导图社区 第二章 液压流体力学基础
液压流体力学基础，详细的总结了液压介质，液体静力学，液体动力学基础，液体流动时的压力损失，小孔和缝隙流量。
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第二章 液压流体力学基础
第一节 液压介质
一.液压介质的性质
1.密度
概念：单位体积液体的质量
实际计算时一般取900kg/m3
2.可压缩性
概念：液体受压力作用而发生体积减小的性质
可压缩系数k的倒数称为液体的体积弹性模量，表示为K
K值越大，液体抵抗压缩能力越强
常温下，一般认为油液不可压缩
当液压油中混入空气时，其抗压缩能力显著下降
3.黏性
1）黏性的物理本质
概念：液体在外力作用下流动时，分子间内聚力阻止分子见相对运动而产生的内摩擦力
液体流动时才会呈现黏性
2）黏度
概念：液体黏性的大小
分类
（1）动力黏度（绝对黏度）
物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，相互接触液层间单位面积上的内摩擦力
法定计量单位：Pa·s（帕·秒）
（2）运动黏度
概念：动力黏度与该液体密度的比值，无物理意义
法定计量单位：m2 /s(斯)，工程上常用mm2/s（厘斯）
表示油的黏度等级
（3）条件黏度
相对黏度
我国采用恩氏黏度，为其他流体相对于水的黏度
3）黏度与温度的关系
油液对温度变化极为敏感，油温升高，油液黏度降低
黏温特性：油液黏度随温度变化的性质
油液黏度变化直接影响液压系统的性能和泄漏量
4）黏度与压力的关系
液体所受压力增大时，分子间距减小，内聚力增大，黏度随之增大
黏压特性
压力对黏度影响不大，可忽略不计
4.其他性质
相容性等
二.液压油的选用
1.液压油的使用要求
作用
一 传递能量的介质
二 润滑运动零件表面
要求：黏温特性好，润滑性能好，质地纯净，相容性好，氧化稳定性好，抗泡沫性和抗乳化性好，闪点与燃点高，流动点与凝固点低，对人体无害，成本低
2.液压油的品种
矿油型
优点：润滑性、防锈性好，黏度等级范围广等
主要缺点：可燃
全损耗系统用油是一种机械润滑油，价格低廉，制作精度低，抗氧化稳定性差，故仅于低压系统且要求不高时作为代用油
乳化型
合成型
3.液压油的选择
先选黏度，再选品种
选择黏度
（1）压力高，黏度大
（2）运动速度高，黏度小
（3）温度高，黏度大
三.液压油的污染及控制
1.污染物的种类及其危害
1）固体颗粒污染物
振动、噪声
堵塞阀类元件小孔或缝隙
擦伤密封件，增加泄露
2）水（当油液中含量超过0.05%时，就会产生严重危害）
腐蚀金属表面（水的最大危害）
加速油液氧化变质
引起阀芯黏滞与过滤器堵塞
3）空气
降低油液体积弹性模量
使油液氧化变质，降低润滑
产生气蚀现象，加剧元件损坏，使系统出现振动、噪声、爬行
4）化学污染物
腐蚀金属表面
增加油液污染度
5）污染能量
2.油液污染等级
3.污染的控制
第二节 液体静力学
一.液体的静压力及其特征
1.液体的静压力
概念：静止液体单位面积上所受的法向力
2.液体静压力的特征
（1）液体的静压力沿着内法线方向作用于承压面，即垂直并指向承压面
（2）静止液体内任一点所受的静压力在各个方向均相等，即各向压力相等
二.静压力的基本方程及表示方法
（1）静压力基本方程
重力作用下静止液体的压力分布特征
（1）静止液体内任一点处压力均由两部分组成
（2）静止液体内的压力随液体深度呈线性分布
（3）离液面深度相同的各点组成了等压面，此等压面为一水平面
（2）压力的表示方法和单位
绝对压力：以绝对真空为衡量基准所得的压力
相对压力：以一个大气压作为度量压力的基准
物体受外界压力作用时，由液体自重形成的压力相对甚小，在计算中可忽略不计，进而可近似认为整个液体内部压力相等
三.静止液体内压力的传递
