液压与气压传动-第二版-教学课件-袁承训-主编-液压与气压传动第2章.ppt

1、在线教务辅导网：在线教务辅导网：http:/教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：或者直接输入下面地址：http:/第一节第一节 液压油液压油第二节第二节 液体静力学基础液体静力学基础第三节第三节 液体动力学方程液体动力学方程第四节第四节 液体流动时的压力损失液体流动时的压力损失第五节第五节 液体流经小孔和缝隙的流量计算液体流经小孔和缝隙的流量计算第六节第六节 液压冲击和空穴现象液压冲击和空穴现象液体是液压传动的工作介质。液体是液压传动的工作介质。了解液体的某些基本物理性质，研究液体的静力学、了解液体

2、的某些基本物理性质，研究液体的静力学、运动学和动力学规律，对理解和掌握液压传动的基运动学和动力学规律，对理解和掌握液压传动的基本原理是十分重要的。本原理是十分重要的。这些内容也是液压系统的合理使用及设计计算的理这些内容也是液压系统的合理使用及设计计算的理论基础。论基础。2第一节第一节 液压油液压油2一、液压油的性质一、液压油的性质密度密度式中，式中，m体积为体积为V的液体的质量；的液体的质量；V液体的体积。液体的体积。计算时，常取计算时，常取15时的液压油密度时的液压油密度单位体积液体的质量称为该液体的密度，用单位体积液体的质量称为该液体的密度，用表示表示)/(/3mkgVm3/900mkg2

3、可压缩性可压缩性式中，式中，V增压前液体的体积；增压前液体的体积；V压力变化压力变化p时液体体积的变化量；时液体体积的变化量；p液体压力的变化量。液体压力的变化量。常用液压油的体积压缩系数常用液压油的体积压缩系数液体受压力作用而发生体积减小的性质，液体受压力作用而发生体积减小的性质，用体积压缩系数用体积压缩系数表示。表示。)/()(12NmVVpNm/10)75(2102 实际应用中，常用实际应用中，常用K值说明液体抵抗压缩能力的大小，它值说明液体抵抗压缩能力的大小，它表示产生单位体积相对变化量所需的压力增量表示产生单位体积相对变化量所需的压力增量。*对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的。

4、只有研究对于一般液压系统，可认为油液是不可压缩的。只有研究液压系统的动态特性和高压情况下，才考虑油液的可压缩性。液压系统的动态特性和高压情况下，才考虑油液的可压缩性。液体的体积压缩系数液体的体积压缩系数的倒数称为液体的体积弹性模量，的倒数称为液体的体积弹性模量，用用K K表示。表示。)/(12mNVpVK2粘性粘性粘性的意义粘性的意义 实验测定指出：液体流动实验测定指出：液体流动时，相邻液层间的内磨擦力时，相邻液层间的内磨擦力F F与液层间的接触面积与液层间的接触面积A A和液层和液层间相对运动的速度间相对运动的速度dudu成正比，成正比，而与液层间的距离而与液层间的距离dydy成反比。成反比

5、。即即液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍分子间液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动而产生内磨擦力的性质称为粘性。的相对运动而产生内磨擦力的性质称为粘性。dyduAF2 若用单位面积上的磨擦力若用单位面积上的磨擦力（切应力）来表示，则上式（切应力）来表示，则上式可以改写成可以改写成式中，式中，比例系数，称为粘度系数；比例系数，称为粘度系数；du/dydu/dy速度梯度，即相对运动速度对液层距离的速度梯度，即相对运动速度对液层距离的 变化率。变化率。上式称为上式称为牛顿液体内磨擦定律牛顿液体内磨擦定律。dyduAF2液体的粘度液体的粘度动力粘度动力粘度 动力粘度又称绝

6、对粘度，表征液体粘性的内磨擦系数。动力粘度又称绝对粘度，表征液体粘性的内磨擦系数。其物理意义是：当速度梯度等于其物理意义是：当速度梯度等于1 1时，流动液体液层间时，流动液体液层间单位面积上的内磨擦力，即动力粘度。单位面积上的内磨擦力，即动力粘度。液体粘性的大小用粘度表示。常用的粘度有：液体粘性的大小用粘度表示。常用的粘度有：动力粘度、运动粘度和相对粘度。动力粘度、运动粘度和相对粘度。dydu/2运动粘度运动粘度 动力粘度动力粘度和液体密度和液体密度之比称为运动粘度，用之比称为运动粘度，用表示。表示。因其单位中只有长度和时间的量纲，所以称为运动粘度，因其单位中只有长度和时间的量纲，所以称为运动

