液压油和液压流体力学基础.pptx

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1、西南林业大学树木树人至真至善第二章液压油和液压流体力学基础主讲：邓婷婷机械与交通学院西南林业大学树木树人至真至善第一节液压油的性质和选用液体的密度密度对于均质液体，密度为对于非均质液体，单点的密度为西南林业大学树木树人至真至善密度与温度压力的关系温度密度温度密度压力压力密度密度西南林业大学树木树人至真至善液体的压缩性液体的压缩性液体的压缩性是指液体受压后其体积变小的性能。在一般情况下，尤其只研究系统的静态特性时，液体的压缩性可以忽略不计，这时，认为液体的刚性无穷大，但在液压伺服系统和考虑冲击、抗振等现象时，应该考虑液体的压缩性液体压

2、缩性的表示方法液体的压缩性系数压缩性系数：受压液体在变化单位压力时引起的液体体积的相对变化量西南林业大学树木树人至真至善液压油的压缩性系数一般取（57）x10-10m2/N西南林业大学树木树人至真至善液体的体积弹性模量体积弹性模量K：液体压缩性系数的倒数液体的体积弹性模量越大，液体的压缩性越小，其抗压性能越强，反之越弱液压油的体积弹性模量一般为（1.42.0）x 109N/m2西南林业大学树木树人至真至善液体的黏性和黏度黏性定义：液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍相对运动而产生的一种内摩擦力。液体的这种性质，叫做液体黏性特点：只有在流动

3、时才显示，液体黏性大小的量度叫做黏度。黏度大油液稠，黏度小，油液稀。黏度黏度表示液体黏性大小的物理量，常用的黏度表示方式有三种：绝对黏度、运动黏度、相对黏度西南林业大学树木树人至真至善黏性分析根据牛顿内摩擦定律（参见图2-2）：流体流动时，摩擦力与接触面积成正比，与速度梯度成正比，可得：西南林业大学树木树人至真至善绝对黏度把牛顿内摩擦定律量化得，相邻液层间的内摩擦力为：单位面积上的摩擦力（切应力）：绝对黏度单位：西南林业大学树木树人至真至善运动黏度运动黏度的单位：西南林业大学树木树人至真至善相对黏度液体的绝对黏度难以测定，所以常利用液

4、体的黏性越大通过量孔越慢的特性来测量液体的黏度，我们称之为相对黏度西南林业大学树木树人至真至善黏度和温度的关系温度对油液黏度的影响很大，不同的油液有不同的黏度特性温度黏度温度黏度西南林业大学树木树人至真至善黏度和压力的关系一般来说，液体所受压力越大，其分子间距离越小，因此黏度越大压力黏度压力黏度西南林业大学树木树人至真至善液压油代号及选择类别品种牌号（数字）L-HL32L-类别，润滑剂类HL-品种，H液压油液组，应用场合为液压系统，L防锈、抗氧化型32-黏度等级，即VG32代号命名西南林业大学树木树人至真至善黏温性能好（黏度随

5、温度的变化越小越好）液压油应满足的要求具有良好的润滑性具有良好的化学稳定性质量应纯净，不含各种杂质，有良好的抗泡沫性闪点要高，凝固点要低液压油的使用维护保持液压系统清洁，防止水、灰尘、和其他杂质侵入油中油箱中的油液要保持一定的高度，正常工作时油箱温度要在安全范围内换油时必须将液压系统的管路进行彻底清洗，新油必须过滤后才能注入西南林业大学树木树人至真至善第二节静止液体力学液体的压力液体的压力及其性质这里所说的静止是指液体内部质点没有相对运动，至于液体作为一个整体，则可以是静止的，也可以随容器做整体运动液体所受的力：质量力、表面力质量力：重力、惯性力。表面力：外部物体

6、作用与液体上的力或液体内部一部分液体作用在另一部分液体上的力。它可以是切向力或法向力。西南林业大学树木树人至真至善液体压力液体在单位面积上所受的法向作用力，统称压力（物理学中我们称之为压强）单点压强：压力的单位为Pa，工程上经常使用MPa：其他单位换算：西南林业大学树木树人至真至善压力的性质静止液体的压力永远指向作用面的内法线方向静止液体内任意一点的压力在各个方向上都相等重力作用下静止液体的压力分布取圆柱垂直方向列平衡方程整理得公式2-16中中P即为淹深为h处m点的液体压力西南林业大学树木树人至真至善分析小结静止液体内部的压力沿淹深呈线性分布淹深相

