第二章液压传动基础知识

1、本章介绍有关液压传动的流体力学基础；重点为液体静压方程、连续性方程、伯努力方程的应用，压力损失、小孔流量的计算。 第二章 第一节 液压油液压油是液压传动系统中的传动介质，而且还对液压装置的机构、零件起着润滑、冷却和防锈作用。 一、液压油的分类 普通液压油 专用液压油1、石油基液压油 抗磨液压油 高粘度指数液压油第二章 第一节 液压油 合成液压油磷酸酯液压油2、难燃液压油 水乙二醇液压油 含水液压油 油包水乳化液 乳化液 水包油乳化液第二章 第一节 液压油1)石油基液压油 以石油的精炼物为基础，加入各种为改进性能的添加剂而成。添加剂有抗氧添加剂、油性添加剂、抗磨添加剂等。不同工作条件要求具有不同

2、性能的液压油，不同品种的液压油是由于精制程度不同和加入不同的添加剂而成。2) 磷酸脂液压油难燃液压油之一。它的使用范围宽，可达-54135。抗燃性好，氧化安定性和润滑性都很好。缺点是与多种密封材料的相容性很差，有一定的毒性。广泛应用第二章 第一节 液压油二、液压油的物理特性二、液压油的物理特性 1、 密度 = m/V kg/ m3一般矿物油的密度为850960kg/m3第二章 第一节 液压油二、液压油的物理特性二、液压油的物理特性 2、重度 单位体积的重量 = G/V N/ m3 一般矿物油的重度为84009500N/m3 因G = mg 所以 = G/V=g第二章 第一节 液压油二、液压油的

3、物理特性二、液压油的物理特性 3、液体的可压缩性 当液体受压力作用而体积缩小的特性称为液体的可压缩性。 体积压缩系数 = - V/ pV0 体积弹性模量K = 1 / 液压油的体积弹性模量（1.41.9）109N/m2 钢的体积弹性模量2.11011N/m2第二章 第一节 液压油二、液压油的物理特性二、液压油的物理特性 4、流体的粘性 液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。 当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力，由此可见，粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。第二章 第一节 液压油

4、二、液压油的物理特性二、液压油的物理特性 粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动，在任何情况下它都只能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。图2-2液体的粘性示意图第二章 第一节 液压油根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力F与流体层的接触面积A及流体层的相对流速du成正比，而与此二流体层间的距离dz成反比，即： F=Adu/dz 以=F/A表示切应力，则有：du/dz 为衡量流体粘性的比例系数，称为绝对粘度或动力粘度；du/dz表示流体层间速度差异的程度，称为速度梯度 液体内摩擦定律数学表达式第二章 第一节 液压油当速度梯度变化时，为不变常数的流体称为牛顿流体，为变数的流体称为非牛顿流体。除

5、高粘性或含有大量特种添加剂的液体外，一般的液压用流体均可看作是牛顿流体。 第二章 第一节 液压油流体的粘度通常有三种不同的测试单位 (1)绝对粘度 绝对粘度又称动力粘度，它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小。动力粘度在物理意义上讲，是当速度梯度du/dz=1时，单位面积上的内摩擦力的大小，即： dudz动力粘度的国际(SI)计量单位为牛顿秒/米2，符号为Ns/m2，或为帕秒，符号为Pas。第二章 第一节 液压油流体的粘度通常有三种不同的测试单位 （2）运动粘度运动粘度是绝对粘度与密度的比值：=/式中：为液体的动力粘度，m2/s；为液体的密度，kg/m3。(3)相对粘度。相对粘度是以相对于蒸馏水

6、的粘性的大小来表示该液体的粘性的。相对粘度又称条件粘度。各国采用的相对粘度单位有所不同。有的用赛氏粘度，有的用雷氏粘度，我国采用恩氏粘度。 第二章 第一节 液压油(4)压力对粘度的影响。在一般情况下，压力对粘度的影响比较小，在工程中当压力低于5MPa时，粘度值的变化很小，可以不考虑。当液体所受的压力加大时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其粘度也随之增大。因此，在压力很高以及压力变化很大的情况下，粘度值的变化就不能忽视。(5)温度对粘度的影响。当温度升高时，其分子之间的内聚力减小，粘度就随之降低。第二章 第一节 液压油液压油可以传递能量、润滑运动部件、保护金属不被锈蚀。三、液压系统对液压油的要

