第2章 液压传动介质

1、第2章液压传动介质2.1 液体的物理性质2.2 液体的力学性质2.3液体流动时的能量损失2.4液压介质的选用小结2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.1 2.1 液体的物理性质液体的物理性质2.1.1 密度密度2.1.2 可压缩性可压缩性2.1.3 黏性黏性VmVVpk1 液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的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，液体产生内摩擦力的性质称为液体的的内摩擦力，液体产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。粘性。2022-5-320

2、22-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质 2.1.3 黏性黏性1.1.黏度黏度牛顿内摩擦力定律牛顿内摩擦力定律AdyduAhuF0dyduhuAF0 动力粘度：单位速度梯度下液体的切应力。国际单位动力粘度：单位速度梯度下液体的切应力。国际单位PaPaS S。 dydu/ 运动粘度：液体动力粘度与密度的比值。国际单位运动粘度：液体动力粘度与密度的比值。国际单位m m2 2/s/s。 运动粘度没有明确的物理意义运动粘度没有明确的物理意义, ,但在但在工程实际中经常用到，我国液压油的牌工程实际中经常用到，我国液压油的牌号就是以其号就是以其4040时运动粘度的平均值的时运动粘度的平均值的来

3、表示的。来表示的。 例如例如L-HM-46L-HM-46抗磨液压油，在抗磨液压油，在4040时运动粘度的平均值为时运动粘度的平均值为46mm46mm2 2/s/s。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.粘压、粘温特性粘压、粘温特性(1)(1)压力对粘度的影响压力对粘度的影响当液体所受的压力加大当液体所受的压力加大时，分子之间的距离缩小时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其粘度也，内聚力增大，其粘度也随之增大。随之增大。 (2)(2)温度对粘度的影响温度对粘度的影响液压油黏度对温度的变液压油黏度对温度的变化十分敏感。当温度升高化十分敏感。当温度升高时，其分子

4、之间的内聚力时，其分子之间的内聚力减小，粘度就随之降低。减小，粘度就随之降低。右图为常用液压介质的粘右图为常用液压介质的粘温图。温图。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.2 2.2 液体的力学特性液体的力学特性2.2.1 液体静力学液体静力学 液体表面力中的切应力为零，液体只受质量力和表液体表面力中的切应力为零，液体只受质量力和表面压应力作用。面压应力作用。平衡包括两种：平衡包括两种： 1 1、绝对平衡：重力场中的流体平衡、绝对平衡：重力场中的流体平衡 流体对地球无相对运动；流体对地球无相对运动； 2 2、流体的相对平衡、流体的相对平衡 流体对运动容器无

5、相对运动。流体对运动容器无相对运动。 平衡液体中平衡液体中2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.2.1 液体静力学液体静力学1.1. 静压力及其分布静压力及其分布静压力方程及特性静压力方程及特性图2-2 重力场中的静止液体 在重力作用下，液体内部的压强随深度线性增加；在重力作用下，液体内部的压强随深度线性增加； 在重力作用下的液体中，深度相同的各点静压强亦相同在重力作用下的液体中，深度相同的各点静压强亦相同, ,因此等因此等压面是一水平面。压面是一水平面。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质压力的表示方法压力的表示方法

6、绝对压力：以绝对真空为起点计算压强大小。绝对压力：以绝对真空为起点计算压强大小。 计示压力：以当地大气压为零计算的压强，比当地大气压大多少计示压力：以当地大气压为零计算的压强，比当地大气压大多少的压强，叫做计示压强或表压强。的压强，叫做计示压强或表压强。 真空度：某点压强低于当地大气压，低于当地大气压的数值叫真真空度：某点压强低于当地大气压，低于当地大气压的数值叫真空度。空度。 绝对压力是以绝对真空为起绝对压力是以绝对真空为起点，其值恒大于点，其值恒大于0 0； 相对压力是以当地大气压为相对压力是以当地大气压为起点，其值可正可负，也可为起点，其值可正可负，也可为0 0，相对压力又称计示压力；相

7、对压力又称计示压力； 相对压力小于相对压力小于0 0时，其数值的时，其数值的绝对值又称真空度。绝对值又称真空度。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.2.液体对固体壁面的作用力液体对固体壁面的作用力 液体作用于平面的力：形心压力与平面面积的乘积；液体作用于平面的力：形心压力与平面面积的乘积； 液体作用于曲面的力：投影面形心点压力与曲面在受力方向上液体作用于曲面的力：投影面形心点压力与曲面在受力方向上投影面积的乘积。投影面积的乘积。 当液体的表面压力远大于重力作用产生的压力时，重力作用可当液体的表面压力远大于重力作用产生的压力时，重力作用可忽略。液体中各点的

