页数：49页文件大小：2.29 MB来源： 车辆液压传动与控制技术ppt课件
本课件系统讲授车辆液压传动的流体力学基础，包括液体静力学、帕斯卡原理、液流连续性方程与伯努利方程，分析沿程与局部压力损失、小孔及缝隙的流量计算，并讨论液压冲击与空穴现象的成因及防治，最后介绍液压传动介质的黏度特性与选用。
第二章车辆液压传动基础液体是怎样传递压力的？液体中的压力来源：
2.1液压传动的流体力学基础1．液体静力学基础静止液体的性质主要是讨论其处于静止状态或相对静止状态的液体受力平衡问题。1）液体的压力液体的压力是指液体在单位面积上所受的作用力。设液体在面积A(m2)上所受的作用力为P(N)，则液体的压力p为
如果液体中各点的压力不均等，则液体中某一点的压力可取该点附近的极限值表示，即由于液体不能抵抗切向力，所以液体的压力垂直于承受压力的表面，并且在静止液体中，任何一点所受的各方向的压力都相等。
2）绝对压力和相对压力 图2.2绝对压力和相对压力示意图设如图2.2所示的容器中盛有液体，液面上的压力为大气压力，液面下深度为h处的一点a所承受的作用力，比液面处多出高度为h的液体的重力。因此a点液体所受的压力为式中——液体的重度；——液体的绝对压力。在一般液压传动中，通常所谓的液体压力是指相对压力，用压力表测量出的压力也是相对压力。
3）压力的传递 当盛放在密封容器内的液体，其外加压力发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体内任一点的压力，均将发生同样大小的变化；即在密封容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体的各点，此即为静压传递原理，或称帕斯卡原理。图2.4所示是运用帕斯卡原理寻找推力和负载间关系的实例。按帕斯卡原理有图2.4帕斯卡原理应用实例如果垂直液压缸的活塞上没有负载，则当略去活塞重力及其他阻力不计时，不论怎样推动水平液压缸的活寒，也不能在液体中形成压力，说明液压系统中的压力是由外界负载决定的，这是液压传动中的一个基本概念。
2．液体动力学基础 液压系统中的油液在压力差的作用下，不断流动着，因此我们除了研究静止油液的基本力学规律外，还必须讨论流动油液的力学规律。1）理想液体和恒定流动一般把既无黏性亦无可压缩性的假想液体称为理想液体，而把事实上既有黏性又有可压缩性的液体称为实际液体。液体流动时，如液体中任何点处的压力、速度和密度都不随时间变化，就称为液体作恒定流动(定常流动或非时变流动)；反之称为非恒定流动(非定常流动或时变流动)研究液压系统静态性能时，可认为液体作恒定流动，研究其动态性能时则必须按非恒定流动来考虑。
2）液流连续性原理 当理想液体在管中稳定流动时，根据物质不灭定律，液体在管内既不能增多，也不能减少，因此在单位时间内流过管子每一横截面的液体质量一定是相等的。这就是液流的连续性原理。如图2.5所示，液体在不等截面中的流动，设截面1和2的面积各为A1和A2，在这两个截面中液体平均流速分别为v1和v2，同时理想液体是不可压缩的，即在两个截面处液体的密度都是ρ，根据液流的连续性原理，流经两截面1和2的液体质量应当相等，即图2.5液流连续简图
=常量(2-5)(2-5)称为液流的连续方程式。将式(2-5)除以ρ则得（2-6）式(2-6)说明，通过管内不同截面的液流速度与其截面积的大小成反比，即管子细的地方流速大，管子粗的地方流速小。式(2-5)中流速和截面积A的乘积表示单位时间内流经管路液体的容积称为流量。一般流量用Q表示，即
3）伯努利方程在液压传动系统中是利用有压力的流体来传递能量的，如图2.6。图2.6伯努利方程示意图
如图2.6所示，为液体流经管道的一部分，管道各处的截面大小和高低都不相同。设管道内有一段理想液体作稳定流动，在短时间t内，从AB流动到A'B’。因为移动的距离短，在从A到A’及从B到B’这两小段的距离范围内，截面积、压力以及流速和高度等都可以看成是不变的。设在AA’处和BB’处的截面积分别为F1，F2，压力分别为p1，p2，流速则分别v1，v2，高度分别为h1，h2，如图所示。AB段液体前后都受有作用力，当它运动时，后面的作用力P1把它推向前进，同时又要克服前面液体的作用力P2；P1和P2分别为当AB段液体从AB运动到A’B’时，P1和P2对它所作的总功A为根据液流的连续性原理，可得(2-10)(2-11)将式(2-13)代人式(2-11)得(2-14)
