液壓與氣動技術(shù)第一節(jié)流體傳動的工作介質(zhì)第二節(jié)液體靜力學第三節(jié)液體動力學第四節(jié)液體流動時的壓力損失第五節(jié)小孔和縫隙流量第六節(jié)液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象

流體力學基礎第一節(jié)流體傳動的工作介質(zhì)一、液壓油的主要性質(zhì)液壓油一般為礦物油。在液壓傳動及控制中起到傳遞能量和信號及潤滑、冷卻和防銹作用。１.液體的密度：單位體積液體的質(zhì)量稱為液體的密度，用ρ表示，即(2-1)式中

V--體積(m3)；m——質(zhì)量(Kg)。２.液體的可壓縮性液體在壓力作用下體積減小的這種性質(zhì)稱為液體的可壓縮性。３.液體的粘性(1)物理本質(zhì)液體在外力作用下流動時，由于分子間的內(nèi)聚力會阻止其相對運動，就產(chǎn)生了一種內(nèi)摩擦力，把液體的這一特性稱為液體的粘性。(2)牛頓液體內(nèi)摩擦定律兩平行平板間充滿液體，下平板保持不動，上平板以速度ｕ0向右平移。由于液體存在粘性以及液體和固體壁面間的附著力，液體內(nèi)部各層間的速度將呈階梯狀分布。內(nèi)摩擦力：式中：η—粘性系數(shù)(粘度)A—液層接觸面積

du/dy—速度梯度—牛頓內(nèi)摩擦定律——兩液層的速度差——兩液層間的距離切應力:（3）粘度三種表示方法：2)運動粘度

單位：N.s/m2=Pa.S

（帕秒）單位：m2/s

(此單位太大)1)動力粘度=106mm2/s

用40℃時運動粘度的平均值來標志的。例：20號機械油ν=17~23mm2/s（cSt，厘斯）換算關系：

1m2/s=104St=106cSt(=106mm2/s)

斯(cm2/s)厘斯(mm2/s)3)相對粘度(恩氏粘度)式中：t1

–tOC油流出的時間

t2－20OC蒸餾水流出時間恩氏粘度與運動粘度的換算關系

通常以20、40、100OC作為標準測定溫度，記為：200mlφ=2.8mm恩氏粘度計（3）粘度與溫度的關系

粘溫特性：T↑μ↓粘度的影響：μ

大，阻力大，能耗↑

μ

小，油變稀，泄漏↑限制油溫：T↑↑，加冷卻器

T↓↓，加熱器粘

溫

圖（4）壓力對粘度的影響

p↑μ

↑

實際應用時忽略不計。對人體無害且成本低廉；粘度適當，粘溫特性好；潤滑性能好，防銹能力強；質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少；對金屬和密封件的相容性好；氧化穩(wěn)定性好，不變質(zhì)；抗泡沫性和抗乳化性好；體積膨脹系數(shù)?。蝗键c高，凝點低等。二、液壓油的選用液壓油的品種三、液壓油的選擇１.油液品種的選擇２.選擇粘度等級

1）按工作壓力p高，選η大；p低，選η小

2）按環(huán)境溫度T高，選η大；T

低，選η小

3）按運動速度

v高，選η?。籿

低，選η大4）液壓泵的類型

其他:環(huán)境（污染、抗燃）、經(jīng)濟（價格、使用壽命）特殊要求（精密機床、野外工作的工程機械）第二節(jié)液體靜力學1.液體的壓力2.靜止液體壓力的分布3.壓力的表示和單位4.壓力決定于負載5.液體對固體壁面的作用力1.液體的壓力液體單位面積上所受的法向力稱為壓力。（在物理中稱為壓強）壓力通常以p表示。

p＝F/A（2-22）1)液體壓力的方向總是沿著內(nèi)法線方向作用于承壓面的。2)靜止液體內(nèi)任一質(zhì)點的壓力在各個方向上都相等壓力的法定計量單位為Pa（帕，N／m2）工程上常用MPa（兆帕）換算關系：1MPa＝106Pa2.靜止液體壓力的分布

p=po+ρgh

（2-23）1)靜止液體內(nèi)部任一點處的壓力ｐ都由液面上的壓力ｐ０和該點以上液體自重形成的壓力ρｇｈ兩部分組成。２）靜止液體內(nèi)的壓力ｐ隨液體深度ｈ呈線性規(guī)律分布。