7、求三、液压系统对液压油的要求 要求：1.适宜的粘度和良好的粘温性能一般液压系统所用的液压油其粘度范围。2.良好的润滑性能 。3.良好的化学稳定性 。4.流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气内燃，但油本身不燃烧的温度)和燃点高 。5.其他。第二章 第一节 液压油四、液压油的选用四、液压油的选用正确而合理地选用液压油，乃是保证液压设备高效率正常运转的前提。 先确定适用的粘度范围； 再选择合适的液压油品种； 同时还要考虑液压系统工作条件的特殊要求。n如在寒冷地区工作的系统则要求油的低温流动性好、凝固点低；n伺服系统则要求油质纯、压缩性小；n高压系统则要求油液抗磨性好；1.在环境温度较高，工作

8、压力高或运动速度较低时，为减少泄漏，应选用粘度较高的液压油，否则相反。第二章 第一节 液压油五、液压油的污染与防护五、液压油的污染与防护1. 污染的原因： (1)液压系统的管道及液压元件内的型砂、切屑、磨料、焊渣、锈片、灰尘等污垢在系统使用前冲洗时未被洗干净。(2)外界的灰尘、砂粒等，在液压系统工作过程中通过往复伸缩的活塞杆，流回油箱的漏油等进入液压油里。另外在检修时，稍不注意也会使灰尘、棉绒等进入液压油里。(3)液压系统本身也不断地产生污垢，而直接进入液压油里，如金属和密封材料的磨损颗粒，过滤材料脱落的颗粒或纤维及油液因油温升高氧化变质而生成的胶状物等。第二章 第一节 液压油五、液压油的污染

9、与防护五、液压油的污染与防护2.油液污染的危害造成这些危害的原因主要是污垢中的颗粒。液压油污染严重时，直接影响液压系统的工作性能，使液压系统经常发生故障，使液压元件寿命缩短。磨损加剧，并可能堵塞液压元件里的节流孔、阻尼孔，或使阀芯卡死，从而造成液压系统的故障。水分和空气的混入使液压油的润滑能力降低并使它加速氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速腐蚀，使液压系统出现振动、爬行等。第二章 第一节 液压油五、液压油的污染与防护五、液压油的污染与防护3.防止污染的措施对液压油的污染控制工作主要是从两个方面着手：一是防止污染物侵入液压系统；二是把已经侵入的污染物从系统中qingchu出去。为防止油液污染，在

10、实际工作中应采取如下措施：(1)使液压油在使用前保持清洁。 (2)使液压系统在装配后、运转前保持清洁。(3)使液压油在工作中保持清洁。 (4)采用合适的滤油器。这是控制液压油污染的重要手段。 (5)定期更换液压油。(6)控制液压油的工作温度。第二章 第一节 液压油五、液压油的污染与防护五、液压油的污染与防护1. 污染的原因： (1)液压系统的管道及液压元件内的型砂、切屑、磨料、焊渣、锈片、灰尘等污垢在系统使用前冲洗时未被洗干净。(2)外界的灰尘、砂粒等，在液压系统工作过程中通过往复伸缩的活塞杆，流回油箱的漏油等进入液压油里。另外在检修时，稍不注意也会使灰尘、棉绒等进入液压油里。(3)液压系统本