7、粘度，运动粘度没有明确的物理意义，但在工程中常用它来标志液运动粘度没有明确的物理意义，但在工程中常用它来标志液体的粘度。体的粘度。2相对粘度相对粘度 又称条件粘度，它是采用特定的粘度计，在规定的条件又称条件粘度，它是采用特定的粘度计，在规定的条件下测出来的液体粘度。我国采用恩氏粘度（下测出来的液体粘度。我国采用恩氏粘度（EE）恩氏粘度由恩氏粘度计测定，即将恩氏粘度由恩氏粘度计测定，即将200cm200cm3 3的被测液体装的被测液体装入底部有入底部有2.8mm2.8mm小孔的恩氏粘度计的容器中，在某一特定温小孔的恩氏粘度计的容器中，在某一特定温度度t t（）时，测定全部液体在自重作用下流过小孔

8、所需的时）时，测定全部液体在自重作用下流过小孔所需的时间间t t1 1与同体积的蒸馏水在与同体积的蒸馏水在2020时流过同一小孔所需的时间时流过同一小孔所需的时间t t2 2的的之比值，便是该液体在之比值，便是该液体在t t（）时的恩氏粘度，表示为）时的恩氏粘度，表示为EEt t其与运动粘度之间可用下面经验公式换算其与运动粘度之间可用下面经验公式换算21ttEt610)31.631.7(EE2粘度与压力的关系粘度与压力的关系式中，式中，0 0大气压力下液压油的动力粘度；大气压力下液压油的动力粘度；kk随液压油而异的指数，矿油型液压油随液压油而异的指数，矿油型液压油k=0.015k=0.0150

9、.030.03当压力增加时，液体分子间距离减小，内聚力增加，当压力增加时，液体分子间距离减小，内聚力增加，其粘度也有所增加，二者关系为其粘度也有所增加，二者关系为)(0sPaekp2粘度与温度的关系粘度与温度的关系式中，式中，4040温度温度4040时液压油的运动粘度；时液压油的运动粘度；nn指数见下表指数见下表液压油的粘度对温度的变化很敏感，液压油的粘度对温度的变化很敏感，温度升高，粘度将显著降低。温度升高，粘度将显著降低。ntt)40(40403.4 9.3 14183348637689 105 119 135 207 288 368 447 535 771n1.39 1.591.721.

10、791.992.132.24 2.322.422.492.522.562.762.862.963.063.103.172 液压油的粘温特液压油的粘温特性可以用粘度指数性可以用粘度指数VI来表示，来表示，VI值越大表值越大表示油液粘度随温度的示油液粘度随温度的变化率越小，即粘温变化率越小，即粘温特性越好。特性越好。其他特性其他特性 液压油还有其它液压油还有其它一些物理化学性质，一些物理化学性质，如抗燃性、抗氧化性、如抗燃性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、抗磨性等。防锈性、抗磨性等。2二、对液压油的要求和选用二、对液压油的要求和选用要求要求 粘温性好；粘温性好；润滑性能

11、好；润滑性能好；化学稳定性好；化学稳定性好；质地纯净，抗泡沫性好；质地纯净，抗泡沫性好；闪点要高，凝固点要低。闪点要高，凝固点要低。种类和选用种类和选用 矿物油型；矿物油型；合成型；合成型；乳化型。乳化型。22第二节第二节 液体静力学基础液体静力学基础2一、液体的压力一、液体的压力液体的静压力及其特性液体的静压力及其特性 若在液体的面积若在液体的面积A上，所受的为均匀分布的作用力上，所受的为均匀分布的作用力F时，时，则静压力可表示为则静压力可表示为 静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力，用静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力，用p p表示表示AFpA0limAFp 2 液体的静压力

