第2章液壓流體力學(xué)1

1、2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,1,第2章 液壓流體力學(xué)基礎(chǔ),所謂力學(xué)就是研究物體機(jī)械運(yùn)動的科學(xué)。 由于研究的對象不同，力學(xué)有許多分支，流體力學(xué)是以流體為對象，主要研究流體和流體及流體和固體之間的作用和反作用，也就是研究流體機(jī)械運(yùn)動的規(guī)律，并把這些規(guī)律應(yīng)用到有關(guān)的工程技術(shù)部門中去的力學(xué)分支。 液壓流體力學(xué)是研究流體整體機(jī)械運(yùn)動的普遍規(guī)律，以及運(yùn)用這些規(guī)律進(jìn)行液壓技術(shù)工程計算的科學(xué)。,液壓傳動是以油液為工作介質(zhì)

2、（傳動件），通過油液進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和傳遞的傳動方式。液壓流體力學(xué)是液壓、氣動系統(tǒng)和元件工作過程及流體動力計算的理論基礎(chǔ)，是正確分析和利用這些系統(tǒng)和元件的理論依據(jù)。,力是物體運(yùn)動的根本原因。,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,2,第2章 液壓流體力學(xué)基礎(chǔ),2.1 液壓油的主要物理性質(zhì) 2.2 液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.3 流動液體力學(xué)2.4 液體流動時的壓力損失2.5 孔口和縫隙流量2.6 空穴現(xiàn)象和液壓沖擊,2024/3/18

3、,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,3,2.1 液壓油主要的物理性質(zhì),連續(xù)介質(zhì)假設(shè),由于流體力學(xué)研究流體宏觀表象的運(yùn)動，并不顧及它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，因此，我們以宏觀的質(zhì)點(diǎn)作為介質(zhì)的基本單位，一個質(zhì)點(diǎn)可包含著一群分子，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)即為該群分子運(yùn)動參數(shù)的統(tǒng)計平均值，并且認(rèn)為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)間沒有間斷的空隙，而是連綿不斷組成的，即把流體看成具有綿續(xù)性的連續(xù)介質(zhì)。這樣，在流體中的運(yùn)動參數(shù)將是空間點(diǎn)座標(biāo)和時間的連續(xù)函數(shù)，這樣就能采用數(shù)學(xué)工具來處理解決問題。,2

4、024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,4,一 流體的密度,,定義,嚴(yán)格的定義：流體質(zhì)量在空間點(diǎn)上密集的程度。,單位：,數(shù)學(xué)上的,，物理上指體積趨向于空間中的一個點(diǎn)。,一般的定義：單位體積流體內(nèi)所含流體的質(zhì)量。,對于均質(zhì)流體,密度是空間點(diǎn)坐標(biāo)和時間的函數(shù)：,密度與流體壓力、溫度有關(guān)，隨壓力增加增大，隨溫度增高減小。換言之，密度還是壓力、溫度的函數(shù)，這個函數(shù)稱為流體的狀態(tài)方程：,,一般液壓油的密度為900,2024/3/18,武漢理工大

5、學(xué)機(jī)電學(xué)院,5,二 流體的可壓縮性,在給定點(diǎn) 處展成一次泰勒級數(shù)近似式：,式中負(fù)號表示溫度增加密度下降。,寫成增量形式：,密度對壓力、溫度的變化率不便于測量，采用相對量，有,在質(zhì)量不變時，即,有,定義,體積膨脹系數(shù),當(dāng)壓力不變時，在溫度的變化下，流體密度（體積）所產(chǎn)生的相對變化量,體積壓縮系數(shù),當(dāng)溫度不變時，在壓力的變化下，流體密度（體積）所產(chǎn)生的相對變化量,,,2024/3/18,武漢理工

6、大學(xué)機(jī)電學(xué)院,6,體積彈性系數(shù)（彈性模量）概念,；,流體受壓力作用，體積減小的性質(zhì)稱為壓縮性。,工程上常用體積壓縮系數(shù)κ的倒數(shù)來表示壓縮性， κ的倒數(shù)用k表示，稱為體積彈性系數(shù)，即,當(dāng)溫度不變時，產(chǎn)生一個單位體積的相對變化率所需要的壓力變化量。 k 越大（ κ越小）表示流體越不容易被壓縮。,對于液壓油有：,單位,物理意義,注意三個問題,含氣量對壓縮性的影響,等效體積彈性系數(shù)的計算。,液壓彈簧的概念、剛度系數(shù)計算、影響。,20

