模塊二 液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)

第2、3次課1模塊二液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)模塊學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、了解液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)知識；2、掌握液壓油的物理性質(zhì)，液體靜、動力學(xué)，小孔和縫隙流量計算；3、理解液壓傳動系統(tǒng)壓力損失的基本形式、液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象；4、熟悉液壓流體力學(xué)在液壓傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用。2模塊二液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)模塊學(xué)習(xí)內(nèi)容：1、液壓油的物理性質(zhì)、液壓油的使用與污染控制；2、液體靜力學(xué)的基本特性、液體流動時的運動特性、管路的壓力損失以及流經(jīng)小孔和縫隙的流量等液壓傳動的基礎(chǔ)知識。3模塊二液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)2、1液壓油2、2液體靜力學(xué)4重點難點

液壓油的粘性和黏度粘溫特性靜壓特性壓力形成靜力學(xué)基本方程5單元一

液壓油2、1、1液壓油的物理性質(zhì)2、1、2對液壓油的要求及選用6單元一

液壓油單元學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解液壓油的密度、可壓縮性和工作任務(wù)；掌握液壓油的粘性、黏度和選用原則。7一、液壓油1、液體的密度密度—單位體積液體的質(zhì)量。ρ=m/vkg/m3密度隨著溫度或壓力的變化而變化，但變化不大，通常忽略，一般取ρ=900kg/m3。82、液體的可壓縮性液體的可壓縮性：

液體受壓力作用而發(fā)生體積縮小的性質(zhì)。液體的可壓縮性可以用體積壓縮系數(shù)β或其倒數(shù)（液體的體積模量）K來表示。9液體的體積壓縮系數(shù)定義定義：

體積為V0的液體，當(dāng)壓力增大△p時，體積減小△v,則液體在單位壓力變化下體積的相對變化量。液體的體積壓縮系數(shù)公式β=-△v/△pV010液體的體積壓縮系數(shù)物理意義

單位壓力所引起液體體積的相對變化量。∵p↑（△p為正值）V0↓（△v為負(fù)值）∴為保證β（K）為正值，式中須加負(fù)號11液體的體積模量定義液體體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)

k=1/β=-△pv0/△v液體的體積模量物理意義：

表示單位體積相對變化量所需要的壓力增量，也即液體抵抗壓縮能力的大小。

12一般認(rèn)為油液不可壓縮（因壓縮性很小），計算時?。簁=0.7×109N/m2若分析動態(tài)特性或p變化很大的高壓系統(tǒng),則必須考慮液體的可壓縮性。注意：由于空氣的可壓縮性很大，所以當(dāng)工作介質(zhì)中有游離氣泡時，K值將大大減小，這會嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的工作性能。故應(yīng)采取措施盡量減少液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)中游離空氣的含量。133.液體的黏性

液體在外力作用下流動時,由于液體分子間的內(nèi)聚力和液體分子與壁面間的附著力,導(dǎo)致液體分子間相對運動而產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力,這種特性稱為粘性。

因此，液體只有在流動（或有流動的趨勢）時才會表現(xiàn)出黏性，靜止液體是不呈現(xiàn)黏性的。粘性是液體的重要物理性質(zhì)，因此也是液壓系統(tǒng)中選用油液的主要依據(jù)之一。141）粘性的定義及物理意義動畫演示15實驗結(jié)果表明：液體流動時，相鄰流層間的內(nèi)摩擦力F與流層間的接觸面積A及液層間的相對運動速度du成正比,而與流層間的距離dy成反比，即μ—比例系數(shù)，稱為黏性系數(shù)或動力系數(shù)；du/dy—相對運動速度對液層間距離的變化率，也稱速度梯度或剪切率?！咭后w靜止時,du/dy=0

∴靜止液體不呈現(xiàn)黏性16相鄰液層間的內(nèi)摩擦力：剪切應(yīng)力：黏性的大小可以用黏度來衡量，黏度是選擇液壓油的主要指標(biāo)。常用的黏度有：動力黏度、運動黏度和相對黏度。①動力黏度（絕對黏度））（Pa·s）

：

2）黏度

對于靜止的液體，速度梯度

當(dāng)速度梯度等于1時，流動液體內(nèi)接觸液體層間單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。17動力黏度μ

公式:∵τ=F/A=μ·du/dy（N/m2）∴

（N·s/m2）運動黏度的物理意義：液體在單位速度梯度下流動時，單位面積上的內(nèi)摩擦力。動力黏度是一種絕對黏度，因為它的單位中有動力學(xué)的要素，所以稱為動力黏度。18動力黏度單位

國際單位（SI制）中：帕·秒（Pa·S）或牛頓·秒/米2（N·S/m2）；以前沿用單位（CGS制）中：泊（P）或厘泊（CP）達因·秒/厘米2dyn·S/cm2）換算關(guān)系：1Pa·S=10P=103CP19②

運動黏度

：動力黏度與液體密度的比值。運動黏度也是一種絕對黏度，因為它的單位只有長度和時間的量綱，類似于運動學(xué)的量，所以稱之為運動黏度。

法定計量單位為米2/秒（m2/s）,常用單位為斯（St、cm2/s）和厘斯（cSt、mm2/s）。

1m2/s＝104cm2/s（St）＝106

mm2/s（cSt）沒有明確的物理意義，但工程實際中常用。20液壓油牌號標(biāo)注老牌號——20號液壓油，指這種油在50°C時的平均運動粘度為20mm2/s（cSt）

