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1,第二章液壓油與液壓流體力學(xué)基礎(chǔ),液體的物理性質(zhì)液體靜力學(xué)基礎(chǔ)液體動力學(xué)基礎(chǔ)液體流動時的壓力損失液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量液壓沖擊和空穴現(xiàn)象,2,液壓系統(tǒng)中完全靠液壓油把能量從液壓泵經(jīng)管路、控制閥傳遞到執(zhí)行元件，根據(jù)統(tǒng)計，許多液壓設(shè)備的故障，皆起因于液壓油的使用不當(dāng)，故應(yīng)對液壓油要有充分的了解。,第一節(jié)液體的物理性質(zhì),,,,,,3,一、液體密度：ρ＝m/V二、液體的可壓縮性：,,,,,,4,三、液體的粘性：流體流動時，沿其邊界面會產(chǎn)生一種阻止其運動的流體磨擦作用，這種產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)稱為粘性。,5,,,6,液壓油粘性對機械效率、磨耗、壓力損失、容積效率、漏油及泵的吸入性影響很大。粘性的大小用粘度表示。粘度可分為動力粘度、運動粘度和相對粘度三種。習(xí)慣上使用運動粘度標(biāo)志液體的粘度，例如機械油的牌號就是用其在400C時的平均運動粘度（mm/s2）為其標(biāo)號。,,,,,,7,油的粘性易受溫度影響，溫度上升，粘度降低，造成泄漏、磨損增加、效率降低等問題，溫度下降，粘度增加，造成流動困難及泵轉(zhuǎn)動不易等問題，如運轉(zhuǎn)時油液溫度超過60度，就必須加裝冷卻器，因油溫在60度以上，每超過10度，油的劣化速度就會加倍。,8,四、液壓油的類型與選用1.對液壓油的性能要求（1）適當(dāng)?shù)恼扯群土己玫恼硿匦?；?）有良好的化學(xué)穩(wěn)定性（氧化安定性，熱安定性及不易氧化、變質(zhì)）（3）良好的潤滑性，以減少相對運動間的磨損（4）良好的抗泡沫性（起泡少，消泡快）（5）體積膨脹系數(shù)低，閃點及燃點高（6）成分純凈，不含腐蝕性物質(zhì)，具有足夠的清潔度（7）對人體無害，對環(huán)境污染小，價格便宜,,,,,,9,2.液壓油的種類石油型、合成型和乳化型1)石油型這種液壓油是以石油的精煉物為基礎(chǔ)，加入各種為改進性能的添加劑而成。添加劑有抗氧添加劑、油性添加劑、抗磨添加劑等。不同工作條件要求具有不同性能的液壓油，不同品種的液壓油是由于精制程度不同和加入不同的添加劑而成。2)乳化型乳化液屬抗燃液壓油，它由水、基礎(chǔ)油和各種添加劑組成。分水包油乳化液和油包水乳化液。3)合成型,10,3.液壓油的選用一般是先確定適用的粘度范圍，再選擇合適的液壓油品種。同時還要考慮液壓系統(tǒng)工作條件的特殊要求可根據(jù)不同的使用場合選用合適的品種，在品種確定的情況下，最主要考慮的是油液的粘度，其選擇考慮的因素如下。（1）液壓系統(tǒng)的工作壓力：工作壓力較高的系統(tǒng)宜選用粘度較高的液壓油，以減少泄露；反之便選用粘度較低的油。例如，當(dāng)壓力p=7.0～20.0Mpa時，宜選用N46～N100的液壓油；當(dāng)壓力p＜7.0Mpa時宜選用N32～N68的液壓油。,,,,,,11,（2）運動速度：執(zhí)行機構(gòu)運動速度較高時，為了減小液流的功率損失，宜選用粘度較低的液壓油。（3）液壓泵的類型：在液壓系統(tǒng)中，對液壓泵的潤滑要求苛刻，不同類型的泵對油的粘度有不同的要求，具體可參見有關(guān)資料。（4）工作環(huán)境溫度高時選用粘度較高的液壓油，減少容積損失。總的來說，應(yīng)盡量選用較好的液壓油，雖然初始成本要高些，但由于優(yōu)質(zhì)油使用壽命長，對元件損害小，所以從整個使用周期看，其經(jīng)濟性要比選用劣質(zhì)油好些。,12,五、液壓油的污染及其控制1.