8、压力视为相等，曲面受力可简化。忽略。液体中各点的压力视为相等，曲面受力可简化。缸筒受力分析阀芯受力分析2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.2.2液体动力学液体动力学1.1.基本概念基本概念（1 1）实际液体、理想液体与定常）实际液体、理想液体与定常( (恒定）流动恒定）流动（2 2） 迹线、流线迹线、流线（3 3） 流管、流束、总流和通流截面流管、流束、总流和通流截面（4 4） 流量和平均流速流量和平均流速AqAudAvAAudAq2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2. .连续性方程连续性方程液体的连续性方程是质量守

9、恒定律在液体力学中的一种表达形式。液体的连续性方程是质量守恒定律在液体力学中的一种表达形式。对于不可压缩液体的定常流动下，管路中连续性方程的表达形式推导如下：对于不可压缩液体的定常流动下，管路中连续性方程的表达形式推导如下：图2-8 连续性方程推导221122211121AAqAAqqmmm 通过流管内任一通流截面上的流量相等，当流量一定时，任一通流通过流管内任一通流截面上的流量相等，当流量一定时，任一通流截面上的流速与通流面积成反比。截面上的流速与通流面积成反比。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质/sm1026. 21013. 12 . 0354111A

10、vq解：小活塞向下移动排出的流量为：解：小活塞向下移动排出的流量为：由连续性方程知，进入大缸内的流量由连续性方程知，进入大缸内的流量 q q2 2= =q q1 1，所以大缸活塞向上运动的速度为：所以大缸活塞向上运动的速度为：同理，通过管道的平均流速为：同理，通过管道的平均流速为：m/s0235. 01062. 91026. 24521222AqAqvm/s738. 11013. 01026. 24531333AqAqv例例2-1 2-1 已知小活塞的面积已知小活塞的面积 A A1 1=1.13=1.131010-4-4m m2 2，大活塞的面积，大活塞的面积，A A2 2=9.62=9.62

11、10104 4m m2 2，管道，管道3 3 的截的截面积面积 A A3 3=0.13=0.1310104 4 m m2 2。已知小活塞向下移动。已知小活塞向下移动速度速度v v1 1=0.2m/s=0.2m/s；试求大活塞向上运动速度；试求大活塞向上运动速度v v2 2和和流体在管道内的流动速度流体在管道内的流动速度v v3 3。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质3.3.伯努利方程伯努利方程能量守恒是自然界的客观规律，流动液体也遵守能量守恒定律，能量守恒是自然界的客观规律，流动液体也遵守能量守恒定律，这个规律用伯努利方程的数学形式来表达这个规律用伯努利方

12、程的数学形式来表达 。一、理想液体的伯努利方程及物理意义一、理想液体的伯努利方程及物理意义理想液体能量图gzgpgzgp2222222111 Z ：单位重力液体的位能，或位置水头。或压强水头单位重力液体的压能,:gp或速度水头单位重力液体的动能, :22gv理想液体伯努利方程物理意义：理想液体伯努利方程物理意义： 单位重力的液体所携带的总能量（总水头）单位重力的液体所携带的总能量（总水头）在各通流截面上保持不变，但其位能（位置水在各通流截面上保持不变，但其位能（位置水头）、压力能（压强水头）和动能（速度水头）头）、压力能（压强水头）和动能（速度水头）可以相互转换。可以相互转换。 2022-5-

13、32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质二、实际液体的伯努利方程二、实际液体的伯努利方程实际液体能量转换图whgzgpgzgp222222221111动能修正系数、21断面的能量损失流至断面单位重力液体从断面21:wh2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质 例例2.2 2.2 液压泵吸油装置如图液压泵吸油装置如图 所示，设油箱液面压力为所示，设油箱液面压力为p p1 1 ，液压泵吸油口处的压力为液压泵吸油口处的压力为p p2 2 ，泵吸油口距油箱液面的高度为，泵吸油口距油箱液面的高度为h h，吸油管路上的总能量损失为吸油管路上的总能量损失为h

