流體及其壓力傳動介質(zhì)

1、第二章第二章 液體力學(xué)基礎(chǔ)液體力學(xué)基礎(chǔ)v1. 流體靜壓力基礎(chǔ)v2. 流體動力學(xué)基礎(chǔ)v3.氣壓流體力學(xué)基礎(chǔ)2.1 流體靜力學(xué)基礎(chǔ)v平衡流體指的是流體內(nèi)部流體質(zhì)點(diǎn)間沒有相對運(yùn)動。v2.1.1 2.1.1 流體靜壓力及其特性流體靜壓力及其特性 按平衡態(tài)流體受力特點(diǎn)分：表面力、質(zhì)量力 表面力表面力是一種大小與所取流體微團(tuán)表面積有關(guān)，并且分布作用在流體微團(tuán)表面上的力。 質(zhì)量力質(zhì)量力與所取流體微團(tuán)質(zhì)量大小有關(guān)，并且集中作用在流體微團(tuán)質(zhì)量中心上的力。2.1.1流體靜壓力及其特征v靜壓力靜壓力: 是指液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),其單位面積上所受的法向作用力。v若包含液體某點(diǎn)的微小面積A上所作用的法向力為F，則該點(diǎn)的靜

2、壓力p定義為：v若法向力F均勻地作用在面積A上，則壓力可表示為:AFpAlim0AFp 液體的靜壓力液體的靜壓力v靜壓力的特性靜壓力的特性:v（1）液體的靜壓力的方向總是沿著作用面的內(nèi)法線方向。v（2）靜止液體中任何一點(diǎn)所受到各個方向的壓力都相等。 2.1.2 靜壓力的基本方程靜壓力的基本方程n液體靜壓力基本方程: p=po+ghnP靜止液體中深度為h處任意點(diǎn)上壓力; p0為液面上的壓力。 特征：特征：同一容器同一液體中的靜壓力隨著深度h的增加線性地增加,反映了在重力作用下靜止液體中的壓力分布規(guī)律。n等壓面等壓面同一液體中深度h相同的各點(diǎn)壓力都相等。 靜壓力基本方程物理意義靜壓力基本方程物理意

3、義 hg 單位質(zhì)量液體的勢能,稱位置水頭。 單位質(zhì)量液體的壓力能,稱壓力水頭。物理意義物理意義: : 靜止液體具有兩種能量形式，即壓力能與勢能。這兩種能量形式可以相互轉(zhuǎn)換，但其總和對液體中的每一點(diǎn)都保持不變?yōu)楹阒担虼遂o壓力基本方程從本質(zhì)上反映了靜止液體中的能量守恒關(guān)系。常量hgpghp00p p=po+gh=p0+g(z0-z) Zo 液面與基準(zhǔn)水平面之間的距離； Z 深度為h的點(diǎn)與基準(zhǔn)水平面之間的距離 壓力的計(jì)量單位壓力的計(jì)量單位v法定單位法定單位 :牛頓/米2(N/m2)即帕（Pa） 1 MPa=106Pav單位換算單位換算: : 1工程大氣壓（at）=1公斤力/厘米2（kgf/m2）

4、1工程大氣壓105帕 =0.1 MPa 1米水柱（mH20）=9.8103Pa 1毫米汞柱（mmHg）=1.33102Pa 壓力的計(jì)量單位壓力的計(jì)量單位n相對壓力（表壓力）相對壓力（表壓力）: : 以大氣壓力為基準(zhǔn)，測量所得的壓力。n絕對壓力絕對壓力: : 以絕對零壓為基準(zhǔn)測得的壓力n絕對壓力=相對壓力 + 大氣壓力 n真空度真空度: :如果液體中某點(diǎn)的絕對壓力小于大氣壓力，則稱該點(diǎn)出現(xiàn)真空。此時(shí)相對壓力為負(fù)值，常將這一負(fù)相對壓力的絕對值稱為該點(diǎn)的真空度 。n真空度=|負(fù)的相對壓力| =|絕對壓力 - 大氣壓力| 壓力的傳遞壓力的傳遞n帕斯卡原理帕斯卡原理: :若在處于密封容器中靜止液體的部分

