液壓與氣動(dòng)技術(shù) - 項(xiàng)目二

液壓與氣動(dòng)技術(shù)主編趙江濤王珊謝強(qiáng)流體力學(xué)入門(mén)知識(shí)

項(xiàng)目二目錄

CONTENTS01液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)02液體靜力學(xué)基礎(chǔ)03液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)04壓力與流量PARTONE液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)

一、液體的密度二、液體的可壓縮性

三、液體的黏性(一)黏性的定義

液體在流動(dòng)時(shí),分子間的內(nèi)聚力要阻止分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力,這種阻礙液體分子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)稱為液體的黏性。液壓油黏性對(duì)機(jī)械效率、壓損失、容積效率、漏油及泵的吸入性影響很大,是液壓油最重要的一個(gè)物理性質(zhì)。

如圖2-1所示為液體黏性示意圖。兩平行平板間充滿液體,下平板固定不動(dòng),上平板以速度u0向右移動(dòng)。由于液體的黏性,黏附于下平板的液層速度為0,黏附于上平板的液層速度為u0,因此中間各液層的速度則從下至上逐漸遞增。由圖示可知,各液層的速度呈線性變化。

圖2-1液體黏性示意圖(二)黏性的表示方法在式(2.3)中,比例常數(shù)μ被稱為動(dòng)力黏度或絕對(duì)黏度。它的法定計(jì)量單位為N·s/m2或Pa·s。由于其計(jì)量單位中恰好涉及到動(dòng)力學(xué)的三個(gè)量(力、時(shí)間和位移),因此可形象地稱之為“動(dòng)力”黏度。

1.動(dòng)力黏度2.運(yùn)動(dòng)黏度

3.相對(duì)黏度

液體黏性的大小用黏度來(lái)表示。常用的三種黏度表示形式為:動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度和相對(duì)黏度。在工程中,運(yùn)動(dòng)黏度最為常用。(三)溫度和壓力對(duì)黏性的影響

在液壓系統(tǒng)中,壓力增大時(shí),液壓油的黏度會(huì)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,壓力對(duì)黏度的影響可以忽略不計(jì)。

液壓油黏度對(duì)溫度的變化十分敏感,不可忽略。由如圖2-2所示的幾種國(guó)產(chǎn)液壓油(機(jī)油)的黏度-溫度關(guān)系曲線可見(jiàn),溫度升高,黏度快速下降。圖2-2幾種國(guó)產(chǎn)液壓油的黏度—溫度關(guān)系四、液壓油的品種和選用(一)液壓系統(tǒng)的工作壓力工作壓力較高的系統(tǒng)宜選用黏度較高的液壓油,以減少泄漏;反之便選用黏度較低的液壓油。例如,當(dāng)壓力p=7.0~20.0MPa時(shí),宜選用N46~N100的液壓油;當(dāng)壓力p<7.0MPa時(shí),宜選用N32~N68的液壓油。(二)運(yùn)動(dòng)速度在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí),為了減小系統(tǒng)的功率損失,宜選用黏度較低的液壓油。(三)液壓泵的類(lèi)型由于液壓系統(tǒng)對(duì)液壓泵的潤(rùn)滑要求苛刻,因此不同類(lèi)型的泵對(duì)油的黏度有不同的要求,如表2-1所示。液壓油使用一段時(shí)間后會(huì)受到污染,常使閥內(nèi)的閥芯卡死,并使油封加速磨耗及液壓缸內(nèi)壁磨損。液壓油經(jīng)長(zhǎng)期使用,油質(zhì)必會(huì)惡化,必須定期更換。PARTTWO液體靜力學(xué)基礎(chǔ)液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)

液體靜力學(xué)是研究液體處于相對(duì)平衡狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用。由于液體在相對(duì)平衡狀態(tài)下不呈現(xiàn)黏性,因此靜止液體內(nèi)不存在切向剪應(yīng)力,只有法向壓應(yīng)力,即靜壓力。一、液體靜壓力

