液壓與氣壓傳動第二章液壓油與液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)

1、液壓與氣壓傳動2006-9-2第二章液壓油與液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)液壓傳動是以液體作為工作介質(zhì)傳遞能量的。液壓系統(tǒng)中的液壓油既是傳遞功率的介質(zhì)，又是液壓元件的冷卻、防銹和潤滑劑。在工作中產(chǎn)生的磨粒和來自外界的污染物，也要靠液壓油帶走。液壓油的物理、化學(xué)特性將直接影響液壓系統(tǒng)的工作。2006-9-2第一節(jié) 流體的物理性質(zhì) 1.液體的密度 單位體積液體的質(zhì)量稱為液體的密度。體積為V、質(zhì)量為m的液體的密度為m/V 2.液體的可壓縮性和熱膨脹性 (1)壓縮性：液體受壓后體積變小的性質(zhì)，用壓縮系數(shù)描述。 k=-(V/V)/p m2/kg 壓縮系數(shù)的物理意義：指液體所受壓力增加一個工程大氣壓時所發(fā)生的體積相對變

2、化率，其中V為壓縮前的體積，V為體積為V的液體壓力變化p時體積變化量。2006-9-2 液體體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)，稱為液體的體積彈性模量，以表示，即1/k 液壓油的體積彈性模量和溫度、壓力以及含在油液中的空氣有關(guān)。一般在分析時取=7001000MPa。 封閉在容器內(nèi)的液體在外力作用下的情況極像一個彈簧（稱為液壓彈簧）：外力增大，體積減??；外力減小，體積增大。液壓彈簧的剛度： 液體的可壓縮性很小，在一般情況下當(dāng)液壓系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下工作時可以不考慮可壓縮性的影響。但在高壓下或受壓體積較大以及對液壓系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析時，就需要考慮液體可壓縮性的影響。2006-9-2 (2)熱膨脹：液體受熱，體積膨脹的性質(zhì)，

3、用體積膨脹系數(shù)t 來表示：t =(V/V)/t 1/ 物理意義：溫度改變1時，液體體積的相對變化率。 一般，t=0.00065 1/ 如：油溫從20升到40，體積由14000 cm3將變?yōu)?4182 cm2。 由此可見，液壓傳動中，由于溫度變化引起的體積變化，是不能忽視的，尤其是對閉式系統(tǒng)。2006-9-2 3.粘度 液體在外力作用流動（或有流動趨勢）時，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子間的相對運動而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，這種現(xiàn)象叫做液體的粘性。液體只有在流動（或有流動趨勢）時才會呈現(xiàn)出粘性，靜止液體是不呈現(xiàn)粘性的。(1)動力粘度或稱絕對粘度 以表示切應(yīng)力，即單位面積上的內(nèi)摩擦力，則 =du/dz 這就是

4、牛頓的液體內(nèi)摩擦定律。 物理意義：液體在單位速度梯度下流動時單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。動力粘度的單位為Pas（帕秒，Ns/m2） 2006-9-2 (2)運動粘度 液體的動力粘度與其密度的比值，稱為液體的運動粘度，即=/ 運動粘度的單位為m2/s。 (3)恩氏粘度E 相對粘度又稱條件粘度，它是按一定的測量條件制定的。根據(jù)測量的方法不同，可分為恩氏粘度E、賽氏粘度SSU、雷氏粘度Re等。 我國和德國等國家采用恩氏粘度。2006-9-2 (4)溫度對粘度的影響 液壓油的粘度對溫度變化十分敏感。溫度升高時，粘度下降。在液壓技術(shù)中，希望工作液體的粘度隨溫度變化越小越好。 粘度隨溫度變化特性，可以用粘度

