流體傳動(dòng)與控制第二章

流體傳動(dòng)與控制第二章第一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.1液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)2.1.1液壓工作介質(zhì)的類型第二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.1.2液壓工作介質(zhì)的性能1.液體的可壓縮性液體受壓力作用而發(fā)生體積變化的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性。

用體積壓縮系數(shù)表示。

液體體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)，稱為液體的體積彈性模量，以表示

液壓油的體積彈性模量和溫度、壓力以及含在油液中的空氣有關(guān)。

液壓油的體積彈性模量一般取β=700--1000MPa。第三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.液體的粘性液體在外力作用下流動(dòng)（或有流動(dòng)趨勢(shì)）時(shí)，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，這種現(xiàn)象叫做液體的粘性。

1)粘度的定義第四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日牛頓內(nèi)摩擦定律：

——單位面積上的內(nèi)摩擦力（切應(yīng)力）——比例常數(shù)，稱為粘性系數(shù)或動(dòng)力粘度。液體粘性的物理本質(zhì)：液體在單位速度梯度下流動(dòng)時(shí)，單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。表示油液抵抗變形的能力。第五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日動(dòng)力粘度的物理意義：液體在單位速度梯度下流動(dòng)時(shí)單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。

2)粘度的表示方法動(dòng)力粘度的單位為Pa·s（帕·秒，N·s/m2

）。（1）動(dòng)力粘度第六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日（2）運(yùn)動(dòng)粘度定義：液體的動(dòng)力粘度與其密度的比值，稱為液體的運(yùn)動(dòng)粘度。運(yùn)動(dòng)粘度的單位為m2/s。是工程實(shí)際中常用的物理量。液壓油牌號(hào)：L-HL32，在40℃時(shí)，ν=32m2/s。第七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日相對(duì)粘度又稱條件粘度，它是在一定的測(cè)量條件測(cè)定的。根據(jù)測(cè)量的方法不同，可分為恩氏粘度°E、賽氏粘度SSU、雷氏粘度Re等。我國(guó)和德國(guó)等國(guó)家采用恩氏粘度。恩氏粘度測(cè)定方法：將200cm3溫度為t℃的被測(cè)液體裝入底部有2.8mm小孔的恩格勒粘度計(jì)的容器中，測(cè)出200cm3液體從小孔流出的時(shí)間t1與同體積的蒸餾水在20℃時(shí)從恩氏粘度計(jì)小孔流出時(shí)間t2的比值，為恩氏粘度。

恩氏粘度與運(yùn)動(dòng)粘度的換算關(guān)系：（3）相對(duì)粘度第八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日液體的粘度隨液體的壓力和溫度而變。壓力增大時(shí)，液壓油粘度增大。p≤32Mpa，通常忽略不計(jì)。（4）影響粘度的主要因素第九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日液壓油的粘度對(duì)溫度變化十分敏感。溫度升高時(shí)，粘度下降。

粘度隨溫度變化特性，用粘度－溫度曲線表示。圖2-2

幾種國(guó)產(chǎn)液壓油的粘度-溫度曲線

（4）影響粘度的主要因素第十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日1)粘溫性能要好。2)良好的潤(rùn)滑性能。3)質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少。4)對(duì)熱、氧化、水解有良好的穩(wěn)定性。5)對(duì)金屬和密封件有良好的相容性。6)抗泡沫性、抗乳化性好以及凝固點(diǎn)低、閃點(diǎn)高。

7)對(duì)人體無(wú)害，成本低。對(duì)軋鋼機(jī)、壓鑄機(jī)、擠壓機(jī)和飛機(jī)等液壓系統(tǒng)則須突出耐高溫、熱穩(wěn)定、不腐蝕、無(wú)毒、不揮發(fā)、防火等項(xiàng)要求。2.1.3對(duì)液壓工作介質(zhì)的要求2.1.4液壓工作介質(zhì)的選用第十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

