第2章液压传动基础知识

1、第2章 液压传动 基础知识通过本章的学习使同学们了解液体的基本物理性质，掌握液体的静力学、运动学和动力学规律，为液压系统的设计打下坚实的基础。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识l 主要内容简介：主要内容简介：液体基本物理性质，液体的静力学、运动学和动力学规律。l 教学目标：教学目标：l1.了解液体的基本物理性质；l 2.掌握液压油选用原则及其污染控制方法；l 3.掌握液体的静力学、运动学和动力学相关概念及规律并能灵活加以应用。l 4.掌握液体在管路中流动特点及流动损失计算；l 5.掌握液压冲击及空穴现象产生的原因及其避免措施。l 教学方法：教学方法：讲授法，讨论法。流体力学与流体传

2、动知识第2章 液压传动基础知识第1节 液压传动的工作介质l工作介质的作用：传递动力与信号、润滑、冷却及防锈。l1、密度l=m/V (2-1)l特点 ： 随T 、p的变化而变化 。l在计算时，通常取15时的液压油密度=900 kg/m3。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第1节 液压传动的工作介质l2、可压缩性l 定义：液体受压力作用而发生体积减小的性质。l 表示方法：用体积压缩系数来表示，它是指液体在单位压力变化下的体积相对变化量，即：流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识2）-（2 1 VVp加负号的目的是：使为正值。常用液压油的体积压缩系数=(57)10-10 m2/N

3、。体积压缩系数的倒数称为液体的体积弹性模量。各种工作介质的弹性模量见表2-1。第1节 液压传动的工作介质l3、粘性l（1）定义：液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动而产生内摩擦力的性质称为粘性。l粘性的特点：流动液体才呈现粘性；粘性越大，流动阻力越大。l（2）粘性的度量即表示方法l液体粘性的大小用粘度表示。常用的粘度有三种，即动力粘度、运动粘度和相对粘度。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第1节 液压传动的工作介质l 1） 动力粘度（又称绝对粘度）l 如图为图2-1液体粘性示意图。在所示装置中的动板带动下两板之间液体的流动特点：液体流动特点：液体流动时，由于它

4、和固体壁面间的附着力以及它的粘性，会使其内各液层间的速度大小不等。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识动板定板图2-1 液体的粘性第1节 液压传动的工作介质l实际测定表明：液体流动时，相邻液层间的内摩擦力F与液层间的接触面积A和液层间相对运动的速度du成正比，而与液层间的距离dy成反比。即：流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识yuAFddf(2-4)若用单位面积上的摩擦力(切应力)来表示，则上式可以改写成yuAFdd/f(2-5)上式称为牛顿液体的内摩擦定律第1节 液压传动的工作介质l动力粘度的物理意义：当速度梯度等于1时，流动液体液层间单位面积上的内摩擦力。l单位：国际单

5、位制中为Ns/m2或Pas 。在厘米克秒制中其单位为P（泊）或cP厘泊。l由动力粘度的单位可以看出：它为动力学的量，因此称其为动力粘度。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第1节 液压传动的工作介质l2） 运动粘度l定义： 动力粘度和液体密度之比值称为运动粘度，用表示。即：l =/ (2-6)l特点：运动粘度没有明确的物理意义。l单位：国际单位制和我国法定计量单位为 m2/s。 在厘米克秒制中其单位为cm2/s，通常称为St（斯），工程常用cSt。l注意：工程中常用它来标志液体的粘度。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第1节 液压传动的工作介质l如液压油的牌号，就是这种油

6、液在40时的运动粘度(mm2/s)的平均值。例如Y4N32液压油就是指这种液压油在40时的运动粘度的平均值为32 mm2/s。l再如40号全损耗系统用油就是指这种油在40时的运动粘度(mm2/s)的平均值为40mm2/s。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第1节 液压传动的工作介质l3） 相对粘度（又称条件粘度）l它是采用特定的粘度计，在规定的条件下测出的液体粘度。l测量条件不同相对粘度的单位也不相同。我国我国采用恩氏粘度(E)。具体测定方法由同学们自学。l恩氏粘度与运动粘度间的换算关系见式（2-8）。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第1节 液压传动的工作介质l（3）

