1、第二章 液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握液壓油的性質(zhì)、要求和選用；2.掌握液體的靜力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)；3.掌握液體動(dòng)力學(xué)的三個(gè)重要方程及應(yīng)用；4.了解小孔和縫隙流量的特點(diǎn)；5.了解液壓沖擊和氣穴氣蝕現(xiàn)象；2.1 液壓傳動(dòng)工作介質(zhì) 2.1.1 液壓油的主要性質(zhì) 1. 密度 = m/V kg/ m3 一般礦物油的密度為850950 kg/m3溫度系數(shù)及可壓縮性：可忽略。液壓油是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)介質(zhì)，而且還對(duì)液壓裝置的機(jī)構(gòu)、零件起這潤(rùn)滑、液壓油是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)介質(zhì)，而且還對(duì)液壓裝置的機(jī)構(gòu)、零件起這潤(rùn)滑、冷卻和防銹作用。液壓介質(zhì)的性能對(duì)液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)有很大影響，液壓傳動(dòng)系冷卻和防銹作用。液

2、壓介質(zhì)的性能對(duì)液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)有很大影響，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的壓力、溫度和流速在很大的范圍內(nèi)變化，因此液壓油的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響液壓統(tǒng)的壓力、溫度和流速在很大的范圍內(nèi)變化，因此液壓油的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能。故此，合理的選用液壓油也是很重要的。系統(tǒng)的工作性能。故此，合理的選用液壓油也是很重要的。2.1 液壓傳動(dòng)工作介質(zhì) 2、液體的可壓縮性、液體的可壓縮性 當(dāng)液體受壓力作用時(shí)體積減小的特性稱為液體的可壓縮性。Vvp1體積彈性模量 K = 1 /體積壓縮系數(shù) Vvp1變化的單位壓力所引起的相對(duì)體積的變化量 特別說明：常溫下一般認(rèn)為不可壓縮，當(dāng)由中混有空氣時(shí)，抗壓縮能力降低，將影響系統(tǒng)性能。2

3、.1 液壓傳動(dòng)工作介質(zhì) 3、粘性、粘性 （1）粘性的意義粘性的意義 液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，由于液體分子間的內(nèi)聚力而產(chǎn)生一種阻礙液體分子之間進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)摩擦力，液體的這種產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)稱為液體的粘性。由于液體具有粘性，當(dāng)流體發(fā)生剪切變形時(shí)，流體內(nèi)就產(chǎn)生阻滯變形的內(nèi)摩擦力，由此可見，粘性表征了流體抵抗剪切變形的能力。處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的流體中不存在剪切變形，因而也不存在變形的抵抗，只有當(dāng)運(yùn)動(dòng)流體流層間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體對(duì)剪切變形的抵抗，也就是粘性才表現(xiàn)出來(lái)。粘性所起的作用為阻滯流體內(nèi)部的相互滑動(dòng)，在任何情況下它都只能延緩滑動(dòng)的過程而不能消除這種滑動(dòng)。 粘性的大小可用粘度來(lái)衡量，粘度是選擇

4、液壓用流體的主要指標(biāo)，是影響流動(dòng)流體的重要物理性質(zhì)。當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，由于液體與固體壁面的附著力及流體本身的粘性使流體內(nèi)各處的速度大小不等，以流體沿如圖所示的平行平板間的流動(dòng)情況為例，設(shè)上平板以速度u0向右運(yùn)動(dòng)，下平板固定不動(dòng)。緊貼于上平板上的流體粘附于上平板上，其速度與上平板相同。緊貼于下平板上的流體粘附于下平板液體的粘性示意圖上，其速度為零。中間流體的速度按線性分布。我們把這種流動(dòng)看成是許多無(wú)限薄的流體層在運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)較快的流體層在運(yùn)動(dòng)較慢的流體層上滑過時(shí)，兩層間由于粘性就產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的作用。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，流層間的內(nèi)摩擦力F與流層的接觸面積A及流層的相對(duì)流速du成正比，而與此二流體層間的距離dy

5、成反比，即：F=Adu/dy (2-2)以=F/A表示內(nèi)摩擦切應(yīng)力，則有：du/dy 【 牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓內(nèi)摩擦定律】 (2-3)式中：為衡量流體粘性的比例系數(shù)，稱為絕對(duì)粘度或動(dòng)力粘度；du/dy表示流體層間速度差異的程度，稱為速度梯度。圖2-1-1 液體的粘性示意圖牛頓內(nèi)摩擦定律：牛頓內(nèi)摩擦定律： （2） 粘度：粘度是用來(lái)表示液體粘性大小的物理量。有三種表示法（動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)粘度、相對(duì)粘度）： 動(dòng)力粘度：dy動(dòng)力粘度的國(guó)際(SI)計(jì)量單位：牛頓秒/米2，符號(hào)為Ns/m2，或帕秒，符號(hào)為Pas。（F= A du / dy ）動(dòng)力粘度又稱絕對(duì)粘度，它直接表示流體的粘性即內(nèi)摩擦力的大小。動(dòng)力粘度

6、在物理意義上講，是當(dāng)速度梯度du/dy=1時(shí)，單位面積上的內(nèi)摩擦力的大小，即： 運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度：運(yùn)動(dòng)粘度是絕對(duì)粘度與密度的比值： =/ (2-5)為液體的動(dòng)力粘度 m2/s 為液體的密度 kg/m3 運(yùn)動(dòng)粘度的SI單位：米2/秒，m2/s還可用CGS（Centimeter-Gram-Second）制單位：斯(托克斯)，St斯的單位太大，應(yīng)用不便，常用1%斯，即1 厘斯來(lái)表示，符號(hào)為cSt，故： 1cSt=10-2St=10-6m2/s 粘溫特性粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱為粘溫特性。液壓油粘度對(duì)溫度的變化是十分敏感的，當(dāng)溫度升高時(shí)，其分子之間的內(nèi)聚力減小，粘度就隨之降低。不同種類的液壓油，它的粘度