11、身也不断地产生污垢，而直接进入液压油里，如金属和密封材料的磨损颗粒，过滤材料脱落的颗粒或纤维及油液因油温升高氧化变质而生成的胶状物等。第二章 第二节 液体静力学 一、静压力（压力）及其性质一、静压力（压力）及其性质 1 1、静止液体：液体内部质点与质点无相对运动、静止液体：液体内部质点与质点无相对运动2 2、静压力：、静压力： 单位面积上液体所受作用力单位面积上液体所受作用力单位单位: :2mN第二章 第二节 液体静力学 一、静压力（压力）及其性质一、静压力（压力）及其性质 3 3、性质：、性质：静止液体不呈粘性；静止液体不呈粘性；液体静压力垂直于作用面，指向作用面的内法线液体静压力垂直于作用

12、面，指向作用面的内法线方向；方向；静止液体静止液体 内，任意点的压力内，任意点的压力 在各个方向上都相在各个方向上都相等。等。第二章 第二节 液体静力学 二、液体静力学方程二、液体静力学方程图2-3静压力的分布规律 pdA=p0dA+hdA 故故p= p0+h h=Z0-Z p+Z= p0+Z0=常量常量 第二章 第二节 液体静力学静止液体中任一点都有单位质量液体的位能和压力能，即具有两部分能量，而且各点的总能量之和为一常量。 p+Z= p0+Z0=常量常量 第二章 第二节 液体静力学p= p0+h n (1)静止液体中任一点的压力均由两部分组成，即液面上的表面压力p0和液体自重而引起的对该点

13、的压力h。n (2)静止液体内的压力随液体距液面的深度变化呈线性规律分布，且在同一深度上各点的压力相等，压力相等的所有点组成的面为等压面，很显然，在重力作用下静止液体的等压面为一个平面。n (3)可通过下述三种方式使液面产生压力p0：通过固体壁面(如活塞)使液面产生压力；通过气体使液面产生压力；通过不同质的液体使液面产生压力。第二章 第二节 液体静力学 三、压力的表示方法及单位三、压力的表示方法及单位绝对压力绝对压力 相对压力相对压力真空度真空度帕（帕（PaPa）：）：N/N/PaMPa6101Pabar5101绝对压力相对压力大气压力绝对压力相对压力大气压力真空度大气压力绝对压力负的相对压力

14、真空度大气压力绝对压力负的相对压力第二章 第二节 液体静力学 四、帕斯卡定律静压传递原理四、帕斯卡定律静压传递原理帕斯卡原理（静压传递原理）：在密闭的容器内，施加于静止帕斯卡原理（静压传递原理）：在密闭的容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点。液体上的压力将以等值同时传到液体各点。21pp 第二章 第二节 液体静力学 四、帕斯卡定律静压传递原理四、帕斯卡定律静压传递原理盛放在密封容器内的液体，其外加压力盛放在密封容器内的液体，其外加压力p0p0发生变化时，只要液发生变化时，只要液体仍然保持原有的静止状态，液体中的任一点的压力，均将发生体仍然保持原有的静止状态，液体中的任一点的压

15、力，均将发生同样大小的变化。同样大小的变化。第二章 第二节 液体静力学 五、液体静压力作用在固体壁上的力五、液体静压力作用在固体壁上的力第二章 第二节 液体静力学用在曲面上的液压力在某一方向上的分力等于静压力与曲面在该方向投影面积的乘积 第二章 第三节 流体动力学u本节讨论液体流动时的运动规律、能量转换和流动液体对固体壁面的作用力等问题，具体介绍三个基本内容u基本概念u连续性方程u伯努利方程第三节 流体动力学第二章 第三节 流体动力学 .理想液体、恒定流动理想液体、恒定流动流线、流束、流管和通流截面流线、流束、流管和通流截面 流量及平均流速流量及平均流速 dqudAAqudAAqudAAvqv

16、A，则流经，则流经A的总流量为的总流量为积分运算需要知道流速积分运算需要知道流速u在通流截面在通流截面A上的分布规律。上的分布规律。几个基本概念几个基本概念第二章 第三节 流体动力学 理想液体: 既不可压缩又无粘性的液体 理想气体: 可压缩但没有粘性的气体 F F1 D d p G 540 27 第二章 第三节 流体动力学 通流截面:在流场中作一面，若该面与通过面上的每一条流线都垂直，则称该面为通流截面。 流量:单位时间内流过某通流截面的流体体积 法定单位: 米3/秒(m3/s) 工程中常用升/分（L/min） 通流截面上的平均流速:流线、流束与通流截面AdAqAdAqAAqAq第二章 第三节