7、同处的各点压力相等，由压力相等的点组成的面叫做等压面液面压力等值的传递到液体内各处西南林业大学树木树人至真至善压力的表示方法绝对压力以绝对真空为基准进行度量而得到的压力值相对压力（表压力）以大气压为基准进行度量而得到的压力值，正表压力真空度绝对压力不足大气压的部分，负表压力绝对压力=大气压+相对压力相对压力=绝对压力大气压真空度=大气压绝对压力西南林业大学树木树人至真至善绝对真空大气压绝对压力绝对压力真空度表压力（相对压力）西南林业大学树木树人至真至善静止液体内压力的传递帕斯卡定律在静力学基本方程2-16中，重力形成的压力ghgh与外界施加于液面的

8、压力相比小得多，因此液压系统中一般忽略不计，所以静止液体中压力处所以静止液体中压力处处相等处相等以千斤顶的工作原理来说明帕斯卡定律的应用，这也是液压系统中关于力的放大问题关键掌握主动施力方在液面上产生的压强等值地传递到力的输出方西南林业大学树木树人至真至善力的放大主动力在液面（忽略活塞自重）产生的压强该压力值等值地传递到了输出方，产生推力为设：则：K 放大系数西南林业大学树木树人至真至善液压系统中压力的形成根据公式 2-17 当千斤顶平衡时，F2=G；所以当负载G等于零时，F2=0 由于F2=0，由上式可知，主动力F1为零。则系统的压力p也等于零说明液

9、压系统压力的大小取决于负载西南林业大学树木树人至真至善液体压力作用于固体壁面上的力作用于平面上的力作用于平面壁上的力等于液体的静压力与承压面积的乘积，该力方向垂直于该平面作用于曲面上的力液体作用在曲面某一方向上的力等于液体压力与曲面在该方向投影面积的乘积西南林业大学树木树人至真至善西南林业大学树木树人至真至善第三节流动液体力学本节主要讨论流动液体的有关力学特性，核心内容有三个基本定律质量守恒定律能量守恒定律动量守恒定律连续性方程伯努利方程动量方程基本概念理想液体既没有黏性又没有压缩性的假想液体称为理想液体稳定流动流体在流动时，通过空间某一固定点的

10、所有液体质点的压力、速度、密度等运动参数不随时间变化西南林业大学树木树人至真至善过流断面、平均流速、流量过流断面液体流动时与液体质点流动方向垂直的截面西南林业大学树木树人至真至善平均流速流量与过流断面面积之比流量单位时间内流过过流断面的液体体积西南林业大学树木树人至真至善液体流动时的压力液体流动时呈现出黏性力和惯性力，对于假定液体我们认为它是理想液体，因此黏性和惯性力的影响都小，通常我们忽略不计，所以理想液体流动时的压力（动压力）与静压力就无差别流动液体的质量守恒定律-连续性方程流入控制体积的质量=流出控制体积的质量西南林业大学树木树

11、人至真至善从断面A1流入的质量：从断面A2流入的质量：即假定液体为理想液体，则密度为常数，化简得连续性方程的一般形式：归纳：在稳定流动的情况下，当不考虑液体的压缩性时，通过管道各过流断面的流量都相等西南林业大学树木树人至真至善推论：（1）根据公式2-21得结论：当流量一定时，管子细的地方流速大，管子粗的地方流速小。（2）在具有分支的管路中西南林业大学树木树人至真至善流动液体的能量守恒定律-伯努利方程理想液体的伯努利方程能量守恒的形式：外力做的功等于动能的增量h1h2西南林业大学树木树人至真至善 1、伯努利方程式的推导外力对控制体积作的功当控制体积从

12、AB段运动到AB段时，F1和F2所做的功为：能量变化当控制体积从AB段运动到AB段时，仅是AA 段液体与BB 段液体的位置高度和流速有变化，相应的势能和动能都有变化西南林业大学树木树人至真至善重力功：当控制体积从AB段运动到AB段时，AA 段液体与BB 段液体的质量相等，重力做的功为（势能变化）动能变化：当控制体积从AB段运动到AB段时，AA 段液体与BB 段液体的动能分别为动能增量：机械能变化：外力所做的功等于动能的增量西南林业大学树木树人至真至善整理得：可以写为：可以写为单位重量液体的能量公式：公式（2-30）称为伯努利方程西南林业大学树木树人至