7、隨溫度變化的規(guī)律也不同。我國(guó)常用粘溫圖表示油液粘度隨溫度變化的關(guān)系。對(duì)于一般常用的液壓油，當(dāng)運(yùn)動(dòng)粘度不超過76mm2/s，溫度在30150范圍內(nèi)時(shí)，可用下述近似公式計(jì)算其溫度為t的運(yùn)動(dòng)粘度：vt =V50(50/t)n t為溫度在t時(shí)油的運(yùn)動(dòng)粘度；50為溫度為50時(shí)油的運(yùn)動(dòng)粘度；n為粘溫指數(shù)。粘溫指數(shù)n隨油的粘度而變化。粘度隨溫度變化的特性 圖1-5 幾種國(guó)產(chǎn)油液粘溫圖粘度對(duì)溫度敏感溫度 粘度壓力 粘度變化量可忽略其他物理化學(xué)性質(zhì)： 抗燃性 抗凝性 抗氧化性能 抗泡沫性 抗乳化性 防銹性（隔離，含氧量） 潤(rùn)滑性 導(dǎo)熱性 相容性 純凈性2.1.2 液壓油的選用（1）對(duì)人體無(wú)害，對(duì)環(huán)境污染小，成本

8、低，價(jià)格便宜；）對(duì)人體無(wú)害，對(duì)環(huán)境污染小，成本低，價(jià)格便宜； （2）合適的粘度和良好的粘溫特性；）合適的粘度和良好的粘溫特性；（3）良好的潤(rùn)滑性和防銹性能；）良好的潤(rùn)滑性和防銹性能；（4）純凈度好，雜質(zhì)少；）純凈度好，雜質(zhì)少；（5）對(duì)系統(tǒng)所用金屬及密封件材料有）對(duì)系統(tǒng)所用金屬及密封件材料有 良好的相容性。良好的相容性。（6）對(duì)熱、氧化水解都有良好穩(wěn)定性，使用壽命長(zhǎng)；）對(duì)熱、氧化水解都有良好穩(wěn)定性，使用壽命長(zhǎng)；（7）抗泡沫性、抗乳化性和防銹性好，腐蝕性小；）抗泡沫性、抗乳化性和防銹性好，腐蝕性小；（8）比熱和傳熱系數(shù)大，體積膨脹系數(shù)小，燃點(diǎn)高，流動(dòng)點(diǎn)和凝固）比熱和傳熱系數(shù)大，體積膨脹系數(shù)小，燃點(diǎn)

9、高，流動(dòng)點(diǎn)和凝固點(diǎn)低。點(diǎn)低。 總之：粘度是第一位的。總之：粘度是第一位的。對(duì)不同的系統(tǒng)應(yīng)該突出某些方面的性能要求。對(duì)不同的系統(tǒng)應(yīng)該突出某些方面的性能要求。1. 液壓油的使用要求：液壓油的使用要求：2. 液壓油的品種 液壓油液壓油石油型石油型高水基高水基機(jī)械油機(jī)械油 汽輪機(jī)油汽輪機(jī)油 通用液壓油通用液壓油 專用液壓油專用液壓油 合成型合成型 微乳化型微乳化型 可溶性型可溶性型 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 液壓油的種類液壓油的種類 石油型液壓油石油型液壓油是以機(jī)械油為原料，精煉是以機(jī)械油為原料，精煉后加入適當(dāng)添加劑而成的。后加入適當(dāng)添加劑而成的。 機(jī)械油機(jī)械油是一種工業(yè)用潤(rùn)滑油，價(jià)格較低是一種工業(yè)用潤(rùn)滑油，價(jià)格

10、較低廉，但抗氧化性差，易產(chǎn)生粘稠膠質(zhì)阻塞廉，但抗氧化性差，易產(chǎn)生粘稠膠質(zhì)阻塞小孔，故只用于低壓系統(tǒng)且要求很低時(shí)。小孔，故只用于低壓系統(tǒng)且要求很低時(shí)。 汽輪機(jī)油汽輪機(jī)油經(jīng)深度精制后，加有抗氧化、經(jīng)深度精制后，加有抗氧化、抗泡沫等添加劑，性能優(yōu)于機(jī)械油，但抗抗泡沫等添加劑，性能優(yōu)于機(jī)械油，但抗磨性和防銹性不如通用液壓油（普通液壓磨性和防銹性不如通用液壓油（普通液壓油）。油）。 液壓油的種類液壓油的種類 通用液壓油通用液壓油是汽輪機(jī)油為基礎(chǔ)，加多是汽輪機(jī)油為基礎(chǔ)，加多種添加劑制成，抗氧化、抗磨、抗泡沫、種添加劑制成，抗氧化、抗磨、抗泡沫、粘溫性能均好，用于粘溫性能均好，用于0 040400 0C C

