《流体力学基础》word版

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1、第一章流体力学基础流体力学是研究流体平衡和运动规律的一门学科。本章主要阐述与液压及气动技术有关的流体力学基本内容，为本课程的后续学习打下必要的理论基础。第一节工作介质工作介质在传动及控制中起传递能量和信号的作用。流体传动及控制（包括液压与气动），它在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于载体的不同，前者采用工作介质。因此，掌握液压与气动技术之前，必须先对其工作介质有一清晰的了解。一、液压传动介质（一）基本要求与种类液压传动及控制所用的工作介质为液压油液或其他合成液体，其应具备的功能如下：（1）传动把由液压泵所赋予的能量传递给执行元件。（2）润滑润滑液压泵、液压阀、液压执行

2、元件等运动件。（3）冷却吸收并带出液压装置所产生的热量。（4）防锈防止液压元件所用各种金属的锈蚀。为使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要求是：（1）可压缩性可压缩性尽可能小，响应性好。 （2）粘性温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性好。（3）润滑性能对液压元件滑动部位充分润滑。（4）安定性不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿命长。（5）防锈和抗腐蚀性对铁及非铁金属的锈蚀性小。（6）抗泡沫性介质中的气泡容易逸出并消除。（7）抗乳化性除含水液压液外的油液，油水分离要容易。（8）洁净性质地要纯净，尽可能不合污染物，当污染物从外部侵入时能迅速分离。（9）

3、相容性对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性。（10）阻燃性燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性。（11）其他对工作介质的其他要求还有：无毒性和臭味；比热容和热导率要大；体胀系数要小等。其实，能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压系统中使用的工作介质按国际标准组织（ISO）的分类如表l-l所示。目前90％以上的液压设备采用石油基液压油液。基油为精制的石油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不同要求，往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的，如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等

4、。（二）物理性质工作介质的基本性质有多项，现择其与液压传动性能密切相关的三项作一介绍。1密度单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度，即V式中ρ—一液体的密度；V——液体的体积；m——液体的质量。常用液压传动工作介质的密度值见表l－2。液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量一般很小，在工程计算中可以忽略不计。2可压缩性液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。若压力为p。时液体的体积为V。，当压力增加Δp时液体的体积减小ΔV，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为26式中，k称为液体的压缩率。由于压力增加时液体的体积减小，两者变化方向相反，为使k成为正值，在上

5、式右边须加一负号。液体压缩率k的倒数，称为液体体积模最，即表1-3所示为各种工作介质的体积模量。由表中石油基液压油体积模量的数量可知，它的可压缩性是钢的100～170倍（钢的弹性模量为2.1×105MPa）。一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大，但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构时，则必须予以考虑。石油基液压油的体积模量与温度、压力有关：温度升高时，K值减小，在液压油正常工作温度范围内，K值会有5％～25％的变化；压力增加时，K值增大，但这种变化不呈线性关系，当p≥3MPa时，K值基本上不再增大。由于空气的可压缩性很大，因此当工作介质中有游离气泡时，

6、K值将大大减小，且起始压力的影响明显增大。但是在液体内游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议石油基液压油K的取值为（0.7～1.4）X103MPa，且应采取措施尽量减少液压系统工作介质中的游离空气的含量。3粘性(1）粘性的表现液体在外力作用下流动时，分子间内聚力的存在使其流动受到牵制，从而沿其界面产生内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。现以图1为例，说明液体的粘性。若距离为h的两平行平板间充满液体，下平板固定，而上平板以速度。0向右平动。由于液体和固体壁面间的附着力及液体的粘性，会使流动液体内部各液层的速度大小不等：紧靠着下平板的液层速度为零，紧靠着上平板的液层速度为U。，而中间各层液体

7、的速度当层间距离h较小时，从上到下近似呈线性递减规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的；而速度慢的液层对速度快的起阻滞作用。实验测定表明，流动液体相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比，即（1－4）式中，比例系数称为粘性系数或动力粘度。若以表示液层间的切应力，即单位面积上的内摩擦力，则上式可表示为这就是牛顿液体内摩擦定律。由上式可知，在静止液体中，速度梯度du／dy=0，故其内摩擦力为零，因此静止液体不呈现粘