zhì)稱為可壓縮性。液體壓縮率k液體壓縮率k的倒數(shù)，稱為液體體積模量介質(zhì)種類體積模量K/MPa石油基液壓油水包油乳化液油包水乳化液水－乙二醇液壓液磷酸酯液壓液（1.4～2）

1031.951032.31033.451032.6510320C，一個大氣壓第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎7

一般情況下，工作介質(zhì)的可壓縮性對液壓系統(tǒng)性能影響不大，但在高壓下或研究系統(tǒng)動態(tài)性能及計算遠距離操縱的液壓機構(gòu)時，則必須予以考慮。

石油基液壓油的體積模量與溫度、壓力有關：溫度升高時，K值減小，在液壓油正常工作溫度范圍內(nèi)，K值會有5％～25％的變化；壓力增加時，K值增大，但這種變化不呈線性關系，當p＞3MPa時，K值基本上不再增大。由于空氣的可壓縮性很大，因此當工作介質(zhì)中有游離氣泡時，K值將大大減小，且起始壓力的影響明顯增大。但是在液體內(nèi)游離氣泡不可能完全避免，因此，一般建議石油基液壓油K的取值為（0.7～1.4）

103MPa，且應采取措施盡量減少液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)中的游離空氣的含量。第一節(jié)工作介質(zhì)第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎8第一節(jié)工作介質(zhì)3．粘性（l）粘性的表現(xiàn)液體在外力作用下流動時，分子間內(nèi)聚力的存在使其流動受到牽制，從而沿其界面產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這一特性稱為液體的粘性。第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎9第一節(jié)工作介質(zhì)（2）粘性的度量度量粘性大小的物理量稱為粘度。常用的粘度有三種：即動力粘度、運動粘度、相對粘度。

l）動力粘度

其量值等于液體在以單位速度梯度流動時，單位面積上的內(nèi)摩擦力，Pa?s或N?s/m22）運動粘度

m2/s黏度等級40C時黏度平均值40C時黏度范圍VG10109.00~11.0VG151513.5~16.5VG222219.8~24.2VG323228.8~35.2第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎10第一節(jié)工作介質(zhì)3）相對粘度相對粘度是根據(jù)特定測量條件制定的，故又稱條件粘度。測量條件不同，采用的相對粘度單位也不同。如恩氏度oE（中國、德國、前蘇聯(lián)）、通用賽氏秒SUS（美國、英國）、商用雷氏秒R1S（英國、美國）和巴氏度oB（法國）等。恩氏粘度用恩氏粘度計測定，即將200mL溫度為t℃的被測液體裝入粘度計的容器內(nèi)，由其底部

2.8mm的小孔流出，測出液體流盡所需時間t1，再測出相同體積溫度為20℃的蒸餾水在同一容器中流盡所需的時間t2；這兩個時間之比即為被測液體在t℃下的恩氏粘度，即思氏粘度與運動粘度間的換算關系式為第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎11第一節(jié)工作介質(zhì)（3）溫度對粘度的影響（4）壓力對粘度的影響（5）氣泡對粘度的影響（三）選用和維護第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎12第二節(jié)流體靜力學

一、靜壓力及其特性

我國采用法定計量單位Pa來計量壓力，1Pa＝1N/m2。液壓技術中習慣用MPa，1MPa=106Pa。液體靜壓力有兩個重要特性：

1）液體靜壓力垂直于承壓面，其方向和該面的內(nèi)法線方向一致。這是由于液體質(zhì)點間的內(nèi)聚力很小，不能受拉只能受壓之故。

2）靜止液體內(nèi)任一點所受到的壓力在各個方向上都相等。如果某點受到的壓力在某個方向上不相等，那么液體就會流動，這就違背了液體靜止的條件。第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎13第二節(jié)流體靜力學二、靜壓力基本方程（－）靜壓力基本方程l）靜止液體內(nèi)任一點的壓力由兩部分組成：一部分是液面上的壓力p0，另一部分是該點以上液體重力所形成的壓力

gh。

2）靜止液體內(nèi)的壓力隨液體深度呈線性規(guī)律遞增。

3）同一液體中，離液面深度相等的各點壓力相等。由壓力相等的點組成的面稱為等壓面。在重力作用下靜止液體中的等壓面是一個水平面。第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎14第二節(jié)流體靜力學（二）靜壓力基本方程的物理意義（三）壓力的表示方法第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎15第三節(jié)流體運動學和流體動力學