流體力學(xué)-研究液體平衡和運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律的一門科學(xué)。主要內(nèi)容液體靜力學(xué)液體動(dòng)力學(xué)管道中液流的特性孔口及縫隙的壓力流量特性液壓流體力學(xué)第十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

液體靜力學(xué)主要研究液體處于靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律和這些規(guī)律的應(yīng)用靜壓力及其特性靜壓力基本方程式帕斯卡原理靜壓力對(duì)固體壁面的作用力2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)第十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

2.2.1壓力及其特性

作用在液體上的力有兩種：質(zhì)量力和表面力。液體內(nèi)某點(diǎn)處單位面積△A上所受到的法向力△F，稱為壓力p（靜壓力）。液體的靜壓力具有兩個(gè)重要特性：(1)液體靜壓力的方向總是作用在內(nèi)法線方向上；(2)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的液體靜壓力在各個(gè)方向上都相等。第十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.2.2液體靜力學(xué)方程在平衡狀態(tài)下，有:

FG為液柱的重量:

則：

——液體靜壓力的基本方程

第十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

由靜壓力基本方程得出的結(jié)論：靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)處的壓力由兩部分組成，一部分是表面壓力p0，另一部分是自重形成的壓力ρgh。當(dāng)液面上只受大氣壓力pa作用時(shí)，該點(diǎn)處的靜壓力則為:

靜壓力隨液體深度h的增加而線性地增加；由壓力相等的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(gè)水平面。第十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

2.2.3液體靜壓力的傳遞（帕斯卡原理）密閉容器內(nèi)的平衡液體中，施加于液體在一點(diǎn)的壓力將等值地傳遞到液體各點(diǎn)。(靜壓傳遞原理)

力可以放大、可以縮小、可以改變方向第十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日壓力是由負(fù)載F決定

如果垂直液壓缸的活塞上沒(méi)有負(fù)載，則當(dāng)略去活塞重量及其它阻力時(shí)，不論怎樣推動(dòng)水平液壓缸的活塞，也不能在液體中形成壓力，這說(shuō)明液壓系統(tǒng)中的壓力是由外界負(fù)載決定的。壓力的產(chǎn)生-負(fù)載F的作用第十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日作用在平面上的靜壓力

F＝pA＝pπD2/4作用在曲面上，液體在某個(gè)方向的靜壓力等于液壓力與曲面在該方向的投影面積的乘積。2.2.4液體靜壓力對(duì)固體壁面的作用力

第十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.1.3壓力的表示方法及單位壓力單位為帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕，符號(hào)為Pa，1Pa=1N/m2，

1MPa=106Pa第二十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.3.1幾個(gè)基本概念1.理想液體和實(shí)際液體2.穩(wěn)定流動(dòng)和非穩(wěn)定流動(dòng)3.通流截面、流量和平均流速2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第二十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.3.2液體連續(xù)性方程

假設(shè)液體作定常流動(dòng)，且不可壓縮。根據(jù)質(zhì)量守恒定律：物理意義：定常流動(dòng)中流過(guò)各截面的不可壓縮流體的流量是不變的。流速與過(guò)流斷面的面積成反比。第二十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.3.3伯努利方程

伯努利方程是能量守衡定律在流動(dòng)液體中的表現(xiàn)形式。

1、理想液體的伯努利方程推導(dǎo)：1）外力做的功2）液體機(jī)械能的變化3）能量守恒第二十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日物理意義：第一項(xiàng)為單位重量液體的位能，比位能（h）；第二項(xiàng)為單位重量液體的壓力能，比壓能（p/ρg）；第三項(xiàng)為單位重量液體的動(dòng)能，比動(dòng)能（v2/2g）。上述三種能量都具有長(zhǎng)度單位，又分別稱為壓力水頭、速度水頭和位置水頭。三者之間可以互相轉(zhuǎn)換，總和(H稱為總水頭)為一定值。第二十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2．實(shí)際液體的伯努利方程hw——由液體粘性引起的能量損失；α1，α2——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)。一般在紊流時(shí)取α＝1，層流時(shí)取α＝2。

