液壓及氣壓傳動(dòng)1(流體力學(xué)基礎(chǔ))1

1、元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 液壓系統(tǒng)中的壓力取決于（液壓系統(tǒng)中的壓力取決于（ ），執(zhí)行元件的運(yùn)），執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度取決于（動(dòng)速度取決于（ ） 。 液壓傳動(dòng)裝置由（液壓傳動(dòng)裝置由（ ）、（）、（ ）、（）、（ ） 、（、（ ）和（和（ ）五部分組成，其中（）五部分組成，其中（ ）和（）和（ ）為能量）為能量轉(zhuǎn)換裝置。轉(zhuǎn)換裝置。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei了解與液壓及氣動(dòng)技術(shù)有關(guān)的流體力學(xué)基本內(nèi)容了解與液壓及氣動(dòng)技術(shù)有關(guān)的流體力學(xué)基本內(nèi)容流體經(jīng)過(guò)薄壁小孔、短孔、細(xì)長(zhǎng)孔等小孔的流動(dòng)情況，流體經(jīng)過(guò)薄壁小

2、孔、短孔、細(xì)長(zhǎng)孔等小孔的流動(dòng)情況，相應(yīng)的流量公式相應(yīng)的流量公式流體經(jīng)過(guò)各種縫隙的流動(dòng)特性及其流量公式流體經(jīng)過(guò)各種縫隙的流動(dòng)特性及其流量公式液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象及其減小措施液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象及其減小措施 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 在傳動(dòng)及控制中起傳遞在傳動(dòng)及控制中起傳遞和和的作用。的作用。流體傳動(dòng)及控制（包括液壓與氣動(dòng)），在工作、性能特點(diǎn)上和機(jī)流體傳動(dòng)及控制（包括液壓與氣動(dòng)），在工作、性能特點(diǎn)上和機(jī)械、電氣傳動(dòng)之間的差異主要取決于械、電氣傳動(dòng)之間的差異主要取決于的不同，前者采用工作的不同，前者采用工作介質(zhì)。因此，掌握液壓與氣動(dòng)技術(shù)之前，必須先對(duì)其工作介質(zhì)有介質(zhì)。因此，掌握

3、液壓與氣動(dòng)技術(shù)之前，必須先對(duì)其工作介質(zhì)有一清晰的了解一清晰的了解 。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 單位體積液體所具有的質(zhì)量稱為該液體的密度單位體積液體所具有的質(zhì)量稱為該液體的密度 。即：。即：Vm 式中式中 液體的密度液體的密度(kg/m3)； 液體的體積液體的體積(m3) ； 液體的質(zhì)量液體的質(zhì)量(kg) 。 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei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(jì)算中可以很小，在工程計(jì)算中可以 。一般取一般取=900kg/m 3。元培學(xué)院元培學(xué)院Sc

4、hool of Yuanpei液體因所受液體因所受而發(fā)生而發(fā)生的性質(zhì)稱為的性質(zhì)稱為。若。若時(shí)液體的時(shí)液體的，當(dāng)壓力增加，當(dāng)壓力增加，液體的體積減小，液體的體積減小，則液體在單位壓力變化下的體積相對(duì)變化量為：則液體在單位壓力變化下的體積相對(duì)變化量為：01VVpk式中，式中， 稱為液體的稱為液體的。由于壓力增加時(shí)液體的體積減小，兩。由于壓力增加時(shí)液體的體積減小，兩者變化方向相反，為使者變化方向相反，為使 成為正值，在上式右邊須加一負(fù)號(hào)成為正值，在上式右邊須加一負(fù)號(hào) 。液體壓縮率液體壓縮率，稱為液體，稱為液體，即，即 01VVpkK元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei，工作介質(zhì)的，工作

5、介質(zhì)的，。但若油液中混入空氣，其壓縮性顯著增。但若油液中混入空氣，其壓縮性顯著增加，故加，故。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei ，分子間，分子間的存在的存在使其流動(dòng)受到牽制從而沿其界面產(chǎn)生使其流動(dòng)受到牽制從而沿其界面產(chǎn)生，這一特性稱為液，這一特性稱為液體的體的 。圖圖1-1 液體粘性示意圖液體粘性示意圖 現(xiàn)以現(xiàn)以為例說(shuō)明液體的粘性。為例說(shuō)明液體的粘性。若若的兩平行平板間充滿液的兩平行平板間充滿液體，下平板固定，而體，下平板固定，而向右平動(dòng)由于液體和固體壁面間向右平動(dòng)由于液體和固體壁面間的附著力及液體的粘性，會(huì)使流動(dòng)的附著力及液體的粘性，會(huì)使流動(dòng)液體內(nèi)部各液層的速度大小不等：液