5、溫度曲線表示。2006-9-2 (5)壓力對粘度的影響 對液壓油來說，壓力增大時，粘度增大，但影響很小，通常忽略不計。 (6)兩種油混合，粘度的計算 a、b兩種油占的百分比，ab100；c實驗系數(shù)。2006-9-24.液壓油的分類 普通液壓油 耐磨液壓油 數(shù)控液壓油 潔凈液壓油 水一二元醇液壓油 油包水 水包油 磷酸脂基液壓油 合成液壓油(如硅酮，鹵化物等)礦物油基液壓油含水液壓油合成液壓油乳化液液壓油2006-9-2 5.液壓油的使用要求(1)適當(dāng)?shù)恼扯龋哼^大，造成水力損失增加，效率低；粘度小，漏失大，容積效率低。 選擇液壓油還與具體使用條件有關(guān)。如夏天，粘度要大些，冬天則選用粘度小；南方，

6、用高號液壓油，北方則選用低號液壓油。(2)具有良好的潤滑性能，這與形成油膜有直接關(guān)系。(3)對機件無腐蝕作用，也不會引起密封件的膨脹。(4)良好的化學(xué)穩(wěn)定性，要加添加劑。(5)不得含有空氣、蒸氣、水和雜質(zhì)(含有氣體會造成氣蝕，空穴會引起振動、噪音；水等引起乳化）。(6)燃點高，凝點低。 一般使用的油溫在4050之間，當(dāng)油溫超過80，氧化加劇，油溫低于10 時，粘度增大，啟動困難。2006-9-2 6.液壓油的選用(1)根據(jù)液壓元件生產(chǎn)廠樣本和說明書所推薦的來選用液壓油?；蛘?2)初步根據(jù)液壓系統(tǒng)的使用性能和工作環(huán)境確定液壓油的類型（品種）。 選用品種時，一般要求不高的液壓系統(tǒng)可選用普通液壓油；

7、系統(tǒng)條件要求高或?qū)Ｓ玫囊簤涸O(shè)備可選用各種專用液壓油。(3)根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作壓力、環(huán)境溫度及工作部件的運動速度確定液壓油的粘度后，確定油的具體牌號。工作壓力、環(huán)境溫度高，而控制的工作部件運動速度低時，為了減少泄露，宜采用粘度較高的液壓油，反之，則采用粘度較低的液壓油。 總的來說，應(yīng)盡量選用較好的液壓油。 2006-9-2液壓油使用注意事項：(1)油箱中的液面應(yīng)保持一定高度；(2)正常工作時油箱的溫升不應(yīng)超過液壓油所允許的范圍，一般不得超過65；(3)為防止系統(tǒng)中進(jìn)入空氣，要做到：所有回油管都在油箱液面以下；管口切成斜斷面；油泵吸油管應(yīng)嚴(yán)格密封；油泵吸油高度應(yīng)盡可能小些，以減少油泵吸油阻力；可能

8、情況下，應(yīng)在系統(tǒng)最高點設(shè)置放氣閥；定期檢查油液質(zhì)量和油面高度，以便及時更換和添加。2006-9-2 7.液壓油的污染與控制(1)用過濾的方法濾掉液壓油中的雜質(zhì)，對過渡精度有要求。液壓元件名稱過濾精度要求柱塞泵與馬達(dá)5-20葉片泵與馬達(dá)30液壓缸50齒輪泵和馬達(dá)50普通液壓控制閥30伺服閥、比例閥5-202006-9-2(2)為了避免或減少系統(tǒng)運行中的液壓油再污染，運行中要注意油溫和油箱的油位，油溫過高，將加速液壓油老化變質(zhì)；油位過低會使吸油困難，引起噪音和氣蝕，加劇液壓油的污染。(3)液壓系統(tǒng)的密封性能良好。在油箱的通氣孔及液壓缸活塞桿處加防塵裝置；外漏油不得直接流回油箱。(4)液壓系統(tǒng)投入運

