《液压与气压传动》液压流体力学基础.doc

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1、 四 川 工 程 职 业 技 术 学 院 备 课 用 纸 第2章 液压流体力学基础2.1 液体静力学【补】液体静力学所研究的是液体处于静止状态下的力学规律和这些规律的实际应用。相对平衡是指液体内部各质点间没有相对运动，至于液体本身完全可以和容器一起如同刚体一样做各种运动。液体在相对平衡状态下不呈现粘性，不存在切应力，只有法向的压应力，即静压力。2.1.1 液体静压力的特性和单位作用在液体上的力有两种类型：一种是质量力，另一种是表面力。质量力：作用在液体所有质点上，它的大小与质量成正比，有重力、惯性力等。表面力：可以是其他物体作用在液体上的力，也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力。比如活塞

2、、大气层。静压力：是指静止液体单位面积上所受的法向力，用p表示。 压力单位为帕斯卡，简称帕，符号Pa，1Pa=1N/m2。1MPa=10bar=103kPa=106Pa液体静压力具有两个重要特征：（1） 液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致。（2） 静止液体中，任何一点所受到的各方向的静压力都相等。2.1.2 液体压力的表示方法液体压力通常有绝对压力、相对压力（表压力）、真空度三种表示方法。相对压力或表压力，相对于当地大气压所测量到的压力。绝对压力，以绝对真空基准零值时所测得的压力。（1） 绝对压力=大气压力+表压力（2） 表压力=绝对压力-大气压力（3） 真空度=大气压力-绝

3、对压力方便的记忆可以是：真空度=-表压力=大气压力-绝对压力2.1.3 液体静力学方程容器内某一点所受静压力为两部分：一部分为该液面以上的液体对该液面所形成的质量力；另一部分该容器液体所受到的大气压力。故该点的平衡方程为：2.1.4 压力的形成与传递在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以等值传到液体各点，这就是帕斯卡原理或静压传递原理。左端：F1=P1A1右端：F2=P2A2根据帕斯卡原理，P1=P2，则2.1.5 液体静压力对固体壁面的作用力当固体壁面为平面时，液体对该平面的作用力F等于液体压力与p与该平面面积A的乘积，即F=pA当固体壁面为一曲面时，液体在某一方向（x）上对曲面的作用力

4、Fx等于液体压力p与曲面在该方向（x）投影面积Ax的乘积，即Fx=pAx例2-1 某安全阀结构，其阀芯为圆锥形，阀座孔直径d=10mm，阀芯最大直径D=15mm。当油液压力p1=8MPa时，压力油克服弹簧力顶开阀芯而溢油，出油腔有背压（回油压力）p2=0.4MPa。试求阀内弹簧的预紧力F。解：（1）压力p1、p2作用在阀芯锥面上的投影分别为d2和（D2-d2），则阀芯受到向上的作用力为（2） 压力p2向下作用在阀芯平面上的向下作用力为（3） 弹簧预紧力Fs应等于阀芯两侧作用力之差。阀芯受力平衡方程式为2.2 液体动力学【补】液体动力学所研究的是液体流动时的力学规律。流动液体的三个基本方程：连续

5、性方程、伯努利方程、动量方程。2.2.1 基本概念1、理想液体与定常流动理想液体就是指没有粘性、不可压缩的液体。容器出流的流量得到了补偿，使其液面高度不变，容器中各点的液体运动参数压力p、速度v、密度均不随时间而变，这就是定常流动。反之，则是非定常流动。2、迹线、流线、流管、流束和通流截面（1）迹线：迹线是流场中液体质点在一段时间内运动的轨迹线。（2）流线：流线是流场中液体质点在某一瞬间运动状态的一条空间曲线。（3）流管：在流场的空间画出任意封闭曲线，此封闭曲线本身不是流线，则经过该封闭曲线的每一点作流线，由这些流线组成的表面称流管。（4）流束：充满在流管内的流线的总体，称为流束。（5）通流截

6、面：垂直于流束的截面称为通流截面。3、流量和平均流速（1）流量：单位时间内通过通流截面的液体的体积称为流量。用q表示，单位m3/s、L/min（2）平均流速4、流动状态、雷诺数（1）流动状态液体在管道中流动时存在两种不同状态，即层流和紊流（湍流）。在液体运动时，如果质点没有横向脉动，不引起液体质点混杂，而是层次分明，能够维持稳定的流束状态，则这种流动称为层流；如果液体流动时，质点具有脉动速度，引起流层间质点相互错杂交换，则这种流动称为紊流（湍流）。（2） 雷诺数Re雷诺数v平均流速d管道直径v运动粘度由紊流转变为层流时的雷诺数称为临界雷诺数，记作Rec。当液流的雷诺数ReRec时，液流为层流；

7、当液流的雷诺数ReRec时，液流为紊流。2.2.2 连续性方程（质量守恒定律） 截面1液体的质量为 截面2液体的质量为 根据连续性方程可知，单位时间内流经截面1、截面2的液体质量应相等，即，故有=，当忽略液体的可压缩性时，可以得出 结论：通过流管内任一通流截面上的流量相等，当流量一定时，任一通流截面上的通流面积与流速成反比。2.2.3 伯努利方程（能量守恒定律）1、理想液体微小流速的伯努利方程 液体1-1所具有的能量 液体2-2所具有的能量根据能量守恒定律可知，液体1-1、液体2-2的能量应相等，故有=可以得出 物理意义：在密封管道内作定常流动的理想液体在任意一个通流截面上具有三种形式的能量，

