液壓與氣壓傳動(流體力學基礎)

第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動Chapter1流體力學基礎

上一講回顧：

0.1

液壓傳動的定義

0.2

液壓傳動的工作原理

液壓系統(tǒng)中的壓力取決于（），執(zhí)行元件的運動速度取決于（）。 液壓傳動裝置由（）、（）、（）、（）和（）五部分組成，其中（）和（）為能量轉(zhuǎn)換裝置。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動Chapter1流體力學基礎

本章主要內(nèi)容：

1.1

工作介質(zhì)

1.2

流體靜力學

1.3

流體運動學和流體動力學

1.6

管道流動

1.7

孔口流動

1.8

縫隙流動

1.9

瞬變流動

第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動了解與液壓及氣動技術有關的流體力學基本內(nèi)容流體經(jīng)過薄壁小孔、短孔、細長孔等小孔的流動情況，相應的流量公式流體經(jīng)過各種縫隙的流動特性及其流量公式液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象及其減小措施目的任務:

重點難點:

第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動Part1.1

工作介質(zhì)

工作介質(zhì)：在傳動及控制中起傳遞能量和信號的作用。流體傳動及控制（包括液壓與氣動），在工作、性能特點上和機械、電氣傳動之間的差異主要取決于載體的不同，前者采用工作介質(zhì)。因此，掌握液壓與氣動技術之前，必須先對其工作介質(zhì)有一清晰的了解。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動1.物理性質(zhì)密度

單位體積液體所具有的質(zhì)量稱為該液體的密度。即：

（1-1）式中ρ—液體的密度(kg/m3)；

V—液體的體積(m3)

；

m—液體的質(zhì)量(kg)

。Part1.1.1

液壓傳動介質(zhì)第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動液體的密度隨著壓力或溫度的變化而發(fā)生變化，但其變化量一般很小，在工程計算中可以忽略不計。一般取ρ=900kg/m3。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動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。若壓力為p0時液體的體積為V0，當壓力增加Δp，液體的體積減小ΔV，則液體在單位壓力變化下的體積相對變化量為：（1-2）式中，k稱為液體的壓縮率。由于壓力增加時液體的體積減小，兩者變化方向相反，為使k成為正值，在上式右邊須加一負號。液體壓縮率k的倒數(shù)，稱為液體體積模量，即（1-3）第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動一般情況下，工作介質(zhì)的可壓縮性對液壓系統(tǒng)性能影響不大，可認為油液是不可壓縮的。但若油液中混入空氣，其壓縮性顯著增加，故液壓系統(tǒng)中盡量減少油液中空氣的含量。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動3、粘性1）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。圖1-1

液體粘性示意圖現(xiàn)以圖1-1為例說明液體的粘性。若距離為h的兩平行平板間充滿液體，下平板固定，而上平板以速度u0向右平動由于液體和固體壁面間的附著力及液體的粘性，會使流動液體內(nèi)部各液層的速度大小不等：緊靠著下平板的液層速度為零，緊靠著上平板的液層速度為u0

，而中間各層液體的速度當層間距離h較小時，從上到下近似呈線性遞減規(guī)律分布。其中速度快的液層帶動速度慢的；而速度慢的液層對速度快的起阻滯作用。hydyu0yxO第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動實驗測定表明，流動液體相鄰液層間的內(nèi)摩擦力Ff與液層接觸面積A、液層間的速度梯度du/dy成正比，即：（1-4）式中，比例系數(shù)μ稱為粘性系數(shù)或動力粘度。若以τ表示液層間的切應力，即單位面上的內(nèi)摩擦力，則上式可表示為：（1-5）這就是牛頓液體內(nèi)摩擦定律。由此可知，在靜止液體中，速度梯度du/dy=0，故其內(nèi)摩擦力為零，因此靜止液體不呈現(xiàn)粘性，液體只在流動或具有流動趨勢時才顯示其粘性。

第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動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。動力粘度μ由式（1-5）可知，動力粘度μ是表征流動液體內(nèi)摩擦力大小的粘性系數(shù)。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，（1-6）在我國法定計量單位制及國際單位制（SI制）中，動力粘度μ的單位是Pa·s（帕·秒）或用N·s/m2（牛·秒/米2）表示。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動運動粘度v—液體動力粘度與其密度之比即（1-7）在我國法定計量單位制及SI制中，運動粘度v的單位是m2/s（米2/秒）。液壓油的運動粘度通常采用mm2/s（毫米2/秒），習慣上常用它來標志液體粘度。液壓傳動工作介質(zhì)的粘度等級（牌號）是以40℃時運動粘度（以mm2/s計）的中心值來劃分的。粘度等級40℃時粘度平均值40℃時粘度范圍粘度等級40℃時粘度平均值40℃時粘度范圍VG10VG15VG22VG32101522329.00~11.013.5~16.519.8~24.228.8~35.2VG46VG68VG100466810041.4~50.661.2~74.890.0~110表1-4