新牌號——L—HL46號液壓油，指這種油在40°C時的平均運動粘度為46mm2/s（cSt）。

運動粘度，常用于液壓油牌號標(biāo)注。國產(chǎn)液壓油的牌號，就是該液壓油在40°C時運動黏度的平均值。21③相對黏度（條件黏度）0E：

它是按一定的測量條件制定的，然后再根據(jù)關(guān)系式換算出動力黏度或運動黏度。

恩氏黏度0E——中國、德國、前蘇聯(lián)等用通用賽氏秒SSU——美國用商用雷氏秒R——英國用巴氏度0B——法國用恩氏黏度可以用儀器直接測量，恩氏黏度使被測液體與蒸餾水黏度的相對比較值。0E=t1/t2t1液體在自重作用下流過小孔所需的時間；t2蒸餾水在20°C時通過同一小孔所需的時間。22動力粘度和運動粘度難以直接測量。在實際工作中，常采用先測量液體的相對粘度，然后再進行換算。恩氏粘度與運動粘度之間的換算關(guān)系ν=（7.310E－6.31/0E）×10-6233）溫度對黏度的影響液體的黏度隨液體的壓力和溫度改變而變化。液壓油液黏度對溫度的變化十分敏感，當(dāng)溫度升高時，液體分子間的內(nèi)聚力減小，其黏度降低，這一特性稱為粘溫特性。24液體的粘溫特性常用黏度指數(shù)Ⅵ來度量。粘度指數(shù)高，說明黏度隨溫度的變化小，其粘溫特性好。一般在90以上；優(yōu)異在100以上。254）壓力對黏度的影響對液壓油來說，壓力增大時，其分子間的距離將減小，其內(nèi)聚力增加，黏度增大。但在一般液壓系統(tǒng)使用的壓力范圍內(nèi)，黏度增大的數(shù)值很小，可以忽略不計。26二、液壓油的種類1、液壓油的種類液壓油的種類很多，主要分三大類型：礦油型、乳化型、和成型。（1）L-HL液壓油（又名普通液壓油）：采用精制礦物油作基礎(chǔ)油，加入抗氧、抗腐、抗泡、防銹等添加劑調(diào)合而成，是當(dāng)前我國供需量最大的主品種，用于一般液壓系統(tǒng)，但只適于0℃以上的工作環(huán)境。其牌號有：HL－32、HL－46、HL－68。在其代號L-HL中，L代表潤滑劑類，H代表液壓油，L代表防銹、抗氧化型，最后的數(shù)字代表運動粘度。

（一）礦油型液壓油

27（2）L-HM液壓油（抗磨液壓油，M代表抗磨型）：其基礎(chǔ)油與普通液壓油同，加有極壓抗磨劑，以減少液壓件的磨損。適用于-15℃以上的高壓、高速工程機械和車輛液壓系統(tǒng)。

其牌號有：HM－32、HM－46、HM－68、HM－I00、HM－150（3）L-HG液壓油（又名液壓一導(dǎo)軌油）：除普通液壓油所具有的全部添加劑外，還加有油性劑，用于導(dǎo)軌潤滑時有良好的防爬性能。適用于機床液壓和導(dǎo)軌潤滑合用的系統(tǒng)。28（4）L-HV液壓油（又名低溫液壓油、稠化液壓油、高粘度指數(shù)液壓油）：用深度脫蠟的精制礦物油，加抗氧、抗腐、抗磨、抗泡、防銹、降凝和增粘等添加劑調(diào)合而成。其粘溫特性好，有較好的潤滑性，以保證不發(fā)生低速爬行和低速不穩(wěn)定現(xiàn)象。適用于低溫地區(qū)的戶外高壓系統(tǒng)及數(shù)控精密機床液壓系統(tǒng)。

（5）其它專用液壓油：如航空液壓油（紅油）、炮用液壓油、艦用液壓油等。

29難燃液壓液分為合成型、油水乳化型和高水基型三大類。

（1）合成型抗燃工作液

①水一乙二醇液（L-HFC液壓液）：這種液體含有35％～55％的水，其余為乙二醇及各種添加劑（增稠劑、抗磨劑、抗腐蝕劑等）。其優(yōu)點是凝點低（－50℃），有一定的粘性，而且粘度指數(shù)高，抗燃。適用于要求防火的液壓系統(tǒng)。其缺點是價格高，潤滑性差，只能用于中等壓力（20Mpa以下）。這種液體密度大，所以吸入困難。（二）合成型液壓油30

水一乙二醇液能使許多普通油漆和涂料軟化或脫離，可換用環(huán)氧樹脂或乙烯基涂料。②磷酸酯液（L-HFDR液壓液）這種液體的優(yōu)點是，使用的溫度范圍寬（-54～～135℃），抗燃性好，抗氧化安定性和潤滑性都很好。允許使用現(xiàn)有元件在高壓下工作。其缺點是價格昂貴（為液壓油的5～8倍）；有毒性；與多種密封材料（如丁氰橡膠）的相容性很差，而與丁基膠、乙丙膠、氟橡膠、硅橡膠、聚四氟乙烯等均可相容。31

（三）乳化型液壓油（L-HFB、L-HFAE液壓液）

油水乳化液是指互不相溶的油和水，使其中的一種液體以極小的液滴均勻地分散在另一種液體中所形成的抗燃液體。分水包油乳化液和油包水乳化液兩大類。

（四）高水基型抗燃工作液（L-HFAS液壓液）這種工作液不是油水乳化液。其主體為水，占95％，其余5％為各種添加劑（抗磨劑、防銹劑、抗腐劑、乳化劑、抗泡劑、極壓劑、增粘劑等）。其優(yōu)點是成本低，抗燃性好，不污染環(huán)境。其缺點是粘度低，潤滑性差。322、航空液壓油在民用飛機上通常使用三種液壓油：1）植物基液壓油（藍(lán)油）如美國MIL-H-7644蓖麻油和酒精組成，易燃。老式飛機上用的多，一般用天然膠密封圈（該類橡膠件沾染石油基或磷酸酯基液壓油，密封件會發(fā)生膨脹、損壞堵塞系統(tǒng)）。系統(tǒng)可用酒精沖洗。2）礦物基液壓油（紅油）如美國MIL-H-5606，從石油中提煉，具有良好的潤滑性能，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，隨著溫度的變化，黏度很少變化。廣泛用于輕型飛機剎車系統(tǒng)、液壓動力系統(tǒng)和減震器中。適用密封圈：極性合成橡膠?？捎檬?、礦物油、溶劑油來清洗系統(tǒng)。3)磷酸酯基液壓油（合成液壓油）（紫油）具有防火特性。具有較好的低溫工作特性和低腐蝕性。廣泛用于現(xiàn)代飛機的液壓系統(tǒng)。適用密封圈：異丁橡膠。系統(tǒng)可用三氯乙烯來沖洗。

