液壓傳動工作介質(zhì)的選用

1、【本章要點】能正確選擇、使用液壓油。能計算液壓系統(tǒng)的壓力損失的大小?！局R目標(biāo)】掌握液壓油的物理性質(zhì)和選用原則。掌握液體靜力學(xué)基礎(chǔ)知識。掌握液體動力學(xué)基礎(chǔ)知識。了解液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象。任務(wù)一：選用液壓油任務(wù)二：液壓傳動中的壓力和流量任務(wù)三：液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象 液壓油是液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，其主要作用是完成能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，還兼有潤滑、密封、冷卻、防銹等功能，因此液壓油的質(zhì)量（物理、化學(xué)性能）的優(yōu)劣，尤其是力學(xué)性能對液壓系統(tǒng)的工作的影響很大。所以，在研究液壓系統(tǒng)之前，必須對所用的液壓油的性能進(jìn)行深入了解，以便進(jìn)一步理解液壓傳動的基本原理。1. .油液的密度油液的密度 液體單位體積內(nèi)的質(zhì)量稱為密度，

2、通常用 “”表示，單位為kg/m3。 =m/v 式中：m液體質(zhì)量，kg； v液體體積，m3 。 我國采用油溫為20時的油壓密度為液壓油的標(biāo)準(zhǔn)密度，工程機(jī)械常用的液壓油密度為20 =880Kg/M3。2. .壓縮性和熱膨漲性壓縮性和熱膨漲性 液體的壓縮性是指液體受壓力作用后體積減小的性質(zhì)。 液體的熱膨脹性是指在液體因溫度升高而體積增大的性質(zhì)。3. .液體的粘度液體的粘度 液體在外力作用下流動時，分子間的內(nèi)聚力會阻礙分子間的相對運(yùn)動而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力。這一特性稱作液體的粘性。粘性的大小用粘度表示，粘性是液體重要的物理特性，也是選擇液壓油的主要依據(jù)。粘性使流動液體內(nèi)部各液層間的速度不等。3. .液體

3、的粘度液體的粘度 油液的黏度直接影響液壓系統(tǒng)的正常工作、效率和靈敏性，在機(jī)械系統(tǒng)中所用的油液主要是根據(jù)黏度來選擇的。3. .液體的粘度液體的粘度 黏度的表示方法有三種，即動力黏度、運(yùn)動黏度和相對黏度。1）動力黏度 2）運(yùn)動黏度3）相對黏度絕對黏度動力黏度動力黏度 在流體中取兩面積各為1m2，相距1m，相對移動速度為1m/s時所產(chǎn)生的阻力稱為動力粘度。單位Pa.s（帕.秒）。過去使用的動力粘度單位為泊或厘泊。相對黏度相對黏度 相對黏度又稱為條件黏度，是液體黏度與水的黏度比較的相對值所表示的黏度。因測定的方法不同，各國采用的相對黏度也不同，中國、德國和俄羅斯用恩式黏度（E），英國采用雷式黏度（R1

4、S），美國采用賽式黏度（SUS），法國采用巴氏黏度（B）。恩式黏度恩式黏度 恩式黏度用恩式黏度計測定，即將200ml被測液體裝入底部有2.8mm的小孔的容器中，在某一特定溫度下，測定液體在自重作用下流過小孔所需要的時間t1，和同體積的蒸餾水在20C時流過同一小孔所需要的時間t2之比值，便是該液體在該溫度下的恩式黏度。油液黏度與壓力和溫度的關(guān)系 油液的黏度隨壓力和溫度的變化有所不同，隨著壓力的增大，分子間距離將減小，內(nèi)摩擦力增大，因此黏度會隨之增大。 油液的黏度對溫度的變化十分敏感，當(dāng)油液的溫度升高時，其黏度顯著降低。油液黏度隨溫度變化的性質(zhì)叫做黏溫特性。油液黏度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能