5、邊界面上施加外力使其壓力發(fā)生變化，只要液體仍保持其原來的靜止?fàn)顟B(tài)不變，則液體中任一點(diǎn)的壓力均將發(fā)生同樣大小的變化。n液壓傳動是依據(jù)帕斯卡原理 實(shí)現(xiàn)力的傳遞、放大和方向 變換的 n液壓系統(tǒng)的壓力完全決定于 外負(fù)載 帕斯卡原理應(yīng)用例2-1 作用在活塞上的力F=1000N，活塞面積A=110-3m2,忽略活塞的重量。試問活塞下方深度h=1m處的壓力等于多少？n解解：活塞和液面接觸處的壓力P0=F/A=1000N/（110-3）=106深度為h=1m處的液體壓力P=p0+gh=106+9009.81062.1.3 平衡流體對固體壁面的作用力v（1）當(dāng)承受壓力的固體平面的作用力v（2）當(dāng)承受壓力對固體曲

6、面的作用力 Fx=PAx注：曲面上總作用力在某一方向上的分力等于曲面在與該方向垂直平面內(nèi)的投影面積與靜壓力的乘積。pAxlrpF 2pAF v若已知曲面上總作用力在三個坐標(biāo)軸方向的分量分別為Fx、 Fy和Fz時(shí)，總作用力的大小為： 21222)(ZYXFFFFv解解（1）p1、p2對閥芯錐面向上的作用力？（2）p1、p2對閥芯錐面向下的作用力？（3）閥芯受力平衡方程式為？例22 某安全閥的閥芯為圓錐形，閥座孔徑d=10mm，閥芯最大直徑D=15mm,當(dāng)液壓油液壓力p10MPa時(shí)，壓力油克服彈簧力頂開閥芯而溢油，出油腔有背壓力p2=0.5MPa。試求閥內(nèi)彈簧的預(yù)緊力Fs。2.2 液體動力學(xué)基礎(chǔ)v

7、2.2.1流體運(yùn)動的基本概念流體運(yùn)動的基本概念v理想液體理想液體 假設(shè)的既無粘性又不可壓縮的流體稱為理想流體。v恒定流動恒定流動 液體流動時(shí)，液體中任一點(diǎn)處的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間而變化的流動，亦稱為定常流動或非時(shí)變流動。v一維流動一維流動當(dāng)流體整個作線性流動時(shí)，稱一維流動。v二維流動二維流動當(dāng)流體作平面或空間流動時(shí)稱二維流動。v（2）流線、流管、流束和通流截面流線 是流場中的一條條曲線，它表示在同一瞬時(shí)流場中各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)。特點(diǎn)：代表了某一瞬時(shí)一群流體質(zhì)點(diǎn)的流速方向。流場中每個質(zhì)點(diǎn)在某一瞬時(shí)只能有一個速度，所以流線之間不可能相交，流線也不能突然轉(zhuǎn)折，它只能是一條光滑的曲線。流管在流場中

8、畫一不屬于流線的任意封閉曲線，過該封閉曲線上每個質(zhì)點(diǎn)作流線，由這些流線組成的表面稱為流管。流束流管內(nèi)的全部流體稱為流束。通流截面通流截面在流場中作一面。若該面與通過面上的每一條流線都垂直，則稱該面為通流截面。v（2）流線、流管、流束和通流截面總流如果封閉曲線取在管道內(nèi)壁周線上，則流束就是充滿管道內(nèi)部的全部流體，這種情況通常稱為總流。微元流束若封閉曲線取得極小，其極限近于一條流線的流束稱為微元流束。特點(diǎn)： 流束有體積、質(zhì)量、動量和動能等。流管和流線只是幾何體上的面和線，只有形狀無體積和質(zhì)量。（3）流量和平均流速）流量和平均流速體積流量Q單位時(shí)間內(nèi)流過通流截面的流體體積體積。質(zhì)量流量Qm單位時(shí)間內(nèi)

9、流過通流截面的流體質(zhì)量質(zhì)量。重量流量QG單位時(shí)間內(nèi)流過通流截面的流體重量重量。單位：單位：Q的法定單位: 米3/秒(m3/s);工程中常用：升/分（L/min） 流線、流束與通流截面通流截面上的平均流速通流截面上的平均流速: 流速在通流截面上的分布特點(diǎn)流速在通流截面上的分布特點(diǎn) 通過dA的微小質(zhì)量流量dQm =udA 通過dA的微小體積流量dQ = udA積分得：Qm=AudA Q=AudA 因u分布規(guī)律復(fù)雜，一般在液壓傳動中用一個假想的平均流速求流量，并認(rèn)為該流量以v流經(jīng)通流截面的流量等于以實(shí)際流速通過的流量。即 Qm=vA Q=VA AQV 2.2.2 流體運(yùn)動基本方程流體運(yùn)動基本方程v流

