液压流体力学基础卓

第2章 液压流体力学基础,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,本章主要学习内容,工作介质 液体静力学 液体运动学和动力学 管路压力损失分析 小孔流量 液压冲击和气穴现象,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,本章 学习目标,了解液压油的物理性质、粘温关系 掌握液体静压力基本方程和流体三大方程 掌握管路内压力损失的计算方法 了解液压冲击和气穴现象,液体粘性、静压特性 静力学基本方程、流量与流速的关系 连续性方程和伯努利方程,重点难点,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.1 工作介质,液压工作介质的功能：,（1）传递能量,（2）润滑液压元件，减少摩擦和磨损。,（3）散热。,（4）防止锈蚀。,（5）分离和沉淀非可溶性污染物。,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,液压工作介质的种类 按抗燃烧特性可分为两大类：一类为矿物油系；一类为不燃或难燃油系。 大多数设备的液压系统采用是矿物油系 。 液压传动中广泛采用石油基液压油作为工作液体，特殊情况下可采用抗燃液压油。 不燃或难燃油系可分为水基液压油和合成液压油两种。 常用的液压油种类见表21。,2.1.1 工作介质使用种类和要求,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,表2-1 液压系统工作介质分类,2.1.1 工作介质使用种类和要求,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.1.1 工作介质使用种类和要求,L-HL-68：L代表润滑剂类，H代表液压油，L代表防锈、抗氧化型，最后的数字代表运动粘度。,1.石油基液压油,成分：精制矿物油+抗氧、抗腐、抗泡、防锈等添加剂,(1)L-HL液压油(又名普通液压油)：,液压油采用统一的命名方式如下:,类品种 数字,当前我国供需量最大的主品种，用于一般液压系统，但只适于O以上的工作环境。 其牌号有：HL-32、HL-46、HL-68。,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.1.2 工作介质的物理性质,2、可压缩性和膨胀性,膨胀性:液体受温度的影响而使体积发生变化的性质。,可压缩性:液体受压力的作用而使体积发生变化的性质。,密度随液体温度或压力的变化，但这种变化量不大，在实际使用中可认为不受温度和压力的影响,一般取=900kg/m3的大小 。,kg/m3,1、密度,液体的密度:单位体积的液体质量。,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.1.2 工作介质的物理性质,体积压缩系数:液体在单位压力变化下的体积相对变化量。,体积弹性模量:液体体积压缩系数的倒数，简称体积模量。,单位：Pa,体积模量K物理意义：表示液体产生单位体积相对变化量时所需要的压力增量，也即液体抵抗压缩能力的大小。,单位：1/Pa,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.1.2 工作介质的物理性质,式中： 是比例常数，称为粘性系数或动力粘度。,液体粘性示意图,3、粘性及其表示方法,1） 粘性的物理本质,粘性：流体在外力作用下流动或有流动趋势时，液体内分子间的内聚力要阻止液体分子的相对运动，因而产生一种内摩擦力。,实验测定指出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比。即：,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.1.2 工作介质的物理性质,液体的粘性大小可用粘度来表示。粘度的表示方法有：动力粘度、运动粘度、相对粘度。,以表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则,动力粘度的物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上的内摩擦力。 单位为Pa·s(1Pa·s=1N·s/m2) 1Pa·s = 10P（泊）= 1000 cP（厘泊）,这就是牛顿的液体内摩擦定律。,液体液体静止时，du/dy = 0，不呈粘性。,2） 粘度,（1) 动力粘度：又称为绝对粘度。,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.1.2 工作介质的物理性质,运动粘度：液体动力粘度与液体密度之比。,我国液压油的牌号：用其在40时的运动粘度（以mm2/s (cSt)计）平均值来表示。 例如：L-HL-32液压油，就是这种油在40时运动粘度平均值为32mm2/s( L表示润滑剂类，H表示液压油，L表示防锈抗氧型）。,比值无物理意义，但习惯上常用它来标志液体粘度。 单位为m2/s。单位换算关系为 1 m2/s =106 mm2/s 106 cSt(厘斯，cSt),单位中只有长度和时间量纲类似运动学量，所以称运动粘度。,（2）运动粘度：,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,式中： 的单位为m2/s。,2.1.2 工作介质的物理性质,（3）相对粘度：又称条件粘度。它是采用特定的粘度计在规定的条件下测量出来的粘度。可分为恩氏粘度、赛氏粘度SSU、雷氏粘度Re等。,将200mL温度为t的被测液体从恩氏粘度计的容器内底部2.8mm的小孔流尽所需时间t1，再测出200mL温度为20的蒸馏水所需的时间t2，在t下的恩氏粘度为：,恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系式：,恩氏粘度的测定方法为：,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,3）粘度的影响因素,2.1.2 工作介质的物理性质,压力增大时，粘度增大。但在一般的液体系统使用的压力范围内，粘度变化的数值很小，可以忽略不计。,油的粘度是随液体的温度和压力而变化的。,粘温特性好的液压油，粘度随温度的变化较小。粘温特性通常用,当油温升高时，其粘度显著下降。 粘度随温度变化特性，可以用粘度温度曲线表示。