5、和泄漏量。幾種國產(chǎn)液壓油的黏溫特性曲線如圖所示。4. .其他性質(zhì)其他性質(zhì)（1）閃點和燃點（2）流動點和凝點 (3) 酸值（4）腐蝕（5）化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 略 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。1. .液壓油被污染的原因液壓油被污染的原因 液壓油被污染的原因主要有以下幾方面。 (1)液壓系統(tǒng)的管道及液壓元件內(nèi)的型砂、切屑、磨料、焊渣、銹片、灰塵等污垢在系統(tǒng)使用前沖洗時未被洗干凈，在液壓系統(tǒng)工作時，這些污垢就進(jìn)入到液壓油里。 (2)外界的灰塵、砂粒等，在液

6、壓系統(tǒng)工作過程中通過往復(fù)伸縮的活塞桿，流回油箱的漏油等進(jìn)入液壓油里。另外在檢修時，稍不注意也會使灰塵、棉絨等進(jìn)入液壓油里。 (3)液壓系統(tǒng)本身也不斷地產(chǎn)生污垢，而直接進(jìn)入液壓油里，如金屬和密封材料的磨損顆粒，過濾材料脫落的顆?；蚶w維及油液因油溫升高氧化變質(zhì)而生成的膠狀物等。2. .油液污染的危害油液污染的危害 液壓油污染嚴(yán)重時，直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能，使液壓系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障，使液壓元件壽命縮短。造成這些危害的原因主要是污垢中的顆粒。對于液壓元件來說，由于這些固體顆粒進(jìn)入到元件里，會使元件的滑動部分磨損加劇，并可能堵塞液壓元件里的節(jié)流孔、阻尼孔，或使閥芯卡死，從而造成液壓系統(tǒng)的故障。水分和空

7、氣的混入使液壓油的潤滑能力降低并使它加速氧化變質(zhì)，產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速腐蝕，使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)振動、爬行等。3.防止污染的措施防止污染的措施 為防止油液污染，在實際工作中應(yīng)采取如下措施： （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(yùn)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。1、液體靜壓力垂直于承壓面，其方向和該面的法線方向一致。2、靜止液體內(nèi)任一點所受的壓力在各個方向上都相等，如果某一點受到的壓力在某個方向上不相等，那么液體就會流動。 液壓系統(tǒng)中的壓力就是指壓強(qiáng)，液體壓力通常有絕對壓力、相對

8、壓力(表壓力)、真空度三種表示方法。 以絕對零壓力為基準(zhǔn)所表示的壓力稱之為絕對壓力；以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)所表示的壓力為相對壓力。絕大多數(shù)測壓儀表因其外部均受大氣壓力作用，所以儀表指示的壓力為相對壓力，故相對壓力又稱表壓力。(1)絕對壓力大氣壓力+相對壓力(2)真空度大氣壓力-絕對壓力 盛放在密閉容器內(nèi)的液體，其外加壓力P0發(fā)生變化時，只要液體仍保持其原來的靜止?fàn)顟B(tài)不變，液體中任意一點的壓力均將發(fā)生同樣大小的變化。這就是帕斯卡原理，或稱靜壓傳遞原理。帕斯卡原理是液壓傳動的一個基本原理。 帕斯卡在1648年表演了一個著名的實驗：他用一個密閉的裝滿水的桶，在桶蓋上插入一根細(xì)長的管子，從樓房的陽臺上向細(xì)

9、管子里灌水。結(jié)果只用了幾杯水，就把桶壓裂了，桶里的水就從裂縫中流了出來。 這就是著名的帕斯卡裂桶實驗。 如果垂直液壓缸的活塞上沒有負(fù)載，即F1=0，則當(dāng)略去活塞重量及其他阻力時，不論怎樣推動水平液壓缸的活塞也不能在液體中形成壓力。這說明液壓系統(tǒng)中的壓力是由外界負(fù)載決定的，這是液壓傳動的一個基本概念。 在液壓傳動系統(tǒng)中，液壓油總是在不斷的流動中，因此要研究液體在外力作用下的運(yùn)動規(guī)律及作用在流體上的力及這些力和流體運(yùn)動特性之間的關(guān)系。1）理想液體 既具有黏性又可壓縮的液體稱為實際液體。理想液體就是指沒有黏性、不可壓縮的液體。2）恒定流量 液體流動時，液體中任意點處的壓力、流速和密度都不隨時間而變化