13、真至善 2、伯努利方程式的讨论它的物理意义是：理想流体任一断面的总机械能守恒，但三种形式的能量在流动过程中可以互相转化伯努利方程每一项都具有长度的量纲，所以三项又称为压力头、速度头和位置头（和水力学有关），三者之和为一常量H，为总水头西南林业大学树木树人至真至善H西南林业大学树木树人至真至善实际液体的伯努利方程实际流体是具有粘性的流体，所以在流动中必然会产生能量损失；在流体各点的实际流速被近似为平均流速中，也会产生动能的误差，所以，实际流体的伯努力方程为：-单位重量液体从一个过流断面流向另一个过流断面的总的能量损失 -动能修正系数=某过流断面上各点都以其真实速度

14、流动时的实际动能同一过流断面上各质点都以平均速度流动时的平均动能西南林业大学树木树人至真至善流动液体的动量方程式动量方程的目的研究流体流动时动量的变化与作用在液体上外力之间的关系，计算流体作用在固体表面上的力刚体的动量定律当一质点系运动时，在时间间隔dt内其动量向量的增量等于同一时间间隔内作用于该质点系的外力的总冲量，即：西南林业大学树木树人至真至善动量方程式的推导当液柱1-2在dt时段内流到1-2的位置时，在1-2段液柱没有变化，它的体积和质量不变，它的动量也没有变化；所以在dt时段内，1-2液柱的动量变化等于2-2液柱段的动量与1-1液柱段动量之差。也等于

15、在同一时段内经过1-2段液柱流出与流入的液体的动量的差值。西南林业大学树木树人至真至善各部参数的计算在dt时段内流入的动量，或者说液柱1-1的动量在dt时段内流出的动量，或者说液柱2-2的动量在dt时段内，动量的变化为：根据定义，可得理想流体的动量方程为：西南林业大学树木树人至真至善动量方程式的讨论在方程2-34中，力和速度均为向量，在具体应用上应将上式向某指定方向投影，再列出该方向上动量方程在方程2-34中的F是液体所受的固体壁面的作用力，其中固体壁面作用于液体的作用力和液体作用于固体壁面上的力，大小相等，方向相反由于质点速度和平均流速之间的误差，必然在计

16、算动量时产生误差，所以应用动量修正系数来调整这个误差。实际流体的动量方程为：西南林业大学树木树人至真至善R实例分析管内流动如右图取出控制体（脱离体）分析外力管壁对液体的作用力截面上的液压作用力西南林业大学树木树人至真至善R选取坐标系A、建立坐标系1B、建立坐标系2写出X方向的动量方程西南林业大学树木树人至真至善实例分析建立X方向的动量方程西南林业大学树木树人至真至善第四节液体在管道中的流动实际液体在流动过程中，由于流体的黏性以及固体边界的突然改变等等因素，都会使流体产生能量损失。在一个液压系统中，这种能量表现为系统的压力损失，最终以热量的形

17、式散发，使系统出现温度升高、黏度降低、泄漏增加等等不利因素能量损失的大小和液体的流动状态有关液体的流动状态层流和紊流层流和紊流的基本形态可以通过雷诺实验加以说明西南林业大学树木树人至真至善水箱透明玻璃管水龙头层流状态过渡状态紊流状态红色液体容器西南林业大学树木树人至真至善西南林业大学树木树人至真至善层流：液体质点相互不混杂，流线基本和固体边界平行的流动状态。在这种流动中粘性起主导作用，惯性力对流动的影响不大紊流：液体质点混杂，在这种流动中，惯性力起主导作用流动状态的判别：根据实际流动的雷诺数和临界雷诺数的比较来判别流动状态雷诺数圆管雷诺数其中：v-管内平均

18、流速d-圆管直径（水力直径）-液体运动黏度西南林业大学树木树人至真至善临界雷诺数：流动液体由层流转化为紊流或由紊流转化为层流的雷诺数流动状态的判断：当实际ReRecr时，为层流当实际ReRecr时，为紊流非圆断面管道雷诺数的计算其中：v-管内平均流速dH-过流断面水力直径V-液体运动黏度西南林业大学树木树人至真至善dH定义：湿周：有效过流断面上液体与固体相接触的周长西南林业大学树木树人至真至善液体在圆管中的层流流动及其沿程能量损失过流断面上的速度分布规律rdr圆柱体轴线方向上的力平衡方程式为由内摩擦定律得又令得（2-39）西南林业大学树木树人至真