9、行前應(yīng)按有關(guān)的規(guī)定嚴(yán)格沖洗，運行中要按規(guī)定及時更換新油，換油時新油必須經(jīng)過過濾后才能加入系統(tǒng)中使用。2006-9-2第二節(jié) 液體靜力學(xué)基礎(chǔ) 液體靜力學(xué)主要是討論液體靜止時的平衡規(guī)律以及這些規(guī)律的應(yīng)用。所謂“液體靜止”指的是液體內(nèi)部質(zhì)點間沒有相對運動，不呈現(xiàn)粘性。 一、液體的壓力 作用在液體上的力有兩種，即質(zhì)量力和表面力。 質(zhì)量力：單位質(zhì)量液體受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量力，在數(shù)值上等于加速度。 表面力：是與液體相接觸的其它物體（如容器或其它液體）作用在液體上的力，這是外力；也可以是一部分液體作用在另一部分液體上的力，這是內(nèi)力。2006-9-2 單位面積上作用的表面力稱為應(yīng)力，它有法向應(yīng)力和切向應(yīng)力

10、之分。當(dāng)液體靜止時，液體質(zhì)點間沒有相對運動，不存在摩擦力，所以靜止液體的表面力只有法向力。液體內(nèi)某點處單位面積A上所受到的法向力F之比，稱為壓力p（靜壓力），即 由于液體質(zhì)點間的凝聚力很小，不能受拉，只能受壓，所以液體的靜壓力具有兩個重要特性： 1.液體靜壓力的方向總是作用在內(nèi)法線方向上； 2.靜止液體內(nèi)任一點的液體靜壓力在各個方向上都相等。2006-9-2 二、液體靜壓力基本方程 有一垂直小液柱，在平衡狀態(tài)下，有pA=p0A+FG，這里的FG即為液柱的重量FG=ghA所以有 p=p0+gh 液體靜壓力分布特征： (a)一部分是液面上的壓力p0，另一部分是g與該點離液面深度h的乘積。 2006

11、-9-2 (b)同一容器中同一液體內(nèi)的靜壓力隨液體深度h的增加而線性地增加。 (c)連通器內(nèi)同一液體中深度h相同的各點壓力都相等。由壓力相等的組成的面稱為等壓面。在重力作用下靜止液體中的等壓面是一個水平面。2006-9-2 三、壓力表示方法 壓力的表示法有兩種：絕對壓力和相對壓力。 絕對壓力是以絕對真空作為基準(zhǔn)所表示的壓力； 相對壓力是以大氣壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力。 由于大多數(shù)測壓儀表所測得的壓力都是相對壓力，故相對壓力也稱表壓力。絕對壓力與相對壓力的關(guān)系為絕對壓力相對壓力大氣壓力 如果液體中某點處的絕對壓力小于大氣壓，這時在這個點上的絕對壓力比大氣壓小的部分?jǐn)?shù)值稱為真空度。即真空度大氣壓力

12、絕對壓力 2006-9-2絕對壓力p=0(絕對真空)大氣壓力 相對壓力絕對壓力 真空度p pa表壓力絕對壓力、相對壓力和真空度的相對關(guān)系2006-9-2 壓力單位換算表壓力的單位: 我國法定壓力單位為帕斯卡，簡稱帕，符號為Pa，1Pa= 1N/m2。由于Pa太小，工程上常用其倍數(shù)單位兆帕（MPa）來表示：1MPa=106Pa2006-9-2第三節(jié) 液體動力學(xué)基礎(chǔ)理想液體：既無粘性又不可壓縮的液體稱為理想液體。定常流動：液體流動時，若液體中任何一點的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，則這種流動稱為定常流動。否則，只要壓力、速度和密度有一個量隨時間變化，則這種流動就稱為非定常流動。 一維流動：當(dāng)液

13、體整個作線形流動時，稱為一維流動。 跡線：流動液體的某一質(zhì)點在某一時間間隔內(nèi)在空間的運動軌跡。2006-9-2流線：表示某一瞬時，液流中各處質(zhì)點運動狀態(tài)的一條條曲線。在此瞬時，流線上各質(zhì)點速度方向與該線相切。在定常流動時，流線不隨時間而變化，這樣流線就與跡線重合。由于流動液體中任一質(zhì)點在其一瞬時只能有一個速度，所以流線之間不可能相交，也不可能突然轉(zhuǎn)折。2006-9-2流管：在一維的流動空間中任意畫一不屬流線的封閉曲線，沿經(jīng)過此封閉曲線上的每一點作流線，由這些流線組合的表面稱為流管。流束：流管內(nèi)的流線群稱為流束。流管和流束2006-9-2通流截面：流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面。截面上每