14、 hw w，不考虑液体流动状态的影响，取，不考虑液体流动状态的影响，取动能修正系数动能修正系数 =1 =1。试确定液压泵吸油口处的真空度。试确定液压泵吸油口处的真空度。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质解：取油箱液面解：取油箱液面1-11-1截面和液压泵进口处截面截面和液压泵进口处截面2-22-2列出伯努利方程，列出伯努利方程，并取截面并取截面1-11-1为基准平面，则有：为基准平面，则有： p p1 1为油箱液面的压力，等于当地大气压，等式两端压力只为油箱液面的压力，等于当地大气压，等式两端压力只要采用同表式方式即可，现以相对压力计，则要采用同表式方式即

15、可，现以相对压力计，则p p1 1=0=0，因油箱，因油箱液面处的流速与吸油管中的流速相比时液面处的流速与吸油管中的流速相比时v v1 1v v2 2，因此，因此v v1 100，p p2 2为吸油口处的相对压力，则有：为吸油口处的相对压力，则有：相对压力为负值，泵吸油处存在真空度，真空度为：相对压力为负值，泵吸油处存在真空度，真空度为：wghvgzpvgzp222222221111wghvghp20222)2(222wghvghpwghvgh2222022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质4 .4 .动量方程动量方程动量定理动量定理流体质点系的动量定理流体质点系

16、的动量定理 作用在质点系上的总外力等于质点系的动量变化率。作用在质点系上的总外力等于质点系的动量变化率。 2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质动量定理推导图动量方程的分量形式动量方程的分量形式不可压缩流体定常流动的动量方程不可压缩流体定常流动的动量方程 如果控制体中的液体在所研究的方向上只有与固体壁面间的相如果控制体中的液体在所研究的方向上只有与固体壁面间的相互作用力，则液体对壁面的作用力与动量变化计算出的力大小相等，互作用力，则液体对壁面的作用力与动量变化计算出的力大小相等，方向相反。方向相反。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液

17、压传动介质2.32.3 液体流动时的能量损失液体流动时的能量损失2.3.1流动液体的压力损失流动液体的压力损失 液压系统中，液体主要是依靠它的压力能来作功，液压系统中，液体主要是依靠它的压力能来作功，所以，动能和位能一般是忽略不计的，因而，伯努利所以，动能和位能一般是忽略不计的，因而，伯努利方程在液压系统中的应用形式为：方程在液压系统中的应用形式为：wppp21式中：式中： 两截面间单位体积液体的压力损失，单位为帕两截面间单位体积液体的压力损失，单位为帕PaPa。包。包括由管路引起的损失和由于弯头、接头、断面变化等引起的局部损括由管路引起的损失和由于弯头、接头、断面变化等引起的局部损失。失。w

18、p2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.3.1流动液体的压力损失流动液体的压力损失1.1.层流、紊流、雷诺数层流、紊流、雷诺数雷诺实验雷诺实验 19 19世纪末，英国物理学家雷诺通过实验装置，发现液体在管道世纪末，英国物理学家雷诺通过实验装置，发现液体在管道中流动时，有两种完全不同的流动状态。中流动时，有两种完全不同的流动状态。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质 流速很小时，管内液体沿轴向流动，层与流速很小时，管内液体沿轴向流动，层与层之间、流束之间不互相混杂，流体质点之间层之间、流束之间不互相混杂，流体质点之间没有径

19、向的运动交换，都保持各自的流线运动，没有径向的运动交换，都保持各自的流线运动，这种流动状态称为层流。这种流动状态称为层流。颜色水 当流速达到一定值时，质点运动曾现一种当流速达到一定值时，质点运动曾现一种紊乱状态，质点流动杂乱无章，说明管中质点紊乱状态，质点流动杂乱无章，说明管中质点流动不仅仅在轴向，在径向也有不规则的脉动流动不仅仅在轴向，在径向也有不规则的脉动现象，各质点大量交换混杂，这种流动状态称现象，各质点大量交换混杂，这种流动状态称为湍流或紊流。为湍流或紊流。颜色水颜色水 流速增大时，颜色水看是动荡，但仍保持流速增大时，颜色水看是动荡，但仍保持完整形状，管内液体仍为层流状态，当到达到完整