6、體內(nèi)部各液層的速度大小不等：， ，而中間各層液體的速度當(dāng)層間距離而中間各層液體的速度當(dāng)層間距離時(shí)，從上到下近似呈時(shí)，從上到下近似呈規(guī)律分布。其中速度快的液層帶規(guī)律分布。其中速度快的液層帶動(dòng)速度慢的；而速度慢的液層對(duì)速動(dòng)速度慢的；而速度慢的液層對(duì)速度快的起阻滯作用度快的起阻滯作用 。hydyu0yxO元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明，流動(dòng)液體相鄰液層間的實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明，流動(dòng)液體相鄰液層間的與液層與液層、液層間的、液層間的成正比，成正比， 即：即：yuAFddf 式中，式中，稱為稱為或或 。若以若以 表示表示，即，即，則上式可表，則上式可表示為：示為： yuFddAf

7、這就是這就是 。 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 度量粘性大小的物理量稱為度量粘性大小的物理量稱為。常用的粘度。常用的粘度 有三種，即有三種，即、。由由可知，動(dòng)力粘度可知，動(dòng)力粘度是表征流動(dòng)液體是表征流動(dòng)液體大小的粘性系數(shù)。其大小的粘性系數(shù)。其等于等于， yudd在我國(guó)在我國(guó)及及（中，中，的單位是的單位是（）或用）或用（）表示。）表示。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei液體液體與與即即 在我國(guó)在我國(guó)及及中，運(yùn)動(dòng)粘度中，運(yùn)動(dòng)粘度v的單位是的單位是（米（米2/秒）。液壓油的運(yùn)動(dòng)粘度通常采用秒）。液壓油的運(yùn)動(dòng)粘度通常采用（毫米（毫米2/秒秒），習(xí)慣上常用它），習(xí)慣

8、上常用它來(lái)標(biāo)志液體粘度。液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的粘度等級(jí)（來(lái)標(biāo)志液體粘度。液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的粘度等級(jí)（牌號(hào)牌號(hào)）是以）是以4040時(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)粘度粘度（以（以計(jì)）的中心值來(lái)劃分的。計(jì)）的中心值來(lái)劃分的。 常用液壓油運(yùn)動(dòng)粘度等級(jí)常用液壓油運(yùn)動(dòng)粘度等級(jí) 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei。相對(duì)粘度是。相對(duì)粘度是根據(jù)根據(jù)制定制定的，故又稱的，故又稱。測(cè)量條件不同，采用的測(cè)量條件不同，采用的相對(duì)粘度單位也不同。相對(duì)粘度單位也不同。如如（歐洲一（歐洲一些國(guó)家）、通用些國(guó)家）、通用（美國(guó)、英國(guó)）、（美國(guó)、英國(guó)）、商用商用（英、（英、美等國(guó)）和美等國(guó)）和（法國(guó)）等（法國(guó)）等 。已規(guī)已規(guī)定統(tǒng)一采用定

9、統(tǒng)一采用來(lái)來(lái)表示油的粘度。表示油的粘度。 3恩氏粘度計(jì)恩氏粘度計(jì)20恩氏粘度計(jì)恩氏粘度計(jì)20元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 溫度變化使液體內(nèi)聚力發(fā)生變化，因此液溫度變化使液體內(nèi)聚力發(fā)生變化，因此液體的體的對(duì)對(duì)的變化的變化：，（見(jiàn)（見(jiàn)）。這一特性稱為液體的粘溫特性。粘度的變化直接）。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希望粘度隨溫度的變化越小越好。越好。 ，。但是這種影響在低壓時(shí)并不明顯，可以忽略。但是這種影響在低壓時(shí)并不明顯，可以忽略不計(jì)；不計(jì)；，其，其。元培學(xué)院元培學(xué)院Schoo