污染的危害液壓油是否清潔，不僅影響液壓系統(tǒng)的工作性能和液壓元件的使用壽命，而且直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)是否能正常工作。液壓系統(tǒng)多數(shù)故障與液壓油受到污染有關(guān)，因此控制液壓油的污染是十分重要的。2.污染的原因造成液壓油污染的原因有：（1）殘留物污染（2）侵入物污染（3）生成物污染,,,,,,,13,3.污染的控制一是防止污染物侵入液壓系統(tǒng)；二是把已經(jīng)侵入的污染物從系統(tǒng)中清楚出去。(1)使液壓油在使用前保持清潔。(2)使液壓系統(tǒng)在裝配后、運轉(zhuǎn)前保持清潔(3)使液壓油在工作中保持清潔。(4)采用合適的濾油器。(5)定期更換液壓油。(6)控制液壓油的工作溫度。,14,一、液體的壓力：靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。靜壓力在液壓傳動中簡稱壓力,在物理學(xué)中則稱為壓強。,第二節(jié)液體靜力學(xué)基礎(chǔ),液體靜壓力有兩個重要特性:（1）液體靜壓力垂直于承壓面,其方向和該面的內(nèi)法線方向一致。這是由于液體質(zhì)點間的內(nèi)聚力很小,不能受拉只能受壓之故。（2）靜止液體內(nèi)任一點所受到的壓力在各個方向上都相等。,15,二、重力作用下靜止液體中的壓力分布液體靜壓力基本方程p△A=Po△A+ρgh△A式中，ρgh△A為小液柱的重力，ρ—液體的密度上式化簡后得：p=p0+ρgh,,16,液體靜壓力基本方程說明什么問題：（1）靜止液體中任何一點的靜壓力為作用在液面的壓力Po和液體重力所產(chǎn)生的壓力ρgh之和。（2）液體中的靜壓力隨著深度h而線性增加。（3）在連通器里，靜止液體中只要深度h相同其壓力都相等。p=p0+ρgh,17,應(yīng)用液體靜壓力基本方程：例1-1如圖1-3所示，容器內(nèi)盛油液。已知油的密度?=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面積A=110-3m2，假設(shè)活塞的重量忽略不計。問活塞下方深度為h=0.5m處的壓力等于多少？,,18,解:活塞與液體接觸面上的壓力均勻分布，有根據(jù)靜壓力的基本方程式（1-3），深度為h處的液體壓力=106+9009.80.5=1.0044106(N/m2)?106(Pa),,19,從本例可以看出，液體在受外界壓力作用的情況下，液體自重所形成的那部分壓力?gh相對甚小，在液壓系統(tǒng)中常可忽略不計，因而可近似認(rèn)為整個液體內(nèi)部的壓力是相等的。以后我們在分析液壓系統(tǒng)的壓力時，一般都采用這種結(jié)論。,20,三、壓力的表示方法和單位絕對壓力、相對壓力及真空度根據(jù)度量方法的不同有所謂的表壓力又稱相對壓力和絕對壓力之分。以當(dāng)?shù)卮髿鈮毫榛鶞?zhǔn)所表示的壓力稱為表壓力。以絕對零壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力稱為絕對壓力。如液體中某點處的絕對壓力小于大氣壓力，這時該點的絕對壓力比大氣壓力小的那部分壓力值，稱為真空度。所以真空度=大氣壓力-絕對壓力,,21,有關(guān)表壓力、絕對壓力和真空度的關(guān)系見圖。,,,22,,,,,,四、靜止液體內(nèi)壓力的傳遞（帕斯卡原理）,圖所示建立了一個很重要的概念，即在液壓傳動中工作的壓力取決于負載，而與流入的流體多少無關(guān)。,23,五、液體對固體壁面的作用力,1、壓力作用在平面上的總作用力當(dāng)承受壓力作用的面是平面時，作用在該面上的壓力的方向是互相平行的。故總作用力F等于油液壓力p與承壓面積A的乘積。即F=p.A。對于圖中所示的液壓缸，油液壓力作用在活塞上的總作用力為：F=p.A=p.?D2/4式中p－油液的壓力；D－活塞的直徑。