液压传动流体力学基础课件.pptx

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1、2023/3/19,1,第二章 液压流体力学基础,液压传动及控制,液压流体力学 属工程流体力学的范畴，应用流体力学的理论结果来研究液体在液压系统内的运动、平衡以及液体与液压元件间的相互作用规律,液体静力学 研究液体在静止状态下的力学规律及其应用,液体动力学 研究液体流动时流速和压力的变化规律,液压流体力学,液体流体力学,液压传动中的应用需要解决的流体力学问题：管道中液流的特性：用于计算流体在管路中流动时的压力损失孔口及缝隙的压力流量特性：分析节流调速回路性能和计算元件泄露量的理论依据液压冲击和气穴现象：如何有效避免有害现象,液体静压力的特性：液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。液体内

2、任一点所受的静压力在各个方向上都相等。,静压力及其特性,液体静力学是研究静止液体的力学规律以及这些规律的应用。这里所说的静止液体是指液体内部质点间没有相对运动而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是运动的，都没有关系。,2.1 液体静力学,在重力作用下的静止液体，其受力情况如图2.1a所示：液体重力液面上的压力容器壁面作用在液体上的压力,2.1 液体静力学,静压力的基本方程,图2.1重力作用下的静止液体,如要求出液体内离液面深度为h的某一点压力，可以从液体内取出一个底面通过该点的垂直小液柱作为控制体。,2.1 液体静力学,静压力的基本方程,式（2.3）是液体静压力基本方程式,2.1 液体静

3、力学,静止液体中的压力分布,压力随深度线性增加；等深等压。,2.1 液体静力学,静止液体中的压力分布,例2.1（教材P15）已知：油=900kg/m3,F=1000N，A=110-3m2，忽略活塞的质量。求：在h=0.5m处的P=?,解：（1）活塞和液面接触处的压力为：p0=F/A=1000/(110-3)=106(Pa)（2）h处的压力：p=p0+gh=1.0044106N/m2106 Pa从上面可以看到，液体在受压情况下，其液柱高度所引起的那部分压力相当小，可以忽略不计，并认为整个静止液体内部的压力是近乎相等的。,2.1 液体静力学,静止液体中的压力分布,例：如图所示，有一直径为d，重量为

4、G的活塞侵在液体中，并在力F的作用下处于静止状态，若液体的密度为，活塞侵入深度为h，试确定液体在测量管内的上升高度x。,解：对活塞进行受力分析，活塞受到向下的力：F下FG活塞受到向上的力：由于活塞在F作用下受力平衡，则：F下F上，所以：,（1）压力单位 国际单位：帕（Pa=N/m2）、千帕（kPa）、兆帕（MPa）工程单位：公斤力/厘米2（kgf/cm2）、巴（bar）或工程大气压（at）1at=1Kgf/cm2=9.81104Pa=10mH2O=0.1MPa 1bar=105Pa=0.1MPa 1bar=1.02kgf/cm2 1atm(标准大气压)=0.986923105Pa 液柱高：1m

5、H2O(米水柱)=9.8103Nm2 1mmHg(毫米汞柱)=1.33102Nm2,2.1 液体静力学,压力的表示方法,静压力在物理学上称压强工程中习惯称为压力,1公斤压力=0.1MPa,（2）绝对压力、相对压力（表压力）和真空度,2.1 液体静力学,压力的表示方法,今后，如不特别指明，液压传动中所提到的压力均为相对压力。,图2.3 绝对压力与相对压力间的关系,绝对压力=相对压力+大气压表压力（正的相对压力）=绝对压力-大气压真空度（负的相对压力）=绝对压力-大气压,1Kgf/cm2=9.81104Pa,2.1 液体静力学,帕斯卡原理,在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点

6、。这就是帕斯卡原理，也称为静压传递原理。,由此可得：液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。液体内的压力是由负载决定的。,作用在大活塞上的负载F1形成液体压力p=F1/A1。为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力 F2=pA2=F1A2/A1。,应用帕斯卡原理的实例,总结,液压流体力学,液体静力学,液体动力学,静压力基本方程,帕斯卡原理,静压力及其特性,基本概念（一）理想流体、定常流动（恒定流动）（二）流线、流管、流束（三）通流截面（过流断面）、流量、平均流速,2.2 液体动力学,基本原理 流量（连续性方程）、伯努利方程、动量方程,流体运动学和流体动力学的三个基本方程,流体运动学研