11、工作中低壓系工作中低壓系統(tǒng)，如一般機(jī)床。統(tǒng)，如一般機(jī)床。 專用液壓油專用液壓油用于特殊要求的場(chǎng)合，如用于特殊要求的場(chǎng)合，如高壓、中高壓等。高壓、中高壓等。 石油型液壓油屬于可燃性液壓油。石油型液壓油屬于可燃性液壓油。 液壓油的種類液壓油的種類 高水基液壓油高水基液壓油是一種以水為主要成分是一種以水為主要成分的抗燃液壓油，含油量很少（的抗燃液壓油，含油量很少（5%5%左右）。左右）。 可溶性油可溶性油：5 510%10%油和添加劑，實(shí)際油和添加劑，實(shí)際為油乳化液。為油乳化液。 合成溶液合成溶液：不含油，只有：不含油，只有5%5%左右的化左右的化學(xué)添加劑。學(xué)添加劑。 微乳化液微乳化液：含：含5%5

12、%左右添加劑和精細(xì)擴(kuò)左右添加劑和精細(xì)擴(kuò)散的油。散的油。 液壓油的種類液壓油的種類微乳化液微乳化液優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：價(jià)低、抗燃、工作溫度低、：價(jià)低、抗燃、工作溫度低、粘度變化小、體積彈性模量大、運(yùn)輸、保粘度變化小、體積彈性模量大、運(yùn)輸、保存方便。存方便。微乳化液微乳化液缺點(diǎn)缺點(diǎn)：粘度低、使用受限制、對(duì)：粘度低、使用受限制、對(duì)金屬腐蝕大。金屬腐蝕大。 液壓油的牌號(hào)液壓油的牌號(hào)3. 液壓油的選擇選用原則選用原則：（1）品種的選擇：首先根據(jù)液壓系統(tǒng)的環(huán)境首先根據(jù)液壓系統(tǒng)的環(huán)境和工作條件（工作壓力、環(huán)境溫度、運(yùn)動(dòng)和工作條件（工作壓力、環(huán)境溫度、運(yùn)動(dòng)速度和泵的要求等）選型，一般優(yōu)先選礦速度和泵的要求等）選型，一般

13、優(yōu)先選礦物油物油（2）選擇粘度等級(jí)）選擇粘度等級(jí)：選牌號(hào)（粘度），盡量：選牌號(hào)（粘度），盡量選好油。選好油。 【粘度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、效率、溫升、磨損等影響較大】具體到：液壓油的選擇 工作壓力：為了減少泄漏，工作壓力高的系統(tǒng)，應(yīng)選粘度大的； 運(yùn)動(dòng)速度：為了減輕液流的摩擦損失，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，應(yīng)選粘度小的； 環(huán)境溫度：溫度高選粘度大的； 液壓泵的類型： 液壓系統(tǒng)中泵對(duì)油的性能最敏感，主要原因是，內(nèi)部零件運(yùn)動(dòng)速度高，溫升高，壓力大，潤(rùn)滑要求高。因此應(yīng)按泵的要求來(lái)選比較合適。液壓油的選擇液壓油的選擇2.2 液體靜力學(xué)基礎(chǔ) 液壓傳動(dòng)是以液體作為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞的，因此要研究液體處于相對(duì)平衡狀

14、態(tài)下的力學(xué)規(guī)律及其實(shí)際應(yīng)用。所謂相對(duì)平衡是指液體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，至于液體本身完全可以和容器一起如同剛體一樣做各種運(yùn)動(dòng)。因此，液體在相對(duì)平衡狀態(tài)下不呈現(xiàn)粘性，不存在切應(yīng)力，只有法向的壓應(yīng)力，即靜壓力。本節(jié)主要討論液體的平衡規(guī)律和壓強(qiáng)分布規(guī)律以及液體對(duì)物體壁面的作用力。2.1.1 液體的壓力液體的壓力1. 壓力的定義（靜壓力、壓強(qiáng)）作用在液體上的力有兩種類型：一種是質(zhì)量力，另一種是表面力。 質(zhì)量力作用在液體所有質(zhì)點(diǎn)上，大小與質(zhì)量成正比，屬于這種力的有重力、慣性力等。表面力作用于液體的表面上，如法向力、切向力。表面力可以是其他物體作用在液體上的力；也可以是一部分液體作用在另一部分液體上的力

15、。對(duì)于液體整體來(lái)說，其他物體作用在液體上的力屬于外力，而液體間作用力屬于內(nèi)力。由于理想液體質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)聚力很小，液體不能抵抗拉力或切向力，即使是微小的拉力或切向力都會(huì)使液體發(fā)生流動(dòng)。因?yàn)殪o止液體不存在質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也就不存在拉力或切向力，所以靜止液體只能承受壓力。所謂靜壓力是指靜止液體單位面積上所受的法向力，用p表示。液體內(nèi)某質(zhì)點(diǎn)處的法向力F對(duì)其微小面積A的極限稱為壓力p，即：plim F/A （A0） (2-6)若法向力均勻地作用在面積A上，則壓力表示為： pF/A式中：A為液體有效作用面積；F為液體有效作用面積A上所受的法向力。靜壓力的兩個(gè)重要特征 靜壓力具有下述兩個(gè)重要特征： (1)液

16、體靜壓力垂直于作用面，其方向與該面的內(nèi)法線方向一致。 (2)靜止液體中，任何一點(diǎn)所受到的各方向的靜壓力都相等。2. 靜止液體壓力的分布靜止液體內(nèi)部受力情況可用圖右來(lái)說明。設(shè)容器中裝滿液體，在任意一點(diǎn)A處取一微小面積A，該點(diǎn)距液面深度為h。為了求得任意一點(diǎn)A的壓力，可取Ah這個(gè)液柱為分離體見圖(b)。根據(jù)靜壓力的特性，作用于這個(gè)液柱上的力在各方向都呈平衡，現(xiàn)求各作用力在方向的平衡方程。由圖可知，微小液柱頂面上的作用力為p0A，液柱本身的重力ghA，液柱底面對(duì)液柱的作用力為pA(方向向上)，則平衡方程為： pA = p0A +ghA (2-7)若液面上只受大氣壓若液面上只受大氣壓pa作用時(shí)作用時(shí)