7、24/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,7,含氣量對壓縮性的影響,一般礦物油的體積彈性模量為： K=（1.4~1.9) ×103Mpa?？蓧嚎s性是鋼的100~150倍實際使用中，由于液體中不可避免地混入空氣，其抗壓縮能力顯著降低，會影響液壓系統(tǒng)的工作性能。--系統(tǒng)不穩(wěn)定，噪聲大,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,8,三 流體的粘性,⒈粘性的概念,流體流動時，分子之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)。,注意：流

8、體只有在流動時才呈現(xiàn)出粘性，靜止時不呈現(xiàn)粘性。,⒉牛頓內(nèi)摩擦定律,速度梯度：在垂直速度方向上的速度變化率。,⒊粘性的物理實質(zhì),流體抵抗剪切變形的能力。,切應(yīng)力,,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,9,粘性的度量——粘度,⒋粘性的度量——粘度,粘度概念,表示粘性大小的物理量。流體抵抗剪切變形能力的度量，粘度大，這種能力強(qiáng)。,表示方 法,動力粘度、絕對粘度μ,單位速度梯度下，單位面積上的內(nèi)摩擦力。直接表示粘性的大小。單

9、位：,運(yùn)動粘度ν,不含力、質(zhì)量單位，只含運(yùn)動學(xué)單位。m2/s(斯）、mm2/s（厘斯）,，,理論計算中常出現(xiàn) ，故采用作為一個參數(shù)。我國機(jī)械油牌號就是相應(yīng)的運(yùn)動粘度——厘斯數(shù)值。,相對粘度,我國采用恩氏粘度,,,,,,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,10,粘度與溫度、壓力的關(guān)系,⒌粘度與溫度、壓力的關(guān)系,流體的粘性給液壓系統(tǒng)帶來了什么影響？,粘溫特性,粘壓特性,粘性摩擦——在管道中造成壓力損失（能量損失）在

10、液壓閥中增加了閥芯運(yùn)動的阻力。粘度低時，增大泄漏，造成流量損失（能量損失）。,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,11,對液壓油液的要求,合適的粘度，具有較好的粘—溫性能。具有良好的潤滑性能和足夠的油膜強(qiáng)度，使系統(tǒng)中的各摩擦表面獲得足夠的潤滑而不致磨損。不得含有蒸氣、空氣及容易汽化和產(chǎn)生氣體的雜質(zhì)，否則會起氣泡。氣泡是產(chǎn)生劇烈振動和噪聲的主要原因之一。對金屬和密封件有良好的相容性。不含有水溶性酸和堿等，以免腐蝕機(jī)件和管道，

11、破壞密封裝置。對熱、氧化、水解和剪切都有良好的穩(wěn)定性，在貯存和使用過程中不變質(zhì)。抗泡沫性好，抗乳化性好，腐蝕性小，防銹性好。熱膨脹系數(shù)低，比熱高，導(dǎo)熱系數(shù)高。凝固點(diǎn)低，閃點(diǎn)和燃點(diǎn)高。一般液壓油閃點(diǎn)在130℃～150℃之間。質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少。對人體無害，成本低。,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,12,液壓油液分類,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,13,液壓油液的選用,液壓系統(tǒng)的工作壓力

12、 壓力高，要選擇粘度較大的液壓油液。環(huán)境溫度 溫度高，選用粘度較大的液壓油液。運(yùn)動速度 速度高，選用粘度較低的液壓油液。液壓泵的類型 各類泵都有與之相適宜的粘度范圍,選用液壓油液首先考慮的是粘度,選擇時要注意,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,14,2.2 液體靜力學(xué)基礎(chǔ),研究液體在靜止?fàn)顟B(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其應(yīng)用,靜壓力及其特性靜壓力基本方程式帕斯卡原理靜壓