10、，稱為恒定流動。反之，流體的運(yùn)動參數(shù)中，只要有一個運(yùn)動參數(shù)隨時間而變化，液體的運(yùn)動就是非定常流動或非恒定流動?！纠?某液壓系統(tǒng)，兩液壓缸串聯(lián)，缸1的活塞是主運(yùn)動，缸2的活塞對外克服負(fù)載（從動運(yùn)動），如圖所示。已知小活塞大面積A1=14cm2，小活塞大面積A2=40cm2，連接兩液壓缸管路的流量 ，試求兩液壓缸運(yùn)動速度及速比。說明：流速和通流截面的面積成反比 能量守恒是自然界的客觀規(guī)律，流動液體也遵守能量守恒定律，這個規(guī)律是用伯努利方程的數(shù)學(xué)形式來表達(dá)的。伯努利方程是一個能量方程。上式適用的條件如下。（1）穩(wěn)定流動的不可壓縮液體，即密度為常數(shù)。（2）液體所受質(zhì)量力只有重力，忽略慣性力的影響。（

11、3）所選擇的兩個通流截面必須在同一個連續(xù)流動的流場中是漸變流（即流線近于平行線，有效截面近于平面）。而不考慮兩截面間的流動狀況（4）流體為理想流體。對伯努利方程可作如下的理解。（1）伯努利方程式是一個能量方程式，它表明在空間各相應(yīng)通流斷面處流通液體的能量守恒規(guī)律。（2）理想液體的伯努利方程只適用于重力作用下的理想液體作恒定流動的情況。（3）任一微小流束都對應(yīng)一個確定的伯努利方程式，即對于不同的微小流束，它們的常量值不同。伯努利方程的物理意義為：在密封管道內(nèi)作定常流動的理想液體在任意一個通流斷面上具有三種形成的能量，即壓力能、勢能和動能。三種能量的總合是一個恒定的常量，而且三種能量之間是可以相互

12、轉(zhuǎn)換的，即在不同的通流斷面上，同一種能量的值會是不同的，但各斷面上的總能量值都是相同的。 液體在管路中流動時會產(chǎn)生能量損失，即壓力損失。這種能量損失轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，使液壓系統(tǒng)溫度升高，泄漏量增加，效率下降和液壓系統(tǒng)性能變壞。 在液壓技術(shù)中，研究阻力的目的是：為了正確計算液壓系統(tǒng)中的阻力；為了找出減少流動阻力的途徑；為了利用阻力所形成的壓差 p來控制某些液壓元件的動作。 19世紀(jì)末，雷諾首先通過試驗觀察了水在圓管內(nèi)的流動情況，發(fā)現(xiàn)液體有兩種流動狀態(tài)：層流和紊流。1.層流和紊流 層流和紊流是兩種不同性質(zhì)的流態(tài)。層流時，液體流速較低，質(zhì)點受黏性制約，不能隨意運(yùn)動，黏性力起主導(dǎo)作用；紊流時液體流速較高，黏

13、性的制約作用減弱，慣性力其主要作用。雷諾數(shù) 液體在直管中流動時的壓力損失是由液體流動時的摩擦引起的，稱之為沿程壓力損失。它主要取決于管路的長度、內(nèi)徑、液體的流速和粘度等。液體的流態(tài)不同，沿程壓力損失也不同。液體在圓管中層流流動在液壓傳動中最為常見，因此，在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，常希望管道中的液流保持層流流動的狀態(tài)。液體在等徑直管中流動時多數(shù)情況下為層流。 局部壓力損失是液體流經(jīng)閥口、彎管、通流截面變化等時，產(chǎn)生的能量損失稱為局部壓力損失。液流通過這些地方時，由于液流方向和速度均發(fā)生變化，形成旋渦（見圖2.18），使液體的質(zhì)點間相互撞擊和摩擦，從而產(chǎn)生較大的能量損耗。 液壓系統(tǒng)中管路通常由若干段管道串