10、l of Yuanpei 可壓縮性盡可能小，響應(yīng)性好；可壓縮性盡可能小，響應(yīng)性好； 溫度及壓力對(duì)粘度影響小，具有適當(dāng)?shù)恼扯?，粘溫特性溫度及壓力?duì)粘度影響小，具有適當(dāng)?shù)恼扯?，粘溫特性好；好?對(duì)液壓元件滑動(dòng)部位充分潤(rùn)滑對(duì)液壓元件滑動(dòng)部位充分潤(rùn)滑 ； 不因熱、氧化或水解而變質(zhì)，剪切穩(wěn)定性好，使用壽不因熱、氧化或水解而變質(zhì)，剪切穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)；命長(zhǎng)； 對(duì)鐵及非鐵金屬的銹蝕性小對(duì)鐵及非鐵金屬的銹蝕性小 ； 介質(zhì)中的氣泡容易逸出并消除介質(zhì)中的氣泡容易逸出并消除 ；液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的與與元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei為為，對(duì)其工作介質(zhì)提出的要，對(duì)其工作介質(zhì)提出的

11、要求還有：求還有： 除含水液壓液外的油液，油水分離要容易除含水液壓液外的油液，油水分離要容易 ； 質(zhì)地要純凈，盡可能不含污染物，當(dāng)污染物從外部侵質(zhì)地要純凈，盡可能不含污染物，當(dāng)污染物從外部侵入時(shí)能迅速分離；入時(shí)能迅速分離； 對(duì)金屬、密封件、橡膠軟管、涂料等有良好的相容性對(duì)金屬、密封件、橡膠軟管、涂料等有良好的相容性 ； 燃點(diǎn)高，揮發(fā)性小，最好具有阻燃性；燃點(diǎn)高，揮發(fā)性小，最好具有阻燃性； 對(duì)工作介質(zhì)的其他要求還有；對(duì)工作介質(zhì)的其他要求還有；和和；和和；等等 。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei能夠同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求的理想的工作介質(zhì)是不存在的。液壓能夠同時(shí)滿足上述各項(xiàng)要求的理想

12、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)按系統(tǒng)中使用的工作介質(zhì)按（）的分類（我國(guó)國(guó)家）的分類（我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)與此等效）如與此等效）如所示所示 。 液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的種類液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的種類 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 正確而合理地正確而合理地和和工作介質(zhì)對(duì)于液壓系統(tǒng)達(dá)到工作介質(zhì)對(duì)于液壓系統(tǒng)達(dá)到、等方面都有重要影響等方面都有重要影響 。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei在液壓系統(tǒng)所有元件中，在液壓系統(tǒng)所有元件中，的工作條件最為嚴(yán)峻，不但的工作條件最為嚴(yán)峻，不但、和和，而且，而且要要，所以一般根據(jù)，所以一般根據(jù)來(lái)確定介質(zhì)來(lái)確定介質(zhì)的粘度。的粘度。（

13、）給出了各種液壓泵用油的粘度范圍）給出了各種液壓泵用油的粘度范圍及推薦牌號(hào)及推薦牌號(hào) 。此外，選擇工作介質(zhì)的粘度時(shí)，還應(yīng)考慮此外，選擇工作介質(zhì)的粘度時(shí)，還應(yīng)考慮、和和以及以及等因素：等因素：（1）當(dāng)）當(dāng)、，或或，或，或，而，而時(shí)宜有用時(shí)宜有用，以減，以減少系統(tǒng)泄漏；少系統(tǒng)泄漏；（2）當(dāng)）當(dāng)、，或或時(shí)，宜時(shí)，宜采用采用，以減少液流功率損失，以減少液流功率損失 。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 本節(jié)主要介紹本節(jié)主要介紹。液體靜力學(xué)是研究。液體靜力學(xué)是研究的力學(xué)規(guī)律的力學(xué)規(guī)律以及這些規(guī)律的應(yīng)用。這里所說(shuō)的以及這些規(guī)律的應(yīng)用。這里所說(shuō)的是指是指而言，至于盛裝液體的容器，不論它是靜止