壓力的法定單位是Pa(帕),即N/m2。由于Pa單位較小(1Pa=lN/m2),故常用它的倍數(shù)單位來(lái)表示壓力,即

1kPa=1×103Pa

1MPa=1×106Pa圖2-3靜止液體所受的作用力工程上有時(shí)還采用傳統(tǒng)的壓力單位,如bar(巴),1bar=0.1MPa≈1kg/cm2。基于“靜止液體”這個(gè)前提,液體靜壓力有如下兩個(gè)重要特性。(1)液體靜壓力垂直于作用面,其方向和該面的內(nèi)法線方向一致。(2)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)所受到的壓力在各個(gè)方向上都相等。如果某點(diǎn)在某個(gè)方向上受到的壓力不同于其他方向,那么液體就會(huì)流動(dòng),就不稱為“靜止液體”了。二、液體靜壓力基本方程

靜止液體內(nèi)部任意一點(diǎn)的靜壓力的分析如圖2-4所示。假設(shè)容器內(nèi)液面距地面z0,從液面向下取一微小液柱,其高度為h,即A點(diǎn)距液面高度為任意值h。設(shè)微小液柱底面積為ΔA,距地面高度為z,則該液柱除在側(cè)面受力平衡外,在垂直方向上,上表面受力為p0ΔA,下表面所受力為pΔA,液柱所受重力為ρghΔA(重力加速度g),小液柱在垂直方向受力平衡,即

pΔA=p0ΔA+ρghΔA簡(jiǎn)化得p=p0+ρgh(2.7)該式稱為液體靜力學(xué)基本方程。液體靜力學(xué)方程表明了靜止液體中的壓力分布規(guī)律,即(1)靜止液體中任何一點(diǎn)的靜壓力為作用在液面的壓力p0和液體重力所產(chǎn)生的壓力之和。(2)液體中的靜壓力隨著深度h的增加而線性增加。(3)在連通器里,同一種靜止液體中只要深度h相同,其壓力就相等,稱之為等壓面。圖2-4距液面h深處的靜壓力

利用等壓面計(jì)算靜力學(xué)問(wèn)題是常用的方法。在選取等壓面時(shí)必須滿足等壓面的適用條件,即等壓面只能選在靜止的、連續(xù)的同一種液體中。有不同液體時(shí)經(jīng)常選在不同液體的分界面處。如圖2-5所示的連通器中裝有兩種不同液體,A—A面和B—B面是等壓面;C—C面不是同種液體,所以不是等壓面;而D—D面雖然是同種液體,但不連續(xù),所以也不是等壓面。圖2-5等壓面示意圖

圖2-6靜止液體內(nèi)的壓力三、絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)測(cè)量的壓力叫作絕對(duì)壓力;以大氣壓力為基準(zhǔn)測(cè)量的壓力叫作相對(duì)壓力,即絕對(duì)壓力=相對(duì)壓力+大氣壓力當(dāng)某點(diǎn)處的絕對(duì)壓力小于大氣壓時(shí),用壓力表則無(wú)法測(cè)量,需要用真空計(jì)來(lái)測(cè)定,因此,低于大氣壓的相對(duì)壓力稱為真空度,即表壓力(相對(duì)壓力之一)=絕對(duì)壓力-大氣壓力真空度(相對(duì)壓力之二)=大氣壓力-絕對(duì)壓力如圖2-7所示明確了絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力、相對(duì)壓力中的表壓力與真空度之間的關(guān)系。圖2-7絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力(表壓力、真空度)之間的關(guān)系例2-2如圖2-8所示,U型管測(cè)壓計(jì)內(nèi)裝有汞,左端與裝有水的容器相連,右端與大氣相通。汞的密度為13.6×103kg/m3。(1)如圖2-8(a)所示,已知h=20cm,h1=30cm,試計(jì)算A點(diǎn)的相對(duì)壓力和絕對(duì)壓力。(2)如圖2-8(b)所示,已知h1=15cm,h2=30cm,試計(jì)算A點(diǎn)的真空度和絕對(duì)壓力。解(1)取B—B'面為等壓面,則U型管測(cè)壓計(jì)右端ρB'=ρ汞g(h+h1)U型管測(cè)壓計(jì)左端pB=pA+ρ水gh1由于pB'=pB所以ρ汞g(h+h1)=pA+ρ水gh1,則pA=ρ汞gh+gh1(ρ泵-ρ水)=13.6×103×9.81×0.20+9.81×0.30(13.6×103-103)=63765Pa≈0.064MPa以上所求為相對(duì)壓力,大氣壓力pa=101325Pa,則A點(diǎn)的絕對(duì)壓力pA=0.101+0.064=0.165MPa(2)取C—C′面為等壓面,壓力pC′等于大氣壓力pa,故pC=pC′=pa,得pC=pA+ρ水gh1+ρ汞gh2所以pA=pC-(ρ水gh1+ρ汞gh2)=101325-1×103×9.81×0.15-13.6×103×9.81×0.3=59828Pa≈0.060MPa以上所求為絕對(duì)壓力,A點(diǎn)的真空度為pa-pA=101325-59828=41497Pa≈0.041MPa圖2-8U型管測(cè)壓計(jì)四、帕斯卡原理圖2-9帕斯卡原理圖

