液压课件第二章 液压介质及流体力学要点

1、第二章第二章 液压介质及流体力学要点液压介质及流体力学要点 液压介质一般称为液压油(有部分液压介质已不含油的成份)。液压介质的性能对液压系统的工作状态有很大影响。 流体力学是研究流体的平衡与运动规律的学科。 在研究液压系统前,必须先对液压介质及其性质有较深入的了解。2.1.1 液压介质的主要物理性质液压介质的主要物理性质1、密度密度: 单位容积液体的质量称为液体的密度。体积为V，质量为m的液体的密度为 （2-1）2、可压缩性可压缩性: 液体受压力作用而发生体积变化的性质称为液体的可压缩性。 液体的压缩性可用体积压缩系数表示。 体积弹性模量体积弹性模量K K ( (体积压缩系数的倒数体积压缩系数

2、的倒数) ) 2.1 液压介质液压介质01VVpVm/VpVkK01V V0 0一定，在同样一定，在同样pp下，下， K K 越大越大, , V V 越小越小; ;说明说明K K 越大，液体越大，液体的抗压能力越强。的抗压能力越强。（2-2） 1） 粘性粘性的概念 液体质点间产生相对运动时，分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生一种内摩擦力，这种性质叫做液体的粘性。（2-3）这就是牛顿的液体内摩擦定律。 2） 粘度粘度 : 液体的粘性大小可用粘度来表示。粘度的表示方法有动力粘度、运动粘度、相对粘度。 动力粘度动力粘度的物理意义：液体在单位速度梯度下流动时产生的内摩擦 应力。动力粘度的单位为

3、Pas（帕秒，Ns/m2 ）。 运动粘度运动粘度 =/ 运动粘度的单位为m2/s。 相对粘度 恩氏粘度E、赛氏粘度SSU、雷氏粘度Re等。 液体的粘度随液体的压力和温度而变: 1) 压力增大时，粘度增大，但影响很小，通常忽略不计。 2) 液压油的粘度对温度变化十分敏感。温度升高时，粘度下降。 3、粘性粘性dydu /2.1.2 液压介质的分类与代号液压介质的分类与代号液压介质石油基液压油无添加剂的石油基液压液（L-HH）HH+抗氧化剂防锈剂（L-HL）HL+抗磨剂（L-HM）HL+增粘剂（L-HR）HM+增粘剂（L-HV）抗燃液压液含水液压液高含水液压液（L-HFA）水包油乳化液（L-HFAE

4、）水的化学溶液（L-HFAS）油包水乳化液（L-HFB）水乙二醇（L-HFC）合成液压液磷酸酯液(L-HFAE)氯化氢(L-HFAE)HFDR+HFDS(L-HFDT)其他合成液压液（L-HFDU）2.1.3 液压介质的选用液压介质的选用1 1、选择液压油液的类型、选择液压油液的类型 在选择液压油液类型时，主要是考虑液压系统的工作环境和工作条件，若系统靠近300 以上的高温表面热源或有明火场所，要选择抗燃型液压油或液压液，其中对液压油液用量大的液压系统建议选用乳化型液压液；用量小的选用合成型液压液。当选用了矿物油型液压油后，首选的是专用液压油；在受到某些限制或对简单液压系统，也可选用普通液压油

5、或汽轮机油。 2、选择液压油液的粘度、选择液压油液的粘度 对液压系统所使用的液压油液来说，首先要考虑的是粘度。粘度太大，液流的压力损失大，使系统的效率降低；粘度太小，泄漏增大，也会使液压系统的效率降低。因此，应选择使系统能正常、高效和可靠工作的油液粘度。 在液压系统中，液压泵的工作条件最为严峻。它不但压力大、转速和温度高，而且液压油液被泵吸入和被泵压出时要受到剪切作用，所以一般根据液压泵的要求来确定液压油液的粘度。同时，因油温对油液的粘度影响较大，而且还会分解出不利于使用的成分，或因过量的汽化而使液压泵吸空，无法正常工作。所以，应根据具体情况控制油温，使泵和系统在油液的最佳粘度范围内工作。对各

6、种不同的液压泵，推荐粘度范围及用油见下表。各类泵的最佳粘度范围各类泵的最佳粘度范围40粘度（mm2/s）环境温度5404080齿轮泵307011054叶片泵p7MPa30504377叶片泵p7MPa54706595轴向式柱塞泵437770172径向式柱塞泵30128652702.1.4 液压传动工作介质的污染及控制液压传动工作介质的污染及控制1、工作介质污染的原因、工作介质污染的原因w液压装置组装时残留下来的污染物液压装置组装时残留下来的污染物 w从周围环境混入的污染物从周围环境混入的污染物 w在工作过程中产生的污染物在工作过程中产生的污染物 工作介质（包括液压油）的污染用污染度等级来表示，工