常用液壓油運動粘度等級第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動相對粘度。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。如恩氏粘度?E（歐洲一些國家）、通用塞氏秒SUS（美國、英國）、商用雷氏秒R1S（英、美等國）和巴氏度?B（法國）等。國際標準化組織ISO已規(guī)定統(tǒng)一采用運動粘度來表示油的粘度。3恩氏粘度計20℃恩氏粘度計20℃第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動3）溫度對粘度的影響溫度變化使液體內(nèi)聚力發(fā)生變化，因此液體的粘度對溫度的變化十分敏感：溫度升高，粘度下降（見教材P11圖1-2）。這一特性稱為液體的粘－溫特性。粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量，因此希望粘度隨溫度的變化越小越好。4）壓力對粘度的影響

壓力增大時，液體分子間距離縮小，內(nèi)聚力增加，粘度變大。但是這種影響在低壓時并不明顯，可以忽略不計；當壓力大于50MPa時，其影響才趨于顯著。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動1）可壓縮性可壓縮性盡可能小，響應性好；2）粘性溫度及壓力對粘度影響小，具有適當?shù)恼扯龋硿靥匦院茫?）潤滑性對液壓元件滑動部位充分潤滑；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；4.液壓傳動工作介質(zhì)的基本要求與種類第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動為使液壓系統(tǒng)長期保持正常的工作性能，對其工作介質(zhì)提出的要求還有：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。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動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（我國國家標準GB/T7631.2—1987與此等效）如表1-1所示。工作介質(zhì)類別組成與特性代號石油基液壓液無添加劑的石油基液壓液HH+抗氧化劑、防銹劑HL+抗磨劑HL+增粘劑HM+增粘劑HM+防爬劑無特定難燃性的合成液（特殊性能）L－HHL－HLL－HML－HRL－HVL－HGL－HS難燃液壓液含水液壓液高含水液壓液水包油乳化液水的化學溶液含水大于80%（休積分數(shù)）L－HFAL－HFAEL－HFAS油包水乳化液含水小于80%（體積分數(shù)）L－HFB含聚合物水溶液/水－乙二醇液L－HFC合成液壓液磷酸酯無水合成液L－HFDL－HFDR氯化烴無水合成液L－HFDSHFDR和HFDS液混合的無水合成液L－HFDT其他成分的無水合成液L－HFDU表1-1

液壓傳動工作介質(zhì)的種類第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動Part1.1.3

選用和維護正確而合理地選用和維護工作介質(zhì)對于液壓系統(tǒng)達到設計要求、保障工作能力、滿足環(huán)境條件、延長使用壽命、提高運行可靠性、防止事故發(fā)生等方面都有重要影響。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動在液壓系統(tǒng)所有元件中，液壓泵的工作條件最為嚴峻，不但壓力高、轉(zhuǎn)速高和溫度高，而且工作介質(zhì)在被液壓泵吸入和由液壓泵壓出時要受到剪切作用，所以一般根據(jù)液壓泵的要求來確定介質(zhì)的粘度。表1-4（見教材P13）給出了各種液壓泵用油的粘度范圍及推薦牌號。此外，選擇工作介質(zhì)的粘度時，還應考慮環(huán)境溫度、系統(tǒng)工作壓力、執(zhí)行元件運動類型和速度以及泄漏等因素：（1）當環(huán)境溫度高、壓力高，往復運動速度低或旋轉(zhuǎn)運動時，或泄漏量大，而運動速度不高時宜有用粘度較高的工作介質(zhì)，以減少系統(tǒng)泄漏；（2）當環(huán)境溫度低、壓力低，往復運動或旋轉(zhuǎn)運動速度高時，宜采用粘度低的工作介質(zhì)，以減少液流功率損失。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動Part1.2

流體靜力學本節(jié)主要介紹液體靜力學。液體靜力學是研究靜止液體的力學規(guī)律以及這些規(guī)律的應用。這里所說的靜止液體是指液體內(nèi)部質(zhì)點間沒有相對運動而言，至于盛裝液體的容器，不論它是靜止的或是運動的，都沒有關系。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動Part1.2.1

靜壓力及其特性

靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。靜壓力在液壓傳動中簡稱壓力，在物理學中則稱為壓強。靜止液體中某點處微小面積ΔA上作用有法向力ΔF，則該點的壓力定義為：（1-19）若法向作用力F均勻地作用在面積A上，則壓力可表示為：（1-20）第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動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)量點間的內(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。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動Part1.2.2