PARTTHREE液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)一、液體動(dòng)力學(xué)的基本概念

(一)理想液體和穩(wěn)定流動(dòng)

既無(wú)黏性又不可壓縮的液體,稱為理想液體。

液體在流動(dòng)時(shí),若液體中任意一點(diǎn)處的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間變化,這種流動(dòng)稱為穩(wěn)定流動(dòng)。

穩(wěn)定流動(dòng)也是一種理想的流動(dòng)狀態(tài)。只要壓力、速度和密度有一個(gè)隨時(shí)間變化,

這種流動(dòng)稱為非穩(wěn)定流動(dòng)。如圖2-10(a)所示,水箱中的水位不斷得到補(bǔ)充,水位不變,孔口出流為穩(wěn)定流動(dòng);如圖2-10(b)所示,水箱中的水位沒(méi)有得到補(bǔ)充,隨流動(dòng)水位下降,孔口出流為非穩(wěn)定流動(dòng)。(a)穩(wěn)定流動(dòng);(b)非穩(wěn)定流動(dòng)圖2-10穩(wěn)定流動(dòng)與非穩(wěn)定流動(dòng)示意圖

(二)流線、流束

流線是某一時(shí)刻液流中各質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所呈現(xiàn)出的光滑分布曲線。由于一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在每一瞬時(shí)只能有一個(gè)速度,因此流線是一條條光滑的曲線,既不能相交,也不能轉(zhuǎn)折,如圖2-11所示?；谀辰孛鍭上的所有點(diǎn)畫(huà)出流線,這一組流線就構(gòu)成流束,如圖2-12所示。當(dāng)流束面積很小時(shí),稱之為微小流束,并認(rèn)為微小流束截面上各點(diǎn)處的速度相等。

圖2-11流線示意圖

圖2-12流束示意圖

圖2-13流量與平均流速

(四)流態(tài)和雷諾數(shù)

科學(xué)家通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)觀察和分析發(fā)現(xiàn),液體的流動(dòng)具有層流和紊流兩種基本流態(tài)。

觀察液體流態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2-14所示,水箱4由進(jìn)水管2不斷供水,多余的水

由隔板1上部流出,使玻璃管6中保持穩(wěn)定流動(dòng)。在水箱下部裝有玻璃管6、開(kāi)關(guān)7,在玻璃管進(jìn)口處放置小導(dǎo)管5,小導(dǎo)管與裝有同密度彩色水的水箱3相連。

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將開(kāi)關(guān)7打開(kāi),然后打開(kāi)顏色水導(dǎo)管的開(kāi)關(guān),并用開(kāi)關(guān)7來(lái)調(diào)節(jié)玻璃管6中水的流速。當(dāng)流速較低時(shí),顏色水的流動(dòng)是一條與管軸平行的清晰的線狀流,和大玻璃管中的清水互不混雜[如圖2-14(a)所示],這說(shuō)明管中的水流是分層的,這種流動(dòng)狀態(tài)叫層流。逐漸開(kāi)大開(kāi)關(guān)7,當(dāng)玻璃管中的流速增大至某一值時(shí),顏色水流便開(kāi)始抖動(dòng)而呈波紋狀態(tài)[如圖2-14(b)所示],這表明層流開(kāi)始被破壞并進(jìn)入臨界狀態(tài)。再進(jìn)一步增大水的流速,顏色水流便和清水完全摻混在一起[如圖2-14(c)所示],這種流動(dòng)狀態(tài)叫紊流。