7、粘度与温度的关系 l温度对油液的粘度的影响较大，当油温升高时其粘度会显著降低，这一特性称为油液的粘温特性。l油液的粘温特性直接影响着液压系统的工作性能，因此在液压系统中总是希望油液的粘度随温度的变化越小越好。各种油液的粘特性曲线如图2-2所示。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第1节 液压传动的工作介质l（4）压力对粘度的影响 l随着油受到的压力增加其粘度会有所增加，但是在压力不高时这种变化并不明显，一般可忽略不计。当压力高于50 MPa时，压力对粘度的影响较明显，此时则必须考虑压力对粘度的影响。 流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第1节 液压传动的工作介质l 4、液压

8、系统对工作介质性能的要求l 5、工作介质的类型与选用l （1）类型 表2-2l （2）工作介质的选用l 在选择工作介质时需要考虑的多种因素（自学）。一般根据粘度选择液压油的原则是：运动速度高或配合间隙小时，宜采用粘度较低的液压油以减少摩擦损失；工作压力高或温度高时，宜采用粘度较高的液压油以减少泄漏。实际上，系统中使用的液压泵对液压油粘度的选用往往起决定性作用。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第2节 液压油的污染及其控制l液压油是液压机械的血液，具有传递动力、减少元件间的摩擦、隔离磨损表面、虚浮污染物、控制元件表面氧化、冷却液压元件等功能。因此液压油是否清洁，不仅影响液压系统的工作

9、性能和液压元件的使用寿命，而且直接关系机械能否正常工作。液压机械的故障直接与液压的污染度有关，因此控制液压油污染是十分重要的。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第2节 液压油的污染及其控制l 一、液压油污染物的来源 l 1、固体污染物：来自液压系统的管道、液压元件如液压缸，胶管、泵、马达、阀、液压油箱等，在系统使用前未冲洗干净，在液压系统工作时，污染物就进入到液压油中。 l 2、外界侵入的污染物：外界的空气、水、灰尘、固体颗粒，在液压系统工作过程中，通过液压缸活塞杆、胶管接头、液压油箱、空气滤清器等进入液压油中。 3、内部生成污染物：液压系统组装、运转、调试及液压油变质也不断产生污

10、染，直接进入液压油中，如金属和密封材料的磨损颗粒，吸油、回油滤芯脱落的颗粒和纤维，液压油因油温升高、氧化变质而生成胶状物，吸油管路密封不严造成吸入空气等。 l 4、维护、保养、维修中造成的污染：在设备正常维护保养中更换滤芯和液压油、清洗油箱，维修拆装液压缸、阀等等也会使固体颗粒、水、空气、纤维等进入液压油中。 流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第2节 液压油的污染及其控制l 二、污染带来的各种危害 l 1、液压系统中，固体颗粒污染会导致：加剧液压元件的表面腐蚀和磨损，增大泄露量，油温升高、压力降低、效率低、响应慢、不稳定、改变运动方向，运动速度减低，承载能力下降，阀芯卡死，烧毁电磁

11、线圈。 l 2、液压系统中，水污染会导致：油变质（如添加剂析出及油的氧化），润滑油膜变薄，腐蚀并加速金属表面疲劳失效，低温产生冷却、淤塞运动元件，绝缘油的绝缘强度降低。l 3、空气的浸入污染会导致：系统振动、爬行等。 流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第2节 液压油的污染及其控制l三、污染测定的方法与标准l方法：质量分析法、显微镜计数法、显微镜比较法等。（自学）l标准：ISO4406（自学）l四、防止污染的措施l用前严格清洗及污染防护、加装滤油器、控制油温、定期检查和更换液压油。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第3节 液体静力学l静止液体：指液体内部质点之间没有相对运

12、动 。l一、一、 液体静压力的性质和单位液体静压力的性质和单位流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识作用于液体上的力 体力（如重力、惯性力等）体力（如重力、惯性力等） 面力（作用于液面力（作用于液体表面的外力或体表面的外力或液体内部一部分液体内部一部分液体作用于另一液体作用于另一部分液体上的部分液体上的力）。力）。 法向表面力：压力法向表面力：压力切向表面力切向表面力（静止（静止液体无粘性故不受切向液体无粘性故不受切向力）力）第3节 液体静力学l静压力的概念：静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。l数学表达式： p=F/A (2-11)l1.压力的单位l国际单位： N/m2（Pa