17、pa=p0， p= pa+gh (2-8)上式是液體靜力學(xué)基本方程的另一種形式上式是液體靜力學(xué)基本方程的另一種形式靜壓力的分布規(guī)律靜止液體內(nèi)壓力的傳遞由方程式可知：（1）靜止液體中任一點(diǎn)的壓力都包含了液面上的壓力p0，且由兩部分組成。由此得出結(jié)論：在密閉容器中，由外力施加于靜止液體表面所產(chǎn)生的壓力將以等值同時(shí)傳遞到液體內(nèi)部各點(diǎn)。這就是靜壓力傳遞原理，即帕斯卡原理。（2）靜止液體中任一點(diǎn)的壓力p隨液體的深度線性分布。 液壓系統(tǒng)中，由于外力作用產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)大于液體自重產(chǎn)生的壓力，因此常常認(rèn)為在密封容器中靜止液體的壓力處處相等。即p p03. 壓力的表示和單位 液壓系統(tǒng)中的壓力就是指壓強(qiáng)，液體壓力通

18、常有絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力(表壓力)、真空度三種表示方法。（1）相對(duì)壓力或表壓力：因?yàn)樵诘厍虮砻嫔希磺形矬w都受大氣壓力的作用，而且是自成平衡的，即大多數(shù)測(cè)壓儀表在大氣壓下并不動(dòng)作，這時(shí)它所表示的壓力值為零，因此，它們測(cè)出的壓力是高于大氣壓力的那部分壓力。也就是說，它是相對(duì)于大氣壓(即以大氣壓為基準(zhǔn)零值時(shí))所測(cè)量到的一種壓力，因此稱它為相對(duì)壓力或表壓力。 （2）絕對(duì)壓力：以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)零值時(shí)所測(cè)的壓力，我們稱它為絕對(duì)壓力。 （3）真空度： 當(dāng)絕對(duì)壓力低于大氣壓時(shí)，習(xí)慣上稱為出現(xiàn)真空。因此，某點(diǎn)的絕對(duì)壓力比大氣壓小的那部分?jǐn)?shù)值叫作該點(diǎn)的真空度。如某點(diǎn)的絕對(duì)壓力為4.052104Pa(0.4大氣壓)

19、，則該點(diǎn)的真空度為0.6078104Pa(0.6大氣壓)。絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力(表壓力)和真空度的關(guān)系壓力單位 單位為帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕，符號(hào)為Pa，1Pa1N/m2。由于此單位很小，工程上使用不便，因此常采用兆帕，符號(hào)MPa。1Mpa=105Pa。 其他單位及換算關(guān)系：2.2.2 壓力決定于負(fù)載原理 密封容器內(nèi)的靜止液體，當(dāng)邊界上的壓力p0發(fā)生變化時(shí)，例如增加p，則容器內(nèi)任意一點(diǎn)的壓力將增加同一數(shù)值 p0也就是說，在密封容器內(nèi)施加于靜止液體任一點(diǎn)的壓力將以等值傳到液體各點(diǎn)。這就是帕斯卡原理或靜壓傳遞原理。 在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常是外力產(chǎn)生的壓力要比液體自重(gh)所產(chǎn)生的壓力大得多。因此可略去gh

20、 ，而認(rèn)為靜止液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力處處相等。壓力決定于負(fù)載原理根據(jù)帕斯卡原理和靜壓力的特性，液壓傳動(dòng)不僅可以進(jìn)行力的傳遞，而且還能將力放大和改變力的方向。圖所示是應(yīng)用帕斯卡原理推導(dǎo)壓力與負(fù)載關(guān)系的實(shí)例。圖中垂直液壓缸(負(fù)載缸)的截面積為A1，水平液壓缸截面積為A2，兩個(gè)活塞上的外作用力分別為F1、F2，則缸內(nèi)壓力分別為p1= F1/A1、p2= F2/A2。由于兩缸充滿液體且互相連接，根據(jù)帕斯卡原理有p1= p2。因此有： F1= F2A1/A2 上式表明，只要A1/A2足夠大，用很小的力F1就可產(chǎn)生很大的力F2。液壓千斤頂和水壓機(jī)就是按此原理制成的。如果垂直液壓缸的活塞上沒有負(fù)載，即F1=0，

21、則當(dāng)略去活塞重量及其他阻力時(shí)，不論怎樣推動(dòng)水平液壓缸的活塞也不能在液體中形成壓力。這說明液壓系統(tǒng)中的壓力是由外界負(fù)載決定的液壓系統(tǒng)中的壓力是由外界負(fù)載決定的，這是液壓傳動(dòng)的一個(gè)基本概念。2.2.3 液體對(duì)固體壁面作用力液體對(duì)固體壁面作用力 （1）作用在平壁面上的力F為： （2）曲面液壓力某方向分力 = 液體靜壓力x曲面在該方向的垂直面內(nèi)投影面積.24DFpAp24FpAPd2.3 流體動(dòng)力學(xué) 在液壓系統(tǒng)中，液壓油總是不斷流動(dòng)的，因此要研究液體在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及作用在流體上的力及這些力和流體運(yùn)動(dòng)特性之間的關(guān)系。對(duì)液壓流體力學(xué)我們只研究平均作用力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。 本節(jié)主要討論三個(gè)基本方程式