7、作介质（包括液压油）的污染用污染度等级来表示，它是指单位容积工作介质中固体颗粒污染物的含量，即工作它是指单位容积工作介质中固体颗粒污染物的含量，即工作介质中所含介质中所含固体颗粒的浓度固体颗粒的浓度。 ISO4406ISO4406规定的污染度根据颗粒浓度的大小共分为规定的污染度根据颗粒浓度的大小共分为2626个等个等级数码，颗粒浓度愈大，代表等级的数码愈大。级数码，颗粒浓度愈大，代表等级的数码愈大。 为了定量地描述和评定工作介质的污染程度，国际标准为了定量地描述和评定工作介质的污染程度，国际标准ISO4406ISO4406中已经给出了污染度等级标准，污染度等级用两个数中已经给出了污染度等级标准

8、，污染度等级用两个数码表示工作介质中固体颗粒的污染度，前面的数码代表码表示工作介质中固体颗粒的污染度，前面的数码代表1 1 mLmL工作介质中尺寸不小于工作介质中尺寸不小于5 5 m m的颗粒数等级，后面的数码代表的颗粒数等级，后面的数码代表1 1 mLmL工作介质中尺寸不小于工作介质中尺寸不小于15 15 m m的颗粒数等级，两个数码之间的颗粒数等级，两个数码之间用一斜线分隔。用一斜线分隔。 例如污染度等级数码为例如污染度等级数码为18/1518/15的液压油，表示它在每毫升的液压油，表示它在每毫升内不小于内不小于5 5 m m的颗粒数在的颗粒数在1 3001 3002 5002 500之间

9、，不小于之间，不小于15 15 m m的的颗粒数在颗粒数在160160320320之间。之间。2 2、工作介质污染的危害工作介质污染的危害 固体颗粒和胶状生成物固体颗粒和胶状生成物堵塞滤油器，使液压泵吸油不畅、堵塞滤油器，使液压泵吸油不畅、运转困难、产生噪声；堵塞阀类元件的小孔或缝隙，使阀运转困难、产生噪声；堵塞阀类元件的小孔或缝隙，使阀类元件动作失灵。类元件动作失灵。 微小固体颗粒微小固体颗粒会加速有相对滑动零件表面的磨损，使液会加速有相对滑动零件表面的磨损，使液压元件不能正常工作；同时，它也会划伤密封件，使泄漏压元件不能正常工作；同时，它也会划伤密封件，使泄漏流量增加。流量增加。 水份和空

10、气水份和空气的混入会降低液压油液的润滑性，并加速其的混入会降低液压油液的润滑性，并加速其氧化变质；产生气蚀，使液压元件加速损坏；使液压传动氧化变质；产生气蚀，使液压元件加速损坏；使液压传动系统出现振动、爬行等现象。系统出现振动、爬行等现象。3 3、工作介质污染的控制工作介质污染的控制（1 1）减少外来的污染：）减少外来的污染：液压传动系统的管路和油箱等在装配前必须严格清液压传动系统的管路和油箱等在装配前必须严格清洗，用机械的方法除去残渣和表面氧化物，然后进行酸洗。液压传动系统在组装洗，用机械的方法除去残渣和表面氧化物，然后进行酸洗。液压传动系统在组装后要进行全面清洗，最好用系统工作时使用的油液

11、清洗，特别是液压伺服系统最后要进行全面清洗，最好用系统工作时使用的油液清洗，特别是液压伺服系统最好要经过几次清洗来保证清洁。油箱通气孔要加空气滤清器，给油箱加油要用滤好要经过几次清洗来保证清洁。油箱通气孔要加空气滤清器，给油箱加油要用滤油车，对外露件应装防尘密封，并经常检查，定期更换。液压传动系统的维修、油车，对外露件应装防尘密封，并经常检查，定期更换。液压传动系统的维修、液压元件的更换、拆卸应在无尘区进行。液压元件的更换、拆卸应在无尘区进行。 （2 2）滤除系统产生的杂质：滤除系统产生的杂质：应在系统的相应部位安装适当精度的过滤器，应在系统的相应部位安装适当精度的过滤器，并且要定期检查、清洗