14、聯(lián)而成。其中每一段又串聯(lián)一些諸如彎頭、控制閥、管接頭等形成局部阻力的裝置，因此管路系統(tǒng)總的壓力損失等于所有直管中的沿程壓力損失及所有局部壓力損失 之和。減少壓力損失的措施： 減少流速、縮短管路長度、減少管路的突變，提高管壁加工質(zhì)量等，都可以使壓力損失減少。在這些因素中，流速的影響最大，特別是局部壓力損失與速度的平方成比例關(guān)系。故在液壓傳動系統(tǒng)中，管路的流速不應(yīng)過高。但流速過低，又會使管路及閥類元件的尺寸加大，造成成本增高，有時在結(jié)構(gòu)上也不允許。1、 液壓沖擊液壓沖擊 在液壓系統(tǒng)中由于某種原因，液體壓力在一瞬間會突然升高,產(chǎn)生很高的壓力峰值,這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。 液壓沖擊產(chǎn)生的壓力峰值往往比正

15、常工作壓力高好幾倍，且常伴有噪聲和振動，從而損壞液壓元件、密封裝置、管件等。1.液壓沖擊的類型 （1）液流通道迅速關(guān)閉或液流迅速換向使液流速度的大小或方向突然變化時，由于液流的慣力引起的液壓沖擊。（2）運(yùn)動著的工作部件突然制動或換向時，因工作部件的慣性引起的液壓沖擊。（3）某些液壓元件動作失靈或不靈敏，使系統(tǒng)壓力升高而引起的液壓沖擊。2. 產(chǎn)生原因(1)閥門突然關(guān)閉引起液壓沖擊。(2)運(yùn)動部件突然制動或換向時引起液壓沖擊。3. 減少液壓沖擊措施 液壓沖擊的危害是很大的。發(fā)生液壓沖擊時管路中的沖擊壓力往往急增很多倍，而使按工作壓力設(shè)計的管道破裂。此外，所產(chǎn)生的液壓沖擊波會引起液壓系統(tǒng)的振動和沖擊

16、噪聲。因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計時要考慮這些因素，應(yīng)當(dāng)盡量減少液壓沖擊的影響。為此，一般可采用如下措施。(1)緩慢關(guān)閉閥門，削減沖擊波的強(qiáng)度。(2)在閥門前設(shè)置蓄能器，以減小沖擊波傳播的距離。(3)應(yīng)將管中流速限制在適當(dāng)范圍內(nèi)，或采用橡膠軟管，也可以減小液壓沖擊。(4)在系統(tǒng)中裝置安全閥，可起卸載作用。2 2、空穴、空穴( (氣穴氣穴) )現(xiàn)象現(xiàn)象 在流動的液體中，因某點處的壓力低于空氣分離壓力而產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，稱為氣穴現(xiàn)象氣穴現(xiàn)象。 管道中發(fā)生空穴現(xiàn)象時，氣泡隨著液流進(jìn)入高壓區(qū)時，體積急劇縮小，氣泡又凝結(jié)成液體，形成局部真空，周圍液體質(zhì)點以極大速度來填補(bǔ)這一空間，使氣泡凝結(jié)處瞬間局部壓力可高達(dá)數(shù)百帕，溫度可達(dá)近千度。在氣泡凝結(jié)附近壁面，因反復(fù)受到液壓沖擊與高溫作用，以及油液中逸出氣體具有較強(qiáng)的酸化作用，使金屬表面產(chǎn)生腐蝕。因空穴產(chǎn)生的腐蝕，一般稱為氣蝕。泵吸入管路連接、密封不嚴(yán)使空氣進(jìn)入管道，回油管高出油面使空氣沖入油中而被泵吸油管吸入油路以及泵吸油管道阻力過大，流速過高均是造成空穴的原因。1、空穴造成的危害性 空穴造成的危害性表現(xiàn)在以下幾個方面： (1)影響運(yùn)動平穩(wěn)性（設(shè)