,24,2、油液壓力作用在曲面上的總作用力,當(dāng)承受壓力作用的表面是曲面時，作用在曲面上的所有壓力的方向均垂直于曲面（如圖所示），圖中將曲面分成若干微小面積dA，將作用力dF分解為x、y兩個方向上的分力，即Fx＝p.dAsin?=p.AxFY=p.dAcos?=p.Ay式中，Ax、Ay分別是曲面在x和y方向上的投影面積。所以總作用力F=(Fx2+Fy2)1/2,25,第三節(jié)液體動力學(xué)基礎(chǔ)一、基本概念穩(wěn)定流動:液體流動時，若液體中任何一點的壓力，流速和密度都不隨時間變化。非穩(wěn)定流動:壓力，流速隨時間而變化的流動。理想液體:液體既無粘性又不可壓縮。實際液體：既有粘性又可壓縮。,26,跡線：跡線是流場中液體質(zhì)點在一段時間內(nèi)運動的軌跡線。流線：流線是流場中液體質(zhì)點在某一瞬間運動狀態(tài)的一條空間曲線。在該線上各點的液體質(zhì)點的速度方向與曲線在該點的切線方向重合。在非定常流動時，因為各質(zhì)點的速度可能隨時間改變，所以流線形狀也隨時間改變。在定常流動時，因流線形狀不隨時間而改變，所以流線與跡線重合。由于液體中每一點只能有一個速度，所以流線之間不能相交也不能折轉(zhuǎn)。,27,流管：某一瞬時t在流場中畫一封閉曲線，經(jīng)過曲線的每一點作流線，由這些流線組成的表面稱流管。流束：充滿在流管內(nèi)的流線的總體，稱為流束。通流截面：垂直于流束的截面稱為通流截面。流量：單位時間內(nèi)通過通流截面的液體的體積稱為流量，用q表示，流量的常用單位為升/分，L/min。,28,平均流速：在實際液體流動中，由于粘性摩擦力的作用，通流截面上流速u的分布規(guī)律難以確定，因此引入平均流速的概念，即認(rèn)為通流截面上各點的流速均為平均流速，用v來表示，則通過通流截面的流量就等于平均流速乘以通流截面積。,29,流動狀態(tài)——層流和紊流液體在管道中流動時存在兩種不同狀態(tài)，它們的阻力性質(zhì)也不相同。層流：在液體運動時，如果質(zhì)點沒有橫向脈動，不引起液體質(zhì)點混雜，而是層次分明，能夠維持安定的流束狀態(tài)，這種流動稱為層流紊流：如果液體流動時質(zhì)點具有脈動速度，引起流層間質(zhì)點相互錯雜交換，這種流動稱為紊流或湍流。,30,31,雷諾數(shù)液體流動時究竟是層流還是紊流，須用雷諾數(shù)來判別。Re=vd/ν液流的雷諾數(shù)如相同，它的流動狀態(tài)也相同。當(dāng)液流的雷諾數(shù)Re小于臨界雷諾數(shù)時，液流為層流；反之，液流大多為紊流。常見的液流管道的臨界雷諾數(shù)由實驗求得。,32,二、連續(xù)性方程,,,,,,,33,對穩(wěn)流而言，液體以穩(wěn)流流動通過管內(nèi)任一截面的液體質(zhì)量必然相等。如圖所示管內(nèi)兩個流通截面面積為A1和A2，流速分別為V1和V2，則通過任一截面的流量Q：Q=AV=A1V1=A2V2=常量即連續(xù)定理，此式還得出另一個重要的基本概念，即運動速度取決于流量，而與流體的壓力無關(guān)。,34,6、連續(xù)定理應(yīng)用及帕斯卡原理應(yīng)用：例圖所示為相互連通的兩個液壓缸，已知大缸內(nèi)徑D=100mm,小缸內(nèi)徑d=20mm,大活塞上放上質(zhì)量為5000kg的物體。問:1.在小活塞上所加的力F有多大才能使大活塞頂起重物？2.若小活塞下壓速度為0.2m/s，試求大活塞上升速度？,,,,,,35,解：1．物體的重力為G=mg=5000kg9.8m/s2=49000kgm/s2=49000N根據(jù)帕斯卡原理，由外力產(chǎn)生的壓力在兩缸中相等，即故為了頂起重物應(yīng)在小活塞上加力為=49000N=1960N,,,,,,,,,,,36,2.由連續(xù)定理：Q=AV=常數(shù)得出：故大活塞上升速度：本例說明了液壓千斤頂?shù)纫簤浩鹬貦C械的工作原理，體現(xiàn)了液壓裝置的力放大作用。,37,理想液體沒有粘性，它在管內(nèi)作穩(wěn)定流動時沒有能量損失。