14、點處的流動速度都垂直于這個面。平行流動：流線彼此平行的流動。緩變流動：流線夾角很小或流線曲率半徑很大的流動。平行流動和緩變流動都可算是一維流動。2006-9-2 流量和平均流速：單位時間內(nèi)通過某通流截面的液體的體積稱為流量。 流量用q表示，單位m3/s或L/min。 由于流動液體粘性的作用，在通流截面上各點的流速u是不相等的。 在計算流過整個通流截面A的流量時，可在通流截面上取微小截面dA，并認(rèn)為在該斷面上各點的速度u相等，則流過該微小斷面的流量為dq=udA， 流過整個通流截面A的流量為2006-9-2 在實際工程計算中，平均流速才具有應(yīng)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

15、均流速，當(dāng)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。 對于實際液體的流動，速度u的分布規(guī)律很復(fù)雜，故按上式計算流量是困難的。因此提出一個平均流速的概念，即假設(shè)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，由此得出通流面積上的平均流速為2006-9-2層流、湍流、雷諾數(shù) 層流：液體質(zhì)點互不干擾，液體的流動呈線性或?qū)訝睿移叫杏诠艿垒S線；湍（紊）流：液體質(zhì)點的運動雜亂無章，除了平行于管道軸線的運動以外，還存在著劇烈的橫向運動。層流層流開始破壞 2006-9-2 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)點受粘性制約，不能

16、隨意運動，粘性力起主導(dǎo)作用； 紊流時，液體流速較高，粘性的制約作用減弱，慣性力起主導(dǎo)作用。 液體流動時，究竟是層流還是紊流，要用雷諾數(shù)來判定。流動趨于紊流 紊流 2006-9-2雷諾數(shù)：實驗表明，真正決定液流流動狀態(tài)的是用管內(nèi)的平均流速V、液體的運動粘度、管徑d三個數(shù)所組成的一個稱為雷諾數(shù)Re的無量綱數(shù)，即臨界雷諾數(shù)： 當(dāng)液流的實際流動時的雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時，液流為層流，反之液流則為紊流。常見的液流管道的臨界雷諾數(shù)可由實驗求得。雷諾數(shù)物理意義：影響液體流動的力主要有慣性力和粘性力，雷諾數(shù)就是慣性力對粘性力的無因次比值。2006-9-2 對于非圓截面管道來說，Re可用下式來計算：Re4vR/

17、 式中R為通流截面的水力半徑。它等于液流的有效截面積A和它的濕周（通流截面上與液體接觸的固體壁面的周長）之比，即RA/ 水力半徑對管道通流能力影響很大，水力半徑大，表明液流與管壁接觸少，通流能力大；水力半徑小，表明液流與管壁接觸多，通流能力小，易堵塞。2006-9-2連續(xù)性方程 假設(shè)液體作定常流動，且不可壓縮。任取一流管，兩端通流截面面積為A1、A2，在流管中取一微小流束，流束兩端的截面積分別為dA1和dA2，在微小截面上各點的速度可以認(rèn)為是相等的，且分別為u1和u2。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在dt時間內(nèi)流入此微小流束的質(zhì)量應(yīng)等于此微小流束流出的質(zhì)量u1dA1dtu2dA2dtu1dA1u2dA2q