12、在物理学上称为液体的静压力在物理学上称为压强压强，但在液压传动中习，但在液压传动中习惯称为惯称为压力压力。液体的压力有如下特征：液体的压力有如下特征：液体静压力垂直于作用面，液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向其方向与该面的内法线方向 一致；一致；静止液体内，任意点处的静静止液体内，任意点处的静 压力在各个方向上都相等。压力在各个方向上都相等。2静压力基本方程静压力基本方程 由于液体处于平衡状态，在垂直方向上的力存在如下关由于液体处于平衡状态，在垂直方向上的力存在如下关系系 AghApAp0)152(0ghpp2 上式即为液体静压力基本方程，由上式可知：上式即为液体静压力基本方程，

13、由上式可知：静止液体内任一点处的压力由液面上压力和该点以上液体静止液体内任一点处的压力由液面上压力和该点以上液体的的 自重所产生的压力。自重所产生的压力。静止液体内的压力沿液深呈线性规律分布，如下图。静止液体内的压力沿液深呈线性规律分布，如下图。离液面深度相同处各点的压力相等离液面深度相同处各点的压力相等对静止液体，液体内任一点的压力对静止液体，液体内任一点的压力 为为p p，与基准水平的距离为，与基准水平的距离为h h，则由，则由 静压力基本方程式可得静压力基本方程式可得即任意一点总能量保持不变。即任意一点总能量保持不变。ghppa常数hgphgp002压力的表示方法及单位压力的表示方法及单

14、位 根据度量基准的不同，液体压力分为绝对压力和相对压根据度量基准的不同，液体压力分为绝对压力和相对压力两种。显然有力两种。显然有 真空度就是大气压力和绝对真空度就是大气压力和绝对 压力之差，即压力之差，即 压力的单位为压力的单位为Pa（帕斯卡，（帕斯卡，简称帕）简称帕）绝对压力绝对压力=大气压力大气压力+相对压力相对压力真空度真空度=大气压力大气压力-相对压力相对压力2二、压力的传递二、压力的传递 根据帕斯卡原理根据帕斯卡原理p1=p2=p，则，则或或 由此可得出一个重要概念：由此可得出一个重要概念：液液压系统中，液体的压力是由外负载压系统中，液体的压力是由外负载决定。决定。在密闭的容器中，由

15、外力作用所产生的压力可以等值地传递在密闭的容器中，由外力作用所产生的压力可以等值地传递到液体内部的所有各点到液体内部的所有各点这就是这就是帕斯卡原理帕斯卡原理。pAFAF2211/2121AAFF 2三、液体作用于容器壁面上的力三、液体作用于容器壁面上的力 由于静压力近似处处相等，所以可认为作用于固体壁面由于静压力近似处处相等，所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布。上的压力是均匀分布。液压油作用于这块面积上液压油作用于这块面积上的力的水平分力的力的水平分力dFdFx x为为对上式积分，得缺体右侧内壁对上式积分，得缺体右侧内壁所受的所受的x x方向的作用力为方向的作用力为dplrpdAdF

16、dFxcoscoscospAF rlpplrdplrFx22sin2sincos2/2/第三节第三节 液体动力学方程液体动力学方程2一、基本概念一、基本概念理想液体和恒定流动理想液体和恒定流动 液体流动时，若液体中任何一点的压力、流速和密度都液体流动时，若液体中任何一点的压力、流速和密度都不随时间而变化，这种流动就称为恒定流动。不随时间而变化，这种流动就称为恒定流动。通流截面、流量和平均流速通流截面、流量和平均流速2液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面称为液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面称为通流截面通流截面。单位时间内流过通流截面的液体体积为单位时间内流过通流截面的液体体积为体积流

17、量体积流量，简称，简称流量流量。假设流经通流截面的流速是均匀分布的，液体按平均流速假设流经通流截面的流速是均匀分布的，液体按平均流速流动通过流截面的流量等于以实际流速流过的流量。即流动通过流截面的流量等于以实际流速流过的流量。即 流截面上的平均流速为流截面上的平均流速为AqvvAudAqudAdqvAvv/2层流、紊流、雷诺数层流、紊流、雷诺数 雷诺实验：雷诺实验：2 实验证明，液体在管中流动时是层流还是紊流，不仅与管实验证明，液体在管中流动时是层流还是紊流，不仅与管内平均流速有关，还和管径内平均流速有关，还和管径d d、液体的运动粘度、液体的运动粘度v v有关。有关。对于非圆截面的管道，液流