17、 流体动力学 流动液体中的压力和能量: 由于存在运动，所以理想流体流动时除了具有压力能与位能外，还具有动能。即流动理想流体具有压力能，位能和动能三种能量形式 单位重量的压力能: 单位重量的位能: Z 单位重量的动能:gpg22第二章 第三节 流体动力学 q=A=常数 不可压缩流体作定常流动时，通过流束（或管道）的任一通流截面的流量相等 通过通流截面的流速则与通流截面的面积成反比 第二章 第三节 流体动力学 题图所示的液压传动系统中，活塞和活塞杆的直径分别为D=0.1m,d0.05m，输入液压缸的流量q=8.3310-4m3s，压力p=2105Pa。试求活塞带动工作台运动的速度v=？，所能克服的

18、工作阻力R=？ 解：A=D2/4=3.140.12/4 v=q/A=8.33X10-4A R=pA 第二章 第三节 流体动力学 理想液体的伯努利方程 实际液体的伯努利方程 伯努利方程应用实例第二章 第三节 流体动力学图2-8 伯努利方程推导简图理想液体定常流动时，液体的任一 通流截面上的总比能（单位重量液 体的总能量）保持为定值。 总比能由比压能（）、比位能（Z）和比动能（）组成，可以相互转化。 由于方程中的每一项均以长度为量纲，所以亦分别称为压力水头，位置水头和速度水头 静压力基本方程是伯努利方程的特例cgzgpgzgp2222222111cgzgp22gpg22第二章 第三节 流体动力学c

19、gzgpgzgp2222222111cgzgp22第二章 第三节 流体动力学 :动能修正系数,为截面上单位时间内流过液体所具有的实际动能，与按截面上平均流速计算的动能之比（层流时=2，紊流时=1） :单位重量液体所消耗的能量 阻力水头whwhgzgpgzgp22222211112121第二章 第三节 流体动力学 液压泵吸油口处的真空度是油箱 液面压力与吸油口处压力p2之差。 液压泵吸油口处的真空度不能 太大. 实践中一般要求液压泵的 吸油口的高度h不超过0.5米.图2-10 液压泵从油箱吸油第二章 第四节 压力损失产生的内因：是液体本身的粘性。 外因：是管道结构。 液体在管道中流动时产生的压力

20、损失分为两种：一种是液体在等径直管中流动时因粘性摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失沿程压力损失另一种是由于管道的截面突然变化、液流方向改变或其他形式的液流阻力(如控制阀阀口)而引起的压力损失，称为局部压力损失局部压力损失。第二章 第四节 1. 层流和紊流 在层流时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线； 紊流时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。 层流和紊流原因？第二章 第四节 2.雷诺数: 液体在圆管中的流动状态决定于由管道中流体的平均流速、管道直径d和液体运动粘度这三个参数所组成的无量纲数的大小: 流动液体的雷诺数低于临界

21、雷诺数(由紊流转变为层流)时，流动状态为层流，反之液流的状态为紊流 雷诺数的物理意义:流动液体的惯性力与粘性力之比 dRe第二章 第四节 层流时管截面上的速度分布 圆管中的层流第二章 第四节 流量 式中 d:管道内径（m）； l:管道长度（m）； :流体的动力粘度（NS/m2）； =p1-p2:管道两端的压力差（N/m2）； pldrdrrdlppudAqd1282)4(4)(4222021p第二章 第四节 沿程压力损失 : 这种沿等直径管流动时的压力损失p4128dlqp第二章 第四节 局部压力损失p : 在流经阀口、管道截面变化、弯曲等处时，由于流动方向和速度变化及复杂的流动现象(旋涡，二