18、vA常數(shù)結(jié)論：a.通過流管任一通流截面的流量相等。 b.液體的流速與管道通流截面積成反比。 c.在具有分支的管路中具有q1=q2+q3的關(guān)系。2006-9-2能量方程：伯努利方程 根據(jù)能量守恒定律，同一管道每一截面的總能量都是相等的。 對靜止液體，單位質(zhì)量液體總能量為單位質(zhì)量液體的壓力能p/(g)和勢能hg之和；而對于流動液體，還有單位質(zhì)量的動能v2/(2g)。任取兩個截面A1和A2，距基準(zhǔn)水平面距離分別h1和h2，斷面平均流速分別為v1和v2，壓力分別為p1和p2，根據(jù)能量守恒定律: 因兩個截面是任意的，因此上式可寫為：2006-9-2物理意義：第一項為單位重量液體的壓力能 稱為比壓能（p/

19、）；第二項為單位重量液體的動能稱 為比動能（v2/2）；第三項為單位重量液體的位能稱為比位能（hg）。由于上述三種能量都具有長度單位，故又分別稱為壓力水頭、速度水頭和位置水頭。三者之間可以互相轉(zhuǎn)換，但總和（H，稱為總水頭）為一定值。2006-9-2實際液體總流的伯努利方程將微小流束擴(kuò)大到總流，由于在通流截面上速度u是一個變量，若用平均流速代替，則必然引起動能偏差，故必須引入動能修正系數(shù)。于是實際液體總流的伯努利方程為式中hw-由液體粘性引起的能量損失； ， -動能修正系數(shù)，一般在紊流時取 1，層流時取 2。2006-9-2動量方程動量定理：作用在物體上的力的大小等于物體在力作用方向上的動量的變

20、化率，即 取分離體: 微元的動量變化是 微小流束擴(kuò)大到總流，對液體的作用力合力為 即，動量方程：1、2為動量修正系數(shù)，一般在紊流時1，層流時。2006-9-2第四節(jié) 流體流動時的壓力損失輸油管線 基本概念：在液壓傳動中，能量損失主要表現(xiàn)為壓力損失，壓力損失分為兩類：沿程壓力損失和局部壓力損失沿程壓力損失：油液沿等直徑直管流動時所產(chǎn)生的壓力損失，這類壓力損失是由液體流動時的內(nèi)、外摩擦力引起的。局部壓力損失：是油液流經(jīng)局部障礙（如彎管、接頭、管道截面突然擴(kuò)大或收縮）時，由于液流的方向和速度的突然變化，在局部形成旋渦引起油液質(zhì)點間，以及質(zhì)點與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產(chǎn)生的壓力損失。2006-9

21、-2通流截面上的流速分布規(guī)律：取微小圓柱液體，在勻速運動時受力平衡，有可見，管內(nèi)液體質(zhì)點的流速在半徑方向按拋物線規(guī)律分布。令對上式積分，并應(yīng)用邊界條件，當(dāng)rR時，u0，得則2006-9-2圓管中的流量對于半徑r，寬度dr的微小通流截面，面積dA2rdr，通過的流量為：通過圓管的流量可由上式積分求得，即：2006-9-2沿程壓力損失計算：圓管通流截面上的平均流速為：沿程壓力損失為：可以改寫為：稱為沿程阻力系數(shù)。的理論值為64/Re，水在作層流流動時的實際阻力系數(shù)和理論值是很接近的。液壓油在金屬圓管中作層流流動時，常取75/Re，在橡膠管中80/Re。2006-9-2局部壓力損失：液體流經(jīng)如閥口、

22、彎管、通流截面變化等局部阻力處所引起的壓力損失。計算公式為 ：v為液體的平均流速，一般情況下均指局部阻力后部的流速。,局部阻力系數(shù)。對于液流通過各種標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的局部損失，一般可從產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格中查到 。管路中的總壓力損失為所有沿程壓力損失和局部壓力損失之和。2006-9-2第五節(jié) 液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量在液壓系統(tǒng)的管路中，裝有截面突然收縮的裝置，稱為節(jié)流裝置（節(jié)流閥）。突然收縮處的流動叫節(jié)流，一般均采用各種形式的孔口來實現(xiàn)節(jié)流-節(jié)流口。液體流經(jīng)孔口時： 薄壁小孔：l/d； 細(xì)長小孔：l/d4； 短孔：0.5l/d4。 l為小孔的通流長度；d為小孔的孔徑。2006-9-2一、液體流過小孔的流量