3.壓力的表示和單位以絕對真空為基準來度量的壓力，叫做絕對壓力；以大氣壓力為基準來度量的壓力，叫做相對壓力;若液體中某點的絕對壓力小于大氣壓力，那么比大氣壓力小的那部分數(shù)值叫做真空度。壓力的國際單位制單位是Ｐａ（帕），還有非國際單位制單位，如工程大氣壓為ａｔ（ｋｇｆ／ｃｍ２）、毫米汞柱（ｍｍＨｇ）等。4.壓力決定于負載外加負載Ｆ作用在橫截面積為Ａ的活塞上，容器內(nèi)深度為ｈ處液體的壓力ｐ與負載Ｆ之間總是保持著正比關系，即由此可見，液體內(nèi)部的壓力是由外界負載作用所形成的，即壓力決定于負載5.液體對固體壁面的作用力

當固體壁面為曲面時，液體壓力在該曲面某方向ｘ上的總作用力Ｆｘ等于液體壓力ｐ與曲面在該方向投影面積Ａｘ的乘積，即Ｆｘ＝ｐＡｘ一、液體動力學基本概念1.理想液體和恒定流動1)理想液體與實際液體在研究流動液體時，把假設的既無粘性又不可壓縮的液體稱為理想液體。2)恒定流動與非恒定流動當液體流動時，如果液體中任一點處的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，則液體的這種流動稱為恒定流動；反之，若液體中任一點處的壓力、速度和密度中有一個隨時間而變化，則流體的這種流動就稱為非恒定流動。2.過流斷面、流量和平均流速液體在管道中流動時，其垂直于流動方向的截面稱為過流斷面或通流截面。單位時間內(nèi)流過某一過流斷面的液體體積稱為體積流量。該流量用ｑＶ表示，單位為ｍ３／ｓ或Ｌ／ｓ。平均流速:假設通流截面上各點的流速均勻分布，液體以此均布流速ｖ流過通流截面的流量等于以實際流速流過的流量，即

在實際的工程計算中，平均流速才具有應用價值。液壓缸工作時，活塞的運動速度就等于缸內(nèi)液體的平均流速，當液壓缸有效面積一定時，活塞運動速度由輸入液壓缸的流量決定。3.流態(tài)和雷諾數(shù)液體在管道中流動時存在兩種流動狀態(tài)，即層流和湍流液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內(nèi)的平均流速ｖ有關，還與管道的內(nèi)徑ｄ、液體的運動粘度ν有關。而用來判別液體流動狀態(tài)的是由這三個參數(shù)所組成的一個無量綱數(shù)———雷諾數(shù)Ｒｅ，即液流由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的雷諾數(shù)和由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r的雷諾數(shù)是不相同的，所以一般都用后者作為判別液流狀態(tài)的依據(jù)，稱為臨界雷諾數(shù):記為ＲeDKP。對于非圓形截面的管道，Ｒｅ可用下式計算ｄＨ為過流斷面的水力直徑二、流量連續(xù)性方程流量連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學中的一種表達形式。ｑV＝ｖＡ＝常量（2-34）這是液流的流量連續(xù)性方程，它說明恒定流動中流過各截面的不可壓縮流體的流量是不變的。液體的流速和通流截面的面積成反比。三、伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的一種表達形式。1.理想液體伯努利方程故1)外力所做的功2)液體機械能的變化伯努利方程的物理意義是：在密閉管道內(nèi)作恒定流動的理想液體具有三種形式的能量，即壓力能、位能和動能。在液體流動過程中，三種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，但在各個過流斷面上三種能量之和恒為定值。2.實際液體伯努利方程應用伯努利方程時必須注意以下兩點：1)過流斷面１、２需要在順流方向進行選?。ǚ駝tΔｐｗ為負值），且應選在緩變的過流斷面上。2)斷面中心在基準面以上時，ｈ取正值；反之取負值。通常選取特殊位置的水平面作為基準面。四、動量方程動量定理，作用在物體上全部外力的矢量和應等于物體在力作用方向上的動量的變化率(2-42)為液體作穩(wěn)定流動時的動量方程，該方程表明：作用在液體控制體積上的外力總和ΣＦ等于單位時間內(nèi)流出與流入控制表面的液體的動量之差。按動量方程求得流動液體作用在固體壁面上的作用力，此作用力又稱為穩(wěn)態(tài)液動力，簡稱液動力。在指定方向ｘ上的穩(wěn)態(tài)液動力計算公式為第四節(jié)液體流動時的壓力損失壓力損失可分為兩類：沿程壓力損失和局部壓力損失。液體在等徑直管中流動時因粘性摩擦而產(chǎn)生的壓力損失，稱為沿程壓力損失。液體流經(jīng)管路的彎頭、接頭、突變截面以及閥口、濾網(wǎng)等局部裝置時，液流會產(chǎn)生旋渦，并發(fā)生強烈的湍流現(xiàn)象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失。一、沿程壓力損失1.層流時的沿程壓力損失式中λ———沿程阻力系數(shù)。液體在層流時，沿程阻力系數(shù)的理論值λ＝64／Ｒe，對金屬管取λ＝75／Ｒｅ，橡膠管λ＝80／Ｒｅ。2.湍流時的沿程壓力損失