靜壓力基本方程

1.靜壓力基本方程圖1-3

重力作用下的靜止液體在重力作用下的靜止液體，其受力情況如圖1-3a所示，除了液體重力，還有液面上的壓力和容器壁面作用在液體上的壓力。如要求出液體內(nèi)離液面深度為h的某一點壓力，可以從液體內(nèi)取出一個底面通過該點的垂直小液柱作為控制體。設小液柱的底面積為ΔA，高為h，如圖1-3b所示。這個小液柱在重力及周圍液體的壓力作用下處于平衡狀態(tài)，其在垂直方向上的力平衡方程式為：式中，ρghΔA為小液柱的重力。上式化簡后得：（1-21）第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動式（1-21）即為靜壓力基本方程。它說明液體靜壓力分布有如下特征：1）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ρgh當液面上只受大氣壓力pa作用時，則該點的壓力為：（1-22）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。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動2.靜壓力基本方程的物理意義將圖1-3所示盛有液體的密閉容器放在基準水平面（O-x）上加以考察，如圖1-4所示，則靜壓力基本方程可改寫成：圖1-4

靜壓力基本方程的物理意義式中z0—液面與基準水平面之間的距離；

z—深度為h的點與基準水平面之間的距離。上式整理后可得：（1-23）第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動式（1-23）是靜壓力基本方程的另一形式。式中p/(ρ)表示了單位重力液體的壓力能，故又常稱作壓力水頭；zg表示了單位重力液體的勢能，也常稱作位置水頭。因此，靜壓力基本方程的物理意義是：靜止液體內(nèi)任何一點具有壓力能和位能兩種能量形式，且其總和保持不變，即能量守恒。但是兩種能量形式之間可以相互轉(zhuǎn)換。5）在常用的液壓裝置中，一般外加壓力p0遠大于自重形成的壓力ρgh，因此分析計算時忽略ρgh不計，在以后有關的分析計算壓力時，都采用這一結論。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動3.壓力的表示方法根據(jù)度量基準的不同，壓力有兩種表示方法：以絕對零壓力作為基準所表示的壓力，稱為絕對壓力；以當?shù)卮髿鈮毫榛鶞仕硎镜膲毫ΓQ為相對壓力。絕對壓力與相當對壓力之間的關系如圖1-5所示。絕大多數(shù)測壓儀表因其外部均受大氣壓力作用，所以儀表指示的壓力是相對壓力。今后，如不特別指明，液壓傳動中所提到的壓力均為相對壓力。圖1-5

絕對壓力與相對壓力間的關系pap>pap<pap=0第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動如果液體中某點處的絕對壓力小于大氣壓力，這時該點的絕對壓力比大氣壓力小的那部分壓力值，稱為真空度。真空度=大氣壓力－絕對壓力

（1-24）第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動例1-2

圖1-6所示為一充滿油液的容器，如作用在活塞上的力為F=1000N，活塞面積A=1×10－3m2，忽略活塞的質(zhì)量。試問活塞下方深度為h=0.5m處的壓力等于多少？油液的密度=900kg/m3

。解：

依據(jù)式（1-21），p=p0+ρgh，活塞和液面接觸處的壓力p0=F/A=1000/（1×10－3）N/m2=106N/m2，因此，深度為h=0.5m處的液體壓力為：p=p0+ρgh=（106+900×9.8×0.5）N/m2=1.0044×106N/m2≈106Pa=1MPa由這個例子可以看到，液體在受壓情況下，其液柱高度所引起的那部分壓力ρgh相當小，可以忽略不計，并認為整個靜止液體內(nèi)部的壓力是近乎相等的。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動Part1.2.3

帕斯卡原理

按式（1-21），盛放在密閉容器內(nèi)的液體，其外加壓力p0發(fā)生變化時，只要液體仍保持其原來的靜止狀態(tài)不變，液體中任一點的壓力均將發(fā)生同樣大小的變化。也就是說，在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值傳遞到液體中所有各點。這就是帕斯卡原理，或稱靜壓傳遞原理。帕斯卡原理是液壓傳動的一個基本原理。第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動Part1.2.4

靜壓力對固體壁面的作用力

靜止液體和固體壁面相接觸時，固體壁面將受到由液體靜壓所產(chǎn)生的作用力。當固體壁面為一平面時，作用在該面上壓力的方向是相互平行的，故靜壓力作用在固體壁面上的總力F等于壓力P與承壓面積A的乘積，且作用方向垂直于承壓表面，即：（1-25）當固體壁面為一曲面時，情況就不同了：作用在曲面上各點處的壓力方向是不平行的，因此，靜壓力作用在曲面某一方面x上的總力Fx等于壓力與曲面在該方向投影面積Ax的乘積，即：（1-26）第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動上述結論對于任何曲面都是適用的。下面以液壓缸缸筒為例加以證實。圖1-7

靜壓力作用在液壓缸內(nèi)壁面上的力設液壓缸兩端面封閉，缸筒內(nèi)充滿著壓力為p的油液，缸筒半徑為r，長度為l，如圖1-7所