一、基本概念（一）理想液體、恒定流動和一維流動一般把既無粘性又不可壓縮的假想液體稱為理想液體;

液體流動時，如液體中任何一點的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，便稱液體是在作恒定流動；當液體整個作線形流動時，稱為一維流動；當作平面或空間流動時，稱為二維或三維流動。（二）流線、流管和流束第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎16第三節(jié)流體運動學和流體動力學（三）通流截面、流量和平均流速流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面;單位時間內(nèi)流過某通流截面的液體體積稱為流量.平均流速：第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎17第三節(jié)流體運動學和流體動力學

二、連續(xù)方程連續(xù)方程是流量連續(xù)性方程的簡稱，它是流體運動學方程，其實質(zhì)是質(zhì)量守恒定律的另一種表示形式，即將質(zhì)量守恒轉(zhuǎn)化為理想液體作恒定流動時的體積守恒。第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎18第三節(jié)流體運動學和流體動力學

三、能量方程能量方程又常稱伯努利方程，它實際上是流動液體的能量守恒定律。（一）理想液體的運動微分方程1）壓力在兩端截面上所產(chǎn)生的作用力2）作用在微單元上的重力：在恒定流動下微單元上的慣性力：根據(jù)牛頓第二定律：

第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎19第三節(jié)流體運動學和流體動力學由于代入上式，整理可得這就是理想液體沿流線作恒定流動時的運動微分方程（二）理想液體的能量方程（三）實際液體的能量方程第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎20第三節(jié)流體運動學和流體動力學例1－5推導文丘利流量計的流量公式。第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎21

四、動量方程動量方程是動量定理在流體力學中的具體應用。用動量方程來計算液流作用在固體壁面上的力，比較方便。動量定理指出：作用在物體上的合外力的大小等于物體在力作用方向上的動量的變化率，即第三節(jié)流體運動學和流體動力學第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎22第三節(jié)流體運動學和流體動力學例1-7噴嘴一擋板如圖1-19所示。試求射流對擋板的作用力。

因為Pa＝0（相對壓力），所以第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎23第三節(jié)流體運動學和流體動力學

例1-8圖1-20所示為一錐閥，錐閥的錐角為2

。當液體在壓力p下以流量q流經(jīng)錐閥時，液流通過閥口處的流速為

2，出口壓力為p2=0。試求作用在錐閥上的力的大小和方向。對于圖a)

取

1＝

21，因1<<

2,忽略

1，故得

對于圖b)

同樣取

1＝

21，因1<<

2,忽略

1，故得方向與F同，關閥口方向與F同，開閥口第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎24第六節(jié)管道流動一、流態(tài)與雷諾數(shù)（一）層流和紊流層流和紊流是兩種不同性質(zhì)的流態(tài)。層流時，液體流速較低，質(zhì)點受粘性制約，不能隨意運動，粘性力起主導作用；紊流時，液體流速較高，粘性的制約作用減弱，慣性力起主導作用。（二）雷諾數(shù)液體的流動狀態(tài)可用雷諾數(shù)來判別。對于非圓管：第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎25第六節(jié)管道流動

液流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r的雷諾數(shù)和由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r的雷諾數(shù)是不同的，后者數(shù)值小。所以一般都用后者作為判別流動狀態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù)，記作Recr。當雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)Recr時，液流為層流；反之，液流大多為紊流。第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎26第六節(jié)管道流動第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎27第六節(jié)管道流動內(nèi)摩擦力對上式進行積分，并利用邊界條件，當r=R，u=0,得：二、圓管層流第27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎28第六節(jié)管道流動三、圓管紊流四、壓力損失（一）沿程壓力損失代入上式得：沿程阻力系數(shù)考慮到實際流動時還存在溫度變化等問題，因此液體在金屬管道中流動時宜?。?5/Re，在橡膠軟管中流動時則取

=80/Re。液體在直管中作紊流流動時，其沿程壓力損失的計算公式與層流時相同.（二）局部壓力損失（三）液壓系統(tǒng)管路的總的壓力損失第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎29第六節(jié)管道流動表1-18圓管的沿程阻力系數(shù)