根據(jù)能量守恒定律有：P1/ρ+h1g+u12/2=P2/ρ+h2g+u22/2可改寫成P/ρ+hg+u2/2=常量,三、伯努利方程,1、理想液體的伯努力方程,38,伯努利方程的物理意義為：在管內(nèi)作穩(wěn)定流動的理想液體具有壓力能、位能和動能三種形式的能量。在任意截面上這三種能量都可以相互轉(zhuǎn)換，但其總和保持不變。而靜壓力基本方程則是伯努利方程（在速度為零時）的特例。,39,實際液體具有粘性，當(dāng)它在管中流動時，為克服內(nèi)摩擦阻力需要消耗一部分能量，所以實際液體的伯努利方程為：P1/ρ+h1g+u1/2=P2/ρ+h2g+u2/2+ghw,2、實際液體的泊努利方程,40,3.伯努利方程應(yīng)用舉例,計算泵吸油腔的真空度或泵允許的最大吸油高度,如圖所示，設(shè)泵的吸油口比油箱液高h，取油箱液面I－I和泵進口處截面II-II列伯努利方程，并取截面I－I為基準(zhǔn)水平面。泵吸油口真空度為：P1/γ+v12/2g=P2/γ+h+v22/2g+hwP1為油箱液面壓力，P2為泵吸油口的絕對壓力,41,一般油箱液面與大氣相通，故p1為大氣壓力，即p1=pa；v2為泵吸油口的流速，一般可取吸油管流速；v1為油箱液面流速，由于v1<4的小孔。在液壓技術(shù)中常作為阻尼孔。如圖所示。油液流經(jīng)細長小孔時的流動狀態(tài)一般為層流，因此可用液流流經(jīng)圓管的流量公式，即：Q=(πd4/128μl)Δp從上式可看出，油液流經(jīng)細長小孔的流量和小孔前后壓差成正比，而和動力粘度μ成反比，因此流量受油溫影響較大，這是和薄壁小孔不同的。,流量通用方程：q=kA△p*,62,,二、液體流過縫隙的流量兩種狀況：壓差流動剪切流動,63,,,,（1）流經(jīng)同心圓柱環(huán)形間隙的流量如圖所示可得出流經(jīng)同心圓柱環(huán)形間隙的流量為Q=vA=(Δp/12μl)δ2πdδ=(πdδ3/12μl)Δp上式即為通過同心圓環(huán)間隙的流量公式。它說明了流量與Δp和δ3成正比，即間隙稍有增大，就會引起泄漏大量增加。,1、流經(jīng)圓柱環(huán)形間隙的流量,64,在實際工作中，圓柱與孔的配合很難保持同心，往往有一定偏心，偏心量為e，通過此偏心圓柱形間隙的泄漏量可按下式計算:Q=(πdδ3/12μl)Δp(1+1.5ε2)從上式可知，通過同心圓環(huán)形間隙的流量公式只不過是ε=0時偏心園環(huán)形間隙流量公式的特例。當(dāng)完全偏心時e=δ,ε=1,此時Q＝(2.5πdδ3/12μl）Δp可見，完全偏心時的泄漏量是同心時的2.5倍。,（2）流經(jīng)偏心園環(huán)形間隙的流量,65,,液體流過圓環(huán)縫隙的流量1）ε=1時q偏=2.5q同2）ε=0時即同心圓環(huán)縫隙3）∵q與ε2成正比，ε↑q↑∴應(yīng)盡量做成同心，以減小泄漏量。,66,圖為一平面縫隙，液壓油在壓力差Δp作用下自左向右流動。此平面隙縫可以看作是同心圓環(huán)形間隙的展開，故可用平面隙縫的寬度b代替同心圓環(huán)形間隙流量公式中的?d，即得平行平面隙縫的流量公式：Q=bδ3/12μlΔp,2、流經(jīng)平面隙縫的流量,67,3、流經(jīng)平行圓盤間隙的流量,圖為相距間隙δ很小的二平行圓盤，液流由中心向四周沿徑向呈放射形流出。柱塞泵和馬達中的滑閥和斜盤之間，噴嘴擋板閥的噴嘴擋板之間以及某些靜壓支承均屬這種結(jié)構(gòu)。其流量可按下式計算：Q=πδ3Δp/6μln(R/r）R－圓盤的外半徑；r－圓盤中心孔半徑；μ－油液的動力粘度。Δp－進口壓力與出口壓力之差。,68,液體流過平行平板縫隙的流量在壓差作用下，通過固定平行平板縫隙的流量與縫隙高度的三次方成正比，這說明，液壓元件內(nèi)縫隙的大小對其泄漏量的影響是很大的。流量損失影響運動速度，而泄漏又難以絕對避免，所以在液壓系統(tǒng)中泵的額定流量要略大于系統(tǒng)工作時所需的最大流量。