7、究流体的运动规律流体动力学研究作用于流体上的力与流体运动之间的关系。,实际液体具有黏性，研究液体的流动时必须考虑黏性的影响。但由于这个问题非常复杂，所以开始分析时可以假设液体没有黏性，然后再考虑粘性的作用并通过实验验证等办法对理想化的结论进行补充或修正。这种方法同样可以用来处理液体的可压缩性问题。理想液体：既无粘性又不可压缩的假想液体。,理想液体,2.2 液体动力学,定常流动（或恒定流动、稳定流动）液体流动时，如液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化的一种流动状态反之，只要压力、速度或密度中有一个参数随时间变化，则液体的流动被称为非定常流动。,2.2 液体动力学,定常流动,研究液压系

8、统静态性能时，可以认为流体作定常流动；研究液压系统动态性能时，则必须按非定常流动来考虑。,任意一点,2.2 液体动力学,实验,当液体整个作线形流动时，称为一维流动；当作平面或空间流动时，称为二维或三维流动。一维流动最简单，但是严格意义上的一维流动要求液流截面上各点处的速度矢量完全相同，这种情况在现实中极为少见。通常把封闭容器内液体的流动按一维流动处理再用实验数据来修正其结果。液压传动中对工作介质流动的分析讨论就是这样进行的。,2.2 液体动力学,一维流动,流线是流场中的一条条曲线，它表示在同一瞬时流场中各质点的运动状态。,2.2 液体动力学,流线,流线之间不可能相交，流线也不可能突然转折，它只

9、能是一条光滑的曲线。,在非恒定流动时，因而流线形状也随时间变化在恒定流动时，流线形状不随时间变化,流线上每一质点的速度向量与这条曲线相切 流线代表了某一瞬时一群流体质点的流速方向,流场中每一质点在每一瞬时只能有一个速度,液流通过空间点的速度随时间变化,2.2 液体动力学,流管和流束,；。,一维流动,平行流动：流线彼此平行的流动,缓变流动：流线间夹角很小，或流线曲率半径很大的流动,将流管截面无限缩小趋近于零,微小流管微小流束,截面上各点处的流速可认为是相等的,根据流线不会相交的性质，流管内外的流线均不会穿越流管流管与真实管道相似。,流管：在流场中画一不属于任何流线的任意封闭曲线，沿该封闭曲线上的

10、每一点作流线，由这些流线组成的表面。流管内的流线群称为流束。,2.2 液体动力学,通流截面、流量和平均流速,通流截面：流束中与所有流线正交的截面。如图c中的A面和B面，通流截面上每点处的流动速度都垂直于这个面。,流量：单位时间内流过某通流截面的液体体积，常用q表示，即：,式中 q 流量，在液压传动中流量 常用单位L/min；V 液体的体积；t 流过液体体积V 所需的时间。,一般而言，不可压缩流体的流量指的是体积流量,另外，质量流量，kg/s,2.2 液体动力学,通流截面、流量和平均流速,平均流速是一种假想的流速,液压领域的应用条件：不可压缩定常流动液压流体力学：不可压缩的定常流动的流量连续性方

11、程液压的应用：分支流合并流,2.2 液体动力学,流量连续性方程（质量守恒）,在一个连通管道中,2.2 液体动力学,连续性方程,例：如图所示，已知流量q1=25L/min，小活塞杆直径d1=20mm，小活塞直径D1=75mm，大活塞杆直径d2=40mm，大活塞直径D2=125mm，假设没有泄漏流量，求大小活塞的运动速度v1，v2。,解：根据液体在同一连通管道中作定常流动的连续方程q=vA，求大小活塞的运动速度v1，v2。,2.2 液体动力学,伯努利方程（能量守恒）,重力场中黏性不可压缩定常流总流的伯努利方程,仅受重力作用的实际液体在流管中作平行流动或缓变流动,能量损失,物理意义：单位重力实际液体

12、的能量守恒,2.2 液体动力学,伯努利方程（能量守恒）,液压应用领域：（1）流体不可压缩 油的体积弹性模量约为（1.22）103 MPa（2）定常流动（3）选取缓变流动的截面为研究对象,截面形状比较规则速度没有急剧的大小和方向的改变,2.2 液体动力学,动量方程（能量守恒）,从刚体动力学中引用流体所受外力由动量（定理）方程求得：作用于控制体积内的液体的外力等于该控制体积内液体动量的变化率,液压领域的应用应用条件：不可压缩定常流动应用目的：应用动量（定理）方程求流体对固体的作用力液压领域的典型应用：求阀芯的稳态液动力,液体所受的外力,液体对固体的作用力,动量方程（能量守恒）,+,+,总结,液压流

