流體傳動(dòng)與控制第2章

2.1液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)2.1.1液壓工作介質(zhì)的類型當(dāng)前第1頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)2.1.2液壓工作介質(zhì)的性能1.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。

可用體積壓縮系數(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，即：

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。當(dāng)前第2頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)2.粘性1)粘度的定義及其物理意義牛頓流體內(nèi)摩擦定律：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。

當(dāng)前第3頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)牛頓內(nèi)摩擦定律的數(shù)學(xué)表達(dá)：

——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。當(dāng)前第4頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)2)粘度的表示方法（1）動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度的物理意義是：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。動(dòng)力粘度的單位為Pa·s（帕·秒，N·s/m2

）。以前沿用的單位為P（泊，dyne·s/cm2）。單位換算關(guān)系為:1Pa·s=10P（泊）=1000cP（厘泊）

當(dāng)前第5頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)（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，即:

運(yùn)動(dòng)粘度的單位為m2/s。

工程單位為St（沲，cm2/s）。

單位換算關(guān)系為：

1m2/s=104St（沲）=106cSt（厘沲）習(xí)慣上常用運(yùn)動(dòng)粘度來(lái)標(biāo)志液體粘度，液壓油液的粘度等級(jí)是以50℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度（以mm2/s計(jì)）的中心值來(lái)劃分的當(dāng)前第6頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)（3）相對(duì)粘度相對(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：

當(dāng)前第7頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)（4）影響粘度的主要因素液體的粘度隨液體的壓力和溫度而變。對(duì)液壓油來(lái)說(shuō)，壓力增大時(shí)，粘度增大，但影響很小，通常忽略不計(jì)。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。在液壓技術(shù)中，希望工作液體的粘度隨溫度變化越小越好。

粘度隨溫度變化特性，可以用粘度－溫度曲線表示。當(dāng)前第8頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)圖2-2

幾種國(guó)產(chǎn)液壓油的粘度-溫度曲線

當(dāng)前第9頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)2.1.3對(duì)液壓工作介質(zhì)的要求

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。2.1.4液壓工作介質(zhì)的選用當(dāng)前第10頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

流體力學(xué)-是研究液體平衡個(gè)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)規(guī)律的一門科學(xué)。內(nèi)容包括

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)當(dāng)前第11頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

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)用內(nèi)容包括－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)當(dāng)前第12頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

2.2.1壓力及其特性

作用在液體上的力有兩種，即質(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。當(dāng)前第13頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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：

上式即為液體靜壓力的基本方程。

當(dāng)前第14頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

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；當(dāng)前第15頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

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、可以改變方向當(dāng)前第16頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)壓力是由負(fù)載F決定的

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的作用當(dāng)前第17頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

2.2.4液體靜壓力對(duì)固體壁面的作用力

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。

當(dāng)前第18頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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當(dāng)前第19頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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)當(dāng)前第20頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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：當(dāng)前第21頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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當(dāng)前第22頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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）。由于上述三種能量都具有長(zhǎng)度單位，故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，但總和(H稱為總水頭)為一定值。當(dāng)前第23頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)2．實(shí)際液體的伯努利方程式中：hw---由液體粘性引起的能量損失；

α1，α2---動(dòng)能修正系數(shù)。

一般在紊流時(shí)取α＝1，層流時(shí)取α＝2。

當(dāng)前第24頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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當(dāng)前第25頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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：當(dāng)前第26頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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：當(dāng)前第27頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)2.2.4動(dòng)量方程

動(dòng)量定量在流體力學(xué)中的具體應(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，即：當(dāng)前第28頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)穩(wěn)定流動(dòng)液體的動(dòng)量方程：

微元的動(dòng)量變化是：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)量之差當(dāng)前第29頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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：方向都是使閥芯關(guān)閉的方向當(dāng)前第30頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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)：層流與紊流當(dāng)前第31頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

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)作用當(dāng)前第32頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

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－閥門當(dāng)前第33頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

雷諾實(shí)驗(yàn)當(dāng)前第34頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

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)當(dāng)前第35頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)

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。當(dāng)前第36頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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當(dāng)前第37頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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。當(dāng)前第38頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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：當(dāng)前第39頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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)的相同當(dāng)前第40頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)局部壓力損失計(jì)算ξ稱為局部壓力損失系數(shù)當(dāng)前第41頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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當(dāng)前第42頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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）當(dāng)前第43頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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。當(dāng)前第44頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)2．細(xì)長(zhǎng)小孔（L/d＞4）

是細(xì)長(zhǎng)小孔的通流截面積。

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。當(dāng)前第45頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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當(dāng)前第46頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)小孔的流量特性曲線當(dāng)前第47頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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)縫隙的流量當(dāng)前第48頁(yè)\共有53頁(yè)\編于星期三\4點(diǎn)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?？p隙尺寸：厚度h，寬度b，長(zhǎng)度l