当AB段液体流到A’B’时,设这两小段的机械能(包括势能和动能)分别为A1和A2，则 式中m—AA’段或BB’段液体的质量。增加的机械能为(2-15)因为假设在管道内流动的是理想液体A=A2-A1(2-16)将式(2-15)和式(2-16)代入式(2-14)得
因为F1和F2这两个截面是任意取的，式(2-18)所表示的关系适用于管道内任意两个截面，式(2-17)也可写成 =常量如果对单位重力来说，则在该两式的各项中应除以mg，即得式中γ—液体的重度，(2-19)(2-20)式（2-19）和式（2-20）称为伯努利方程式，它表明理想流体在管道内作稳定流动时运动要素之间的关系。
在式(2-20)中，p／γ为液体的比压能(即单位重力液体所具有的压力能)，为比动能；h为比势能。因此伯努利方程式的物理意义说明：在密封管道内作稳定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、动能和势能，它们之间可以互相转化，并且液体在管道内任意一处这三种能量的总和是一定的。这就是伯努利定律，也可称为理想液体作稳定流动时的能量守恒定律。
由于实际中液体在管道通流截面上速度分布不均匀，在用平均流速代替实际流速时存在误差，故引入修正系数，实际液体的伯努力方程表示为（2-21)式中，分别为速度截面1，2处的动能修正系数。层流时=2，湍流时=1。
应用伯努利方程的注意点：
4）动量方程 为建立液体作定常流动的动量方程，如图2.8所示，任取通流截面1，2间被管壁限制的液体体积(称为控制体积)，截面1，2的通流面积分别为，，平均流速分别为，。设该段液体在时刻的动量为。经时间后，该段液体移动到，截面间，此时液体的动量为。在时间内液体动量的变化为图2.8动量方程推导用图
由于液体作定常流动，因此截面1’-2间液体的动量没有发生变化，式(2-23)可以改写为 ====于是有=为修正以平均流速代替实际流速计算动量带来的误差而引入的因数，称为动量修正因数。动量修正因数与液体在管路中的流动状态(层流或紊流)有关，液体在圆筒中层流时=4/3，紊流时=1，实际计算时常取=1。
2.2液体流动中的压力损失 1．液体的流动19世纪末，雷诺首先通状态过实验观察了管内水的流动情况，发现了液体有两种流动状态：层流和湍流。图2.10a为雷诺实验装置示意图。图2.10液体的流态及其实验装置
层流与湍流是两种不同性质的流动状态。层流时黏性力起主导作用，液体质点受黏性的约束，不能随意运动；湍流时惯性力起主导作用，液体质点在高速流动时，黏性不再能约束它。液体流动时究竟是层流还是湍流，须用雷诺数来判别。 根据试验，层流还是湍流，不仅与管内液体平均流速有关，还与管子直径和液体黏度有关：可以用雷诺数Re作为判别流动状态的准则。
式中——管中液体的平均流速(cm/s)；——液体的运动黏度（cm2／s）；d——液流的水力直径，对圆管即为管径(cm)。雷诺数为无因次量。实验指出，对光滑圆管，当Re<2320时为层流运动；Re>2320时为湍流运动。雷诺数的物理意义：液体流动时的惯性力和黏性力的比值。雷诺数大，表明这时的流动以惯性力为主，其流动状态为湍流。雷诺数小表明这时的流动以黏性力为主，其流动状态为层流。
2．沿程压力损失1）圆管中层流运动的沿程压力损失压力损失(摩擦损失)的大小,主要决定于：—管道的长度；—管道的横截面积；—管壁的粗糙度；—管道的弯折数目；—流动的速度；—流体的粘度。
上式为层流运动时的沿程压力损失计算公式。式中，称为层流沿程阻力系数，—液体重度。
2）圆管中湍流运动的沿程压力损失图2.13湍流速度分布在湍流运动时，由于质点相互碰撞混杂的结果，使液体在通流断面上的流速分布趋向均匀化（图2.13所示），这也就是动能修正系数在湍流时可以近似取作1的原因。
3）局部压力损失 在各直管段产生的沿程损失外，液体流过各个接头、阀门等局部障碍时会产生撞击、旋涡等现象，而产生一定的能量损失，称为局部损失图2.15扩散管压力损失图2.16弯管压力损失