22、，即液流的連續(xù)性方程連續(xù)性方程、柏柏努力方程努力方程和動(dòng)量方程動(dòng)量方程。它們是剛體力學(xué)中的質(zhì)量守恒、質(zhì)量守恒及動(dòng)量守恒原理在流體力學(xué)中的具體應(yīng)用。前兩個(gè)方程描述了壓力、流速與流量之間的關(guān)系，以及液體能量相互間的變換關(guān)系，后者描述了流動(dòng)液體與固體壁面之間作用里的情況。液體是有粘性的，并在流動(dòng)中表現(xiàn)出來(lái)，因此，在研究液體運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，不但要考慮質(zhì)量力和壓力，還要考慮粘性摩擦力的影響。此外，液體的流動(dòng)狀態(tài)還與溫度、密度、壓力等參數(shù)有關(guān)。為了分析方便，可以簡(jiǎn)化條件，從理想液體著手，所謂理想液體是指沒有粘性的液體，同時(shí)，一般都視為在等溫的條件下把粘度、密度視作常量來(lái)討論液體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然后在通過實(shí)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)生

23、的偏差加以補(bǔ)充和修正，使之符合實(shí)際情況。2.3.1 基本概念基本概念 1、理想液體與恒定流動(dòng)、理想液體與恒定流動(dòng) 液體具有粘性，并在流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來(lái)，因此研究流動(dòng)液體時(shí)就要考慮其粘性，而液體的粘性阻力是一個(gè)很復(fù)雜的問題，這就使我們對(duì)流動(dòng)液體的研究變得復(fù)雜。因此，我們引入理想液體理想液體的概念。 理想液體：沒有粘性、不可壓縮的液體。 實(shí)際液體：具有粘性又可壓縮的液體。 處理方法：首先對(duì)理想液體進(jìn)行研究，然后再通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)所得的結(jié)論進(jìn)行補(bǔ)充和修正。這樣，不僅使問題簡(jiǎn)單化，而且得到的結(jié)論在實(shí)際應(yīng)用中扔具有足夠的精確性。2.3.1 基本概念基本概念 恒定流動(dòng)：液體運(yùn)動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化，僅是空間坐

24、標(biāo)的函數(shù)，因此又叫定常流動(dòng)或非時(shí)變流動(dòng)。如果有部分參數(shù)（壓力、速度、密度）是隨時(shí)間而變化的，就稱為非恒定流動(dòng)或非定常流動(dòng)。圖2-3-1 恒定出流與非恒定出流(a)恒定出流(b)非恒定出流2.3.1 基本概念基本概念 2. 過流斷面、流量和平均流速 過流斷面：流過液體的橫斷（截）面積。 流 量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過某一橫截面積的 液體的體積。 直管理想液體：q =u A u-流速，A-面積。 實(shí)際液體：q= 流量的單位： M3/S或L/Min。2.3.1 基本概念基本概念 3 流態(tài)和雷諾數(shù)層流、紊流、雷諾數(shù)：1883 年，英國(guó)物理學(xué)家雷諾通過實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了液體存在著兩種不同的流動(dòng)狀態(tài)層流和紊流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)

25、，液體是層流還是紊流，不僅與管內(nèi)平均流速有關(guān)，還與管子內(nèi)徑和液體粘度有關(guān)。判定液流狀態(tài)的無(wú)量綱的數(shù)，叫雷諾數(shù)Re。層流（ Re 小）：液體質(zhì)點(diǎn)互不干擾，液體的流動(dòng)呈線性或?qū)訝钋移叫杏诠艿垒S線。紊流（ Re 大）：液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章，存在著劇烈的橫向運(yùn)動(dòng)。 層流時(shí)，流速較低，質(zhì)點(diǎn)受粘性制約不能隨意運(yùn)動(dòng),粘性力起主導(dǎo)作用； 紊流時(shí)，流速較高，粘性制約作用減弱，慣性力起主導(dǎo)作用。判別判別： 液體流動(dòng)時(shí)究竟是層流還紊流，須用雷諾數(shù)來(lái)判別。2.3.2 流量連續(xù)性方程流量連續(xù)性方程連續(xù)性方程連續(xù)性方程 質(zhì)量守恒是自然界的客觀規(guī)律，不可壓縮液體的流動(dòng)過程也遵守能量守恒定律。在流體力學(xué)中這個(gè)規(guī)律用稱為連續(xù)性

26、方程的數(shù)學(xué)形式來(lái)表達(dá)的。 其中不可壓縮流體作定常流動(dòng)的連續(xù)性方程為： v1A1=v2A2由于通流截面是任意取的，則有： q =v1A1=v2A2=v3A3= =vnAn=常數(shù)常數(shù) 式中：v1，v2分別是流管通流截面A1及A2上的平均流速。結(jié)果表明通過流管內(nèi)任一通流截面上的流量相等，當(dāng)流量一定時(shí)，任一通流截面上的通流面積與流速成反比。則有任一通流斷面上的平均流速為：vi=q/Ai 2.3.3 伯努利方程伯努利方程(能量方程能量方程) 能量守恒定律在流體力學(xué)中的應(yīng)用能量守恒定律在流體力學(xué)中的應(yīng)用能量守恒定律：理想液體在管道中穩(wěn)定流能量守恒定律：理想液體在管道中穩(wěn)定流 動(dòng)時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，動(dòng)時(shí)，

