《汽車液壓與氣壓傳動(dòng)（第4版）》 課件 第二章：液壓傳動(dòng)的流體力學(xué)基礎(chǔ)

第二章：液壓傳動(dòng)的流體力學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失第四節(jié)：液體流經(jīng)小孔和縫隙的

流量第五節(jié)：液壓沖擊和空穴現(xiàn)象教學(xué)目標(biāo)本章習(xí)題返回目錄教學(xué)要點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)掌握汽車液壓傳動(dòng)中流體靜力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)的基本知識(shí)。重點(diǎn)掌握連續(xù)性方程、伯努利方程和動(dòng)量方程及其應(yīng)用。掌握液體在流動(dòng)時(shí)的壓力損失和流經(jīng)小孔、縫隙時(shí)的流量特性。了解液壓沖擊及氣穴現(xiàn)象。為以后學(xué)習(xí)、分析、使用及設(shè)計(jì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)打下必要的理論基礎(chǔ)。返回本章教學(xué)要點(diǎn)知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)

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掌握液體靜壓力的概念及特性,理解壓力傳遞的原理及等壓面的概念;熟練使用液體靜力學(xué)方程解決問題,掌握液體對固體壁面上作用力的計(jì)算

壓力的表示方法及其單位換算,絕對壓力和相對壓力的概念流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)理解流體動(dòng)力學(xué)的基本概念,掌握流動(dòng)液體的連續(xù)性方程、伯努利方程和動(dòng)量方程,并能熟練應(yīng)用液體靜力學(xué)知識(shí);液體的流動(dòng)狀態(tài),流量和平均流速的概念;液體流動(dòng)時(shí)的物質(zhì)不滅定律、能量守恒定律和動(dòng)量定理;微積分等數(shù)學(xué)知識(shí)液體在管道、小孔及縫隙中的壓力-流量特性;流體壓力損失及應(yīng)用分析;影響泄漏的因素液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失與小孔和縫隙流量理解兩種流態(tài)和雷諾數(shù)的概念;會(huì)應(yīng)用連續(xù)性方程、伯努利方程和動(dòng)量方程分析流體在管道和小孔、縫隙中的壓力損失及壓力-流量特性

液壓沖擊和空穴理解液壓沖擊和空穴產(chǎn)生的原因及危害,掌握減小危害的方法液壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)

液體靜力學(xué)主要討論的是液體在靜止時(shí)的平衡規(guī)律以及這些規(guī)律在工程上的應(yīng)用。這里所說的靜止，是指液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間沒有相對運(yùn)動(dòng)，至于盛裝液體的容器，不論它是靜止的或是運(yùn)動(dòng)的，都沒有關(guān)系。一、液體的壓力；二、重力作用下靜止液體中的壓力分布；三、壓力的表示方法和計(jì)量單位；四、靜止液體內(nèi)壓力的傳遞；五、液體靜壓力作用在固體壁面上的力；返回本章第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)一、液體的壓力

液體單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。這一定義在物理學(xué)中稱為壓強(qiáng)，但在液壓傳動(dòng)中習(xí)慣稱為壓力。靜止液體的壓力有如下特性：

(1)液體的壓力沿著內(nèi)法線方向作用于承壓面。

(2)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力在各個(gè)方向上都相等。第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)二、重力作用下靜止液體中的壓力分布

靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)處的壓力都由兩部分組成：一部分是液面上的壓力，另一部分是該點(diǎn)以上液體自重所形成的壓力。第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)三、壓力的表示方法和計(jì)量單位1.絕對壓力：壓力值以絕對真空基準(zhǔn)來度量的。2.相對壓力：壓力值以大氣壓力為基準(zhǔn)來度量的。又稱表壓力。3.真空度：絕對壓力小于大氣壓力，差值為真空度。第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)三、壓力的表示方法和計(jì)量單位例2-1如圖2-3所示,容器內(nèi)充滿油液。已知油液密度ρ=900kg/m3,活塞上的作用力F=10kN,活塞的面積A=1×10-2m2