18、的雷诺数可按下式计算对于非圆截面的管道，液流的雷诺数可按下式计算R R为水力半径，是指通流有效截面积为水力半径，是指通流有效截面积A A和其湿周（有效截面的周和其湿周（有效截面的周界长度）界长度）X X之比。即之比。即vdRevR4Re XAR 2二、连续性方程二、连续性方程 该方程说明：在管道中作恒定流动的不可压缩液体，流该方程说明：在管道中作恒定流动的不可压缩液体，流过截面的流量是相等的，流速与通流面积成反比。过截面的流量是相等的，流速与通流面积成反比。常数 vAqv2三、伯努利方程三、伯努利方程理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程 其物理意义是：其物理意义是：在流在流束内作恒定流动的

19、理想液束内作恒定流动的理想液体具有三种形式的比能，体具有三种形式的比能，即比压能、比动能和比势即比压能、比动能和比势能，它们可相互转化，但能，它们可相互转化，但在流束的任一处，这三种在流束的任一处，这三种比能的总和是一定的。比能的总和是一定的。常数hgvgp222实际液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程 应用伯努利方程时须注意：应用伯努利方程时须注意：截面截面1和和2需顺流向选取，否则需顺流向选取，否则hw为负值；为负值；截面中心在基准以上时，截面中心在基准以上时，h h取正值，反之取负值；取正值，反之取负值；两通流截面压力的表示应相同，如两通流截面压力的表示应相同，如p p1 1是相对压力，

20、是相对压力，p p2 2也是也是 相对压力。相对压力。whhgvgphgvgp2222212111222四、动量方程四、动量方程 作用在物体上的力等于物体的动量变化率，即作用在物体上的力等于物体的动量变化率，即由此得由此得流动液体的密度；流动液体的密度；qv液体的流量；液体的流量；v1、v2液流流经截面液流流经截面1-1和和2-2的平均流速。的平均流速。dtmvdF)(12)(vvqqdtmvdF2 应用动量方程时应注意：应用动量方程时应注意：实际液体有粘性，用平均流速计算动量时，需修正误差。实际液体有粘性，用平均流速计算动量时，需修正误差。在具体应用时，应将该矢量向某指定方向投影，列出在该在

21、具体应用时，应将该矢量向某指定方向投影，列出在该 方向上的动量议程。方向上的动量议程。液体所受到固体壁面的作用力，而液体对固体壁面的作用液体所受到固体壁面的作用力，而液体对固体壁面的作用 力与力与F F相同，但方向则与相同，但方向则与F F相反。相反。)(1122vqF)(1122xxvxqF第四节第四节 液体流动时的压力损失液体流动时的压力损失2一、沿程压力损失一、沿程压力损失液体在直径不变的直管中流动时，由于液体内磨擦力的作液体在直径不变的直管中流动时，由于液体内磨擦力的作用而产生的能量损失，称为用而产生的能量损失，称为沿程压力损失沿程压力损失。2流速的分布规律流速的分布规律通过管道的流量

22、通过管道的流量管道内的平均流速管道内的平均流速沿程压力损失沿程压力损失)(422rRlpupldrdrrRlpudAqdAv1282)(442022pldplddAqvv321284124222Re64264322222vdlvdlvdldvvdlvp2二、局部压力损失二、局部压力损失 当实际通过的流量当实际通过的流量qv不是额定流量时，通过该阀的压力不是额定流量时，通过该阀的压力损失可按正式计算损失可按正式计算当液体流过弯头、突然扩大或突然缩小的管道断面以及各当液体流过弯头、突然扩大或突然缩小的管道断面以及各种控制阀时，液流将被迫改变其流速大小或方向，因而产种控制阀时，液流将被迫改变其流速大

23、小或方向，因而产生撞击、分离、脱流、旋涡等现象，于是产生液体流动阻生撞击、分离、脱流、旋涡等现象，于是产生液体流动阻力，造成的能量损失为力，造成的能量损失为局部压力损失局部压力损失。22vp2VnVnqqpp2三、管道系统中的总压力损失三、管道系统中的总压力损失或或管道系统总的压力损失等于所有管道的管道系统总的压力损失等于所有管道的沿程压力损失沿程压力损失和和所有局部压力所有局部压力损失之总和。损失之总和。ppp2222vvdlp第五节第五节 液体流经小孔和缝隙的流量计算液体流经小孔和缝隙的流量计算2一、液体流经小孔的流量计算一、液体流经小孔的流量计算薄壁小孔的流量计算薄壁小孔的流量计算 小孔