33三、對液壓油的要求為保證液壓系統(tǒng)正常工作，所用液壓油應(yīng)滿足以下條件：（1）合適的粘度和良好的粘溫特性；（2）良好的潤滑性，防銹能力強；（3）純凈度好，雜質(zhì)少；（4）抗泡沫性、抗乳化性，腐蝕性小；（5）對系統(tǒng)所用金屬及密封件材料有良好的相容性。（6）體積膨脹系數(shù)小、比熱容大；（7）流動點及凝點低，閃點和燃點高。（8）對人體無害，對環(huán)境污染小，成本低，價格便宜。總之：粘度是第一位的。名詞解釋（解釋）

34四、液壓油的選擇正確合理地選擇液壓油，對提高液壓系統(tǒng)適應(yīng)各種環(huán)境條件和工作狀況的能力、延長系統(tǒng)和元件的壽命、增強設(shè)備運轉(zhuǎn)的可靠性以及防止事故的發(fā)生都有重要影響。選擇液壓油時，首先根據(jù)工作條件（v、p、T）和元件類型選擇油液品種，然后根據(jù)粘度選擇牌號。油液的黏度選擇十分重要，因為黏度對液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性、效率、溫升及磨損都有顯著影響。35四、液壓油的選擇選擇黏度時應(yīng)考慮以下幾個方面:1、工作壓力：

壓力高，應(yīng)用粘度高的液壓油，以減小泄漏，提高容積效率。2、環(huán)境溫度：

溫度高，應(yīng)用粘度較高的液壓油；反之，環(huán)境溫度較低時，宜用粘度較低的油。3、運動速度：

在運動速度較高時，為了減少壓力損失，宜用粘度較低的液壓油，反之，應(yīng)用粘度較高的油。36四、液壓油的選擇在液壓系統(tǒng)的所有元件中，液壓泵對液壓油的性能最為敏感。因為泵內(nèi)零件的運行速度最高，工作應(yīng)力也最高，而且承壓時間長、溫升高。因此，常將系統(tǒng)中液壓泵對液壓油的要求作為選擇液壓油的重要依據(jù)。

表2—3各種液壓泵適用的液壓油黏度范圍液壓泵類型黏度mm2/s（40℃）液壓泵類型黏度mm2/s（40℃）

5-40℃

40－80℃

5-40℃

40－80℃葉片泵<7MPa30—5040—75齒輪泵30—7095—165>7MPa50—7050—90徑向柱塞泵30—5065—240螺桿泵30—5040—80軸向柱塞泵30—7070—1505-40℃、

40－80℃系指液壓系統(tǒng)溫度37五、液壓油的污染及其控制2、污染的原因1）、殘留污染物主要指液壓元件以及管道、油箱在制造、儲存、運輸、安裝、維修過程中,帶入的砂粒、鐵屑、磨料、焊渣、銹片、油垢、棉紗和灰塵等,雖然經(jīng)過清洗,但未清洗干凈而殘留下來的殘留物所造成的液壓油污染。2）、生成污染物(1)液壓油氧化變質(zhì)析出物。(2)液壓油中混入水分和空氣。(3)元件磨損、損壞生成污染物。38五、液壓油的污染及其控制3）、侵入污染物主要指周圍環(huán)境中的污染物,例如空氣、塵埃、水滴等通過一切可能的侵入點,如外露的往復(fù)運動活塞桿、油箱的通氣孔和注油孔等侵入系統(tǒng)所造成的液壓油液污染;還如維修過程中不注意清潔,將環(huán)境周圍的污染物帶入,以粗代細(xì),甚至不用過濾器,過濾器常年不清洗、濾網(wǎng)不經(jīng)常清洗、換油或補油時不注意油的過濾、臟的油桶未經(jīng)過嚴(yán)格的清洗就拿來用,從而把污染物帶入。4）、生物污染物微生物也可能像其它微小顆粒一樣侵入液壓介質(zhì),如果不加以阻止,微生物將繁殖生長并表現(xiàn)為粘質(zhì)物,污染介質(zhì)。一般加殺菌劑或去除微生物繁殖的條件——水或營養(yǎng)物,以阻止生物污染的增長。39五、液壓油的污染及其控制5）、逃脫污染物逃脫污染物來自過濾器附近的潛在的液流通道(如不密封的溢流閥或旁通及濾材的裂口等),以及使被截留顆粒上的拖曳力大于過濾器纖維表面的吸附力的流量脈動。6）、液壓油中混入的其它油品不同品種、不同牌號的液壓油其化學(xué)成分是不相同的,當(dāng)液壓油中混入其它油品后,就改變了其化學(xué)組成,從而使用其性質(zhì)也發(fā)生變化。40五、液壓油的污染及其控制3、污染的控制1）、減少外來的污染為了減少液壓系統(tǒng)的污染源,改善設(shè)備的運轉(zhuǎn)環(huán)境,加強粉塵治理,減少工作現(xiàn)場的粉塵。油箱通大氣處要加空氣濾清器,向油箱加油應(yīng)通過過濾器,維修拆卸元件應(yīng)在無塵區(qū)進行。2）、濾除系統(tǒng)產(chǎn)生的雜質(zhì)為了控制油液的污染度,要根據(jù)系統(tǒng)和元件的不同要求,分別在吸油口、壓力管路、伺服閥的進油口等處,按照要求的過濾精度設(shè)置濾油器,以控制油液中的顆粒污染物,使液壓系統(tǒng)性能可靠、工作穩(wěn)定。并且要定期檢查、清洗或更換濾芯。41五、液壓油的污染及其控制3)、加強液壓系統(tǒng)的維護保養(yǎng)和管理(1)選擇合適的液壓油。(2)加強油品管理。(3)定期清除濾網(wǎng)、濾芯、油箱、油管及元件內(nèi)部的污垢。(4)通過檢查和更換液壓油。更換液壓油時必須對系統(tǒng)進行徹底的清洗。42學(xué)習(xí)單元二液體靜力學(xué)單元學(xué)習(xí)目標(biāo)了解液體靜力學(xué)研究內(nèi)容；掌握液體處于靜止?fàn)顟B(tài)或相對靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律和這些規(guī)律的實際應(yīng)用。43單元二液體靜力學(xué)液體靜力學(xué)：