13、力對固體壁面的作用力,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,15,一 靜壓力定義及其性質(zhì),靜壓力,性質(zhì),靜止液體中任意點(diǎn)處的壓力與作用方位無關(guān)，即在各個方向上都相等。,液體只能受壓不能受拉，壓力必垂直于作用面,靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。p=limΔF/ΔA （ΔA→0）若在液體的面積A上所受的作用力F為均勻分布時，靜壓力可表示為 p = F / A 液體靜壓力在物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)，工程實際應(yīng)用中習(xí)

14、慣稱為壓力。,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,16,二 靜止液體基本方程⑴,⒈方程推導(dǎo),⒉方程分析,取研究對象：微元柱體,受力分析,①任一點(diǎn)上的靜壓力由兩部分組成：液面壓力和單位截面上液柱自重產(chǎn)生的力；,②壓力分布規(guī)律：p是h的線性函數(shù)，也是ρ的線性函數(shù)。,③引伸出pascal定理：液面壓力將等值地傳遞到液體中任一點(diǎn)上去。,④等壓面概念：在連通器中，同一液體中深度相等的各點(diǎn)壓力相等。壓力相等的點(diǎn)組成的面稱為等壓面。,⑤坐標(biāo)變

15、換后的另一種形式：,液體靜力學(xué)基本方程,,,,,,,,z0,z,,在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體的壓力可以等值地傳遞到液體各點(diǎn)。也稱為靜壓傳遞原理。,帕斯卡原理,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,17,二 靜止液體基本方程⑵,方程的物理意義,單位重量液體具有的壓力能稱為比壓力能：,單位是長度單位（高度）,單位重量液體具有的位能（勢能）稱為比壓力能：,單位也是長度單位（高度）,注意物理概念“勢”的解釋，勢變量、勢函數(shù)。,靜止液體

16、中，各點(diǎn)處的總能量由位置勢能和壓力勢能組成，且保持不變。,定義,,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,18,三 壓力的表示方法,⒈計算基準(zhǔn),⒉絕對壓力、相對壓力、真空度,⒊壓力單位,壓力單位：,液柱高度：,,大氣壓單位：,標(biāo)準(zhǔn),以絕對真空（零壓）為基準(zhǔn)——絕對壓力,以大氣壓力為基準(zhǔn)——相對壓力,,絕對壓力不足大氣壓力的那部分?jǐn)?shù)值,真空度：,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,19,四 基本方程應(yīng)用舉例,解題關(guān)鍵,抓住等

17、壓面！,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,ρ,oil,ρ,酒精l,h,h1,h2,h3,A,B,pA,,ρ,Hg,,,,p4,p3,p2,p1,,,,,,,,,,空氣,注意計算結(jié)果的數(shù)值,,,表壓力,取絕對值為真空度！,求A管中油液液面的壓力,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,20,五 基本方程在液壓傳動中的應(yīng)用,⒈壓力傳遞原理,⒉作用力放大,⒊壓力放大,,,,,,,

18、,,,,A1,A2,p1、Q1,p2、Q2,,液壓千斤頂,Pascal原理 液壓傳動的基礎(chǔ),,,液面壓力可以等值地傳遞到連通器液體中的任一點(diǎn)上。,,,,,,,在液壓系統(tǒng)中液面壓力p0一般為幾十～三百個大氣壓，遠(yuǎn)大于ρgh，因此在液壓傳動中，可以認(rèn)為液體中任一點(diǎn)上的壓力就是液面壓力，而忽略ρgh項。,2024/3/18,武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院,21,六 壓力對固體壁面的液壓作用力,壓力作用在平面上,,,,A2,A1,,,,

19、,,,p1,p2,,F,活塞受力平衡方程,始終成立！使用時要注意p1、p2和F 的具體情況！,壓力作用在曲面上,液體對固壁產(chǎn)生作用力。根據(jù)壓力的性質(zhì)，這個作用力總是指向壁面的，通常稱作液壓作用力。,液壓作用力大小、方向、作用點(diǎn)都與受壓面的形狀及受壓面上液體壓力的分布有關(guān)。,作用在曲面上的液壓作用力在某一方向上的分力==靜壓力×該曲面在該方向投影面積。,對曲面來說，不同點(diǎn)上的壓力方向是不一致的，應(yīng)在曲面上先取一微小面積，將其