帕斯卡原理（静压传递原理）
在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点
液体内压力与负载之间总保持正比关系，即静止液体内的压力取决于负载
四.液体对固体壁面的作用力
平面
总作用力=液体压力×受作用的面积
曲面
液体压力在该曲面上x方向上总作用力=液体压力×曲面在该方向投影面积
第三节 液体动力学基础
一.基本概念
1.理想液体和恒定流动
液体具有黏性，黏性仅在液体流动时体现
理想液体：研究液体流动时，假设既无黏性又不可压缩的液体
恒定流动（稳定流动或定常流动）：液体流动时，液体任一点处的压力、速度与密度不随时间变化
2.过流断面、流量和平均流速
过流断面（通流断面）：垂直于流动方向的截面
流量（体积流量）：单位时间内流过某一过流断面的液体体积，用Q表示，常用单位m3/s或L/min
3.层流、紊流和雷诺数
液体流动状态（通过雷诺实验观察）
层流（阀口小）
黏性力起主导作用
紊流（阀口大）
惯性力起主导作用
雷诺数Re
概念：液体在圆管中流动状态与平均流速、管道内径、液体运动黏度有关，这三个参数组成雷诺数这一无量纲数，Re=（平均流速×管道内径）/液体运动黏度
上临界雷诺数
液流由层流变为紊流时的雷诺数
（下）临界雷诺数
液流由紊流变为层流时的雷诺数
当液流实际雷诺数小于临界雷诺数时，为层流；反之，为紊流
物理意义：液流的惯性力对黏性力的无因次比
对于非圆截面管道，Re=4vR/运动黏度，R为过流断面水力半径=有效过流面积A与其湿周（有效截面周界长度）x之比
二.连续性方程
据质量守恒定律，单位时间内流入过流断面1、2的液体质量相等
概念：当忽略液体可压缩性时，vA=常数
不可压缩液体于管道内做恒定流动时，流过各个断面流量相等，因而流速与过流断面面积成反比
对于分支管路液体不连续
三.伯努利方程
1.理想液体的伯努利方程
理想液体在管道中流动时，同一管道内任一截面上总能量应相等
外力所作的功仅是两断面压力所作功的代数和
表示：p1+rgh1+(rv1^2)/2=p2+rgh2+(rv2^2)/2或p+rgh+(rv^2)/2=常数
物理意义：在密闭管道内做恒定流动的理想液体具有三种形式能量：压力能、位能、动能。在流动的过程中三种能量可互相转化，但各个断流面上三种能量之和恒为定值，即能量守恒
2.实际液体的伯努利方程
设单位体积液体在两断面间流动流量损失为Dpw
动能修正系数取值：当液流为紊流时a=1，层流时取a=2
表示：p1+rgh1+(ra1v1^2)/2=p2+rgh2+(ra2v2^2)/2+Dpw
应用条件
（1）液体恒定流动
（2）断面1、2顺流选取（否则Dpw为负值），且应选于过流断面（若为渐变面，流线几乎为相互平行的直线运动）上
（3）液体所受力仅为压力与重力（忽略惯性）
（4）液体连续、不可压缩
（5）两通流截面间流量保持不变
四.动量方程
动量修正系数b，当紊流时取1，层流取1.33，通常取b=1
表达：åFx=rQ(b2v2x-b1v1x)
液体以同样大小的力反方向作用于使其流速发生变化的物体上
第四节 液体流动时的压力损失
一.沿程压力损失（等径直管中因黏性摩擦产生的压力损失）
1.层流时的沿程压力损失
1）过流断面上的流速分布规律
2）通过管道的流量
3）管道内的平均流速
4）沿程压力损失
表达：Dpl=l（l/d）(rv^2)/2
沿程阻力系数：l
圆管理论值64/Re
金属管实际值75/Re
橡胶管实际值80/Re
2.紊流时的沿程压力损失
沿程阻力系数除与雷诺数有关还与管壁表面粗糙度有关
光滑管
l=0.3164Re^-0.25
粗糙管
查表
二.局部压力损失
概念：液体流经管道弯头、接头、突变截面以及阀口、滤网等局部装置时，液体产生漩涡并发生强烈紊动现象，产生流动阻力，由此而造成压力损失