14、的或是運(yùn)動(dòng)而言，至于盛裝液體的容器，不論它是靜止的或是運(yùn)動(dòng)的，都沒(méi)有關(guān)系。的，都沒(méi)有關(guān)系。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 在在所受的所受的稱為稱為。靜壓力在液壓。靜壓力在液壓傳動(dòng)中簡(jiǎn)稱傳動(dòng)中簡(jiǎn)稱，在物理學(xué)中則稱為，在物理學(xué)中則稱為 。靜止液體中某點(diǎn)處?kù)o止液體中某點(diǎn)處上作用有上作用有，則該點(diǎn)的壓力，則該點(diǎn)的壓力定義為：定義為： AFpA lim0，則壓力可表示，則壓力可表示為：為： AFp 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei我國(guó)采用法定計(jì)量單位我國(guó)采用法定計(jì)量單位Pa來(lái)計(jì)量壓力，來(lái)計(jì)量壓力，。液壓技術(shù)中。液壓技術(shù)中習(xí)慣用習(xí)慣用MPa，。液體靜壓力有液體靜壓力有

15、：，其方向和該面的內(nèi)法線方向一致。，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(diǎn)間的內(nèi)聚力很小，不能受拉只能受壓之故這是由于液體質(zhì)量點(diǎn)間的內(nèi)聚力很小，不能受拉只能受壓之故 ；。如果某。如果某點(diǎn)受到的壓力在某個(gè)方向上不相等，那么液體就會(huì)流動(dòng)，這就違點(diǎn)受到的壓力在某個(gè)方向上不相等，那么液體就會(huì)流動(dòng)，這就違背了液體靜止的條件背了液體靜止的條件 。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 圖圖1-3 重力作用下的靜止液體重力作用下的靜止液體在重力作用下的靜止液體，其在重力作用下的靜止液體，其如如所示，除了所示，除了，還有，還有和和。如。如，可以從液體內(nèi)取出一個(gè)底面通，可以從液體內(nèi)取出一個(gè)

16、底面通過(guò)該點(diǎn)的垂直小液柱作為控制體。過(guò)該點(diǎn)的垂直小液柱作為控制體。設(shè)設(shè)，如如所示。所示。這個(gè)小液柱在重力及周圍液體的壓力這個(gè)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上的力平衡方程式為 ：AgAA0hpp 式中，式中，ghA為小液柱的重力。為小液柱的重力。上式化簡(jiǎn)后得：上式化簡(jiǎn)后得： hppg 0元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei即為即為。它說(shuō)明液體靜壓力分布有如下。它說(shuō)明液體靜壓力分布有如下： 1）靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力由）靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力由：一部分是：一部分是，另一部分是，另一部分是當(dāng)當(dāng)，則該點(diǎn)的壓

17、力為：，則該點(diǎn)的壓力為： hppga 2）靜止液體內(nèi)的壓力隨液體深度呈）靜止液體內(nèi)的壓力隨液體深度呈遞增。遞增。3），。由壓力相等。由壓力相等的點(diǎn)組成的面稱為的點(diǎn)組成的面稱為。在重力作用下靜止液體中的等壓面是。在重力作用下靜止液體中的等壓面是一個(gè)水平面。一個(gè)水平面。 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei將將所示盛有液體的密閉容器放在基準(zhǔn)水平面（所示盛有液體的密閉容器放在基準(zhǔn)水平面（O-x）上加以）上加以考察，如考察，如所示，則靜壓力基本方程可改寫成所示，則靜壓力基本方程可改寫成 ： 靜壓力基本方程的靜壓力基本方程的物理意義物理意義 )(gg0zzphpp 00式中式中 液面與基準(zhǔn)

18、水平面之間的距液面與基準(zhǔn)水平面之間的距 離；離； 深度為深度為h的點(diǎn)與基準(zhǔn)水平面之間的點(diǎn)與基準(zhǔn)水平面之間 的距離的距離 。常數(shù)gzpzgp00上式整理后可得：上式整理后可得： 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei是靜壓力基本方程的另一形式。是靜壓力基本方程的另一形式。式中式中p/()表示了單位重力液體的壓力能，故又常稱作表示了單位重力液體的壓力能，故又常稱作；zg表示了單位重力液體的勢(shì)能，也常稱作表示了單位重力液體的勢(shì)能，也常稱作。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(diǎn)具有因此，靜壓力基本方程的物理意義是：靜止液體內(nèi)任何一點(diǎn)具有和和兩種能量形式，且其兩種能量形式，且