13、）；MPa ；l工程单位：常用工程大气压at(即kgf/cm2)l 国外也用单位bar(巴) 。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第3节 液体静力学l2静压力的性质l1）液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致。l2）静止液体内任意点处的静压力在各个方向上都相等，若不等必然会导致液体的流动。l3）在密闭的容器中，由外力作用所产生的压力可以等值地传递到液体内部的所有各点。这就是帕斯卡原理。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第3节 液体静力学l 二、压力的表示方法压力的表示方法l 1绝对压力 以绝对真空为基准进行度量而得到的压力值。l 绝对压力=大气压力+相对压

14、力l 2相对压力 以大气压为基准来进行度量而得到的压力值。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识图2-3绝对压力、相对压力及真空度真空度=大气压力绝对压力第3节 液体静力学l 三、静压力方程及其物理本质l 1.静压力方程l p=p+gh (2-15)l 若液体表面所受的压力为大气压力则l p=pa+gh (2-17)l 物理意义：静止液体内部任意一点处的压力随深度线性增加。l gh 此项为静液柱压力，在液压系统中一般不考虑。l 2.静压力方程的物理本质l 据式2-15图2-5易得静压力基本方程的另一种形式流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识常数gpzgpz00第3节 液体静力

15、学l上式中 z单位重力液体所具有的位能，称为位置头或比位能；l p/(g)单位重力液体所具有的压力能，称为压力水头或比压能。l静压力方程的物理本质：静止液体内任何一点处的液体质点所具有的能量均有两种形式即位能和压力能，而且其总和保持不变，但两种能量之间可以相互转换。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第3节 液体静力学l四、液体静压力对固体壁面的作用力l自学！l结论：静压力对固体壁面某一方向上所产生的作用力等于压力与面在与该方向垂直的投影面上的投影面积的乘积。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第4节 液体动力学l主要内容：液体在流动时的所遵守的流动规律、能量转换规律；重点

16、分析三个基本方程即连续性方程、能量方程（伯努利方程）和动量方程。l目标：l1.掌握有关液体动力学的相关概念；l2.掌握液体在流动状态下遵守的运动规律、能量转换规律，并能加以应用 。l教法：讲授法，讨论法、自学等。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第4节 液体动力学l一、一、 基本概念基本概念1.理想液体：既无粘性也不可压缩的假想液体 2.恒定流动 ：液体中任何一点的压力、流速和密度都不随时间而变化的液体流动。（定常流动）3.流线、流管、流束、通流截面流线是某一时刻在流场中画出的一条空间曲线，在该时刻，曲线上的所有质点的速度矢量均与这条曲线相切。 流体力学与流体传动知识第2章 液压传

17、动基础知识第4节 液体动力学l流线的几点性质 l1）对于恒定流，流线的形状和位置不随时间而变化。 l2）恒定流时，流线和迹线重合。 l3）一般情况下，流线不能相交，不能折转，只能是一条光滑曲线。l所谓迹线是指单个质点在连续时间过程内的流动轨迹线。 流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第4节 液体动力学l流管流管在流场的空间划一任意封闭曲线，此封闭曲线本身不是流线，则通过该曲线上各点的作流线，这些流线会围成一表面。l流束流管内的流线群。流管是流束的几何外形。l缓变流动流线间的夹角很小，或流线曲率半径很大的流动。l通流截面流束中与所有流线垂直的横截面。流体力学与流体传动知识第2章 液压传

18、动基础知识第4节 液体动力学l二、流量连续性方程l1.流量和平均流速流量和平均流速 l流量单位时间内流过通流截面的液体体积，用q表示，单位为m3/s。l平均流速根据流量相等原则确定的均匀速度。 流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识AqAudAvA第4节 液体动力学l 2.连续性方程连续性方程 l 如图所示为液体在管道中做恒定流动，任意取截面1和2，其通流截面分别为A1和A2，液体流经两截面时的平均流速和液体密度分别为v1、1和v2、2。根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个断面的液体质量相等，即：l 1v1A1=2v2A2=常数流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识当忽略液体

19、的可压缩性时，1=2，则得：v1A1=v2A2=常数或 q=v1A1=v2A2=常数 由于通流截面是任意选取的，故q=vA=常数 即液流的流量连续性方程。第4节 液体动力学l三、三、 伯努利方程伯努利方程l1.理想液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程l 2.理想液体的伯努利方程的物理本质理想液体的伯努利方程的物理本质l 在只受重力作用下作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量(压力能、位能、动能)，在沿管道流动过程中三种能量之间可以互相转化，但在任一截面处，三种能量的总和为一常数。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识222212122hgvgphgvgp1第4节 液体动力学l 3.实际