是研究液體在靜止?fàn)顟B(tài)下的平衡規(guī)律以及這些規(guī)律的應(yīng)用。靜止?fàn)顟B(tài)：

液體內(nèi)部質(zhì)點之間沒有相對運動，與盛裝液體的容器是否運動或靜止都無關(guān)系。一、液體的靜壓力及其特性44·液體在靜止?fàn)顟B(tài)所受的力：質(zhì)量力和表面力?！べ|(zhì)量力：重力和慣性力?！け砻媪Γ何矬w作用于液體上的力（如容器、負(fù)載、油泵）；液體作用于液體上的力。

表面力有：法向力和切向力?！れo止液體的表面力：

靜止液體質(zhì)點間無相對運動，不存在內(nèi)摩擦力，所以表面力只有法向力?！ひ后w靜壓力：

液體內(nèi)某點處單位面積上所受到的法向力稱為液體的靜壓力，簡稱壓力。1、液體靜壓力單元二液體靜力學(xué)45·液體靜壓力計算

液體中在面積ΔA上作用有法向力ΔF，則某點處的壓力定義為：若法向力F均勻地作用于面積A上，則壓力表示為：單元二液體靜力學(xué)46液體靜壓力有兩個重要特性：1）液體靜壓力的方向總是在承壓面的內(nèi)法線方向；

2）靜止液體內(nèi)任一點的壓力在各個方向上都相等。·2、液體靜壓力的特性單元二液體靜力學(xué)47國際單位制中為：帕（Pa或N/m2）。常使用：kPa、MPa、GPa表示。工程單位制中使用的單位：

kgf/cm2、bar（巴）、at（工程大氣壓）、atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、液柱高等?！顗毫Φ挠嬃繂挝弧毫Φ幕居嬃繂挝粏卧后w靜力學(xué)481×105Pa=

1bar=0.987atm=1.02kgf/cm2=750mmHg=10.2mH2O1MPa=103kPa=106Pa=10bar1atm=0.101325MPa1at=1kgf/cm2=9.8×104Pa≈1×105Pa

(1000psi=70bar)·壓力單位換算單元二液體靜力學(xué)49二、液體靜力學(xué)基本方程1、液體靜力學(xué)基本方程靜止液體壓力分布規(guī)律單元二液體靜力學(xué)501）靜止液體內(nèi)任一點處的壓力由兩部分組成：一部分是液面上的壓力p0，另一部分是該點液體自重形成的壓力ρgh；2）靜止液體內(nèi)的壓力隨液體深度h增加而增大；3）離液面深度相同處各點的壓力相等，壓力相等的點所組成的面稱為等壓面，等壓面為一水平面。2、靜止液體壓力分布特征單元二液體靜力學(xué)二、液體靜力學(xué)基本方程51壓力的表示方法有兩種：絕對壓力與相對壓力。三、壓力的表示方法單元二液體靜力學(xué)絕對壓力—以絕對真空為基準(zhǔn)進行度量的壓力。相對壓力—以大氣壓力為基準(zhǔn)進行度量的壓力。

絕對壓力=大氣壓力+相對壓力或相對壓力（表壓）=絕對壓力–大氣壓力注：液壓傳動系統(tǒng)中所測壓力均為相對壓力即表壓力真空度=大氣壓力–絕對壓力（圖2-4）52帕斯卡原理的應(yīng)用幻燈片120四、液體靜壓力的傳遞1、帕斯卡原理（Pascal’sPrinciple）

由液體靜力學(xué)基本方程可知：靜止液體內(nèi)任一點處的壓力都包含了液面上的壓力p0，因此，在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力能等值的傳遞到液體中的各點。2、液壓千斤頂?shù)墓ぷ髟矸治鰤毫ο嗟攘Φ姆糯髥卧后w靜力學(xué)53單元二液體靜力學(xué)四、液體靜壓力的傳遞液壓系統(tǒng)的壓力完全決定于外負(fù)載。帕斯卡原理:若在處于密封容器中靜止液體的部分邊界面上施加外力使其壓力發(fā)生變化，只要液體仍保持其原來的靜止?fàn)顟B(tài)不變，則液體中任一點的壓力均將發(fā)生同樣大小的變化，這就是說，施加于靜止液體上的壓力將以等值傳到液體各點。54單元二液體靜力學(xué)五、作用在固體壁面上的液壓力靜止液體和固體壁面接觸時，固體壁面上各點在某一方向上所受靜壓力的總和就是液體在這一方向上作用于固體壁面上的力。1、作用在平面上的液壓力作用在其上的總作用力等于靜壓力與該壁面面積之積。2、作用在曲面上的液壓力液體作用在固體壁面上某一方向的作用力F等于液體的靜壓力p1和曲面在該方向的投影面積A的乘積。55單元二液體靜力學(xué)壓力油作用于油缸活塞上的力壓力油作用于球閥和錐閥上的力容器壁面為平面時，作用在該平面上各點處的壓力方向是相互平行的，故靜壓力作用在平面上的力等于壓力與承壓面積的乘積，且作用方向垂直于承壓表面。56單元三液體動力學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解液體動力學(xué)研究內(nèi)容；

掌握液體處于流動狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律和這些規(guī)律的實際應(yīng)用。學(xué)習(xí)內(nèi)容：流體動力學(xué)的主要內(nèi)容是研究液體流動時流速和壓力的變化規(guī)律