19、至善对式（2-39）积分，并考虑r=R时，u=0，故得（2-40）最大流速发生在轴线上，其值为流量rdr在半径r处，取出厚为dr的微小圆环面积，通过该圆环面积的流量为（2-41）西南林业大学树木树人至真至善或者写为（2-42）由上式可知，流量与管径的四次方成正比;压差（压力损失)则与管径的四次方成反比，所以，管径对压力损失、流量的的影响是很大的。平均流速即层流时圆管中的平均流速等于其轴线上的最大流速之半西南林业大学树木树人至真至善沿程能量损失液体流经等直径d的直管道时，在管长l段上的沿程能量损失hl 为（高度形式）（2-44）（2-45）西南林业大学树木树

20、人至真至善液体在圆管中的紊流流动及其沿程能量损失流体的紊流流动是一种相当复杂的流动，这种流动的流动状态和它的能量损失不但和流体的雷诺数有关，而且和其它边界条件有关，目前还没有完整的理论能描述这种流动的整个物理过程现在一般都是像本书一样，在各种不同的应用场合，整理一些半理论半经验公式满足实际计算的需要西南林业大学树木树人至真至善局部能量损失液体在流经阀口、弯头、突然变化的过流断面等处时，由于流速的大小或方向发生急剧变化所造成的一部分能量损失过流断面突然扩大处的局部损失西南林业大学树木树人至真至善列出断面-、-处的伯努利方程，推导得过流断面忽然扩大处的局部能量损失

21、为：（2-47）其他形式的局部损失通用公式（2-48）（2-48）或西南林业大学树木树人至真至善管路总能量损失管路系统中，总能量损失等于系统中所有直管沿程损失之和与局部能量损失之和的叠加。公式表示为：（2-49）（2-50）西南林业大学树木树人至真至善例题求液压泵吸油口处的真空度？分析：假设液压泵吸油口处的压力为p，油池液面的压力为pa（大气压），则真空度=pa p西南林业大学树木树人至真至善首先判别流动状态，即要计算出雷诺数要雷诺数计算，需要首先计算流速计算雷诺数并判别流态列写伯努利方程正确的列写伯努利方程首先正确地选择截面，按图2-18第一

22、个截面选择油箱液面，这样，没有未知数，最为方便。但要注意，油泵吸油口并不在这个截面内。第二个截面应该包括所求的未知数，所以选择在油泵的进油口西南林业大学树木树人至真至善列出断面-、-处的伯努利方程：西南林业大学树木树人至真至善分别求出各项因为紊流，则西南林业大学树木树人至真至善局部损失已知最后得到西南林业大学树木树人至真至善第五节液流流经小孔时的流量计算液流流经小孔时的流量计算薄壁小孔的流量液压系统中一些液压阀阀口的流量计算、液压元件泄漏的计算，以及节流调速、伺服系统的工作原理等都建立在小孔和缝隙流量的基础上。重点是薄壁小孔的流量计

23、算Q=f(A,p），这是整个调速原理的基础。所谓薄壁小孔是指小孔的长度和孔径之比小于0.5的孔，孔口一般为刃口形式西南林业大学树木树人至真至善流量公式推导列出断面-、-处的伯努利方程取得西南林业大学树木树人至真至善其中突然缩小能量损失突然扩大能量损失西南林业大学树木树人至真至善收缩断面的流速将以上各变量代入关系式中可得得其中称小孔流速系数西南林业大学树木树人至真至善小孔流量西南林业大学树木树人至真至善公式讨论A、流量系数一般是一个实验值，在各种不同的阀口结构中，这个数值在一定的范围内变化。在具体应用中，可以查阅产品的使用说

24、明书。B、从公式中可以看出，流量和小孔前后压差的平方根成正比，和通流截面积成正比。这三者之间的关系，在整个液压系统中随着应用的方向不一样，有时是已知压差和面积求流量，有时是已知流量、面积求压差，这时的压差可能是压力损失，可能是一种人工负载。C、应用公式计算通过控制阀口（如节流阀口）的流量时，公式中的压差总是用阀的进出口压力差代入的。西南林业大学树木树人至真至善细长小孔的流量细长小孔是指孔的长径比L/d4的小孔，在液压技术中常用做阻尼孔，流态一般为层流，因此，其流量应用圆管层流的公式（2-41）注意点：在应用公式（2-41）计算流量时，没有考虑层流起始段的问题，所以，当细长孔的长径