12、或更换滤芯。并且要定期检查、清洗或更换滤芯。（3 3）控制液压介质的工作温度：控制液压介质的工作温度：液压介质的工作温度过高会加速其氧化液压介质的工作温度过高会加速其氧化变质，产生各种生成物，缩短它的使用期限。所以要限制油液的最高使用温度。变质，产生各种生成物，缩短它的使用期限。所以要限制油液的最高使用温度。（4 4）定期检查更换液压介质：定期检查更换液压介质：应根据液压设备使用说明书的要求和维护应根据液压设备使用说明书的要求和维护保养规程的有关规定，定期检查更换液压介质。更换液压介质时要清洗油箱，保养规程的有关规定，定期检查更换液压介质。更换液压介质时要清洗油箱，冲洗系统管道及液压元件。冲洗

13、系统管道及液压元件。2.2 液体静力学液体静力学2.2.1 液体静力学基本方程液体静力学基本方程2.2.1.1 液体静压力及其特性液体静压力及其特性液体单位面积上所受的法向力称为液体压力。即 液体静止时的压力称液体静压力，具有以下两个重要特性：1) 液体静压力始终垂直于作用面，其方向总是指向作用面的内法向。2)在平衡液体中，静止液体内任意点处的压力在各个方向上都相等。AFp 2.2.1.2 压力的度量及表示法压力的度量及表示法 压力的法定计量单位为Pa, l Pa1 Nm2，常用几种压力工程单位的关系如下:1 MPa106 Pa10 bar10.2 atm102 mH2O 液体压力按度量基准点

14、不同，可分为绝对压力和相对压力 以绝对真空作为基准所度量的压力称为绝对压力； 绝对压力相对压力大气压力绝对压力相对压力大气压力 以大气压力作为基准所度量的压力称为相对压力。 相对压力绝对压力相对压力绝对压力- -大气压力大气压力 如果液体中某点处的绝对压力小于大气压如果液体中某点处的绝对压力小于大气压, ,这时在这个点上这时在这个点上的绝对压力比大气压力小的部分数值称为真空度。的绝对压力比大气压力小的部分数值称为真空度。 即即 : : 真空度大气压力绝对压力真空度大气压力绝对压力 绝对压力、相对压力及真空度的关系可用下图表示。绝对压力、相对压力和真空度的相对关系：绝对压力、相对压力和真空度的相

15、对关系： 由上式可知： 1)静止液体内的压力随液体深度 呈线性分布。 2)离液面深度相同的各点的压力 相等，压力相等的所有点组成 的面叫等压面。静止液体的等压面是一个水平面。0p2.2.1.3 静力学基本方程静力学基本方程 如图所示，在重力作用下的静止液体，液体中任点处的压力为:式中 p距液面深度为h处的液体压力,Pa； 液面上的压力，Pa； 液体的密度，kgm3。ghpp0 2.2.2 静止液体对壁面的作用力静止液体对壁面的作用力 2.2.2.1 液体对平面的作用力液体对平面的作用力 静止液体与平面相接触时，若不计重力作用，则平面上各点处的静压力大小相等，方向垂直于平面，且指向平面的内法线方

16、向，即平面上的液体静压力是相互平行的。因此，作用在平面的力为液体静压力p与承压面面积A的乘积。即 ApF F静止液体对平面的作用力，N；P压力，Pa；A与液体接触的平面面积，m2。dplrdApdFdFXcoscoscos故 2/2/2/2/2cosrlpdplrdFFxX 因此，液体在曲面上的静压力在某个方向上的分力，等于液体静压力和曲面在该方向上投影面积的乘积。 2.2.2.2 液体对曲面的作用力液体对曲面的作用力 当静止液体和曲面相接触时，由于静压力始终沿着内法线方向垂直于其作用面，因而曲面上各点处的静压力是不平行的。如图所示液压缸缸筒，静止液体作用在缸筒右半侧内壁上的力为2.3 液体动

17、力学液体动力学 为讨论问题的方便，先引入几个基本概念： 理想液体理想液体 既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体，是一种假想液体。 稳定流动稳定流动 液体流动时，液体中任意点处的压力、速度和密度都不随时间变化,也叫定常流动。反之，则为非反之，则为非稳定流动。稳定流动。 一维流动一维流动 当液体整个作线形流动时称为一维流动。当液体整个作线形流动时称为一维流动。 液体动力学的主要内容是研究液体流动时速度和压力的变化液体动力学的主要内容是研究液体流动时速度和压力的变化规律。涉及到三个基本方程：规律。涉及到三个基本方程：流量连续性方程流量连续性方程、伯努利方程伯努利方程和和动动量方程量方程。前两个方程反

