液壓與氣動(dòng)基礎(chǔ)知識.ppt

1、第二章 液壓與氣壓傳動(dòng)的基礎(chǔ)知識,靜止液體的力學(xué)規(guī)律 流動(dòng)液體的力學(xué)規(guī)律 管路系統(tǒng)流動(dòng)分析 液壓系統(tǒng)的氣穴與液壓沖擊現(xiàn)象,2.1 靜止液體的力學(xué)規(guī)律,液體的靜壓力 靜壓力基本方程 靜壓力基本方程的物理意義 壓力的計(jì)量單位 壓力的傳遞 液體靜壓力對固體壁面的作用力,2.1.1 液體的靜壓力,靜壓力: 是指液體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),其單位面積上所受的法向作用力 若包含液體某點(diǎn)的微小面積A上所作用的法向力為F，則該點(diǎn)的靜壓力p定義為： 若法向力F均勻地作用在面積A上，則壓力可表示為:,2.1.1 液體的靜壓力,靜壓力的特性: 液體的靜壓力的方向總是沿著作用面的內(nèi)法線方向 靜止液體中任何一點(diǎn)所受到各個(gè)方向的

2、壓力都相等,2.1.2 液體靜壓力的基本方程,液體靜壓力基本方程:反映了在重力作用下靜止液體中的壓力分布規(guī)律 p=po+gh p是靜止液體中深度為h處的任意點(diǎn)上的 壓力,p0 為液面上的壓力，若液面為與 大氣接觸的表面，則p0等于大氣壓p。 同一容器同一液體中的靜壓力隨著深度 h的增加線性地增加 同一液體中深度h相同的各點(diǎn)壓力都相等. 在重力作用下靜止液體中的等壓面是深度（與液面的距離）相同的水平面,圖21重心作用下的靜止液體,2.1.3 靜壓力基本方程物理意義,p=p0+g(z0 - z) + z= + z0=C Z:單位重量液體的位能,稱位置水頭 :單位重量液體的壓力能,稱壓力水頭 物理意

3、義:靜止液體具有兩種能量形式，即壓力能與位能。這兩種能量形式可以相互轉(zhuǎn)換，但其總和對液體中的每一點(diǎn)都保持不變?yōu)楹阒?，因此靜壓力基本方程從本質(zhì)上反映了靜止液體中的能量守恒關(guān)系.,2.1.4 壓力的計(jì)量單位,法定單位 :牛頓/米2(N/m2)即帕（Pa） 1 MPa=106Pa 單位換算: 1工程大氣壓（at）=1公斤力/厘米2（kgf/m2）105帕=0.1 MPa 1米水柱（mH20）=9.8103Pa 1毫米汞柱（mmHg）=1.33102Pa,2.1.4 壓力的計(jì)量單位,相對壓力（表壓力）: 以大氣壓力為基準(zhǔn)，測量所得的壓力 是高于大氣壓的部分 絕對壓力: 以絕對零壓為基準(zhǔn)測得的壓力 絕對

4、壓力=相對壓力 + 大氣壓力 真空度:如果液體中某點(diǎn)的絕對壓力小于大氣壓力，則稱該點(diǎn)出現(xiàn)真空。此時(shí)相對壓力為負(fù)值，常將這一負(fù)相對壓力的絕對值稱為該點(diǎn)的真空度 真空度=|負(fù)的相對壓力|=|絕對壓力 - 大氣壓力|,圖22 絕對壓力、相對壓力和真空度,2.1.5 壓力的傳遞,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(diǎn)的壓力均將發(fā)生同樣大小的變化 液壓傳動(dòng)是依據(jù)帕斯卡原理 實(shí)現(xiàn)力的傳遞、放大和方向 變換的 液壓系統(tǒng)的壓力完全決定于 外負(fù)載,圖2-4帕斯卡原理應(yīng)用,2.1.6 液體靜壓力對固體壁面的作用力,當(dāng)承受壓力

5、的固體壁面為平面時(shí):則作用在其上的總作用力等于壓力與該壁面面積之積 如果承受壓力的固體壁面是曲面時(shí):曲面上總作用力在某一方向上的分力等于曲面在與該方向垂直平面內(nèi)的投影面積與靜壓力的乘積。若已知曲面上總作用力在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的分量分別為Fx、 Fy和Fz時(shí)，總作用力的大小為：,2.2 流動(dòng)液體的力學(xué)規(guī)律,基本概念 連續(xù)性方程 伯努利方程,2.2.1 基本概念,理想液體: 既不可壓縮又無粘性的液體 理想氣體: 可壓縮但沒有粘性的氣體 一維定常流動(dòng): 即流場中速度與壓力只是空間點(diǎn)的位置的函數(shù)而與時(shí)間無關(guān)，則稱流場中的流動(dòng)為定常流動(dòng)。在定常流動(dòng)條件下，如果通過適當(dāng)選擇坐標(biāo)（包括曲線坐標(biāo)）后，使流速與壓

6、力只是一個(gè)坐標(biāo)的函數(shù)，則稱這樣的流動(dòng)為一維定常流動(dòng),2.2.1 基本概念,通流截面:在流場中作一面。若該面與通過面上的每一條流線都垂直，則稱該面為通流截面 流量:單位時(shí)間內(nèi)流過某通流截面的流體體積 法定單位: 米3/秒(m3/s) 工程中常用升/分（L/min） 通流截面上的平均流速:,圖27 流線、流束與通流截面,2.2.1 基本概念,流動(dòng)液體中的壓力和能量: 由于存在運(yùn)動(dòng)，所以理想流體流動(dòng)時(shí)除了具有壓力能與位能外，還具有動(dòng)能。即流動(dòng)理想流體具有壓力能，位能和動(dòng)能三種能量形式 單位重量的壓力能: 單位重量的位能: Z 單位重量的動(dòng)能:,2.2.2 連續(xù)性方程:質(zhì)量守恒定律在流動(dòng)液體情況下的具