。流動液體的連續(xù)性方程、伯努利方程反映了壓力、流量或流速與能量損失之間的關(guān)系。57一、基本概念A(yù)、沒有粘性：

液體運動過程中不產(chǎn)生切向應(yīng)力，只有法向力。即垂直于速度方向的速度變化率（速度梯度）為零。B、無壓縮性：

液體密度不隨空間點的坐標(biāo)和時間變化的液體。

1、理想液體

即沒有粘性又無壓縮性的液體稱為理想液體。單元三液體動力學(xué)58

液體流動時，若液體中任一點的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，則這種流動成為穩(wěn)定流動（恒定流）；若壓力、速度和密度中有一個參數(shù)隨時間變化，則液體的流動稱為不穩(wěn)定流動（非恒定流）。2、穩(wěn)定流動單元三液體動力學(xué)59單元三液體動力學(xué)3、流線、流管和流束

流線：是流場中的一條條曲線，它表示在同一瞬時流場中各質(zhì)點的運動狀態(tài)。流線上每一質(zhì)點的速度向量與這條曲線相切，因此，流線代表了某一瞬時一群流體質(zhì)點的流速方向。在恒定流動時，流線形狀不隨時間變化。由于流場中每一質(zhì)點在每一瞬時只能有一個速度，所以流線之間不可能相交，流線也不可能突然轉(zhuǎn)折，它只能是一條光滑的曲線。流線、流管、流束和通流截面60單元三液體動力學(xué)流線、流管、流束和通流截面

流管：在流場中畫一不屬于流線的任意封閉曲線，沿該封閉曲線上的每一點作流線，由這些流線組成的表面稱為流管。

流束：流管內(nèi)的流線群稱為流束。根據(jù)流線不會相交的性質(zhì)，流管內(nèi)外的流線均不會穿越流管，故流管與真實管道相似。

將流管截面無限縮小趨近于零，便獲得微小流管或微小流束。微小流束截面上各點處的流速可以認(rèn)為是相等的。614、流量和平均流速※通流斷面：液體在管道中流動時，垂直于液體流動方向的截面積稱為通流斷面。

※流量：單位時間內(nèi)通過某通流斷面的液體的體積稱為流量。符號：Q、q，單位：m3/s、L/min流量和平均流速是描述液體流動的兩個主要參數(shù)。單元三液體動力學(xué)62※平均流速：假設(shè)液體流經(jīng)通流斷面上的流速是均勻分布的，流過斷面的流量等于液體實際流過該斷面的流量，則：：稱為平均流速。單元三液體動力學(xué)63液壓缸的運動速度A

vv=q/Aq=0v=0q

q↑v↑q↓v↓結(jié)論：液壓缸的運動速度取決于進入液壓缸的流量，并且隨著流量的變化而變化。在實際工程中，平均流速才具有應(yīng)用價值。例如：液壓缸的工作

。64單元三液體動力學(xué)

連續(xù)性原理—

理想液體在管道中恒定流動時，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，液體在管道內(nèi)既不能增多，也不能減少，因此單位時間內(nèi)流入液體的質(zhì)量應(yīng)恒等于流出液體的質(zhì)量。二、連續(xù)性方程能量守恒是自然界的客觀規(guī)律，不可壓縮液體的流動過程也遵守能量守恒定律。在流體力學(xué)中這個規(guī)律用稱為連續(xù)性方程的數(shù)學(xué)形式來表達的。65二、連續(xù)性方程分析單位時間內(nèi)流過兩個通流截面液體質(zhì)量相等連續(xù)性方程（忽略液體的可壓縮性）物理意義：在穩(wěn)定流動情況下，當(dāng)不考慮液體可壓縮性時，流過管道各截面的流量相等，因而平均速度與通流截面的面積成反比。當(dāng)流量一定時，管子細(xì)的地方流速大，通流截面的面積一定時，流量越大，流速也越大。單元三液體動力學(xué)66連續(xù)性方程適用條件必須是不可壓縮液體必須是穩(wěn)定流體由于不存在力的關(guān)系，因此，適合于任何液體，與黏度無關(guān)單元三液體動力學(xué)二、連續(xù)性方程67單元三液體動力學(xué)三、伯努利方程

伯努利方程是能量守恒定律在流動液體中的表現(xiàn)形式，研究引起流體運動的原因、考察運動流體的能量和能量轉(zhuǎn)換。伯努利方程示意圖68三、伯努利方程理想液體的伯努利方程

理想液體沒有粘性，它在管內(nèi)作穩(wěn)定流動時沒有能量損失。根據(jù)能量守恒定律，同一管道每一截面上的總能量都是相等的。在圖中任意取兩個截面A1和A2，它們至水平參考的距離h1和h2，流速分別為v1、v2，壓力分別為p1和p2，根據(jù)能量守恒定律有：單元三液體動力學(xué)69三、伯努利方程單元三液體動力學(xué)：單位體積液體的壓力能；：單位體積液體相對于水平參考面的位能（勢能）；：單位體積液體的動能。70三、伯努利方程理想液體的伯努利方程伯努利方程的物理意義：既無黏性又不可壓縮的理想液體在管道中穩(wěn)定流動時，具有動能、壓力能和位能三種形式。液體在流動過程中三種能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，但任一截面處三種能量之和保持不變。單元三液體動力學(xué)71總結(jié)綜合流動液體連續(xù)性原理和伯努利方程：1.對于水平放置的管道，液體的流速越高它的壓力就越低。2.在流量不變的情況下，液體流過不同截面時，截面越大則流速越小，壓力越大。截面越小流速越大，壓力越小。72三、伯努利方程實際液體的伯努利方程由于實際液體在流動時具有黏性，由此產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力將造成能量的損失，使液體的總能量沿流向逐漸減小，而不再是一個常數(shù)；另一方面，由于實際液體在管道通流截面上流速分布是不均勻的，在用平均速度代替實際流速時也會產(chǎn)生誤差。α:動能修正系數(shù),為截面上單位時間內(nèi)流過液體所具有的實際動能與按截面上平均流速計算的動能之比。與速度分布有關(guān)，流速分布越不均勻，α值越大。（層流時α=2，紊流時α=1）Δpw:單位重量液體在管道中流動時的壓力損失。單元三液體動力學(xué)73單元三液體動力學(xué)2.3液體動力學(xué)例2-1分析液壓泵安裝高度h對泵性能的影響。如圖所示，取油箱液面I－I和泵進口處截面II-II列伯努利方程，并取截面I－I為基準(zhǔn)水平面。則有：P1＝0、h1＝0、v1＝0、h2＝h，上式可簡化為：由上式可知，在泵的進油口處有一定真空度，所謂吸油，實質(zhì)上是在油箱液面的大氣壓力作用下把油壓入泵內(nèi)的過程。由上式還可看出，泵吸油口的真空度由三部分組成：（1）產(chǎn)生一定流速所需的壓力；（2）把油液提升到高度h所需的壓力；（3）吸油管內(nèi)壓力損失。74