8、即压力能、势能和动能。三种能量的总和是一个恒定的常量，而且三种能量是可以相互转换的，即在不同的通流截面上，同一种能量的值会是不同的，但各断面上的总能量值都是相同的。2、实际液体总流的伯努利方程=层流时，紊流时应用伯努利方程时还应满足以下条件：（1） 稳定流动的不可压缩液体，即密度为常数；（2） 液体所受质量力只有重力，忽略惯性力的影响；（3） 所选择的两个通流截面必须在同一个连续流动的流场中是渐变流，而不考虑两截面间的流动状况。2.2.4 动量方程（动量守恒定律）根据动量定理，作用在物体上的全部外力的矢量和等于物理在力作用下的动量的变化率，即将代入上式，引入动量修正系数，则有层流时，；紊流时，

9、。为简化计算，取。2.3 管路流动时的压力损失在实际粘性液体在流动时存在阻力，为了克服阻力就要消耗一部分能量，通常称为压力损失。在液压系统中，压力损失使液压能转变为热能，将导致系统的温度升高。压力损失有沿程压力损失和局部压力损失两种。2.3.1 沿程阻力与沿程压力损失在边界沿程不变的均匀流段上，流动阻力只有沿程阻力。克服沿程阻力所产生的能量损失称为沿程损失。1、层流时的压力损失。实际计算时，金属管，橡胶管2、紊流时的压力损失 紊流时的沿程压力损失公式与层流时沿程压力损失公式形式上基本一致，但不仅与雷诺数有关，也与管壁的表面粗糙度有关。具体可参照教材P23表2-2。2.3.2 局部阻力与局部压力

10、损失 在边壁形状沿程急剧变化、流速分布急剧调整的局部区段上，集中产生的流动阻力称为局部阻力。克服局部阻力引起的能量损失称为局部损失。计算公式液压阀门类可用经验公式2.3.3 管路系统的总压力损失 总压力损失等于所有直管中的沿程压力损失和所有局部压力损失之总和。【说明】。压力损失的危害：会造成功率损耗、油液发热、泄漏增加，使液压元件因受热膨胀而“卡死”，以致影响系统的工作性能。采取措施：选择粘度适当的压力油，提高管路内壁的加工质量，尽量缩短管路长度，减少管路截面的突变及弯曲，合理选择液体的在系统内的流速。2.4 孔口和缝隙流动 液压传动中常利用液体流经阀的小孔或缝隙来控制流量和压力，达到调速和调

11、压的目的。2.4.1 孔口流量1、薄壁孔的流量计算 孔口的长径比l/d0.5时，称为薄壁孔。插图孔前通流截面1-1和孔后通流截面2-2的液体可列出伯努利方程：=可取管道的轴心线为参考面，则有，；局部压力损失，故整理后有式中， 由此可得通过薄壁孔口的流量公式为当液体完全收缩时，即D/d7时，CC=0.610.63，CV=0.970.98，此时Cq=0.610.62当液体不完全收缩时，即D/d7时，Cq=0.70.82、短孔的流量计算 孔口的长径比0.5l/d4时，称为短孔。短孔的流量公式，Cq=0.823、细长孔的流量计算 孔口的长径比l/d4时，称为细长孔。液体流过细长孔，一般为层流，可用圆管

12、层流公式4、三类孔的综合公式薄壁孔、短孔、细长孔的通用公式2.4.2 缝隙流量计算液压元件之间都存在缝隙（间隙）。缝隙流动有两种情况：（1） 由缝隙两端的压力差造成的流动，称为压差流动；（2） 形成缝隙的两壁面作相对运动所造成的流动，称为剪切流动。1、平行平板缝隙流量（1）压差流动公式（2） 剪切流动公式（3）总流量公式当u0的方向与压差流动的方向相同时取“+”；当u0的方向与压差流动的方向相反时取“-”。2、环形缝隙（1）同心环形缝隙（2）偏心环形缝隙2.5 液压冲击与空穴现象1、液压冲击在液压系统中，当油路突然关闭或换向时，压力会急剧升高，这种现象称为液压冲击。形成的原因：液压速度的急剧变

13、化、高速运动工作部件的惯性力和某些液压元件的反应动作不够灵敏。危害：极易引起系统的振动、噪声，甚至会导致导管或某些液压元件的损坏。措施：避免液流速度的急剧变化。如将液动换向阀和电磁阀联用可减少液压冲击。2、 空穴现象在液流中当某点压力低于液体所在温度下的空气分离压力时，原来溶于液体中的气体会分离出来而产生气泡，这就叫空穴现象。危害：气泡在较高压力作用下将迅速破裂，从而引起局部液压冲击，造成流量和压力的波动；气泡破坏了液流的连续性，降低了油管的通油能力，造成流量和压力的波动，使液压元件承受冲击载荷。气泡中的氧也会腐蚀金属元件的表面，我们把这种因发生空穴现象而造成的腐蚀称为气蚀。措施：应使液压系统内所有点的压力均高于压力油的空气分离压力。如，液压泵的吸油高度不能太大，吸油管径不能太小，液压泵的转速不要太高，管路应密封良好，油管出口应没入油面以下等。本章小结1、 流体的密度。2、 流体的粘性。3、 流体的可压缩性。4、 空气的基本性质和空气质量对传动的影响。5、 液压油的性能要求与选用。课后作业教材P29，1、2、4、51、压力的定义是什么？它有哪几种表示方式？液压系统的工作压力与外界负载有什么关系？答：静压力在液压传动中简称压力，在物理学中称为压强。液体压力通常有绝对压力、相对压力（表压力）、真空度三种表示方法。2、。答：4、？答：5、？答：