20、形状，管内液体仍为层流状态，当到达到某一值某一值 时，颜色线开始抖动、分散。这是一时，颜色线开始抖动、分散。这是一种由层流到湍流的过渡状态。种由层流到湍流的过渡状态。k2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质雷诺实验结论雷诺实验结论 管路中液体存在两种不同的流动状态：层流和紊流；管路中液体存在两种不同的流动状态：层流和紊流； 液体在管中的流动状态不仅与管内的平均流速有关，还和管路水液体在管中的流动状态不仅与管内的平均流速有关，还和管路水利直径以及液体的性质有关，即流动状态取决于雷诺数。利直径以及液体的性质有关，即流动状态取决于雷诺数。 管路流动中不同的流动状态具

21、有不同的损失规律。管路流动中不同的流动状态具有不同的损失规律。ReRec时，管中流动状态是紊流；ReRec时，管中流动状态是层流。Rec为管临界雷诺数。dVdRe雷诺数雷诺数工程中判断标准：工程中判断标准：Re 2320，紊流。 雷诺数中的特征尺寸雷诺数中的特征尺寸 d d 在圆形管道中取直径，在圆形管道中取直径， 在异形管道中用水力直径：在异形管道中用水力直径：4 4倍的倍的面积除以湿周。面积除以湿周。2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.沿程损失计算沿程损失计算 沿程阻力系数。层流时沿程阻力系数。层流时=64/Re=64/Re，考虑到管路入口影响时，取

22、，考虑到管路入口影响时，取=75/Re=75/Re。对于紊流流动时，其值求法见参见表对于紊流流动时，其值求法见参见表2-12-122dlghpf 沿流程的摩擦阻力，叫作沿程阻力，由此产生的能量损失称为沿沿流程的摩擦阻力，叫作沿程阻力，由此产生的能量损失称为沿程损失。沿程能量损失的压强损失表达式：程损失。沿程能量损失的压强损失表达式：2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质3.3. 局部压力损失局部压力损失4. .管路系统的总压力损失管路系统的总压力损失 液体流经阀口、弯管、突变通流截面等所引起的压力损失。液体流经阀口、弯管、突变通流截面等所引起的压力损失。计算公

23、式：计算公式：局部阻力系数，一般由实验确定，计算时查阅相关手册。局部阻力系数，一般由实验确定，计算时查阅相关手册。v液体的平均流速，一般情况下指局部阻力下游的流速。液体的平均流速，一般情况下指局部阻力下游的流速。22vppppw 管路系统的总压力损失等于所有沿程压力损失和所有局部压力管路系统的总压力损失等于所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和，即：损失之和，即：2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.3.2小孔及间隙流量小孔及间隙流量1.孔口流动孔口流动 q通过小孔的流量；通过小孔的流量； A0节流口的通道截面积；节流口的通道截面积； K由孔口形状、尺寸和

24、液体性质决定，由孔口形状、尺寸和液体性质决定， 薄壁孔时，薄壁孔时，KCq(2/)0.5； 细长孔时，细长孔时，Kd2/（32l）； p孔前后压差；孔前后压差； m由孔的长径比由孔的长径比( (通流长度通流长度l l与孔径与孔径d d0 0之比之比) )决定的指数，薄壁孔决定的指数，薄壁孔m=0.5，而细，而细 长孔长孔m=1，其他孔则，其他孔则m=0.51mPKAq0各种孔的口量压力特性，均可用下列的通式表示：各种孔的口量压力特性，均可用下列的通式表示：2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.2.间隙流动间隙流动03212ubhplbhq偏心环状间隙，偏心

25、环状间隙， 其流量计算公式为：其流量计算公式为：002302)5 . 11 (12udhlpdhq(1)平行平板间隙平行平板间隙 两平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的流动流量公式为：两平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的流动流量公式为： 正负号确定：平板运动速度与压差流动方向一致时，正负号确定：平板运动速度与压差流动方向一致时，取取“+ +”号；反之取号；反之取“- -”号。号。（2）环形间隙流动环形间隙流动2022-5-32022-5-3第第2 2章章 液压传动介质液压传动介质2.4 2.4 液压介质的选用液压介质的选用2.4.1 对液压介质的要求对液压介质的要求 液压介质应满足下列几点要求：液压介质应满足下列几点要求： 适宜的粘度和良好的粘温性能；适宜的粘度和良好的粘温性能； 良好的润滑性能；良好的润滑性能； 良好的化学稳定性；良好的化学稳定性； 对金属材料具有防锈性和防腐性；对金属材料具有防锈性和防腐性； 比热容大、热传导率大，热膨胀系数小；比热容大、热传导率大，热膨胀系数小； 抗泡沫性好，抗乳化性好；