第二十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日3．伯努利方程的應(yīng)用舉例

例1：計(jì)算泵吸油腔的真空度及允許的最大吸油高度泵吸油口的真空度為允許的最大安裝高度第二十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日例2：文丘利流量計(jì)條件：p1和p2

，h為高，以小孔中心線為基準(zhǔn)。連續(xù)性方程：伯努利方程：第二十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)液體和水銀的密度分別為和根據(jù)液體靜壓力方程有：即：將上兩式代入伯努利方程并整理得：第二十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.2.4動(dòng)量方程動(dòng)量定量在流體力學(xué)中的應(yīng)用用來(lái)計(jì)算流動(dòng)液體與限制其運(yùn)動(dòng)的固體壁面的相互作用力動(dòng)量定理：作用在物體上的外力矢量和等于物體在力作用方向上的動(dòng)量的變化率：第二十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日穩(wěn)定流動(dòng)液體的動(dòng)量方程：

微元1-2的動(dòng)量變化：作用在液體控制體積上的外力矢量和等于單位時(shí)間內(nèi)液體控制體積的動(dòng)量之差第三十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日動(dòng)量方程的應(yīng)用－計(jì)算液流流過(guò)滑閥時(shí)，對(duì)閥芯的軸向作用力作用在閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力大小為：方向是使閥芯關(guān)閉的方向第三十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.4液體在管道中的流動(dòng)狀態(tài)和壓力損失2.4.1液體的流態(tài)及其判別液流狀態(tài)：層流與紊流第三十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

層流

－液體分層流動(dòng)，各層互不干擾

－粘性力起主導(dǎo)作用

紊流

－液體流動(dòng)雜亂無(wú)章

－慣性力起主導(dǎo)作用第三十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

雷諾實(shí)驗(yàn)裝置1－溢流管；2－進(jìn)水管；3－水杯；4－開(kāi)關(guān)；5－細(xì)導(dǎo)管；6－水箱；7－波管；8－閥門第三十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

雷諾實(shí)驗(yàn)層流狀態(tài)臨界狀態(tài)紊流狀態(tài)臨界狀態(tài)第三十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日

雷諾數(shù)

Re

雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)論：液體在管中的流動(dòng)狀態(tài)與液流的平均流速v、液體的運(yùn)動(dòng)粘度ν、管道內(nèi)徑d有關(guān)。－雷諾數(shù)是無(wú)量綱數(shù)。－如果液流雷諾數(shù)相同，它的流動(dòng)狀態(tài)也相同。雷諾數(shù)的物理意義：－

Re是液流的慣性力與粘性力的無(wú)因次比。

－

Re較小時(shí)粘性力起主要作用，Re較大是慣性

力起主要作用。第三十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日臨界雷諾數(shù)Recr－液流由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)的雷諾數(shù)。流動(dòng)狀態(tài)的判別

－當(dāng)實(shí)際Re＜Recr時(shí)，為層流；

－當(dāng)實(shí)際Re＞Recr時(shí)，為紊流。管道的形狀Recr管道的形狀Recr光滑的金屬圓管2000~2320帶環(huán)槽的同心環(huán)狀縫隙700橡膠軟管1600~2000帶環(huán)槽的偏心環(huán)狀縫隙400光滑的同心環(huán)狀縫隙1100圓柱形滑閥閥口260光滑的偏心環(huán)狀縫隙1000錐閥閥口20~100第三十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.4.2液體在管中流動(dòng)的壓力損失－液體在管中流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生能量，這種損失可以用壓力損失來(lái)表示。

壓力損失分為兩類：沿程壓力損失－液體在等直徑管中流動(dòng)時(shí)因粘性摩擦阻力引起的損失；－沿程壓力損失與液流流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