如图1.7所示。,粘度指数表示。液压油的粘度指数（VI）表明试油的粘度随温度变化的程度与标准油的粘度变化程度比值的相对值。粘度指数高，即表示粘温特性好。,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,（2）氧化安定性和剪切安定性好。,（3）抗乳化性、抗泡沫性好。,（4）闪点、燃点要高，能防火、防爆。,（5）有良好的润滑性和防腐蚀性，不腐蚀金属和密封件。,（6）对人体无害，成本低。,2.2.3 对液压工作介质的要求,（l）有适当的粘度和良好的粘温特性。,对液压工作介质的基本要求如下:,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,总之，选择液压油时一是考虑液压油的品种，二是考虑液压油的粘度。,2.1.4 液压工作介质的选择,液压油的选用可根据不同的使用场合选用合适的品种，在品种确定的情况下，最主要考虑的是油液的粘度，其选择考虑的因素如下。,工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油，以减少泄露；反之便选用粘度较低的油。例如，当压力p = 7.020.0Mpa时，宜选用N46N100的液压油；当压力p7.0Mpa时宜选用N32N68的液压油。,（1） 液压系统的工作压力：,（2）运动速度：,（3）液压泵的类型：,执行机构运动速度较高时，为了减小液流的功率损失，宜选用粘度较低的液压油。,在液压系统中，对液压泵的润滑要求苛刻，不同类型的泵对油的粘度有不同的要求，具体可参见有关资料。,（4）工作环境温度高时选用粘度较高的液压油，减少容积损失,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,液压油使用一段时间后会受到污染，常使阀内的阀芯卡死，并使油封加速磨耗及液压缸内壁磨损等。,2.1.5 工作介质的污染及控制,自学,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,单位面积上作用的表面力称为应力，它有法向应力和切向应力之分。当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力。液体内某点处单位面积A上所受到的法向力F，称为压力p（静压力）. 即,2.2 液体静力学,2.2.1 静压力及其特性,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,由于液体质点间的凝聚力很小，不能受拉，只能受压，所以液体的静压力具有两个重要特性：,1）液体静压力垂直于承压面,其方向总是作用在内法线方向上； 2）静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。,2.2 液体静力学,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.2.2 静止液体中的压力分布（静压力基本方程）,上式即为液体静压力的基本方程。,（2.3）,上式化简后得：,式中，ghA为小液柱的重力， 液体的密度,如图2.1所示。在垂直方向上力平衡方程式为,如上表面受到大气压力pa作用，则,2.2 液体静力学,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,液体静力学基本方程说明什么问题： （1） 静止液体中任何一点的静压力为作用在液面的压力Po和液体重力所产生的压力gh之和。 （2） 液体中的静压力随着深度h而线性增加。 （3）在连通器里，静止液体中只要深度h相同其压力都相等。由压力相等的组成的面称为等压面。,2.2 液体静力学,在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.2.3 压力的表示方法和单位,2.2 液体静力学,根据度量基准的不同: 相对压力(又称表压力)和绝对压力。,相对压力(表压力)：以大气压力为基准所表示的压力,绝对压力：以绝对零压力作为基准所表示的压力。,真空度： 绝对压力不足于大气压力的那部分压力值 。,真空度=大气压力-绝对压力 绝对压力相对压力大气 压力,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,压力的单位 我国法定压力单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa，1Pa = 1 N/m2。由于Pa太小，工程上常用其倍数单位兆帕（MPa）来表示 1MPa = 106 Pa 压力单位及其它非法定计量单位的换算关系: 1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8×104 Pa 1mH2O(米水柱)=9.8×103 Pa 1mmHg(毫米汞柱)=1.33×102 Pa 1bar(巴) = 105 Pa1.02kgf/cm2,2.2 液体静力学,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.2 液体静力学,例2.1 如图所示，容器内盛油液。已知油的密度=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面积A=1×10-3m2，假设活塞的重量忽略不计。问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少？,解: 活塞与液体接触面上的压力均匀分布，有,根据静压力的基本方程式，深度为h处的液体压力,静压传递原理或称帕斯卡原理:在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到各点。,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,图所示建立了一个很重要的概念，即在液压传动中工作的压力取决于负载，而与流入的流体多少无关。,2.2 液体静力学,W= 0 p = 0 W p W p 结论：液压系统的工作压力取决于负载，并且 随着负载的变化而变化。,p1p2=p,p= W/A2,2019年1月14日星期一,湖南工程学院液压与气压传动,2.2.5 静压力对固体壁面的作用力,2.2 液体静力学,如：液压缸，若设活塞直径为D,则 F = p·A = p·D2/4,1、压力作用在平面上 F = p·A,液体对固体产生作用力，根据压力的