24、的长度小孔的长度l l、直径、直径d d的比值的比值l/d0.5l/d0.5时，称为薄壁小孔。时，称为薄壁小孔。薄壁小孔因其沿程阻力非常薄壁小孔因其沿程阻力非常小，通过小孔的流量与粘度无关，小，通过小孔的流量与粘度无关，即流量对油温的变化不敏感。即流量对油温的变化不敏感。pACpACCAvCvAqqVcccccv222短孔的流量计算短孔的流量计算 短孔的流量公式同上，但流量系数不同，一般短孔的流量公式同上，但流量系数不同，一般细长孔的流量计算细长孔的流量计算 小孔的长度小孔的长度l l、直径、直径d d的比值的比值l/dl/d44时称细长孔。由层流时时称细长孔。由层流时直管的流量公式可得直管的

25、流量公式可得 上述各小孔的流量可归纳为一个通用公式上述各小孔的流量可归纳为一个通用公式82.0qCpldqv1284mvpCAq2二、液体流经缝隙的流量计算二、液体流经缝隙的流量计算平行平板缝隙平行平板缝隙 plbhpbdylyhyubdyqhhV030122)(2同心环形缝隙同心环形缝隙 pldhqV1232偏心环形缝隙偏心环形缝隙 )5.11(1223pldhqV第六节第六节 液压冲击和空穴现象液压冲击和空穴现象2一、液压冲击一、液压冲击产生液压冲击的原因产生液压冲击的原因在液压系统中，由于某种原因引起液压油的压力在液压系统中，由于某种原因引起液压油的压力在某瞬时突然急剧上升，形成一个很大

26、的峰值在某瞬时突然急剧上升，形成一个很大的峰值当管道内的液体运动时，如在某一瞬时将液流当管道内的液体运动时，如在某一瞬时将液流 通路迅速切断，则液体的流速将突然降为零；通路迅速切断，则液体的流速将突然降为零；液压系统中的高速运动部件突然制动时；液压系统中的高速运动部件突然制动时；当液压系统中的某些元件反应不灵敏时。当液压系统中的某些元件反应不灵敏时。2液压冲击的危害液压冲击的危害 瞬时压力峰值有时比正常压力要大好几倍，这就容易瞬时压力峰值有时比正常压力要大好几倍，这就容易引起液压设备振动，导致密封装置、管道和元件的损坏，引起液压设备振动，导致密封装置、管道和元件的损坏，有时还会使压力继电器、顺

27、序阀等液压元件产生误动作，有时还会使压力继电器、顺序阀等液压元件产生误动作，影响系统的正常工作。影响系统的正常工作。减小液压冲击的措施减小液压冲击的措施 关闭阀门的速度不能过快；关闭阀门的速度不能过快；在液压冲击源附近设置蓄能器；在液压冲击源附近设置蓄能器；限制管中流速；限制管中流速；在液压冲击源前装安全阀。在液压冲击源前装安全阀。2二、气穴现象二、气穴现象 在液流中，若某一点的压力低于相应温度的液体饱和在液流中，若某一点的压力低于相应温度的液体饱和蒸汽压力时，液体就会加速汽化，形成大量气泡。蒸汽压力时，液体就会加速汽化，形成大量气泡。防止产生气穴现象和气蚀可采取下列措施：防止产生气穴现象和气蚀可采取下列措施：气泡混杂在油液中产生气穴，气泡混杂在油液中产生气穴，使油液成为不连续状态，称为气穴现象使油液成为不连续状态，称为气穴现象减小液流在小孔或间隙处的压力降；减小液流在小孔或间隙处的压力降；正确确定液压泵管径，对流速加以限制，降低正确确定液压泵管径，对流速加以限制，降低 吸油高度，对高压泵采用辅助泵供油；吸油高度，对高压泵采用辅助泵供油；整个系统的管道尽可能平直；整个系统的管道尽可能平直；提高零件抗气蚀能力。提高零件抗气蚀能力。