。假設(shè)活塞的重量忽略不計(jì),試求活塞下方深度為h=0.5m處的壓力。第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)四、靜止液體內(nèi)壓力的傳遞

在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值傳遞到液體內(nèi)各點(diǎn)。這就是靜壓力傳遞原理，或稱帕斯卡原理。

第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)四、靜止液體內(nèi)壓力的傳遞

第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)五、液體靜壓力作用在固體壁面上的力

液體和固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面將受到總液壓力的作用。第一節(jié)：流體靜力學(xué)基礎(chǔ)五、液體靜壓力作用在固體壁面上的力返回本節(jié)第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

本節(jié)主要討論液體的流動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換等問題，具體地說主要有連續(xù)性方程、伯努利方程和動(dòng)量方程三個(gè)基本方程。這些都是液體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)及液壓傳動(dòng)中分析問題和設(shè)計(jì)計(jì)算的理論依據(jù)。一、基本概念：二、連續(xù)性方程：三、伯努利方程：四、動(dòng)量方程：返回本章第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.理想液體、恒定流動(dòng)、一維流動(dòng)理想液體：既無黏性又不可壓縮的假想液體。恒定流動(dòng)：液體流動(dòng)時(shí)，任一點(diǎn)處的壓力、速度和密度等參數(shù)都不隨時(shí)間而變化，為恒定流動(dòng)。一維流動(dòng)：液體做線性流動(dòng)。二維流動(dòng)：液體做平面流動(dòng)。第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.流線、流管和流束流線：流場中的一條條曲線,它表示在同一瞬時(shí)流場中各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。流線：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(diǎn)作流線,由這些流線組成的表面為流管。流束：流管內(nèi)的流線群稱為流束。第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)3.通流截面、流量和平均流速通流截面：流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面。流量：單位時(shí)間內(nèi)流過某通流截面的液體體積稱為體積流量。第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)二、連續(xù)性方程

在管中作穩(wěn)定流動(dòng)的理想液體，既不能增多也不能減少，即符合物質(zhì)不滅定律。因此在單位時(shí)間內(nèi)通過任意截面的液體質(zhì)量一定是相等的，此即液體的連續(xù)性原理。第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)二、連續(xù)性方程第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.理想液體的能量方程

理想液體能量方程的物理意義是：理想液體作恒定流動(dòng)時(shí)具有壓力能、位能和動(dòng)能三種能量形式，在任一截面上這三種能量形式之間可以相互轉(zhuǎn)換，但三者之和為一定值，即能量守恒。三、伯努利方程比壓能

比位能

比動(dòng)能

第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.實(shí)際液體的能量方程

實(shí)際液體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于液體存在粘性，會(huì)產(chǎn)生摩擦力，消耗能量；同時(shí)，管道局部形狀和尺寸的變化，會(huì)使液流產(chǎn)生擾動(dòng)，也消耗一部分能量。同時(shí)，引入速度分布不均勻修正系數(shù)，實(shí)際液體流動(dòng)的伯努利方程為第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.實(shí)際液體的能量方程第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)四、動(dòng)量方程

動(dòng)量方程是動(dòng)量定理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用。用動(dòng)量方程來計(jì)算液流作用在固體壁面上的力，比較方便。動(dòng)量定理指出：作用在物體上的合外力的大小等于物體在力作用方向上的動(dòng)量的變化率，即第二節(jié)：流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)四、動(dòng)量方程返回本節(jié)第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

實(shí)際液體具有粘性，流動(dòng)時(shí)會(huì)有阻力產(chǎn)生。為了克服阻力，流動(dòng)液體需要損耗一部分能量，通常稱為壓力損失。壓力損失可分為兩類：沿程壓力損失和局部壓力損失。一、兩種流態(tài)和雷諾數(shù)：二、沿程壓力損失：三、局部壓力損失：四、管路中的總壓力損失：返回本章第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失一、兩種流態(tài)和雷諾數(shù)