伯努利方程應(yīng)用舉例液壓泵吸油口處的真空度是油箱液面壓力與吸油口處壓力p2之差液壓泵吸油口處的真空度不能太大，否則溶于油液中的空氣就會析出，甚至產(chǎn)生氣化，這樣形成大量氣泡，產(chǎn)生噪聲和振動，影響液壓泵和系統(tǒng)的正常工作及產(chǎn)生汽蝕。因此，實踐中一般要求液壓泵的吸油口的高度h不超過0.5米。為了改善泵的吸油性能，有時將泵裝在油面以下，這時泵的進口處可沒有真空度。也可以將油箱密封起來，并向油箱內(nèi)充氣，使液面的壓力大于大氣壓，從而改善液壓泵的吸油條件。

單元三液體動力學(xué)75單元三液體動力學(xué)四、動量方程動量方程是動量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用。流動液體的動量方程是流體力學(xué)的基本方程之一，它是研究液體運動時作用在液體上的外力與其動量的變化之間的關(guān)系。在液壓傳動中，在計算液流作用在固體壁面上的力時，應(yīng)用動量方程去解決就比較方便。76四、動量方程作用在物體上全部外力的矢量和等于物體在單位時間內(nèi)動量的變化量。即對于穩(wěn)定的流動的液體，若忽略可壓縮性，可將

代入上式，并考慮到以速度代替實際流速u會產(chǎn)生的誤差，因而引入動量修正系數(shù)，則得如下形式的動量方程式

∑F作用在液體上所有外力的矢量和；v1、v2液流在前后通流截面上的平均速度；β1,β2為相應(yīng)截面的動量修正系數(shù)。紊流時β=1，層流時β=1.33ρ、q分別為液體的密度和流量。單元三液體動力學(xué)77四、動量方程應(yīng)用

由此可知，在一般情況下，穩(wěn)態(tài)液動力都有使滑閥閥口關(guān)閉的趨勢，其大小為，流量越大，速度越大，則穩(wěn)態(tài)流動力也越大。

單元三液體動力學(xué)78單元四管路中液體的壓力損失學(xué)習(xí)目標(biāo)了解管路內(nèi)液體壓力損失的類型；

掌握壓力損失的產(chǎn)生原因和減小的措施。重點難點：兩種損失減小措施79單元四管路中液體的壓力損失一、液體的流動狀態(tài)及雷諾判據(jù)

1883年，英國物理學(xué)家雷諾通過圖2.4-1實驗裝置的實驗，證實了液體存在著兩種不同的流動狀態(tài)—層流和紊流。層流和紊流實驗雷諾實驗80單元四管路中液體的壓力損失一、液體的流動狀態(tài)及雷諾判據(jù)1）層流：

液體沿管路流動時，質(zhì)點沒有橫向運動，即液體作分層流動，各層間的液體互不混雜，層次分明，這種流動稱為層流。2）紊流：

液體質(zhì)點在沿管路流動的同時，還有橫向運動，流層間質(zhì)點相互錯雜交換。這種流動稱為紊流。層流與紊流81一、液體的流動狀態(tài)及雷諾判據(jù)

雷諾數(shù)

根據(jù)實驗，液體是層流還是紊流，不僅與管內(nèi)平均流速有關(guān)，還與管子內(nèi)徑和液體粘度有關(guān)。判定液流狀態(tài)的無量綱的數(shù)，叫雷諾數(shù)。

式中，υ為管路中液體的平均流速；

d為圓管內(nèi)徑；

v為液體的運動粘度。

單元四管路中液體的壓力損失82※雷諾數(shù)是液流的慣性力與內(nèi)摩擦力的比值?！字Z數(shù)小時：液體的內(nèi)摩擦力起主導(dǎo)作用，液體質(zhì)點運動受粘性約束而不會隨意運動，液流狀態(tài)為層流；※雷諾數(shù)大時：慣性力起主導(dǎo)作用，液體的粘性已不能約束質(zhì)點運動，液流狀態(tài)為紊流。雷諾數(shù)的物理意義：單元四管路中液體的壓力損失83

流動液體從層流轉(zhuǎn)變成紊流或從紊流轉(zhuǎn)變成層流的雷諾數(shù)稱為臨界雷諾數(shù)，記作Re臨。臨界雷諾數(shù)由實驗確定。單元四管路中液體的壓力損失※從層流變?yōu)槲闪鲿r，臨界雷諾數(shù)大于由紊流變?yōu)閷恿鲿r的雷諾數(shù)。臨界雷諾數(shù)※84管道的形狀臨界雷諾數(shù)Re臨管道的形狀臨界雷諾數(shù)Re臨光滑金屬圓管2000～2320帶環(huán)槽同心環(huán)狀縫隙700橡膠軟管1600～2000帶環(huán)槽偏心環(huán)狀縫隙400光滑同心環(huán)狀縫隙1100圓柱形滑閥閥口260光滑偏心環(huán)狀縫隙1000錐閥閥口20～100單元四管路中液體的壓力損失層流與紊流的判別