18、映压力、流速与流量之间的关系，后一个。前两个方程反映压力、流速与流量之间的关系，后一个方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。 通流截面通流截面 垂直于液体流动方向的截面称为通流截面，也叫过流截面，符号：A，单位：m2。 流流 量量 单位时间内流过某通流截面的液体体积称为流量(体积流量)，符号：q，单位：m3s。 平均流速平均流速 流过某通流截面的流量与通流截面积的比值 。 Aqv/2.3.1 连续性方程连续性方程 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种具体表现连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的一种具体表现形式形式 。 如图所示的液体

19、在任意形状如图所示的液体在任意形状的管道中作稳定流动，任取的管道中作稳定流动，任取1 1、2 2个不同的通流截面。根据质量守个不同的通流截面。根据质量守恒定律，单位时间内流过这两个恒定律，单位时间内流过这两个截面的液体质量是相等的，即截面的液体质量是相等的，即 dtdAvdtdAv22112211dAvdAv对整个流管对整个流管：若忽略液体的可压缩性，即若忽略液体的可压缩性，即1 1=2 2，则则 ：常数常数 上式称为上式称为不可压缩液体作稳定流动时的连续性方程。不可压缩液体作稳定流动时的连续性方程。 说明：说明： 1) 通过流管任一通流截面的流量相等。通过流管任一通流截面的流量相等。 2)

20、液体的流速与管道通流截面积成反比液体的流速与管道通流截面积成反比。 3)在具有分歧的管路中具有在具有分歧的管路中具有q1=q2+q3的关系的关系.。2211AAAq 伯努利方程是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。伯努利方程是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。 首先讨论理想液体的伯努利方程，然后对它进行修正，最后首先讨论理想液体的伯努利方程，然后对它进行修正，最后得到实际流体的伯努利方程。得到实际流体的伯努利方程。 2.3.2.1 理想液体的伯努利方程 如图所示为一变截面管道，理想液体在管道中作稳定流动，任意选取两个截面II和，其间的液体为所研究的控制体。同时，在任意位置上选取一个水平面 O

21、O作为基准面。设截面II的面积为A1，位置高度为z1，液体压力为pl，平均流速为v1；截面的相应值分别为A2、z2、p2、v2。 在很短时间dt内，控制体I I 移到II处,两截面的移动距离分别为v1dt、v2dt,外力Fl、F2对控制体所做的功为2.3.2 伯努利方程伯努利方程VppqdtppdtvApdtvApdFdFWss)()(212122211122111液体流速的变化引起其动能的改变,即212222121mvmvW由于液体位置高度的变化引起其势能的改变,即123mgzmgzW根据能量守恒定律,外力对控制体所做的功等于其机械能的增量,即22221211122122212121)()2

22、121(mgzmvVpmgzmvVpmgzmgzmvmvVpVp式中 单位重量液体所具有的压力能，又称为比压能； 单位重量液体所具有的动能，又称为比动能； z 单位重量液体所具有的势能，又称为比势能。gv22 上式即为理想液体伯努利方程，该方程表明理想液体在管道内作稳定流动时，在任意截面处均具有压力能、动能和势能。这三种能量可以互相转换，但其总和不变。这就是理想液体伯努利方程的物理意义。 对于单位重量液体，上式两端同除mg得常数常数对于任意截面可写成2222121122zgvgpzgvgpzggp22gp 从几何意义上来说， 的量纲是长度L，它代表测压管中的液面离该断面中心的高度，称为压力水头

23、；z代表断面上的流体质点至基准面的平均高度其量纲也是长度L，称为位置水头； 的量纲也是长度L，它相当于液体的垂直向上的速度v所能达到的高度，称为速度水头。公式表明，流束任意通流截面的总水头等于常数，如图所示。 gv22式中 a1、a2动能修正系数,在圆管内,紊流时，a1,层流时,a=2; hw单位重量液体的平均能量损失。实际液体的伯努利方程gpwhzgvagpzgvagp2222212111222.3.3 动量方程动量方程 图示为一变截面管道，理想液体在管道中作稳定流动。根据动量定律，有式中 F 作用于控制体上的所有外力的合力，包括 p1A1、 p2A2、 R、G等，N； 液体密度，kgm3；