如果將開(kāi)關(guān)7逐漸關(guān)小,那么玻璃管中的流動(dòng)狀態(tài)便又從紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)變。1—隔板;2—進(jìn)水管;3,4—水箱;5—小導(dǎo)管;6—玻璃管;7—開(kāi)關(guān)圖2-14液體流態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1—隔板;2—進(jìn)水管;3,4—水箱;5—小導(dǎo)管;6—玻璃管;7—開(kāi)關(guān)圖2-14液體流態(tài)雷諾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖二、連續(xù)性方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律,在相同時(shí)間內(nèi),液體穩(wěn)定流動(dòng),通過(guò)管內(nèi)任一截面的液體質(zhì)量必然相等。如圖2-15所示,管內(nèi)兩個(gè)流通截面面積分別為A1和A2,流速分別為v1和v2,則通過(guò)任一截面的流量q為

q=Av=A1v1=A2v2=常數(shù)(2.13)圖2-15連續(xù)流動(dòng)時(shí)各截面流量相等連續(xù)性方程應(yīng)用的前提是“液體流動(dòng)連續(xù)不斷”。

圖2-16相互連通的兩個(gè)液壓缸三、伯努利定理(一)理想液體的伯努利方程

圖2-17伯努利方程簡(jiǎn)圖(二)實(shí)際液體的伯努利方程

實(shí)際液體在流動(dòng)時(shí)是具有黏性的,由此產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力將造成總水頭(三種水頭之和)的損失,使液體的總水頭沿流向逐漸減小,而不再是一個(gè)常數(shù)。而且,在用平均流速代替實(shí)際流速進(jìn)行動(dòng)能計(jì)算時(shí),必然會(huì)產(chǎn)生誤差。為了修正這個(gè)誤差,可引入動(dòng)能修正系數(shù)α。一般層流時(shí)取α≈2,紊流時(shí)取α≈1,理想時(shí)α=1,則修正后的實(shí)際液體的伯努利方程為式中hw———能量損失,也稱為損失水頭。

例2-4如圖2-18所示,計(jì)算液壓泵吸油口處的真空度。

解在利用伯努利方程時(shí),必須選取兩個(gè)截面,而且盡量選取“特殊截面”,如壓力等于0(或大氣壓力)的截面、位置高度等于0的截面或速度約等于0的截面等,以簡(jiǎn)化求解的過(guò)程。設(shè)此泵的吸油口高M(jìn)處取油箱液面Ⅰ—Ⅰ和泵進(jìn)口處截面Ⅱ—Ⅱ列出伯努利方程,并以Ⅰ—Ⅰ截面為基準(zhǔn)水平面,則有

由上式可以看出,組成泵吸油口處的真空度的三部分都是正值,這樣泵的進(jìn)口處的壓力必然小于大氣壓。PARTFOUR壓力與流量PPT模板/moban/

一、液壓管路的壓力損失

液壓管道中流動(dòng)液體的壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失。(一)沿程壓力損失

沿程壓力損失是指當(dāng)液體在直徑不變的長(zhǎng)直管中流過(guò)一段距離時(shí),因內(nèi)摩擦力而產(chǎn)生的壓力損失。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析表明,沿程壓力損失與液體黏度μ管道直徑d、管路長(zhǎng)度l、流量q或平均流速v等有關(guān),計(jì)算公式為

處于層流狀態(tài)時(shí),式中λ=64Re為沿程阻力損失系數(shù)。由此對(duì)沿程壓力損失的一般定性理解是:管路越長(zhǎng),壓力損失越大;管道越粗,壓力損失越小;流速越大,壓力損失越大;黏度越大,一、液壓管路的壓力損失

液壓管道中流動(dòng)液體的壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失。(二)局部壓力損失

局部壓力損失是指液流流經(jīng)截面突然變化的管道、彎管、管接頭及控制閥閥口等局部障礙時(shí),形成渦流從而引起的壓力損失。局部壓力損失的計(jì)算公式為式中ξ———局部阻力系數(shù)。一、液壓管路的壓力損失

液壓管道中流動(dòng)液體的壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失。(三)總壓力損失

整個(gè)管路系統(tǒng)的