27、根據(jù)能量守恒定律， 同一管道內(nèi)任一截面上的總同一管道內(nèi)任一截面上的總 能量應(yīng)該相等。能量應(yīng)該相等。 或：外力對(duì)物體所做的功應(yīng)該等或：外力對(duì)物體所做的功應(yīng)該等 于該物體機(jī)械能的變化量。于該物體機(jī)械能的變化量。1. 理想液體的伯努利方程 設(shè)液體為理想液體，且作恒定流動(dòng)。如圖所示，在理想液流中，取一段微小流束ab，a 處斷面面積為A1，所受的壓力為p1，流速為 1；b 處斷面面積為A2，所受的壓力為p2，流速為 2。設(shè)時(shí)間dt 內(nèi)，a 斷面處的液體質(zhì)點(diǎn)到達(dá)a 處，b 斷面上的液體質(zhì)點(diǎn)則到達(dá)b位置。則該段液體的功和能的變化情況如下： （1）外力所做的功： w=(p1p2) qvt =p1 A11t1p

28、2A22t2 =(p1p2)V 壓差乘流量=功率 這兩部分是相對(duì)于p0=0所具有的能量（或吸收的能量）總量總量 V （體積）：（液體的連續(xù)性原理） A11 = A22= V V是流過微小流束a、b 斷面的流量（總量）。（qv = V /t ） (2)機(jī)械能的變化(重力所做的功)：因?yàn)槭抢硐胍后w的恒定流動(dòng)，經(jīng)過t時(shí)間后，中間段未發(fā)生任何變化，液體機(jī)械能的變化僅有aa段和bb段兩段微小流束液體的能量差別上，且兩段質(zhì)量相同：m= A11 t1 = A22 t2 = qvt =V其中位能差（勢(shì)能）： EP=mgh = A22 t2 g h2 - A11t1 g h1 =gqvt (h2 - hl)=V

29、 g (h2 - hl) 其中動(dòng)能差： EK=根據(jù)力學(xué)中的動(dòng)能定律，外力對(duì)液體所作的功應(yīng)等于這段流束的動(dòng)能的增量，于是W = (p1p2)V=V g (h2 - h1) +因?yàn)閍b 斷面是任意選取的，所以伯努利方程說明了在同一流束上，所有各點(diǎn)的數(shù)值之和為常數(shù)。伯努利方程的物理意義：第一項(xiàng)為液體的壓力能；第二項(xiàng)為液體的位（勢(shì)）能；第三項(xiàng)為液體的動(dòng)能。由于三種能量都具有長(zhǎng)度單位，所以又分別稱為壓力水頭、速度水頭和位置水頭。公式說明，在密封管道內(nèi)作恒定流動(dòng)的理想液體具有三種形式的能量。它們之間可以互相轉(zhuǎn)化，但是液體在管道內(nèi)任一處，這三種能量的總和是一定的。2.實(shí)際液體伯努利方程 由于液體存在著粘性，

30、其粘性力在起作用，并表示為對(duì)液體流動(dòng)的阻力，實(shí)際液體的流動(dòng)要克服這些阻力，表示為機(jī)械能的消耗和損失，因此，當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，液流的總能量或總比能在不斷地減少。所以，實(shí)際液體微小流束的伯努力方程為 修正系數(shù)的取用 1、2：動(dòng)能修正系數(shù)，一般在紊流時(shí)取 =1，層流時(shí)取 =2。 伯努利方程的適用條件為： 穩(wěn)定流動(dòng)的不可壓縮液體，即密度為常數(shù)。 液體所受質(zhì)量力只有重力，忽略慣性力的影響。 所選擇的兩個(gè)通流截面必須在同一個(gè)連續(xù)流動(dòng)的流場(chǎng)中是漸變流（即流線近于平行線，有效截面近于平面），但兩斷面間的流動(dòng)并不必為緩變流動(dòng)。2.3.4 動(dòng)量方程 動(dòng)量方程可用來(lái)計(jì)算流動(dòng)液體作用于限制其流動(dòng)的固體壁面上的總作用力。根

31、據(jù)理論力學(xué)中的動(dòng)量定理：作用在物體上全部外力的矢量和應(yīng)等于物體動(dòng)量的變化率，即對(duì)于做恒定流動(dòng)的液體，若忽略其可壓縮性，可m= q t 將代入上式，并考慮以平均流速代替實(shí)際流速會(huì)產(chǎn)生誤差，因而引入動(dòng)量修正系數(shù)：有關(guān) F-作用在液體上所有外力的矢量和。 1 、2 是前后兩個(gè)過流斷面上的平均流速。 是動(dòng)量修正系數(shù)： 紊流時(shí)=1， 層流時(shí)=1.33. 密度， q 流量。的修正系數(shù)：2.4 液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失 實(shí)際液體具有粘性，在液體流動(dòng)時(shí)就有阻力，為實(shí)際液體具有粘性，在液體流動(dòng)時(shí)就有阻力，為了克服阻力，就必然要消耗能量，這樣就有能量了克服阻力，就必然要消耗能量，這樣就有能量損失。能量損失主要表現(xiàn)為壓

32、力損失，這就是實(shí)損失。能量損失主要表現(xiàn)為壓力損失，這就是實(shí)際液體伯努利方程中最后一項(xiàng)的意義。際液體伯努利方程中最后一項(xiàng)的意義。 壓力損失過大，將使功率消耗增加，油液發(fā)熱，壓力損失過大，將使功率消耗增加，油液發(fā)熱，泄漏增加，效率降低，液壓系統(tǒng)性能變壞。因此泄漏增加，效率降低，液壓系統(tǒng)性能變壞。因此在液壓技術(shù)中正確估算壓力損失的大小，從而找在液壓技術(shù)中正確估算壓力損失的大小，從而找到減少壓力損失的途徑到減少壓力損失的途徑.2.4.1 沿程壓力損失 沿程壓力損失除了與導(dǎo)管長(zhǎng)度、內(nèi)徑和液體的流速、粘度等有關(guān)外，還與液體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。1.層流流動(dòng)時(shí)的沿程壓力損失層流流動(dòng)時(shí)的沿程壓力損失如圖液體在一直徑