液體的流動(dòng)有兩種狀態(tài)，即層流和湍流（又稱紊流）這兩種流動(dòng)狀態(tài)的物理現(xiàn)象可以通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察出來，這就是雷諾實(shí)驗(yàn)。第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失一、兩種流態(tài)和雷諾數(shù)

湍流

層流第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失

雷諾數(shù)的物理意義

雷諾數(shù)是液流的慣性力對粘性力的無量綱比值，當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，液體的慣性力起主導(dǎo)作用，液體處于湍流狀態(tài)；當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，粘性力起主導(dǎo)作用，液體處于層流狀態(tài)。非圓管截面管道雷諾數(shù)：水力直徑：第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失二、沿程壓力損失

液體在等徑直管中流動(dòng)時(shí)因粘性摩擦而產(chǎn)生的壓力損失，稱為沿程壓力損失。液體的流動(dòng)狀態(tài)不同，所產(chǎn)生的沿程壓力損失也有所不同。

第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失二、沿程壓力損失1、層流的沿程阻力損失第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失二、沿程壓力損失2、湍流的沿程阻力損失第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失三、局部壓力損失

液體流經(jīng)管道的彎頭、管接頭、突變截面以及閥口、濾網(wǎng)等局部裝置時(shí)，液流會(huì)產(chǎn)生旋渦，并發(fā)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)現(xiàn)象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力失。局部阻力系數(shù)可查有關(guān)手冊。第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失三、局部壓力損失第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失三、局部壓力損失流過閥類的局部壓力損失。第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失三、局部壓力損失我國各種閥在額定流量時(shí)的局部壓力損失。第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失四、管路中的總壓力損失

整個(gè)管路系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和即具體系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對上式進(jìn)行調(diào)整。第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失四、管路中的總壓力損失第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失四、管路中的總壓力損失第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失四、管路中的總壓力損失第三節(jié)：液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失四、管路中的總壓力損失分析：各項(xiàng)壓力損失的大小，得出：此值很小

此值很小

返回本節(jié)第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量第四節(jié)液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量

在液壓系統(tǒng)中，常常利用液體流經(jīng)閥的小孔或縫隙來控制流量和壓力達(dá)到調(diào)速和調(diào)壓的目的。液壓元件的泄漏也屬于縫隙流動(dòng)。因而研究小孔或縫隙的流量計(jì)算，了解其影響因素，對正確分析液壓元件和系統(tǒng)的工作性能、合理設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)是很有必要的。

一、液體流過小孔的流量：二、液體流過縫隙的流量：返回本章第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量1.薄壁小孔的流量計(jì)算當(dāng)小孔的長徑比l/d<0.5時(shí)，稱為薄壁孔。第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量2.流經(jīng)短孔、細(xì)長孔的流量計(jì)算當(dāng)0.5<l/d<4時(shí)，為短孔當(dāng)l/d>4時(shí)，為細(xì)長孔

q=KATΔPm

第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量二、液體流過縫隙的流量

在液壓裝置的各零件之間，特別是有相對運(yùn)動(dòng)的各零件之間，一般都存在縫隙（或稱間隙）。油液流過縫隙就會(huì)產(chǎn)生泄漏，這就是縫隙流量。由于縫隙通道狹窄，液流受壁面的影響較大，故縫隙液流的流態(tài)均為層流?？p隙流動(dòng)有兩種狀況：一種是由縫隙兩端的壓力差造成的流動(dòng)，稱為壓差流動(dòng)；另一種是形成縫隙的兩壁面作相對運(yùn)動(dòng)所造成的流動(dòng)，稱剪切流動(dòng)。這兩種流動(dòng)經(jīng)常會(huì)同時(shí)存在。第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量（一）液體流過平行平板縫隙的流量液體流經(jīng)平板縫隙流速計(jì)算的通式為：在計(jì)算液體流過平行平板縫隙的流量時(shí),平板縫隙可以由固定的兩平行平板所形成,也可由相對運(yùn)動(dòng)的兩平行平板所形成。第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量1.液體流過固定平行平板縫隙的流量