10、體運(yùn)動基本方程描述流體運(yùn)動過程中基本物理量變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。v（1 1）流量連續(xù)方程）流量連續(xù)方程 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)微小截面dA1流入微小流束的流體質(zhì)量應(yīng)與從微小dA2流出微小流束的流體質(zhì)量相當(dāng)。 則：1 u1 dA1 = 2 u2 dA2積分： 1v1A1 = 2v2A2 v1A1 = v2A2 Q = vA = Q = vA = 常數(shù)常數(shù) （2）理想流體的伯努利方程v根據(jù)能量守恒定律能量守恒定律，同一管道每一截面的總能量都是相等的。v由于存在運(yùn)動，所以理想流體流動時(shí)除了具有壓力能與位能外，還具有動能。 單位質(zhì)量的壓力能: 單位質(zhì)量的位能: Zg 單位質(zhì)量的動能:p22理

11、想液體的伯努利方程理想液體的伯努利方程n理想液體定常流動時(shí)，液體的任一通流截面上的總能量保持為定值。 總比能由比壓能（ ）、比位能（Z）和比動能（ ）組成，可以相互轉(zhuǎn)化。 cgzgpgzgp2222222111cgzgp22gpg22 伯努利方程示意圖實(shí)際液體的伯努利方程v:動能修正系數(shù),為截面上單位時(shí)間內(nèi)流過液體所具有的實(shí)際動能與按截面上平均流速計(jì)算的動能之比（層流時(shí)層流時(shí)=2=2，紊流時(shí)，紊流時(shí)=1=1）v :單位重量液體所消耗的能量 whwhgzgpgzgp22222211112121畢托管畢托管v畢托管是將流體動能轉(zhuǎn)化為壓能，從而通過測定流體壓力來測定流體運(yùn)動速度的儀器。流線的伯努利方

12、程為：U2/2g+p/g=p0/gU=(2g(p0-p)/g)1/2U=(2gh)1/2伯努利方程應(yīng)用實(shí)例伯努利方程應(yīng)用實(shí)例解：取油箱液面為基準(zhǔn)面，有 液壓泵從油箱吸油液壓泵從油箱吸油例2-3 分析液壓泵正常吸油的條件。設(shè)液壓泵吸油口處的絕對壓力為p2,油箱液面壓力為p1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓pa，泵吸油口至油箱液面高度為h. 管路系統(tǒng)流動分析v兩種流動狀態(tài)v定常管流的壓力損失v通過小孔的流動v通過間隙的流動 一、流態(tài)與雷諾數(shù)一、流態(tài)與雷諾數(shù)v層流層流 ：液體流速較低，液體質(zhì)點(diǎn)間的粘性力起到主導(dǎo)作用，液體質(zhì)點(diǎn)受粘性的約束，不能隨意運(yùn)動。v紊流紊流 ：液體流速較高，液體質(zhì)點(diǎn)間粘性的制約作用減弱，液體質(zhì)點(diǎn)間

13、的慣性力起到主導(dǎo)作用。v雷諾數(shù)雷諾數(shù)v液體在圓管中的流動狀態(tài)由管道中流體的平均流速、管道直徑d和液體運(yùn)動粘度這三個參數(shù)有關(guān)。v流動液體的雷諾數(shù)低于臨界雷諾數(shù)(由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?時(shí)，流動狀態(tài)為層流，反之液流的狀態(tài)為紊流。v雷諾數(shù)的物理意義雷諾數(shù)的物理意義:流動液體的慣性力與粘性力之比 。 vdRe 二、圓管流動的沿程壓力損失二、圓管流動的沿程壓力損失n層流時(shí)管截面上的速度分布 v三、管道流動的局部壓力損失三、管道流動的局部壓力損失pp : 在流經(jīng)閥口、管道截面變化、彎曲等處時(shí)，由于流動方向和速度變化及復(fù)雜的流動現(xiàn)象(旋渦，二次流等)而造成局部能量損失。 稱為局部壓力損失系數(shù)稱為局部壓力損失系數(shù)