局部压力损失的计算公式为：式中ζ——局部压力损失系数，由实验求得，或可查阅有关手册求得。
4)管路系统总的压力损失及压力效率管路系统中的总压力损失∆P总等于系统中所有直管中的压力损失△p直与所有局部压力损失△p局的和，即在设计液压系统时，如果工作机构(如液压缸等)所需要的有效工作油压力为p，则考虑到系统中的压力损失时，油泵输出油液的调整压力p调为p调=p+△p总因此，管路系统的压力效率ηp为
2.3液体流经小孔和缝隙的流量计算1．小孔流量的计算1）薄壁小孔流量的计算所谓薄壁小孔，是指孔的长度与直径比值／d≤0.5，如图2.17所示。通过薄壁小孔的流量可按下式计算式中Ca——流量系数，薄壁小孔计算中，当时，取Ca=0.6～0.62；当时，Ca=0.7～0.8；
A——薄壁小孔的截面积；g——重力加速度；γ——液体重度；p1——小孔前腔压力；p2——小孔后腔压力；△p——小孔前后腔压力差。
2）细长小孔流量的计算所谓细长，是指小孔长度远大于直径的小孔，如图2-16所示，一般>4d以上。流经细长小孔的流量可按下式计算（2-38）由公式（2-38）可以看出，细长小孔的前后压力差Δp与流量成正比，因此它比薄壁小孔中压力差对流量的影响大。另外细长小孔流量还与液体的黏度成反比，所以受黏度和温度影响较大。
2.缝隙流量的计算 1）平面缝隙流量的计算图2.18平面缝隙
固定平面缝隙(如图2.18所示)流量的计算公式如下式中b——缝隙宽度；——缝隙长度；δ——间隙量；两个平面中一个平面固定，另一个平面运动，并且仍保持两平面构成的间隙长度时，其流量按下式计算当平面运动方向与液流方向一致时取正号；方向相反时，取负号。从以上公式看出，流量与平面间隙量的三次方成正比，所以在要求密封的场合，应尽量减少间隙量以便减少压力油的泄漏。
2）同心环缝隙流量的计算环形缝隙展开以后，相当于平面缝隙，只是用πd代替b，所以固定环形间隙（图2.19）的流量计算公式为环形缝隙的一个表面运动并仍保持原缝隙长度时，流量公式为
3）偏心环缝隙流量的计算图2.20偏心环缝隙在实际工作中，环形缝隙往往不能处于同心位置，而是具有一定的偏心量，形成偏心环形缝隙(如图2.20所示)。在其他条件相同的情况下，偏心环形缝隙的流量比同心环形缝隙的流量大。其计算公式为式中d——外环直径；R——外环半径；r——内环半径；δ——间隙量，δ=R-r；e——偏心量；ε——相对偏心率，。
2.4液压冲击与空穴现象1.液压冲击在液压系统中，由于某种原因引起油液的压力瞬间急剧上升，形成了一个油压的峰值，称为液压冲击。 1）产生液压冲击的原因和冲击的影响1.液体在导管内以速度v1运动时，因瞬间通路截断，液体流速由v1迅速降为零值，因而它的动能转为液体挤压能，使液体的压力升高而形成一个峰值，引起了冲击
第三章电容式传感器 2.在液压系统中，高速运动的工作部件的惯性力也可以引起系统中的压力冲击。3.由于液压系统中某些元件反应动作不够灵敏，也可能造成液压冲击。冲击影响在液压系统中产生液压冲击时，瞬时的压力峰值有时比正常压力要大好几倍，这样容易引起系统振动。此外，从液压系统中的静压力来看，虽比破坏压力要小很多，但液压冲击的峰值有时足以使密封装置、管路或其他液压元件损坏。在系统中产生液压冲击时，由于压力升高，往往可使某些工作元件(如阀、压力继电器等)产生误动作，并可能因此而使设备损坏。
2）冲击波在导管中的传播速度 如果导管接近于绝对刚体，冲击波在导管中的传播速度就相当于在液体介质中的声速a0，可以用下式表示式中——油液的容积弹性系数；——油液的密度。但是，导管实际上是有弹性的，所以在上式中的k应以整个系统的弹性系数k系来代替。
3）液流通道迅速关闭时所产生的液压冲击 通道迅速关闭而产生的液压冲击有两种情况，即完全冲击和非完全冲击。假设通道关闭的时间为t，冲击波从起始点开始再反射回起始点的时间为T，那么，t<T时为完全冲击，此时，液流动能全部转为液压能；t>T时为非完全冲击，此时，只有部分液流动能转为液压能。T值由下式求出