13、体力学,液体静力学,液体动力学,静压力基本方程,帕斯卡原理,静压力及其特性,基本原理,基本概念,理想流体、定常流动（恒定流动）流线、流管、流束通流截面（过流断面）、流量、平均流速,液体流体力学,液压传动中的应用需要解决的流体力学问题：管道中液流的特性：用于计算流体在管路中流动时的压力损失,（1）压力损失的物理原因：液体的内摩擦，流体质点相互之间的碰撞。（局部流动的速度大小和方向变化，宏观上产生漩涡、分离、脱流现象）,2.3 管道中液流的特性,液体的流动时的压力损失,在拐角处由于流体微团相互之间的摩擦作用，使得一部分机械能不可逆的转换成热能，在流动过程中，不断地有微团被主流带走，同时也有微团补充

14、到拐角区，这种流体微团的不断补充和带走，必然产生撞击、摩擦和质量交换，从而消耗一部分机械能,（2）研究压力损失的意义 优化设计液压系统；减少压力损失；利用压力损失所形成的压差来控制液压元件的动作,2.3 管道中液流的特性,液体的流动时的压力损失,2.3 管道中液流的特性,液体的流动时的压力损失,压力差,水力损失,表示水头，单位为液柱的高度,2.3 管道中液流的特性,液体的流动时的压力损失,弯管的局部损失系数,2.3 管道中液流的特性,液体的流动时的压力损失,dc,r,三通管管接头,直通式管接头,直角式管接头,铰接式管接头,（5）系统管路中的沿程压力损失如何计算？沿程压力损失:平直管路上液体因各

15、流层之间的内摩擦而产生的压力损失。,2.3 管道中液流的特性,液体的流动时的压力损失,2.3 管道中液流的特性,雷诺数及雷诺判据,1.层流和湍流,19世纪末，英国物理学家雷诺首先通过实验观察了水在圆管内的流动情况，发现液体有两种流动状态：层流和湍流。层流：液体质点没有横向运动，互不干扰作定向而不混杂地有层次的流动。湍流：当液体的流速大于某一数值之后，液体除交错而又混乱地沿某一方向运动外，还有一个横向的脉动速度。,层流和湍流是两种不同性质的流态。层流时，液体流速较低，质点受黏性制约，不能随意运动，黏性力起主导作用；湍流时，液体流速较高，黏性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。,雷诺实验装置,第41

16、张/共91张,11:37,2.3 管道中液流的特性,液体的流动状态,2.3 管道中液流的特性,液体的流动状态,2.雷诺数,液体的流动状态可用雷诺数来判别。,实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速v有关，还和管径d、液体的运动粘度有关。而用来判别液流状态的是由这三个参数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数。,（2.26）,圆形截面管dH=d（管道内径）,2.3 管道中液流的特性,液体的流动状态,对于非圆截面的管道来说，雷诺数Re应用下式计算,（2.27）,（2.28）,水力直径的大小对管道的通流能力影响很大。水力直径大，意味着液流与管壁接触少，阻力小，通流能力大，即使通流截面积小时

17、也不容易堵塞。,在面积相等但形状不同的所有通流截面中，圆形管的水力直径最大,第44张/共91张,11:37,液体的流动状态,2.3 管道中液流的特性,临界雷诺数及雷诺判据,临界雷诺数：液流由层流转变为湍流时的雷诺数和由湍流转变为层流时的雷诺数是不同的，后者数值小。所以一般都用后者作为判别流动状态的依据，记作Recr。当雷诺数ReRecr时,液流大多为湍流。典型情况，光滑金属管中：Re20002300时，液体作湍流运动,湍流,层流,液体的流动状态,2.3 管道中液流的特性,液体的流动状态,2.3 管道中液流的特性,泊肃叶流(Poiseuille流）,r,v,液体的流动状态,2.3 管道中液流的特

18、性,液体的流动状态,2.3 管道中液流的特性,圆管湍流运动的特点a.压力损失与层流时大（因为湍流运动的复杂性）b.管截面的速度分布同层流不一样c.压力损失还取决于管道内壁的表面粗糙度（湍流粗糙管和湍流光滑管）,液体的流动状态,2.3 管道中液流的特性,表2.2,2.3 管道中液流的特性,液体的流动时的压力损失,损失与管长、管径、液体黏度和流速等因素有关。总压力损失与流速的平方成正比，适当限制流速是减小管路压力损失的重要措施之一。,液体流体力学,液压传动中的应用需要解决的流体力学问题：管道中液流的特性：用于计算流体在管路中流动时的压力损失孔口及缝隙的压力流量特性：分析节流调速回路性能和计算元件泄