14、22pv沿程壓力損失沿程壓力損失 : 這種沿等直徑管流動時(shí)的壓力損失 :沿程壓力損失系數(shù),其理論值為 . 考慮流動中油溫變化不勻等問題，對金屬管取 ，橡膠管取 p4128dlqp22Re6422dldlpRe64Re75Re80管路系統(tǒng)的壓力損失管路系統(tǒng)的壓力損失: 整個管路系統(tǒng)的總壓力損失是系統(tǒng)中所有直管的沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和 使用條件使用條件: :管路系統(tǒng)中兩相鄰局部壓力損失之間距離足夠大（相連管徑的10-20倍） 系統(tǒng)動力元件所供的工作壓力: 2221211inkiiikiiiiniidlppppw泵第五節(jié)第五節(jié) 孔口流動孔口流動 在液壓與氣壓傳動中常用通過改變閥口通流截面

15、積或通過通流通道的長短來控制流量的節(jié)流裝置來實(shí)現(xiàn)流量控制。這種節(jié)流裝置的通流截面一般為不同形式的小孔。v通過薄壁小孔(孔的通流長度l與孔徑d之比l/d0.5 )的流動v通過細(xì)長小孔(小孔的長徑比l/d4)的流動 通過薄壁小孔的流動 稱為小孔流量系數(shù)n通過薄壁小孔的流量與液體粘度無關(guān)，因而流量受液體溫度影響較小.但流量與孔口前后壓差的關(guān)系是非線性的 pAcpAccAqdc2202ccccd通過細(xì)長小孔的流動液體流經(jīng)小孔時(shí)流量液體流經(jīng)小孔時(shí)流量 液體流經(jīng)細(xì)長小孔的流量將隨液體溫度的變化而變化。但細(xì)長小孔的流量與孔前后的壓差關(guān)系是線性的通過間隙的流動v配合間隙v泄漏:當(dāng)流體流經(jīng)這些間隙時(shí)就會發(fā)生從壓

16、力高處經(jīng)過間隙流到系統(tǒng)中壓力低處或直接進(jìn)入大氣的現(xiàn)象(前者稱為內(nèi)泄漏，后者稱為外泄漏) v泄漏主要是由壓力差與間隙造成的v油液在間隙中的流動狀態(tài)一般是層流 2.6 液壓系統(tǒng)的氣穴與液壓沖擊現(xiàn)象v氣穴(空穴): 在流動液體中，由于某點(diǎn)處的壓力低于空氣分離壓而產(chǎn)生汽泡的現(xiàn)象v液壓沖擊: 在液壓系統(tǒng)中由于某種原因，液體壓力在一瞬間會突然升高,產(chǎn)生很高的壓力峰值,這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊氣穴（空穴）現(xiàn)象氣穴（空穴）現(xiàn)象1氣穴和氣蝕氣穴：在液流中，由于壓力降低有氣泡形成的現(xiàn)象。氣蝕：因氣穴現(xiàn)象而產(chǎn)生的零件剝蝕現(xiàn)象。2氣穴的危害性（1）由氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的大量氣泡，有的會聚集在管道的最高處或通流的狹窄處形成氣塞，

17、使油流不暢，甚至堵塞，從而使系統(tǒng)不能正常工作；（2）系統(tǒng)容積效率降低，使系統(tǒng)性能特別是動態(tài)性能變壞；（3）會使材料破壞，降低液壓元件的使用壽命。3可能產(chǎn)生氣穴的部位和預(yù)防措施v產(chǎn)生氣穴的部位：產(chǎn)生氣穴的部位：v泵的吸油口、油液流經(jīng)節(jié)流部位、突然啟閉的閥門、帶大慣性負(fù)載的液壓缸，以及液壓馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)中突然停止或換向時(shí)等都將產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。v預(yù)防措施：預(yù)防措施：（1）減小流經(jīng)節(jié)流口及縫隙處的壓力降，一般希望節(jié)流口和縫隙前后壓力p1/p2小于3.5；（2）正確設(shè)計(jì)管路，限制泵的吸油口離油面高度；（3）提高管道的密封性能，防止空氣滲入；（4）提高零件的機(jī)械強(qiáng)度和降低零件的表面粗糙度，采用抗腐蝕能力強(qiáng)的金屬材料，以提高元件抗氣蝕能力1產(chǎn)生液壓沖擊的原因產(chǎn)生液壓沖擊的原因v閥門突然關(guān)閉或液壓缸快速制動。v液流慣性使其動能轉(zhuǎn)換為壓力能，產(chǎn)生壓力沖擊波，在另一端壓力能又轉(zhuǎn)換為動能v然后反復(fù)能量轉(zhuǎn)換，形成壓力振蕩2液壓沖擊的危害液壓沖擊的危害v瞬間壓力沖擊引起振動和噪聲，v會損壞密封裝置、管道、元件，造成設(shè)備事故 3減少液壓沖擊的措