25、比越大，层流起始段的影响越小，结果越精确，反之，则误差加大。西南林业大学树木树人至真至善液流流经缝隙时的流量计算由于缝隙一般都非常小（几微米到几十微米），水力半径也很小，因此，缝隙流动一般为层流。常见有三种形式：由压差造成的流动称压差流动；由相对运动造成的流动称剪切流动，最后一种就是在压差和剪切同时作用下的流动平行平板间的缝隙流动固定平板间的缝隙流动（压差流动）西南林业大学树木树人至真至善经推导压差流动的流量计算公式上式表明，通过缝隙的流量与p和h的三次方成正比。间隙稍有增大，就会引起泄漏量的大量增加，可见，元件间隙的大小对泄漏量的影响是很大的。西南林业大

26、学树木树人至真至善有相对运动的平行平板间的缝隙流动压差p=0时在压差p=0时，仅由于平行平板相对运动时，间隙中液体在剪切作用下引起的流动。其流量公式为：从公式（2-54）可以看出，在剪切作用下，流量与间隙量、相对运动速度及间隙宽度的一次方成正比。西南林业大学树木树人至真至善压差p0时在压差与剪切联合作用下的流动左图为液体流动方向和板的运动方向相同；右图为板的运动方向和液体的流动方向相反。流量公式为：西南林业大学树木树人至真至善圆柱环形间隙的流量同心圆柱环形间隙的流量没有相对运动的同心圆柱面间环形间隙的流量（2-55）有相对运动，但压差p=0的两个同心圆柱面间

27、环形间隙的流量（2-55）有相对运动，但压差p0的两个同心圆柱面间环形间隙的流量（2-55）西南林业大学树木树人至真至善偏心圆柱环形间隙的流量圆柱面间无相对运动时（2-56）圆柱面间有相对运动时（2-56）h-同心时间隙量当中完全偏心时候的泄漏量是同心时的2.5倍西南林业大学树木树人至真至善第六节液压冲击和空穴现象液压冲击液压冲击现象在液压系统中，由于某种原因引起液体压力在某一瞬时急剧上升，形成很高的压力峰值，这种现象就叫液压冲击。西南林业大学树木树人至真至善液压冲击的成因液流突然突然停止时产生的液压冲击（回油管突然关闭）运动件制动或换向时产生的压力

28、冲击某些元件不灵敏或动作失灵液压冲击的危害产生高压冲击，并产生噪声和振动，影响系统传动精度和加工质量，破坏密封装置，降低设备使用寿命使液压元件产生误动作，并因此可能损坏设备西南林业大学树木树人至真至善防止措施增加管道内径以减少管道中液流速度，从而减少转变成压力能的动能尽可能延缓或加长执行元件换向或制动的时间选择动作灵敏、响应较快的液压元件空穴现象空气分离压和饱和蒸气压空气分离压：某一温度下，当液体压力低于某一数值时，溶解于液体里的空气将迅速、大量地分离出来，形成很多气泡饱和蒸气压：某一温度下，当液体压力低于某一数值时，不但溶解于液体里的空气大量分离出来，液体本身也

29、开始沸腾、气化，产生大量气泡西南林业大学树木树人至真至善空穴现象在液流中，当油压低于空气分离压和饱和蒸汽压时，油液中的空气被分离出来，而且油液本身将沸腾，产生大量气泡，这些气泡夹杂在油液中便产生了气穴，使充满在管道或液压元件中的油液成为不连续状态，我们成为空穴现象产生的部位过流断面非常狭窄的地方和液压泵的吸油管道危害液流中的气泡到达高压区后破灭又凝结为液体，瞬间会造成局部液压冲击，进而引起强烈的振动和噪声发生气蚀，使零件表面损坏西南林业大学树木树人至真至善西南林业大学树木树人至真至善西南林业大学树木树人至真至善西南林业大学树木树人至真至善防止措施在系统管路中尽量避免有狭窄和急剧转弯处使吸油管道有足够的直径对高压油泵应采用低压泵供油，及时清洗更换滤油网采用抗腐蚀性强的金属材料制造液压元件，降低零件表面的粗糙度

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