當(dāng)液流的雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)Rec時，液流的流態(tài)為層流，反之為紊流。

※85單元四管路中液體的壓力損失壓力損失

由于液體具有粘性，在管路中流動時又不可避免地存在著摩擦力，所以液體在流動過程中必然要損耗一部分能量。這部分能量損耗主要表現(xiàn)為壓力損失。壓力損失分類兩類：沿程壓力損失和局部壓力損失。86單元四管路中液體的壓力損失二、沿程壓力損失

液體在直管中流動時的壓力損失是由液體流動時的摩擦引起的，稱之為沿程壓力損失，它主要取決于管路的長度、內(nèi)徑、液體的流速和黏度等。液體的流態(tài)不同，沿程壓力損失也不同。液體在圓管中層流流動在液壓傳動中最為常見，因此，在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，常希望管道中的液流保持層流流動的狀態(tài)。1.層流時的壓力損失在液壓傳動中，液體的流動狀態(tài)多數(shù)是層流流動，在這種狀態(tài)下液體流經(jīng)直管的壓力損失可以通過理論計算求得。87式中：：沿程壓力損失，MPa；

l：管路長度，m；

v：液流速度，m/s；

d：管路內(nèi)徑，m；

ρ：液體密度，kg/m3；

λ：沿程阻力系數(shù)。理論值為λ=64/Re，而實際由于各種因素的影響，對光滑金屬管取λ=75/Re，對橡膠管取λ=80/Re。沿程壓力損失計算

沿程阻力系數(shù)λ與液體流動狀態(tài)有關(guān)，層流時，只與雷諾數(shù)Re有關(guān)；紊流時，不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與管路內(nèi)壁的表面粗糙度有關(guān)。第四節(jié)液體在管道中的壓力損失88單元四管路中液體的壓力損失二、沿程壓力損失2.紊流狀態(tài)下的沿程壓力損失液體紊流流動現(xiàn)象很復(fù)雜，慣性力起主導(dǎo)作用，黏性力不能約束它。紊流時的壓力損失Δp與流速v的1.75~2次方(v1.75~v2)成正比。由此可見，紊流能量損失比層流大得多?！鱬λ

=λ·l/d·ρv2/2λ=0.3164Re-0.25

（105>Re>4000）λ=0、032+0.221Re-0.237（3×106>Re>105）89單元四管路中液體的壓力損失三、局部壓力損失局部壓力損失是液體流經(jīng)閥口、彎管、過流斷面變化等所引起的壓力損失。液流通過這些地方時，由于液流方向和速度均發(fā)生變化，形成旋渦(如圖2-8)，使液體的質(zhì)點間相互撞擊，從而產(chǎn)生較大的能量損耗。局部壓力損失的計算式可以表達成:式中Δpξ—局部壓力損失，Pa;ξ—局部阻力系數(shù)，其值僅在液流流經(jīng)突然擴大的截面時可以用理論推導(dǎo)方法求得，其他情況均須通過實驗來確定;ν—液體的平均流速，一般情況下指局部阻力下游處的流速。返回下一頁上一頁90單元四管路中液體的壓力損失四、標(biāo)準(zhǔn)閥類元件的壓力損失各廠家在產(chǎn)品樣本中已注明了額定流量時閥的壓力損失Δpv。如果實際使用中流量q不符合額定流量qn時，閥口壓力損失Δpf，可用下式求得式中Δpn—閥在額定流量時的最大壓力損失，MPa;Δpf—閥通過實際流量的壓力損失，MPa;qn—閥的額定流量，m3/s;q—閥的實際流量，m3/s返回下一頁上一頁91單元四管路中液體的壓力損失五、管路內(nèi)液體的總壓力損失液壓系統(tǒng)的管路通常由若干段管道組成，其中每一段又串聯(lián)諸如彎頭、控制閥、管接頭等形成的局部阻力裝置，因此管路系統(tǒng)的總壓力損失等于所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即在液壓傳動中，管路一般都不長，而控制閥、彎頭、管接頭等的局部阻力則較大，沿程壓力損失比局部壓力損失小得多。因此，大多數(shù)情況下總的壓力損失只包括局部壓力損失和長管的沿程損失，只對這兩項進行討論計算。返回下一頁上一頁92單元四管路中液體的壓力損失減少壓力損失的措施管路系統(tǒng)中總的壓力損失等于所有沿段壓力損失與所有局部壓力損失之和。減少壓力損失，提高液壓系統(tǒng)性能主要有以下措施:1)縮短管道長度，減少管道彎曲，盡量避免管道截面的突然變化。2)減小管道內(nèi)壁表面粗糙度，使其盡可能光滑。3)選用的液壓油黏度應(yīng)適當(dāng)。4)管道應(yīng)有足夠大的通流面積，將液流的速度限制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。返回上一頁93單元五液體流經(jīng)小孔及縫隙的流量學(xué)習(xí)目標(biāo)了解液壓系統(tǒng)中小孔及縫隙的類型；

掌握薄壁小孔流量計算公式和結(jié)論及縫隙流量的結(jié)論。重點難點1薄壁小孔流量公式及特點;2流量通用方程及各項含義;3平行平板縫隙和偏心圓環(huán)縫隙流量公式之結(jié)論;4兩種現(xiàn)象危害及消除方法。94單元五液體流經(jīng)小孔及縫隙的流量概述：孔口和縫隙流量在液壓技術(shù)中占有很重要的地位，它涉及液壓元件的密封性，系統(tǒng)的容積效率，更為重要的是它是設(shè)計計算的基礎(chǔ)，因此：小孔雖?。ㄖ睆揭话阍?mm以內(nèi)），縫隙雖窄（寬度一般在0.1mm以下），但其作用卻不可等閑視之。95孔口形式按結(jié)構(gòu)不同（孔長度l與直徑d之比）薄壁小孔短孔（厚壁孔口）細(xì)長小孔孔口液流