1)湍流時計算沿程壓力損失的公式在形式上與層流時相同;2)式（2-44）中的阻力系數(shù)λ除與雷諾數(shù)Ｒｅ有關外，還與管壁的表面粗糙度有關。即λ＝ｆ（Ｒｅ，Δ／ｄ）；

這里的Δ為管壁的絕對表面粗糙度，它與管徑ｄ的比值Δ／ｄ稱為相對表面粗糙度。

對于光滑管，當2.32×103≤Ｒｅ＜105時，λ＝0.3164Ｒｅ－0.25；

對于粗糙管，λ的值可以根據(jù)不同的Ｒｅ和Δ／ｄ從有關液壓傳動設計手冊中查出。二、局部壓力損失液體流經(jīng)管路的彎頭、接頭、突變截面以及閥口、濾網(wǎng)等局部裝置時，液流會產(chǎn)生旋渦，并發(fā)生強烈的湍流現(xiàn)象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失。局部壓力損失Δｐξ的計算公式：式中ξ———局部阻力系數(shù)。閥類元件局部壓力損失Δｐｖ的實際計算常采用的公式為：三、管路系統(tǒng)的總壓力損失整個管路系統(tǒng)的總壓力損失應為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即第五節(jié)小孔和縫隙流量液壓傳動中常利用液體流經(jīng)閥的小孔或縫隙來控制流量和壓力，以達到調(diào)速和調(diào)壓的目的。液壓元件的泄漏也屬于縫隙流動。長徑比：小孔的通流長度ｌ和孔徑ｄ之比。薄壁小孔：長徑比lｄ≤0.5；細長孔：長徑比lｄ＞４；短孔：長徑比0.5＜ｌ／ｄ≤４時。薄壁孔由于流程很短，流量對油液溫度的變化不敏感，因而流量穩(wěn)定，宜做節(jié)流器用。1)液體流經(jīng)薄壁小孔利用實際液體的伯努利方程對時的能量變化進行分析，結(jié)論:流經(jīng)薄壁小孔的流量q與小孔的過流斷面面積AT及小孔兩端壓力差的平方根Δp1/2成正比，即:

2)流經(jīng)細長孔的液流由于粘性而流動不暢，故多為層流。其流量計算可以作為圓管層流流量推導出來。最后，我們可以歸納出一個通用公式式（2-51）常作為分析小孔的流量壓力特性之用。

二、縫隙流量

構(gòu)成運動副的一些運動件與固定件之間存在著一定縫隙，縫隙兩端的液體存在壓力差時形成縫隙流動，即泄漏。平板縫隙

環(huán)縫隙的流量1.平板縫隙兩平行平板縫隙間液體受到壓力差Δｐ＝ｐ１－ｐ２的作用，液體將會產(chǎn)生流動。如δ為縫隙高度，已知ｂ和ｌ為縫隙寬度和長度，流過相對運動平板縫隙的流量為壓差流量和剪切流量兩者的代數(shù)和，即:當平行平板承受剪切作用時，其流量值為平板縫隙中既有壓差流動又有剪切流動時2.環(huán)縫隙的流量在液壓元件中，液壓缸的活塞和缸孔、液壓閥的閥芯和閥孔之間，都存在圓環(huán)縫隙。（1）同心圓環(huán)縫隙的流量（2）偏心圓環(huán)縫隙的流量

第六節(jié)液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象一、液壓沖擊:在液壓系統(tǒng)中，因某種原因造成液體壓力在一瞬間突然升高時，會產(chǎn)生一個很高的壓力峰值的現(xiàn)象稱為液壓沖擊。1.液壓沖擊危害：引起振動和噪聲損壞密封裝置、管路和液壓元件使某些液壓元件（如壓力繼電器、順序閥等）產(chǎn)生誤動作造成設備事故。2.減小液壓沖擊的措施延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間，采用換向時間可調(diào)的換向閥限制管路流速及運動部件的速度，管路流速控制在4.5ｍ／ｓ以內(nèi)適當增大管徑，降低流速，減小壓力沖擊波傳播速度縮短管道長度，減小壓力波的傳播時間用橡膠軟管或在沖擊源處設置蓄能器，吸收沖擊的能量在容易出現(xiàn)液壓沖擊的地方，安裝限制壓力升高的安全閥二、氣穴現(xiàn)象1.氣穴現(xiàn)象

又稱為空穴現(xiàn)象。在液壓系統(tǒng)中，如果某點處的壓