22、次流等)而造成局部能量损失 (柯西)称为局部压力损失系数 22p第二章 第四节 管路系统的压力损失和压力效率 :整个管路系统的总压力损失是系统中所有直管的沿程压力损失和所有局部压力损失之和 使用条件:管路系统中两相邻局部压力损失之间距离足够大（相连管径的10-20倍） 系统动力元件所供的工作压力: 管路系统的压力效率 （哎它）2221211inkiiikiiiiniidlppppw泵泵泵泵泵pppppppwLp1第二章 第五节 第五节 在液压与气压传动中常用通过改变阀口通流截面积或通过通流通道的长短来控制流量的节流装置节流装置来实现流量控制。这种节流装置的通流截面一般为不同形式的小孔。通过薄壁

23、小孔(孔的通流长度l与孔径d之比l/d0.5 )的流动通过细长小孔(小孔的长径比l/d4)的流动 由于流线不能转折，液体在上游由于流线不能转折，液体在上游1/21/2d d处开始突然收缩，冲向小孔处开始突然收缩，冲向小孔d d，并在下游，并在下游1/21/2d d处形成收缩瓶颈，然后突然扩大。处形成收缩瓶颈，然后突然扩大。紊流流动紊流流动 压力能在突然收缩处转换为动能，因压力能在突然收缩处转换为动能，因为效率不可能为为效率不可能为1 1，产生局部损失。突然，产生局部损失。突然扩大后，动能不可能完全转换为压力能。扩大后，动能不可能完全转换为压力能。 21zz pACpACCAvqTqTcv222

24、取取1111、2222两个截面，根据伯努利方程，有两个截面，根据伯努利方程，有 2/1pCAqT流量公式流量公式 2212 12221222pvpvzzhgggg12pphggv1v2，121， 第二章 第五节 液压系统中的管道、某些阻尼孔、静压支承中的毛细管节流器等都是典型的细长孔。由于液体的粘性作用，液流流过细长孔时多呈层流，因此，通过细长孔的流量可以按前面导出的圆管层流流量公式计算。细长孔的流量压力特性公式为4212832TTddqpApCApll 第二章 第五节 第二章 第五节 统一的经过小孔的流量公式 式中 A:孔的通流截面积，p:孔前后压差， m:由孔结构形式决定的指数,0.5m1

25、 k:由孔口形式有关的系数 当孔为薄壁小孔时，m=0.5, 为细长小孔时m=1， mpKAq2dcK ldK322第二章 第六节 一、液压冲击一、液压冲击 在液压系统的在液压系统的工作过程中，因执行工作过程中，因执行部件的突然换向或阀部件的突然换向或阀门突然关闭以及外负门突然关闭以及外负载的急剧变化而引起载的急剧变化而引起压力急剧变化，出现压力急剧变化，出现压力交替升降的波动压力交替升降的波动过程，这种现象称为过程，这种现象称为液压冲击。液压冲击。第二章 第六节 1.产生液压冲击的原因 （1）液流突然停止运动.（2）运动部件突然制动或换向.（3）液压元件反应动作不灵。 阀门突然打开或关闭，及系

26、统阀门突然打开或关闭，及系统中某些元件反应的滞后，使液中某些元件反应的滞后，使液流突然停止运动而产生的液压流突然停止运动而产生的液压冲击；冲击；运动部件突然启动或停止，因运动部件突然启动或停止，因其惯性使液压缸和相连管道中其惯性使液压缸和相连管道中压力产生急剧变化而形成压力压力产生急剧变化而形成压力波，产生液压冲击。波，产生液压冲击。第二章 第六节 一、液压冲击2.消除或减弱液压冲击的措施消除或减弱液压冲击的措施:n缓慢关闭阀门，减慢管道的换向速度；缓慢关闭阀门，减慢管道的换向速度；n缩短管子长度；缩短管子长度；n减慢换向阀关闭前的液流速度；减慢换向阀关闭前的液流速度；n设置蓄能器、安全阀等。设置蓄能器、安全阀等。第二章 第六节 二、气穴（或空穴）