的計算公式流動區(qū)域雷諾數(shù)范圍

計算公式層流Re<2320

＝75/Re(油)；＝64/Re(水)紊流水力光滑管區(qū)Re<22(d/

)8/7300<Re<105=0.3164Re-0.25105Re108=0.308(0.842-lgRe)-2水力粗糙管22(d/

)8/7<Re

597(d/

)9/8=[1.14-2lg(/d+21.25/Re0.9)]-2阻力平方區(qū)Re>597(d/

)9/8=0.11(

/d)0.25

管壁絕對表面粗糙度

的值，在粗估時，鋼管取0.04mm，銅管取0.0015～0.01mm，鋁管取0.0015～0.06mm，橡膠軟管取0.03mm，鑄鐵管取0.25mm。第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎30第七節(jié)孔口流動一、薄壁小孔薄壁小孔是指小孔的長度和直徑之比l/d<0.5的孔，一般孔口邊緣做成刀口形式如圖1-28所示。設動能修正系數(shù)＝1Re流體流經(jīng)截面突然縮小時的能量損失：流體流經(jīng)截面突然擴大時的能量損失：第30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎31第七節(jié)孔口流動C

—小孔速度系數(shù)，Cc—截面收縮系數(shù)，Cc

＝Ae/A0,Cd—流量系數(shù),Cd=CcC

由于Ae<<A2，所以將上式代入能量方程，并注意到A1

＝A2時，

1＝2，則得：第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎32第七節(jié)孔口流動二、短孔和細長孔短孔是指小孔的長度和直徑之比0.5<l/d4的孔。流量：當孔的長度和直徑之比l/d

＞4時，稱為細長孔。流經(jīng)細長孔的液流一般都是層流，所以細長孔的流量公式可以應用前面推導的圓管層流流量公式。第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎33第七節(jié)孔口流動例1－11試分別推導圖1－32和圖l－33所示的流經(jīng)滑閥和錐閥閥口的流量公式。第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎34第八節(jié)縫隙流動一、平行平板縫隙整理后，并代入對上式積分兩次得：邊界條件;y=0處，u=0；y=h處，u=u0。此外，液流作層流時p只是x的線形函數(shù)：第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎35第八節(jié)縫隙流動通過平行平板縫隙的流量為:討論u0=0；

p=0時q的狀態(tài)二、環(huán)形縫隙第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎36第八節(jié)縫隙流動（一）流經(jīng)同心環(huán)形縫隙的流量

當縫隙h較小時，可將環(huán)形縫隙沿圓周方向展開，把它近似地看作是平行平板縫隙間的流動。當縫隙較大時（見圖l－37b），必須精確計算，經(jīng)推導其流量公式為第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎37第八節(jié)縫隙流動（二）流經(jīng)偏心環(huán)形縫隙的流量（三）流經(jīng)偏心圓環(huán)平面縫隙的流量第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎38第八節(jié)縫隙流動（三）流經(jīng)圓環(huán)平面縫隙的流量設圓環(huán)的大、小半徑為r2。和r1，它與平面間的縫隙值為h，則由式（l－111），并令u0=0，可得在半徑為r、離下平面z處的徑向速度為流過的流量為即積分得：當r=r2，p=p2，求出C，代入上式得第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎39第八節(jié)縫隙流動當r=r1，p=p1，求得圓環(huán)平面縫隙的流量公式為第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎40第九節(jié)液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象

一、液壓沖擊在液壓系統(tǒng)中，當突然關閉或開啟液流通道時，在通道內(nèi)液體壓力發(fā)生急劇交替升降的波動過程稱為液壓沖擊。出現(xiàn)液壓沖擊時，液體中的瞬時峰值壓力往往比正常工作壓力高好幾倍，它不僅會損壞密封裝置、管道和液壓元件，而且還會引起振動和噪聲；有時使某些壓力控制的液壓元件產(chǎn)生誤動作，造成事故。（一）管內(nèi)液流速度突變引起的液壓沖擊沖擊波在管內(nèi)的傳播速度：第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎41第九節(jié)液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象

壓力沖擊波在管道中液壓液內(nèi)的傳播速度c一般在890～1420m/s范圍內(nèi)。一般，依閥門關閉時間常把液壓沖擊分為兩種：當閥門關閉時間t＜tc=2l/c時，稱為直接液壓沖擊（又稱完全沖擊）。當閥門關閉時間t>tc=2l/c時，稱為間接液壓沖擊（又稱不完全沖擊）。此時壓力升高值比直接沖擊時小，它可近似地按下式計算：管道中液壓值（二）運動部件制動引起的液壓沖擊第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎42第九節(jié)液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象