局部壓力損失

液體流經(jīng)管道的彎頭、接頭、閥口等處時(shí)產(chǎn)生的損失。第三十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日層流時(shí)的沿程壓力損失計(jì)算受力平衡方程：對(duì)上式積分，邊界條件：r＝d/2時(shí)，u＝0由牛頓內(nèi)摩擦定律：得：第三十九頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日層流時(shí)的沿程壓力損失計(jì)算λ－稱為沿程阻力系數(shù)。λ的理論值為64/Re。實(shí)際中，金屬圓管λ＝75/Re，橡膠管λ＝80/Re。沿程壓力損失紊流時(shí)的沿程阻力系數(shù)λ除了與雷諾數(shù)有關(guān)，還與管道的粗糙度有關(guān)，一般用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。紊流時(shí)的沿程壓力損失計(jì)算公式與層流時(shí)的相同第四十頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日局部壓力損失計(jì)算ξ稱為局部壓力損失系數(shù)第四十一頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日管路系統(tǒng)總的壓力損失壓力損失的危害Δp大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽斐上到y(tǒng)溫度，泄漏，系統(tǒng)工作性能。影響Δp的因素v

，l

，ξ

，（Δ/d）Δp第四十二頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2.5液體流經(jīng)孔口及縫隙的特性2.5.1液體流經(jīng)孔口的流量－壓差特性1．薄壁小孔（L/d≤0.5）第四十三頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日薄壁小孔流量公式上式表明，通過(guò)薄壁小孔的流量與液體粘度無(wú)關(guān)，因而流量受液體溫度影響較小。但流量與孔口前后壓差的關(guān)系是非線性的。Cc——截面收縮系數(shù)，Cc=Ac/A0；Cd——小孔流量系數(shù)Cd=CcCr完全收縮時(shí)，Cd＝0.61～0.62；不完全收縮時(shí)，Cd≈0.7～0.8。第四十四頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日2．細(xì)長(zhǎng)小孔（L/d＞4）液體流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)小孔的流量將隨液體溫度的變化而變化。但細(xì)長(zhǎng)小孔的流量與孔前后的壓差關(guān)系是線性的。是細(xì)長(zhǎng)小孔的通流截面積。第四十五頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日小孔流量通用公式

將上兩式統(tǒng)一寫成：系數(shù)，由孔口形狀、尺寸和液體性質(zhì)決定孔口過(guò)流斷面面積小孔兩端壓力差指數(shù)，由孔的長(zhǎng)徑比決定薄壁小孔

=0.5細(xì)長(zhǎng)小孔

=1第四十六頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日小孔的流量特性曲線第四十七頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日零件配合存在間隙泄漏:當(dāng)流體流經(jīng)這些間隙時(shí)就會(huì)發(fā)生從壓力高處經(jīng)過(guò)間隙流到系統(tǒng)中壓力低處或直接進(jìn)入大氣的現(xiàn)象(前者稱為內(nèi)泄漏，后者稱為外泄漏)。油液在間隙中的流動(dòng)狀態(tài)一般是層流。流動(dòng)狀況：壓差流動(dòng)－由兩端壓力差造成的流動(dòng)。剪切流動(dòng)－由縫隙兩壁面相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成流動(dòng)。2.5.2液體流經(jīng)縫隙的流量第四十八頁(yè)，共五十三頁(yè)，2022年，8月28日1.液體流經(jīng)平行平板縫隙的流量固定平行平板間隙流動(dòng)流量（壓差流動(dòng)）

在壓差作用下，q與h的三次方成正比。說(shuō)明液壓元件內(nèi)縫隙的大小對(duì)泄漏影響很大。縫隙尺寸：厚度h，寬度b，長(zhǎng)度l兩端壓力p1、p2兩平行平板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的間隙流動(dòng)流量(