（4）运动部件制动时所产生的液压冲击在液压系统中，当在液压缸的排油管路中减小或关闭排油通路以使高速运动部件制动时，由于运动部件的惯性作用，也会引起液压冲击。在设计液压系统时，如果已拟定了运动部件制动(或使运动速度减慢△v)所需要的时间△t，根据动量平衡式：可以求得系统中产生的冲击压力△p为式中m——被制动的运动部件的质量或换算质量(运动油液的质量较小，可以忽略不计)；△v——运动部件速度的减小值；——液压缸的有效工作面积；△t——运动部件制动或速度减慢△v所需的时间。
2．空穴现象与危害在液流中，如果某一点的压力低于当时温度下液体的饱和蒸汽压力时，液体就开始沸腾，原来溶于油液中的空气游离出来，形成气泡。这些气泡混杂在油液中，产生了气穴，使原来充满在导管或元件中的油液成为不连续状态，这种现象一般称为空穴现象。在气泡凝聚地方附近或其他液压元件表面，因长期承受液压冲击和高温作用，同时从液体中游离出来的空气中含有氧气，这种氧气具有强烈的酸化作用，因此，零件表面即产生腐蚀，这种空穴现象而产生的零件的腐蚀，一般称为气蚀。
为了防止空穴现象的发生，对于液压泵来讲，要正确设计液压泵的结构参数和油管的管路，特别是吸油管路应有足够的直径，在管路中尽量避免有狭窄处或急剧转弯处，以保证在吸油管路中各处的压力都不低于液体的饱和蒸汽压力。为了增加吸油管路中的油压，有的高压泵采用由低压泵供油的方法。为了提高零件的抗气蚀能力，可增加零件的机械强度，采用抗腐蚀能力强的金属材料并提高零件表面的粗糙度。在常用的材料中，铸铁的抗气蚀能力较差，青铜则较好。
2.5液压传动介质1．液压传动介质的物理性质1）密度和重度液体中某点处微小质量与其体积之比的极限值，称为该点的密度。液体中某点处微小重力△FG与其体积△V之比的极限值，称为该点液体的重度。
2）液体的可压缩性液体压缩的大小，一般用压缩系数β来表示。它相当于每增加0.1MPa压力时，液体体积的变化量，如下式所示式中βV——体积压缩系数；△p——压力变化值；△V——液体被压缩后体积的变化值；V0——液体压缩前的体积。
3）黏度黏性的大小可用黏度来衡量。黏度是选用液压油的主要指标，它对油液流动的特性有很大影响。(1)黏度的定义及其物理意义图2.22黏性液体速度梯度与角变形如图2.22所示，设两平行平板之间充满油液，上平板以速度v向右运动，而下平板则固定不动时，紧贴上平板的油液粘附于平板上，以相同的速度随平板向右移动。紧贴在下平板的油液则粘附于下平板而保持静止。中间流体的速度如图2-22所示呈线性分布。一般式为:
(2)黏度的单位
③相对黏度（恩氏黏度ºE）动力黏度与运动黏度难以直接测量，一般仅用于理论分析和计算。实际应用中，常用黏度计在规定的条件下直接测量油液的黏度。我国采用恩氏黏度计来测定油液的黏度。在某一特定温度(如：20℃，50℃，100℃)时，200cm3被测油液在自重作用下流过Φ2.8mm的小孔所需时间tl与20℃时同体积蒸馏水流过小孔所需时间t2之比，即为被测油液的恩氏黏度与之间换算关系式为
(3)黏度和压力的关系在—般情况下，压力对黏度的影响较小，对大多数液体，随着压力增加，其分子之间距离缩小，内聚力增大，黏度也随着增大。在实际工程中，压力< 5MPa时，一般均不考虑压力对黏度的影响。在压力较高时，需要考虑压力对黏度的影响，它们之间为指数关系式中0——为一个大气压时的运动黏度；b——指数，一般为0.002-0.003cm3/kgf；——压力为p时的运动黏度；p——油压（kgf/cm2）。
(4)黏度与温度的关系温度对油液黏度的影响较大。随着温度增加，油液黏度下降。油液黏度与温度之间的关系称为油液的粘温特性。不同的油有不同的粘温特性。在30~150˚C范围内，对运动黏度<76cst的矿物油，其黏度与温度的关系可用下式表示式中Vt——t温度时油的运动黏度；50——50˚C时油的运动黏度；n——指数
2．液压传动介质的选用由于石油基液体(矿物油)润滑性好、腐蚀性小、黏度较高、化学稳定性好，故在液压传动中广泛采用。特殊情况下，可以采用专用液压油。如稠化液压油，可用于建筑机械、工程机械、起重机械等液压系统等。液压工作介质的主要质量指标如表2-3所示。表2-3液压工作介质的主要质量指标
选择液压油时，除按泵、阀样本的规定外，一般可按表2-4所示按油泵类型推荐用油黏度表，选用液压油。表2-4按油泵类型推荐用油运动黏度表
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