由壓差引起的流動(dòng)p1>p2，Δp=p1－p2

，將邊界條件，y=0,u=0；y=h,u=0,分別代入通式求出常數(shù)C1、C2得流量和壓力損失的計(jì)算公式：第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量2.液體流過相對運(yùn)動(dòng)的平行平板縫隙的流量(1)剪切流動(dòng)：(2)既有壓差流動(dòng)，又有剪切流動(dòng)：第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量（二）液體流過圓環(huán)縫隙的流量

在液壓元件中，如液壓缸的活塞和缸孔之間，液壓閥的閥芯和閥孔之間，都存在圓環(huán)縫隙。圓環(huán)縫隙有同心和偏心的兩種情況，它們的流量公式不同。1.流過同心圓環(huán)縫隙的流第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量2.流過偏心圓環(huán)縫隙的流量

當(dāng)e=0時(shí)，它就是同心圓環(huán)縫隙的流量公式；當(dāng)e=1時(shí)，即在最大偏心情況下，其壓差流流量為同心圓環(huán)縫隙壓差流量的2.5倍。第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量3.圓環(huán)平面縫隙流量第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量例題第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量例題第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量例題第四節(jié)：流體經(jīng)小孔和縫隙的流量例題返回本節(jié)第五節(jié)：液壓沖擊和空穴現(xiàn)象第五節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象

在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，液壓沖擊和空穴現(xiàn)象會(huì)給系統(tǒng)的正常工作帶來不利影響，因此需要了解這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并采取措施加以防治。返回本章第五節(jié)：液壓沖擊和空穴現(xiàn)象一、液壓沖擊

在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因，系統(tǒng)的壓力在某一瞬間會(huì)突然急劇上升，形成很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。第五節(jié)：液壓沖擊和空穴現(xiàn)象1.危害

當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生液壓沖擊時(shí)，瞬時(shí)的壓力峰值有時(shí)要比正常工作壓力大很多倍。這往往會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，使管接頭松動(dòng)；有時(shí)還會(huì)引起某些液壓元件的誤動(dòng)作，降低系統(tǒng)的工作性能。嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成油管、密封裝置及液壓元件的損壞；產(chǎn)生空穴、氣蝕現(xiàn)象。第五節(jié)：液壓沖擊和空穴現(xiàn)象2.沖擊壓力假設(shè)系統(tǒng)的正常工作壓力為p,產(chǎn)生液壓沖擊時(shí)的最大壓力,即壓力沖擊波第一波的峰值壓力為(1)管道閥口關(guān)閉時(shí)的液壓沖擊第五節(jié)：液壓沖擊和空穴現(xiàn)象2.沖擊壓力(2)運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)的液壓沖擊式中因忽略了阻尼和泄漏等因素,計(jì)算結(jié)果偏大,但比較安全。

第五節(jié)：液壓沖擊和空穴現(xiàn)象3.減小液壓沖擊的措施

主要措施有：（1）延長換向閥換向時(shí)間。實(shí)踐證明，運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)換向時(shí)間若能大于0.2s,沖擊就大為減輕。（2）在液壓元件結(jié)構(gòu)上采取一些措施，如在液壓缸中設(shè)置節(jié)流緩沖裝置，以減小流速的突然變化。（3）在易產(chǎn)生液壓沖擊的地方，設(shè)置溢流閥或蓄能器。（4）盡量縮短管路長度，減少管路彎曲，采用橡膠軟管。第五節(jié)：液壓沖擊和空穴現(xiàn)象二、空穴現(xiàn)象

在液壓系統(tǒng)中，如果某處的壓力低于空氣分離壓時(shí)，原先溶解在液體中的空氣就會(huì)分離出來，導(dǎo)致液體中出現(xiàn)大量氣泡的現(xiàn)象，稱