33、為d 的圓管中，自左向右作層流運(yùn)動(dòng)。在管流中取一軸線與管道軸線重合、長(zhǎng)l、半徑r 的微小圓柱體。作用在該圓柱體上的力有兩端的壓力p1、p2，在圓柱表面上作用著剪切應(yīng)力。在通流截面上的速度分布規(guī)律呈拋物體狀，由于速度分布不均勻，r =0 處（即管中心處）的流速最大，邊沿處為0，平均流速為u。則沿程壓力損失為：沿程壓力損失為：22Re6422dldlp沿程阻力系數(shù)， 的理論值為=64/Re，實(shí)際使用時(shí)，金屬管取=75/Re；橡膠管取80/Re。實(shí)驗(yàn)證明，影響紊流能量損失的因素有管徑、動(dòng)力粘度、密度、平均流速、管長(zhǎng)和管壁粗糙度等。2.紊流流動(dòng)時(shí)的沿程壓力損失紊流流動(dòng)時(shí)的沿程壓力損失),(dRfegv

34、dlp2225. 03164. 0eR光滑管：光滑管：(2.32*103=105)經(jīng)驗(yàn)公式：經(jīng)驗(yàn)公式：紊流時(shí)，阻力系數(shù)還與管壁表明粗糙度有關(guān)，為絕對(duì)粗糙度，/d為相對(duì)粗糙度。粗糙管：粗糙管：/d值查手冊(cè)2.4.2 局部壓力損失 液流流過彎頭、突然擴(kuò)大或突然縮小的管路斷面以及閥門等各種局部障礙時(shí)，會(huì)發(fā)生撞擊、脫流、旋渦等現(xiàn)象，由此而產(chǎn)生局部壓力損失。由于影響因素較多，流動(dòng)情況復(fù)雜，局部壓力損失不易從理論上進(jìn)行分析計(jì)算，因此，局部壓力損失一般靠實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。局部壓力損失阻力系數(shù)p的計(jì)算公式為：22 p局部阻力系數(shù)，各種局局部阻力系數(shù)，各種局部裝置的部裝置的值可查手冊(cè)。值可查手冊(cè)。彎頭、接頭、突變截面

35、及閥口濾網(wǎng)等的計(jì)算公式 式計(jì)算較困難，對(duì)于液流通過各種標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的局部損失，可從產(chǎn)品技術(shù)文件中查得額定流量qn 時(shí)的壓力損失pn。 若實(shí)際流量與額定流量不一致，可按下式計(jì)算pv：由于各種閥門的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按22p閥類內(nèi)局部壓力損失的計(jì)算閥的額定流量下的壓力損失閥的額定流量通過閥的實(shí)際流量閥類內(nèi)局部壓力損失的計(jì)算公式2.4.3 管路系統(tǒng)的總壓力損失 管路系統(tǒng)中的總壓力損失等于所有直管中的沿程壓力損失和局部壓力損失之和，即壓力損失增大會(huì)影響管路中的壓力效率，且這部分的壓力損失絕大部分將轉(zhuǎn)變壓力損失增大會(huì)影響管路中的壓力效率，且這部分的壓力損失絕大部分將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽斐上到y(tǒng)溫升、泄漏增加，以致影響系

36、統(tǒng)的工作性能。減小流速、縮為熱能，造成系統(tǒng)溫升、泄漏增加，以致影響系統(tǒng)的工作性能。減小流速、縮短管路長(zhǎng)度、減少管道截面的突變和彎頭數(shù)目、增加管道內(nèi)壁的光滑程度，都短管路長(zhǎng)度、減少管道截面的突變和彎頭數(shù)目、增加管道內(nèi)壁的光滑程度，都可使壓力損失減少，其中以流速的影響為最大，故流速太低會(huì)使管道和元件的可使壓力損失減少，其中以流速的影響為最大，故流速太低會(huì)使管道和元件的尺寸增加，從而使成本增加。尺寸增加，從而使成本增加。2.5 小孔及縫隙的流量 在液壓系統(tǒng)中，常遇到液體流過小孔或間隙的情況，如元件的閥口、一些元件的阻尼小孔、零件間的縫隙等。且在傳動(dòng)中常用通過改變閥口通流截面積或通過通流通道的長(zhǎng)短來(lái)控

37、制流量的節(jié)流裝置節(jié)流裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)流量控制。2.5.1 小孔的流量 如圖所示，孔的通道長(zhǎng)度l 與孔徑d 的比值l /d0.5 的孔，一般孔口邊緣都作成刃口形式，稱為薄壁小孔。液體流過薄壁小孔時(shí)，因Dd，通過斷面1-1 的流速較低，流過小孔時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)突然加速，在慣性力作用下，流過小孔后的液流形成一個(gè)收縮斷面2-2。對(duì)圓形小孔，此收縮斷面離孔口的距離約d/2，然后再擴(kuò)散。這一收縮 和擴(kuò)散過程，造成能量損失，并使油液發(fā)熱。（薄壁）小孔流量的計(jì)算 取斷面1-1及收縮斷面2-2列伯努利方程并對(duì)小孔液流進(jìn)行分析研究得到薄壁小孔的流動(dòng)公式為：Cq 小孔流量系數(shù)， Cq = CvCc， Cv流速系數(shù)；Cc 小孔