19、露量的理论依据,p,q,除管流外其它的典型流动形式,2.4 孔口和隙缝流动,孔口,各种缝隙流动：平行平板缝隙流、圆柱环状 缝隙流和平行圆盘缝隙流,小孔出流：薄壁孔、厚壁孔和细长孔,阀口流动：锥阀和滑阀等节流口流动,分析节流调速回路性能和计算元件泄露量,第54张/共91张,11:37,流体流经孔口的普遍规律,2.4 孔口和隙缝流动,流量系数,考虑压力损失，由伯努利方程得到,管路系统总的压力损失,基本方程,孔口分类：薄壁孔(l/d0.5)短孔（厚壁孔）（0.54）,孔口流量,2.4 孔口和隙缝流动,薄壁小孔（l/d0.5）的流动特点 有进口、出口的压力损失,2.4 孔口和隙缝流动,孔口流量,图2.

20、20 通过薄壁小孔的流体,能量损失由什么造成？,能量损失程度阻力大小,Cd值越大，能量损失越小Cd值越小，能量损失越大,第58张/共91张,11:37,薄壁小孔（l/d0.5）的流动特点,2.4 孔口和隙缝流动,孔口流量,由于薄壁小孔具有沿程压力损失小、通过小孔的流量对工作介质温度的变化不敏感等特性，所以常被用作调节流量的器件。正因为如此，在液压与气压传动中，常采用一些与薄壁小孔流动特性相近的阀口作为可调节孔口，如锥阀、滑阀、喷嘴挡板阀等。,2.4 孔口和隙缝流动,孔口流量,（2）短孔（0.5l/d4）的流动特点 a、有局部压力损失：进口压力损失和收缩后的扩散损失 b、收缩后的沿程压力损失,2

21、.4 孔口和隙缝流动,孔口流量,短孔的流量公式依然是式（2.40），但其流量系数Cd应由图2.22查出。由图可知，当Re2000时，Cd基本保持在0.8左右。,图2.22 短孔流量系数,作固定节流器,2.4 孔口和隙缝流动,孔口流量,液体流经细长孔的流量和孔前后压差p成正比，而和液体粘度成反比。因此流量受液体温度变化的影响较大。这一点和薄壁小孔的特性明显不同。,泊肃叶流动,第62张/共91张,11:37,2.4 孔口和隙缝流动,短孔和细长孔,（4）液压阀阀口的压力流量特性：在一定的压差作用下，流经阀口的流量由压差流量方程来求出：,2.4 孔口和隙缝流动,缝隙流动,缝隙流动的特点A、缝隙高度相对

22、其长度和宽度而言要小的多；B、分析流动通常按层流处理（特别是油介质）,2.4 孔口和隙缝流动,平行平板缝隙,图2.25 平行平板缝隙液流,在压差作用下，通过缝隙的流量与缝隙值的三次方成正比，这说明元件内缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。,2.4 孔口和隙缝流动,平行平板缝隙,平行平板缝隙流,（2）圆柱环状缝隙流,2.4 孔口和隙缝流动,圆环隙缝流量,缝隙较大时用公式2.52来计算,圆柱体和内孔没有相对运动时，u0=0,复习：实验课在219上,层流,湍流,Rcr,判断流动状态，计算,压力损失与管长、管径、液体黏度和流速等因素有关。,压力损失,孔口流量,层流,湍流,复习：实验课在219上,缝隙流

23、量,2.4 孔口和隙缝流动,流经偏心环形缝隙的流量,b.流经偏心环形缝隙的流量,h0为内外圆同心时半径方向的缝隙值,当=0时，它就是同心环形缝隙的流量公式；当=1，即有最大偏心量时，其流量为同心环形缝隙流量的2.5倍。,液体流体力学,液压传动中的应用需要解决的流体力学问题：管道中液流的特性：用于计算流体在管路中流动时的压力损失孔口及缝隙的压力流量特性：分析节流调速回路性能和计算元件泄露量的理论依据液压冲击和气穴现象：如何有效避免有害现象,（1）液压冲击的物理本质 液压系统中，由于液压元件的工作状态的突然改变（突然关闭或开启液流通道），引起的油压瞬时急剧上升，产生很高的压力峰值，出现冲击波的传递

24、过程，这种现象称之为液压冲击（水锤现象）（2）液压冲击的危害 产生剧烈的振动和噪声；引起管道、元件和密封件的损坏；使元件动作失灵等,液压冲击,2.5 液压冲击和气穴现象,液压冲击,2.5 液压冲击和气穴现象,最高工作压力=平均压力+冲击压力峰值,诺科夫斯基（俄）,（4）减轻液压冲击的措施 延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间，可采用换向时间可调的换向阀.适当加大管径，限制管道流速v，一般在液压系统中把v控制在4.5m/s以内，使pmax不超过5MPa就可以认为是安全的。在容易发生液压冲击的部位安装安全阀来限制压力升高；也可以在这些部位安装橡胶软管或设置蓄能器，以吸收冲击压力。正确设计阀口或设置