利用孔口在流道中造成過流斷面的突然收縮，對液流產(chǎn)生節(jié)流或阻尼，用以控制液流的流量或壓力。單元五液體流經(jīng)小孔及縫隙的流量1/2<l/d

44<l/d96單元五液體流經(jīng)小孔及縫隙的流量1、液體流經(jīng)薄壁小孔和流經(jīng)短孔的流量計算

取1-1和2-2斷面，根據(jù)實際液體的伯努利方程式有：(1/2<l/d

4)97單元五液體流經(jīng)小孔及縫隙的流量因為管道截面積比小孔大得多，因此v1<<v2，則可得：式中Cv稱為速度系數(shù)。98

液體流經(jīng)小孔時，在孔口外面有斷面收縮現(xiàn)象。所以流經(jīng)小孔的流量為：式中：A——小孔通流截面積；

A0——液體流經(jīng)小孔時收縮的截面積；

Cc——截面收縮系數(shù)，Cc=A0/A；

Cd——流量系數(shù)，Cd=CcCv，流量系數(shù)Cd的值由實驗確定。液流完全收縮時取0.6～0.62，不完全收縮取0.7～0.8，流經(jīng)短孔取0.82；

Δp：小孔前后的壓力差。單元五液體流經(jīng)小孔及縫隙的流量992、液體流經(jīng)細(xì)長孔的流量計算計算公式：

液體流經(jīng)細(xì)長孔的特點：內(nèi)摩擦力起主導(dǎo)，多為層流；流量會隨粘度變化而變化。3、小孔流量的通用公式表達：單元五液體流經(jīng)小孔及縫隙的流量式中:C：由節(jié)流口形式，液體流態(tài)和性質(zhì)決定的系數(shù)；

A：孔口通流截面積；

p：孔口前后壓差；

m：由節(jié)流口形成決定的指數(shù)，其值在0.5~1.0之間，對薄壁小孔m=0.5，對細(xì)長小孔m=1.0。4<l/d100單元五液體在小孔和縫隙中的流動二、液體在縫隙中的流動液壓元件內(nèi)各零件間有相對運動，必須要有適當(dāng)間隙。間隙過大，會造成泄漏;間隙過小，會使零件卡死。如圖2-10所示的泄漏是由壓差和間隙造成的。研究液體流經(jīng)間隙的泄漏量、壓差與間隙量之間的關(guān)系，對提高元件性能及保證系統(tǒng)正常工作是必要的。間隙中的流動一般為層流，一種是壓差造成的流動稱壓差流動，另一種是相對運動造成的流動稱剪切流動，還有一種是在壓差與剪切同時作用下的流動。返回下一頁上一頁101單元五液體在小孔和縫隙中的流動1.平行平板間隙的液體流動平行平板間隙的液體流動見圖2-11。(1)壓差流動上、下兩平行平板無相對運動，兩平行板縫隙高為h，長度為l，寬度為b,b和l一般比h大的多，縫隙兩端壓差為Δp=p1-p2。液體在間隙兩端的壓差的作用下流動，稱為壓差流動。返回下一頁上一頁102單元五液體在小孔和縫隙中的流動(2)剪切流動當(dāng)一平板不動，另一平板以速度u0作相對運動時，由于油液存在黏度，緊貼相對運動的平板上的油液以u0速度運動，緊貼于不動平板上的油液保持靜止，中間液體的速度呈線性分布，液體作剪切流動，故其平均流速v=u0/2。(3)壓差和剪切流動壓差和剪切液體流動的泄漏量為（2-44）2.圓柱環(huán)形間隙的液體流動(1)同心環(huán)形間隙在壓差作用下的液體流動圖2-16所示為同心環(huán)形間隙的液體流動，當(dāng)h/r＜1時，可以將環(huán)形間隙間的液體流動近似地看作是平行平板間隙間的液體流動，返回下一頁上一頁103單元五液體在小孔和縫隙中的流動只要將b=πd代入式(2-44)，就可得到這種情況下的液體流動的泄漏流量，即

(2)偏心環(huán)形間隙的液體流動圖2-13表示了偏心環(huán)狀間隙的液流簡圖?？装霃綖镽，其圓心為O，軸半徑為r，其圓心為O1，偏心距e，設(shè)半徑在任一角度a時，兩圓柱表面間隙為h，其泄漏流量可用下式計算:由式(2-48)可以看出，當(dāng)e=0即為同心環(huán)狀間隙。當(dāng)e=1，即最大偏心e=h0時，其流量為同心時流量的2.5倍，這說明偏心對泄漏量的影響。所以對液壓元件的同心度應(yīng)有適當(dāng)要求。返回上一頁(2-46)(2-48)104單元六液壓沖擊及氣穴現(xiàn)象一、液壓沖擊1.液壓沖擊概念在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因?qū)е孪到y(tǒng)或局部壓力瞬急劇升高，形成很高的壓力峰值的現(xiàn)象。在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)極快地?fù)Q向或關(guān)閉液壓回路時，由于液體急速變換流向或停止運動，流動液體的慣性或運動部件的慣性，在系統(tǒng)內(nèi)會產(chǎn)生很大的液壓沖擊，其沖擊時的峰值壓力比正常工作壓力高出好幾倍。返回下一頁105單元六液壓沖擊及氣穴現(xiàn)象一、液壓沖擊2、產(chǎn)生液壓沖擊的原因

液體流速的急劇變化、高速運動工作部件的慣性力和某些液壓元件反應(yīng)動作不夠靈敏。106

產(chǎn)生液壓沖擊時，系統(tǒng)中的壓力瞬間就要比正常壓力大好幾倍，特別是在壓力高、流量大的情況下，極易引起系統(tǒng)的振動、噪音甚至導(dǎo)管或某些液壓元件的損壞，既影響系統(tǒng)的工作質(zhì)量又會