通常也可以用系統(tǒng)工作所需的最大流量乘以一個l.1～1.3的系數(shù)來估算。,69,第六節(jié)液壓沖擊和空穴現(xiàn)象一、液壓沖擊：在液壓系統(tǒng)中,當(dāng)油路突然關(guān)閉或換向時,會產(chǎn)生急劇的壓力升高這種現(xiàn)象。造成液壓沖擊的主要原因是液壓速度的急劇變化、高速運動工作部件的慣性力和某些液壓元件反應(yīng)動作不夠靈敏.1）迅速使油液換向或突然關(guān)閉油路，使液體受阻，動能轉(zhuǎn)換為壓力能，使壓力升高。2）運動部件突然制動或換向，使壓力升高。,,,,,,,70,一、液流通道迅速關(guān)閉時的液壓沖擊,如圖所示，液體自一具有固定液面的壓力容器沿長度為l，直徑為d的管道經(jīng)出口處的閥門以速度v0流出。諾將閥門突然關(guān)閉，此時緊靠閥門口B處的一層液體停止流動，壓力升高?p。其后液體也依次停止流動，動能形成壓力波,并以速度c向A傳播。此后B處壓力降低?p，形成壓力降波，并向A傳播。而后當(dāng)A處先恢復(fù)初始壓力，壓力波又傳向B。則如此循環(huán)使液流振蕩。振蕩終因摩擦損失而停止。,71,讓我們計算閥門關(guān)閉時的最大壓力升高值?p。設(shè)管路斷面積為A1，管長為l，壓力波從B傳到A的時間為t，液體密度為?，管中的起始流速為v0，則有：?p=?v0.1/t=?cv0式中c=1/t為壓力波傳播速度。如閥門不是完全關(guān)閉，而是使流速從v0降到v1則有：?p=?c(v0-vt)=?c?v當(dāng)閥門關(guān)閉時間tT=21/c時稱為不完全沖擊，此時壓力峰值比完全沖擊時低。,72,,產(chǎn)生液壓沖擊時,系統(tǒng)中的壓力瞬間就要比正常壓力大好幾倍,特別是在壓力高、流量大的情況下,極易引起系統(tǒng)的振動、噪音甚至導(dǎo)管或某些液壓元件的損壞,既影響系統(tǒng)的工作質(zhì)量又會縮短其使用壽命。還要注意的是由于壓力沖擊產(chǎn)生的高壓力可能使某些液壓元件產(chǎn)生誤動作,而損壞設(shè)備。減少液壓沖擊的措施：1.延長閥門關(guān)閉和運動部件制動換向時間2.限制管道流速及運動部件速度3.適當(dāng)加大管道直徑，盡量縮短管道長度4.采用軟管，以增加系統(tǒng)的彈性,73,二、空穴現(xiàn)象：如果某處的壓力低于空氣分離壓時，原先溶解在液體中的空氣就會分離出來，導(dǎo)致液體中出現(xiàn)大量氣泡的現(xiàn)象，稱為空穴現(xiàn)象。壓力油流過節(jié)流口、閥口或管道狹縫時，速度升高，壓力降低；液壓泵吸油管道較小，吸油高度過大，阻力增大，壓力降低；液壓泵轉(zhuǎn)速過高，吸油不充分，壓力降低。,,,,,,74,,如果液壓系統(tǒng)中發(fā)生了空穴現(xiàn)象,液體中的氣泡隨著液流運動到壓力較高的區(qū)域時,氣泡在較高壓力作用下將迅速破裂,從而引起局部液壓沖擊,造成噪音和振動,另一方面,由于氣泡破壞了液流的連續(xù)性,降低了油管的通油能力,造成流量和壓力的波動,使液壓元件承受沖擊載荷,影響其使用壽命。同時氣泡中的氧也會腐蝕金屬元件的表面,我們把這種因發(fā)生空穴現(xiàn)象而造成的腐蝕叫汽蝕。,75,,措施：1.減小小孔或縫隙前后的壓力降2.降低泵的吸油高度，適當(dāng)加大吸油管內(nèi)徑，限制吸油管內(nèi)液體的流速，盡量減少吸油管路中的壓力損失3.管路要有良好的密封，防止空氣進入,76,在圖所示液壓缸裝置中，d1=20mm，d2=40mm，D1＝75mm，D2=125mm，qvl=25L／min。求v1、v2和qv2各為多少？,77,如圖所示，油管水平放置，截面1－1、2－2處的內(nèi)徑分別為d1＝5mm，d2=20mm，在管內(nèi)流動的油液密度?=900kg／m3，運動粘度?=20mm2/s。若不計油液流動的能量損失，試解答：,78,（1）截面1－1和2－2哪一處壓力較高？為什么？（2）若管內(nèi)通過的流量qv＝30L／min，求兩截面間的壓力差?p。,