7、體應(yīng)用,q=A=常數(shù) 不可壓縮流體作定常流動(dòng)時(shí)，通過流束（或管道）的任一通流截面的流量相等 通過通流截面的流速則與通流截面的面積成反比,2.2.3 伯努利方程(能量方程):能量守恒定律在流動(dòng)液體中的表達(dá)形式,理想液體的伯努利方程 實(shí)際液體的伯努利方程 伯努利方程應(yīng)用實(shí)例,理想液體的伯努利方程,圖2-8 伯努利方程推導(dǎo)簡圖,理想液體定常流動(dòng)時(shí)，液體的任一 通流截面上的總比能（單位重量液 體的總能量）保持為定值。 總比能由比壓能（）、比位能（Z）和比動(dòng)能（）組成，可以相互轉(zhuǎn)化。 由于方程中的每一項(xiàng)均以長度為量綱，所以亦分別稱為壓力水頭，位置水頭和速度水頭 靜壓力基本方程是伯努利方程的特例,實(shí)際液體

8、的伯努利方程,:動(dòng)能修正系數(shù),為截面上單位時(shí)間內(nèi)流過液體所具有的實(shí)際動(dòng)能，與按截面上平均流速計(jì)算的動(dòng)能之比（層流時(shí)=2，紊流時(shí)=1） :單位重量液體所消耗的能量,伯努利方程應(yīng)用實(shí)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卻不能 太大. 實(shí)踐中一般要求液壓泵的 吸油口的高度h不超過0.5米.,圖2-10 液壓泵從油箱吸油,2.3 管路系統(tǒng)流動(dòng)分析,兩種流動(dòng)狀態(tài) 定常管流的壓力損失 通過小孔的流動(dòng) 通過間隙的流動(dòng),2.3.1 兩種流動(dòng)狀態(tài),層流 紊流 雷諾數(shù):液體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài)決定于由管道中流體的平均流速、管道直徑d和液體運(yùn)動(dòng)粘度這三個(gè)參數(shù)所組成

9、的無量綱數(shù)的大小: 流動(dòng)液體的雷諾數(shù)低于臨界雷諾數(shù)(由紊流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為層流，反之液流的狀態(tài)為紊流 雷諾數(shù)的物理意義:流動(dòng)液體的慣性力與粘性力之比,2.3.2 定常管流的壓力損失,層流時(shí)管截面上的速度分布,圖2-14 圓管中的層流,2.3.2 定常管流的壓力損失,流量 式中 d:管道內(nèi)徑（m）； l:管道長度（m）； :流體的動(dòng)力粘度（NS/m2）； =p1-p2:管道兩端的壓力差（N/m2）；,2.3.2 定常管流的壓力損失,沿程壓力損失 : 這種沿等直徑管流動(dòng)時(shí)的壓力損失 :沿程壓力損失系數(shù),其理論值為 . 當(dāng)流動(dòng)液體為液壓油時(shí)，,2.3.2 定常管流的壓力損失,局部壓力損失p

10、 : 在流經(jīng)閥口、管道截面變化、彎曲等處時(shí)，由于流動(dòng)方向和速度變化及復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象(旋渦，二次流等)而造成局部能量損失 稱為局部壓力損失系數(shù),2.3.2 定常管流的壓力損失,管路系統(tǒng)的壓力損失和壓力效率 :整個(gè)管路系統(tǒng)的總壓力損失是系統(tǒng)中所有直管的沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和 使用條件:管路系統(tǒng)中兩相鄰局部壓力損失之間距離足夠大（相連管徑的10-20倍） 系統(tǒng)動(dòng)力元件所供的工作壓力: 管路系統(tǒng)的壓力效率,2.3.3 通過小孔的流動(dòng),在液壓與氣壓傳動(dòng)中常用通過改變閥口通流截面積或通過通流通道的長短來控制流量的節(jié)流裝置來實(shí)現(xiàn)流量控制。這種節(jié)流裝置的通流截面一般為不同形式的小孔。 通過薄壁小孔

11、(孔的通流長度l與孔徑d之比l/d0.5 )的流動(dòng) 通過細(xì)長小孔(小孔的長徑比l/d4)的流動(dòng),通過薄壁小孔的流動(dòng),稱為小孔流量系數(shù) 通過薄壁小孔的流量與液體粘度無關(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,圖2-15 液體在薄壁小孔中的流動(dòng),通過細(xì)長小孔的流動(dòng),是細(xì)長小孔的通流截面積 液體流經(jīng)細(xì)長小孔的流量將隨液體溫度的變化而變化。 但細(xì)長小孔的流量與孔前后的壓差關(guān)系是線性的,2.3.3 通過小孔的流動(dòng),統(tǒng)一的經(jīng)過小孔的流量公式 式中 A:孔的通流截面積，p:孔前后壓差， m:由孔結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的指數(shù),0.5m1 k:由孔口形式有關(guān)的系數(shù) 當(dāng)孔為薄壁小孔時(shí)，m=0.5, 為細(xì)長小孔時(shí)m=1，,2.3.4 通過間隙的流動(dòng),配合間隙 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)過間隙流到系統(tǒng)中