19、其，即，即。但是但是 。5）在常用的液壓裝置中，一般外加壓力）在常用的液壓裝置中，一般外加壓力p0遠(yuǎn)大于自重形成的壓遠(yuǎn)大于自重形成的壓力力gh，因此，因此分析計(jì)算時(shí)忽略分析計(jì)算時(shí)忽略gh不計(jì)不計(jì)，在以后有關(guān)的分析計(jì)算，在以后有關(guān)的分析計(jì)算壓力時(shí)，都采用這一結(jié)論。壓力時(shí)，都采用這一結(jié)論。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei根據(jù)度量基準(zhǔn)的不同，壓力有根據(jù)度量基準(zhǔn)的不同，壓力有：以絕對(duì)零壓力作為：以絕對(duì)零壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力，稱為基準(zhǔn)所表示的壓力，稱為；以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫榛鶞?zhǔn)所表；以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫榛鶞?zhǔn)所表示的壓力，稱為示的壓力，稱為。絕對(duì)。絕對(duì)壓力與相當(dāng)對(duì)壓力之間的關(guān)系如壓力與相當(dāng)對(duì)

20、壓力之間的關(guān)系如所示。絕大多數(shù)測(cè)壓儀表所示。絕大多數(shù)測(cè)壓儀表因其外部均受大氣壓力作用，所因其外部均受大氣壓力作用，所以儀表指示的壓力是相對(duì)壓力。以儀表指示的壓力是相對(duì)壓力。今后，今后，。 絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力間的關(guān)系絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力間的關(guān)系pappappap=0元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei如果如果，這時(shí)該點(diǎn)的絕對(duì)壓，這時(shí)該點(diǎn)的絕對(duì)壓力比大氣壓力小的那部分壓力值，稱為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(duì)壓力大氣壓力絕對(duì)壓力 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 所示為一充滿油液的容器，如作用在活塞上的力為所示為一充滿油液的容器，如作

21、用在活塞上的力為，活塞面積，活塞面積，忽略活塞的質(zhì)量。試問(wèn)活塞，忽略活塞的質(zhì)量。試問(wèn)活塞下方深度為下方深度為處的壓力等于多少？油液的密度處的壓力等于多少？油液的密度。 依據(jù)依據(jù)，活塞和液面接觸處的壓力，活塞和液面接觸處的壓力，因此，深度為，因此，深度為處的液體壓力為：處的液體壓力為： =（106+9009.80.5）N/m2 =1.0044106N/m2106Pa=1MPa 由這個(gè)例子可以看到，由這個(gè)例子可以看到，其，其，并認(rèn)為，并認(rèn)為。 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei 按按，盛放在密閉容器內(nèi)的液體，其，盛放在密閉容器內(nèi)的液體，其，。 也就是說(shuō)，也就是說(shuō)，。這就是。這就是，

22、或稱，或稱。帕斯卡原理是液壓傳動(dòng)的一個(gè)基本。帕斯卡原理是液壓傳動(dòng)的一個(gè)基本原理原理 。元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei pAF 靜止液體和固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面將受到由液體靜壓所產(chǎn)靜止液體和固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面將受到由液體靜壓所產(chǎn)生的作用力生的作用力 。，故靜壓力作用在固體壁面上的，故靜壓力作用在固體壁面上的，且，且，即：，即： ，情況就不同了：，情況就不同了：，因此，靜壓力作用在曲面某，因此，靜壓力作用在曲面某一方面一方面x上的上的 ，即：，即：xxpAF 元培學(xué)院元培學(xué)院School of Yuanpei上述結(jié)論對(duì)于任何曲面都是適用的。下面以上述結(jié)論對(duì)于任何曲面都是適用的。下面以為例加以為例加以證實(shí)。證實(shí)。 靜壓力作用在靜壓力作用在液壓缸內(nèi)壁面上的力液壓缸內(nèi)壁面上的力設(shè)液壓缸兩端面封閉，缸筒內(nèi)充滿著設(shè)液壓缸兩端面封閉，缸筒內(nèi)充滿著的油液，的油液，如，如所示。這時(shí)，缸筒內(nèi)壁上各點(diǎn)的靜所示。這時(shí)，缸筒內(nèi)壁上各點(diǎn)的靜壓力大小相等，都為壓力大小相等，都為p，但并不平行。因，但并不平行。因此，為求得油液作用于缸筒右半壁內(nèi)表面此，為求得油液作用于缸筒右半壁內(nèi)表面在在x方向上的方向上的，需在壁面上取一微，需在壁面上取一微小面積小面積， ：dFx=dFc