24、 q 液体流过管道的流量，m3s；v1，v2液体的平均流速，ms。 其物理意义是：作用在所研究控制体上的外力总和等于单位时间内流出控制体与流入控制体的动量之差。)(12vvqF2.4 液体流动时的压力损失及流量计算液体流动时的压力损失及流量计算 2.4.1 液体流动状态液体流动状态2.4.1.1 层流和紊流层流和紊流 层流层流 不同层之间的液体质点没有相互混杂，本层的液体质点总是沿着本层流动，液体质点的运动轨迹是相互平行的光滑曲线。 紊流紊流 液体层与层之间的质点相互混杂，液体质点的运动轨迹杂乱无章.2.4.1.2 流动状态的判别流动状态的判别 实验证明，圆管内液体的流态与其流速v、管道直径d

25、和液体的运动粘度v有关，并取决于vdv的大小，这一比值称为雷诺数，用Re表示，即 流动液体从层流转变成紊流或从紊流转变成层流的雷诺数称为临界雷诺数，记作Rek。 当液流的雷诺数Re小于临界雷诺数Rek时，液流为层流状态；反之为紊流。常用管道的临界雷诺数Rek2300。对于非圆形截面管道，其雷诺数表达式为 Re4vR 式中 R通流截面的水力半径(RAx)，m; A通流截面积，m2； X湿周(有效截面周界与液体接触部分的总长度)，m。Revd2.4.2 压力损失及其计算压力损失及其计算液体流动的压力损失有两种：沿程损失和局部损失。沿程损失沿程损失 是由粘性摩擦引起的压力损失。局部损失局部损失 是液

26、流流经局部障碍(如阀口、弯头等)，使液 流速度大小和方向发生改变引起的压力损失。2.4.2.1 沿程压力损失计算沿程压力损失计算液体在管中流动引起的沿程损失与管径d,管长 ,液流流速v有关,其表达式为式中 沿程压力损失, Pa;沿程阻力系数。2.4.2.2 局部压力损失计算局部压力损失计算 局部压力损失可按下式计算22vp式中 局部阻力系数,可查阅有关手册得到。l22vdlpllp各种液压阀的阀口压力损失可按下式计算式中 np 各类液压阀通过额定流量时的压力损失， 其值可由产品样本或手册查的, Pa； qn各类液压阀的额定流量，m3s ； q阀通过的实际流量，m3s。2)(nnqqpp2.4.

27、2.3 管路系统的总压力损失管路系统的总压力损失 管路系统的总压力损失等于系统所有沿程损失与所有局部损失之和,即2222vvdlpppl2.4.3 孔口和缝隙流量计算孔口和缝隙流量计算2.4.3.1 孔口流量计算 液压生产技术中常用的孔口有三种不同的孔型，即薄壁孔、管嘴和细长孔。 薄壁孔薄壁孔 是指孔的长度l与直径d之比ld0.5，其孔 口边缘一般为尖锐的刃口。 管管 嘴嘴 孔的长径比0.5ld4。 细长孔细长孔 孔的长径比ld4。A 薄壁孔流量计算薄壁孔流量计算 薄壁孔流量计算公式为pACqd2式中 q流经薄壁孔口的流量，m3s； A薄壁孔截面积，m2 薄壁孔前后液流压力差，Pa； 液体密度

28、，kgm3； Cd流量系数一般取0.610.63. B 管嘴流量计算管嘴流量计算管嘴流量的计算公式为ppACd2q 式中 Cd流量系数，一般取Cd 0.80.82； 其余各项同前式。 C 细长孔流量计算细长孔流量计算液流在细长孔中流动，一般属圆管层流，其计算公式为 d细长孔孔径，m； 液体的动力粘度，Pas； l细长孔长度，m; 细长孔前后的压差，Pa。ppldq1284式中2.4.3.2 缝隙流量计算缝隙流量计算 由于缝隙一般都很小(几微米到几十微米),水力半径也很小,液压介质又具有一定的粘度,因此液压介质在缝隙中的流动一般为层流。A 平行平板间的缝隙流量平行平板间的缝隙流量a 固定平行平板间的缝隙流量固定平行平板间的缝隙流量 如图所示，在压差的作用下，液体在固定平行平板间的缝隙中流动。缝隙的高度为h，宽度为b，长度为l且bh，lh。其流量公式为式中 液体的动力粘度，Pas。plbhq123b 有相对运动的平行平板间的缝隙流量有相对运动的平行平板间的缝隙流量 如图所示，下板固定不动，上板以速度v0相对于下板运动。即使压差