25、制动装置，使运动部件制动时速度变化比较均匀。尽可能缩短管长，以减小压力冲击波的传播时间，变直接冲击为间接冲击。,2.5 液压冲击和气穴现象,液压冲击,（1）气穴现象 根据伯努利方程，液压介质流经阀口的收缩截面时，该处的压力要降低，压力降低而形成气泡。有关气穴的两种物理解释：a、当压力降低至介质的饱和蒸汽压力时，就会产生空化现象，形成大量的蒸汽泡；b、当压力降低至介质的空气分离压力时，就会有大量的空气从液体中析出，形成大量的空气泡。液压油的空气分离压比饱和蒸汽压力高水的空气分离压比饱和蒸汽压力小,2.5 液压冲击和气穴现象,气穴和气蚀,空气在液体中的溶解度与液体的绝对压力成正比,（2）气蚀现象

26、气泡随液流被带到下游的高压区，气泡的体积急剧缩小或溃灭，气泡中的空气或蒸汽重新溶入到液体中或凝结成液体。在气泡溃灭的瞬间，使液体以很大的速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高、瞬时压力很大的冲击，还伴生有噪声和振动，油液氧化变质。气泡溃灭如发生在液压元件的固体表面上，则气泡溃灭时产生的射流冲蚀、高温、化学腐蚀等效应的联合作用会导致液压元件表面出现剥落和坏蚀，即气蚀。,2.5 液压冲击和气穴现象,气穴和气蚀,（3）液压系统可能发生气穴和气蚀的部位 泵的吸油口、溢流阀的阀口、节流阀的阀口 带大惯性负载的执行元件突然停止或换向等工况时，在换向阀阀口和液压缸低压缸,2.5 液压冲击和气穴现象,气穴和气蚀

27、,(4)液压系统中气穴和气蚀的防治措施最根本的一条是避免液压系统中的压力过分降低。正确设计管路，限制泵的吸油口离油箱液面的高度液压系统各元部件的连接处要密封可靠，严防空气侵入采用抗腐蚀能力强的金属材料，提高零件的机械强度，减小零件表面粗糙度值。减小阀孔口前后的压差，一般希望其压力比p1/p23.5正确设计和使用液压泵站。,2.5 液压冲击和气穴现象,气穴和气蚀,总结,液压流体力学,液体静力学,液体动力学,静压力基本方程,帕斯卡原理,基本概念,基本方程,压力损失,孔口及缝隙的流动,液压冲击气穴现象,静压力及其特性,综合例题,图示液压泵流q=25L/min，吸油管内径d=25mm，油液密度=900

28、kg/m3，运动粘度=14.210-6m2/s，空气分离压为0.4105Pa，液压泵吸油口距液面高度H=1m，过滤器的压力损失pr=0.1105Pa，求液压泵入口处的最大真空度。在入口处是否会产生空穴现象？,综合例题,选取油箱液面1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度的计算：,油箱液面与大气接触，故p1为大气压力，p1=pa；v1为油箱液面下降的速度，v1v2，v10；v2为泵吸油口处液体的流速=流体在吸油管内的流速；hw为吸油过程中的能量损失,综合例题,选取油箱液面1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度的计算：,（1）吸油管内的液流速度,综合例题,选取油箱液面

29、1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度的计算：,（2）雷诺数,动能修正系数：层流时取=2、紊流时取=1,吸油管内油液流动状态为层流，取：2=2,综合例题,选取油箱液面1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度的计算：,（3）压力损失=局部+沿程,局部=过滤器的压力损失pr=0.1105Pa,综合例题,选取油箱液面1-1为截面，泵入口处为2-2截面，油泵入口处的真空度的计算：,2=2,作业（题量：2）,如图所示，某一球式压力阀开启压力p1=6MPa。已知钢球的最大直径D=15mm，阀座孔直径d=10mm，阀门开启溢流背压p2=0.3MPa，求溢流时调压弹簧所受的压紧力Fs。,360云盘:账号：密码：Wanghuan,作业,如图所示，液压泵流q=25L/min，向液压缸供油。液压缸活塞直径D=50mm，活塞杆直径d=30mm，进油管、回油管内径d1=d2=10mm。试求液压缸活塞运动速度及进油管、回油管的流动速度。能否直接用连续计算进油管、回油管中油液的流动速度？,第88张/共91张,11:37,