（三）減小液壓沖擊的措施針對上述各式中影響沖擊壓力的因素，可采取以下措施來減小液壓沖擊：

1）適當加大管徑，限制管道流速，一般在液壓系統(tǒng)中把流速控制在4.5m/s以內(nèi)，使最大壓力不超過5MPa就可以認為是安全的。

2）正確設計閥口或設置制動裝置，使運動部件制動時速度變化比較均勻。

3）延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間，可采用換向時間可調(diào)的換向閥。

4）盡可能縮短管長，以減小壓力沖擊波的傳播時間，變直接沖擊為間接沖擊。

5）在容易發(fā)生液壓沖擊的部位采用橡膠軟管或設置蓄能器，以吸收沖擊壓力；也可以在這些部位安裝安全閥，以限制壓力升高。第42頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎43二、氣穴現(xiàn)象在液壓系統(tǒng)中，當流動液體某處的壓力低于空氣分高壓時，原先溶解在液體中的空氣就會游離出來，使液體中產(chǎn)生大量氣泡，這種現(xiàn)象稱為氣穴現(xiàn)象。氣穴現(xiàn)象使液壓裝置產(chǎn)生噪聲和振動，使金屬表面受到腐蝕。為了說明氣穴現(xiàn)象的機理，必須先介紹一下液體的空氣分離壓和飽和蒸氣壓。第43頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎44第九節(jié)液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象（一）空氣分離壓和飽和蒸氣壓在一定溫度下，當液體壓力低于某值時，溶解在液體中的空氣將會突然地迅速從液體中分離出來，產(chǎn)生大量氣泡，這個壓力稱為液體在該溫度下的空氣分離壓。有氣泡的液體其體積模量將明顯減小。氣泡越多，液體的體積模量越小。第44頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎45

當液體在某一溫度下其壓力繼續(xù)下降而低于一定數(shù)值時，液體本身便迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸氣，這時的壓力稱為液體在該溫度下的飽和蒸氣壓。一般說來，液體的飽和蒸氣壓比空氣分離壓要小得多。第九節(jié)液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象種類溫度/C飽和蒸汽壓/Pa水20502338.412398.9HL-3220501.7990.013HL-3220500.3870.011第45頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎46第九節(jié)液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象（二）節(jié)流孔口的氣穴（三）減小氣穴的措施在液壓系統(tǒng)中，哪里壓力低于空氣分離壓，那里就會產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。為了防止氣穴現(xiàn)象的發(fā)生，最根本的一條是避免液壓系統(tǒng)中的壓力過分降低，具體措施有：

l）減小閥孔口前后的壓差，一般希望其壓力比p1/p2＜3.5。

2）正確設計和使用液壓泵站。

3）液壓系統(tǒng)各元部的聯(lián)接處要密封可靠，嚴防空氣侵入。

4）采用抗腐蝕能力強的金屬材料，提高零件的機械強度，減小零件表面粗糙度。第46頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎47第十節(jié)穿透多孔物質(zhì)的液流

在液壓和氣動系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)能正常持續(xù)地運行，必須保持其工作介質(zhì)的清潔，因而常在系統(tǒng)的進出口處或系統(tǒng)的內(nèi)部設置過濾器，以濾掉因受外界污染而混入工作介質(zhì)的雜物和系統(tǒng)工作中自身產(chǎn)生的異物。過濾器一般用濾網(wǎng)、濾紙、粉末金屬或陶瓷等多孔物質(zhì)制成。因此，過濾的過程就是帶有雜物的流體（工作介質(zhì)）穿透這些多孔物質(zhì)的流動。一、過濾過程過濾就是通過多孔物質(zhì)把分散的微粒從彌散的流體中分離出來的一種方法。根據(jù)彌散流體的種類，過濾有氣濾與液濾之分。按過濾過程的類型則可分為以下幾種。（一）表面過濾

表面過濾就是將懸浮于流體中的大于過濾物質(zhì)微孔的顆粒，截留在過濾物質(zhì)表面上。（二）深度過濾與表面過濾相反，深度過濾是在多孔物質(zhì)內(nèi)部實現(xiàn)。那些小于多孔物質(zhì)微孔的微粒，隨著彌散的流體流經(jīng)多孔物質(zhì)內(nèi)部彎彎曲曲的通道時，它們與通道壁相第47頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/4第一章流體力學基礎48第十節(jié)穿透多孔物質(zhì)的液流碰撞，如果微粒受到的阻力大于它的慣性力，那么這些微粒就被