表达：Dpx=x（rv^2）/2
x为局部阻力系数，可查手册
当流经阀的实际流量Q不等于额定流量时，实际计算公式为Dpx=Dps（Q/Qs）^2
三.管路系统的总压力损失
概念：所有沿程压力损失与所有局部压力损失之和
表达：åDp=åDpl+åDpx+åDpv=ål（l/d）(rv^2)/2+åx（rv^2）/2+åDpn（Q/Qs）^2
绝大多数压力损失将转变为热能，造成系统温度升高，液体黏度降低，泄露增大，使系统能量损失进一步增加
减少压力损失
减小流速（与压力损失关系更为密切）
缩短管道长度
减少管道截面突变
提高管道内壁加工质量
压力部位
吸油路、回油路、压力管路等
第五节 小孔和缝隙流量
一.小孔流量
1.薄壁孔(l/d£0.5)
流量受油温影响很小，且非线性
由于惯性作用，液流通过小孔时发生收缩现象，然后在扩散，在靠近孔口后方出现收缩最大过流断面
当孔前通道直径与小孔直径之比d1/d³7时，流束的收缩作用不受孔前通道内壁影响，此时收缩称为完全收缩。
当d1/d<7时，孔前通道对小孔起导向作用，称为不完全收缩
流量公式：Qv=A2v2=CvCcATÖ(2Dp/v)=CdATÖ(2Dp/r)
Cd为流量系数，Cd=CvCc
Cc为收缩系数，Cc=A2/AT=d2^2/d^2
A2为收缩断面面积
AT为小孔过流断面面积
当孔前后压差发生相同变化时，薄壁孔流量变化率较小，故常以薄壁小孔做节流孔
2.短孔（0.5<l/d£4）和细长孔(l/d>4)
短孔
常做固定节流器
细长孔
流动状态多为层流
流量与黏度有关，受油温影响，一次方程且正比
通用公式：Qv=CATDp^j
AT为过流断面面积
Dp为两端压力差
C为孔的形状、尺寸与液体性质决定的系数
细长孔：C=d ^2/(32ml)
薄壁孔与短孔：C=CdÖ（2/r）
j为由孔长径比决定的指数
薄壁孔：0.5
细长孔：1
二.缝隙流量（均为层流）
1.平行平板缝隙的流量
1）流过固定平行平板缝隙（压差流动）的流量
2）流过相对运动平行平板缝隙（剪切流动）的流量
2.圆环缝隙的流量
1）流过同心圆环缝隙的流量
2）流过偏心圆环缝隙的流量
3.圆锥环形缝隙的流量及液压卡紧现象
倒锥的液压侧向力使偏心距增大，当液压侧向力足够大时，阀芯将紧贴在孔的壁面上，产生液压卡紧
顺锥的液压侧向力则力求使偏心距减小，阀芯自动定心，不会出现液压卡紧
第六节 液压冲击和气穴现象
一.液压冲击
概念：液压系统中由于某些原因液体压力突然急剧上升，形成高压力峰值
1.液压冲击产生的原因与危害性
原因
迅速换向使液流大小或方向发生突然变化
介质产生空穴
危害
损坏密封装置、管道或液压元件
引起设备振动，产生噪声
使某些液压元件（压力继电器、顺序阀等）产生误动作
2.减小液压冲击的措施
（1）延长阀门关闭和运动部件制动换向时间
（2）限制管道流速及运动部件速度
（3）适当加大管道直径，尽量缩短管路长度
（4）采用软管，增加系统弹性
二.气穴现象（空穴现象）
1.气穴现象的机理及危害
机理：液压系统中，若某处压力低于空气分离压，原先溶解在液体中的空气会分离出来，导致液体中出现大量气泡
（1）造成流量与压力不稳定
（2）引起局部高温和液压冲击，产生振动与噪声
（3）气蚀降低液压元件工作性能，大大缩减其寿命
气蚀：当附着在金属表面上的气泡破灭时，产生局部高温、高压使金属表面疲劳，长时间会造成金属表面侵蚀与剥落，甚至出现海绵状小洞穴
2.减少气穴现象的措施
（1）减小阀孔或其他元件前后的压力降，一般使前后压力比值p1/p2<3.5
(2)降低泵的吸油高度，适当加大吸油管内径，尽量少用弯头，防止管道截面变形
（3）各元件连接处要密封可靠，防止空气进入
（4）对易受气蚀损害元件（泵的配流盘等），采用抗腐蚀能力强的金属材料
（5）液压泵转速不能过高，以防吸油不充分