38、收縮系數(shù)， Cc=A2/AT；A2 是收縮斷面面積，AT 孔口斷面面積。Cc、Cq、Cv的值由實(shí)驗(yàn)確定，薄壁孔由于流程很短，流量對(duì)油溫的變化不敏感因而流量穩(wěn)定，宜做節(jié)流器用。但薄壁孔加工困難，實(shí)際應(yīng)用較多的是短孔。短孔的流量公式不變，但流量系數(shù)不同。 所謂細(xì)長(zhǎng)小孔，一般指小孔的長(zhǎng)徑比即是l/d 4 時(shí)的情況。液體流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)小孔時(shí)，由于粘性的作用流動(dòng)不暢，一般都是層流狀態(tài)屬于直管層流流量情況，歸納的通用計(jì)算公式為：(細(xì)長(zhǎng))小孔流量的計(jì)算A，P 小孔過流斷面和兩端壓力差； q 流經(jīng)孔口的流量；KL 由孔口幾何形狀及液體性質(zhì)決定的特性系數(shù)；m 由孔口長(zhǎng)經(jīng)比決定的指數(shù)。2.5.2 縫隙流量 在液壓系統(tǒng)中

39、，常遇到液體流過間隙的情況，如零件間的縫隙等。 當(dāng)縫隙兩端有壓力差時(shí)，形成泄漏泄漏量過大，使系統(tǒng)的油溫升高，從而影響元件和系統(tǒng)的正常工作。另外，泄漏量與壓差的乘積為功率損失，泄漏的存在將使系統(tǒng)效率降低，會(huì)影響系統(tǒng)的性能。1. 平板縫隙 當(dāng)平行平板間的縫隙充滿液體時(shí)，如果液體受到壓差的作用，液體會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)。如果沒有壓差的作用，而兩平行板間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于粘性的原因，會(huì)因剪切作用而產(chǎn)生流動(dòng)。一般情況兩種因素同時(shí)存在。 如圖中的情況，間隙為 ，且 l ，b，壓力差作用的結(jié)果是（第一部分）：壓力差：P1-P2寬度平行平板間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況壓差和剪切聯(lián)合作用下的流動(dòng) 最常見的情況為：二平行平板間既有相對(duì)

40、運(yùn)動(dòng)，縫隙兩端又存在壓差。其速度和流量是以上兩種情況的線性疊加，即環(huán)形縫隙流動(dòng) 液壓元件中，液壓缸缸體與活塞之間的 間隙、閥孔與滑閥之間的間隙中的流動(dòng)均屬這種情況。同心圓縫隙流量計(jì)算公式偏心圓縫隙流量 實(shí)際工程中，形成間隙的兩個(gè)圓柱表面的同心不易保證，往往有一定的偏心量。從上式可看出，當(dāng)從上式可看出，當(dāng) =0 時(shí)，就是同時(shí)，就是同心時(shí)的流量公式。當(dāng)心時(shí)的流量公式。當(dāng) =1 時(shí)，就是時(shí)，就是最大偏心情況下的間隙流量公式，其最大偏心情況下的間隙流量公式，其流量為同心時(shí)流量的流量為同心時(shí)流量的2.5 倍。因此在倍。因此在液壓元件中，應(yīng)盡量要求二配合表面液壓元件中，應(yīng)盡量要求二配合表面保持同心，以減少

41、泄漏量。保持同心，以減少泄漏量。2.6 液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象 在液壓系統(tǒng)中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)流體的流速在極短的瞬間發(fā)生很大變化的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致壓力的急劇變化，這就是所謂的瞬變流動(dòng)或沖擊。沖擊會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)很大的危害，應(yīng)盡量予以避免。2.6.1 液壓沖擊 在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因，液體壓力在瞬間會(huì)突然升高，產(chǎn)生很高的峰值的現(xiàn)象稱為液壓沖擊。液壓沖擊產(chǎn)生的壓力峰值往往比正常工作壓力高好幾倍，常伴有噪聲和振動(dòng)，從而損壞元件、密封、管件等，有時(shí)還會(huì)引起某些液壓元件的誤動(dòng)作。因此，必要時(shí)要作最大壓力峰值的估算。 引起液壓沖擊的原因： 1. 管道閥門突然關(guān)閉時(shí)的液壓沖擊 液流通道迅速關(guān)閉或液流迅速換向，液流速度的大小或方向突然變化時(shí)，沖擊由液流的慣性而引起。管道閥門突然關(guān)閉時(shí)的液壓沖擊 如圖所示，液體經(jīng)管道出口處如圖所示，液體經(jīng)管道出口處的閥門以速度的閥門以速度u0流出。若將閥流出。若將閥門突然關(guān)閉，則緊靠閥門口門突然關(guān)閉，則緊靠閥門口B處處的液體先停止流動(dòng)，液體的動(dòng)的液體先停止流動(dòng)，液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)為壓力能，壓力升高能轉(zhuǎn)為壓力能，壓力升高。其。其后液體也依次停止流動(dòng)，動(dòng)能后液體也依次停止流動(dòng)，動(dòng)能形成壓力波并向形成壓力波并向A傳播。此后傳播。此后B處壓力降低，形成壓力降波并處壓力降低，形成壓力降波并向向A傳播。當(dāng)傳播。當(dāng)A處先恢復(fù)初始?jí)禾幭然謴?fù)初始?jí)?/p>