23、液體在薄壁小孔中的流動 ：液體質(zhì)點突然加速，慣性力作用；收縮截面2-2，然后再擴(kuò)散；造成能量損失，并使油液發(fā)熱；收縮截面面積A2-2和孔口截面積A的比值稱為收縮系數(shù)Cc，即Cc=A2-2/A收縮系數(shù)決定于雷諾數(shù)、孔口及其邊緣形狀、孔口離管道側(cè)壁的距離等因素。液體在薄壁小孔中的流動 2006-9-2列截面11和22的伯努利方程：v1可以忽略不計，整理得：由此求得液流通過薄壁小孔的流量為：CdCvCc為小孔流量系數(shù)，一般由實驗確定。2006-9-2流經(jīng)細(xì)長小孔的流量計算 ： 液體流經(jīng)細(xì)長孔時，一般都是層流狀態(tài)，可直接應(yīng)用前面已導(dǎo)出的直管流量公式來計算，當(dāng)孔口的截面積為A=d2/4時，可寫成： 統(tǒng)一

24、寫為： qKApm 式中A為流量截面面積，m2；p為孔口前后的壓力差，N/m2；m為由孔口形狀決定的指數(shù)，0.5m1，當(dāng)孔口為薄壁小孔時，m，當(dāng)孔口為細(xì)長孔時，m1；K為孔口的形狀系數(shù)，當(dāng)孔口為薄壁小孔時， ；當(dāng)孔口為細(xì)長孔時，Kd2/(32l)。2006-9-2二、液體流過縫隙的流量1.平行平板的間隙流動：如下四種情況 固定平行平板間隙流動（壓差流動） 平行平板有相對運動時的間隙流動 兩平行平板有相對運動，但無壓差（純剪切流動） 兩平行平板既有相對運動，兩端又存在壓差時的流動2.圓柱環(huán)形間隙流動：如下三種情況 同心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動 偏心環(huán)形間隙在壓差作用下的流動 內(nèi)外圓柱表面有相對

25、運動又存在壓差的流動3.流經(jīng)平行圓盤間隙徑向流動的流量4.圓錐狀環(huán)形間隙流動2006-9-2第六節(jié) 液壓沖擊及空穴現(xiàn)象在流動的液體中，因某點處的壓力低于空氣分離壓而產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，稱為空穴現(xiàn)象。在一定的溫度下，如壓力降低到某一值時，過飽和的空氣將從油液中分離出來形成氣泡，這一壓力值稱為該溫度下的空氣分離壓。當(dāng)液壓油在某溫度下的壓力低于某一數(shù)值時，油液本身迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸氣氣泡，這時的壓力稱為液壓油在該溫度下的飽和蒸氣壓。液壓油的飽和蒸氣壓相當(dāng)小，比空氣分離壓小得多，因此，要使液壓油不產(chǎn)生大量氣泡，它的壓力最低不得低于液壓油所在溫度下的空氣分離壓。 一、空穴現(xiàn)象2006-9-2 空穴的產(chǎn)生：液壓泵的空穴現(xiàn)象 ： 液壓泵吸油管直徑太小，或吸油阻力太大，或液壓泵轉(zhuǎn)速過高。由于吸油腔壓力低于空氣分離壓而產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，形成氣泡。節(jié)流口處的空穴現(xiàn)象。2006-9-2空穴的危害：氣蝕：這些氣泡隨著液流流到下游壓力較高的部位時，會因承受不了高壓而破滅，產(chǎn)生局部的液壓沖擊，發(fā)出噪聲并引起振動，當(dāng)附著在金屬表面上的氣泡破滅時，它所產(chǎn)生的局部高溫和高壓會使金屬剝落，使表面粗糙，或出現(xiàn)海綿狀的小洞穴。這種固體壁面的腐蝕、剝蝕的現(xiàn)象稱為氣蝕。減小