20、液体的伯努利方程实际液体的伯努利方程l 式中1、2动能修正系数，层流时分别取2，紊流时分别取1。 l 注意：(1) 截面1和2需顺流向选取，否则hw为负值。l (2) 截面中心在基准以上时，h取正值；反之取负值。l (3) 两通流截面压力的表示应相同，如p1是相对压力，p2也应是相对压力whhgvgphgvgp222221211221流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第5节 管道中液液流的特性l 实际液体具有粘性，是产生流动阻力的根本原因。然而流动状态不同，则阻力大小也是不同的。所以先研究两种不同的流动状态。l 一、液体的两种流态及雷诺数判断l 1.层流和湍流l 在液体运动时，如果

21、质点没有横向脉动，不引起液体质点混杂，而是层次分明，能够维持安定的流束状态，这种流动称为层流。l 紊流：如果液体流动时质点具有脉动速度，引起流层间质点相互错杂交换，这种流动称为紊流或湍流。 流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识雷诺试验第5节 管道中液液流的特性l 2.雷诺数判断l 体流动时究竟是层流还是紊流，须用雷诺数来判别。l 雷诺数的物理意义是惯性力与粘性力的无因次比值。 l 实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速有关，还和管径、液体的运动粘度有关。但是，真正决定液流状态的，却是这三个参数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲纯数。l 液体的流态由临界雷诺数Recr决定

22、 。当ReRecr时为层流；当ReRecr时为紊流 。 流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第5节 管道中液液流的特性l二、二、 沿程压力损失沿程压力损失l 液体在等径直管中流动时因内外摩擦而产生的压力损失 。l 对于不同的流态选取的数值不同 。见教材P30-31及表2-4。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识22vdLp第5节 管道中液液流的特性l三、局部压力损失三、局部压力损失l 液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口，致使流速的方向和大小发生剧烈变化，形成旋涡、脱流，因而使液体质点相互撞击，所造成的能量损失。l 液体流过各种阀类的局部压力损失常用下式计算：22vp

23、流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识2rrqqpp第5节 管道中液液流的特性l四、管路中总的压力损失l液体在管路中流动时的总压力损失则等于上述两项损失之和。l液压传动中的绝大部分压力损失转变为热能，造成油温升高，泄漏增多，使液压传动效率降低，甚至影响系统的工作性能。l试想：减少压力损失的措施？流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第6节液体流经小孔和缝隙的流量压力特性 l 一、一、 液体流经小孔的流量压力特性液体流经小孔的流量压力特性l 小孔的分类：l 1.薄壁小孔的流量压力特性l 各种结构形式的阀口一般属于薄壁小孔。液体流经薄壁小孔时的流动情况。当/d7时，液体在流过小孔前

24、管壁对液流起不到引导作用，此时的孔前收缩称为完全收缩。当/d7时则起引导作用，此时的孔前收缩称为不完全收缩。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识40.5）：（4:5 . 0dldldl：短孔厚壁孔细长孔薄壁小孔小孔第6节液体流经小孔和缝隙的流量压力特性l 通过薄壁小孔的流量为l 式中Cd流量系数，Cd=CvCc。l Cc截面收缩系数，可查相关手册得到；l Cv速度系数； l A小孔的截面积；l p压力损失，p=p1-p2。l 流量系数Cd值由实验确定。 薄壁小孔的流量与粘度无关，即流量对油温的变化不敏感。因此，液压系统中常采用薄壁小孔作为节流元件。流体力学与流体传动知识第2章 液压传

25、动基础知识pACpACCAvCvAqv22dccc22第6节液体流经小孔和缝隙的流量压力特性l2. 厚壁孔和细长孔的流量压力特性l(1)厚壁孔的流量压力特性l 薄壁小孔的流量计算公式对厚壁孔仍然适用，只是Cd有所增大，基其数值可查相关图表。短孔易加工，故常用作固定节流器。l(1)细长孔的流量压力特性l 细长小孔的流量公式l 液体流经细长小孔的流量与液体的粘度成反比，即流量受温度影响，并且流量与小孔前后的压力差成线性关系。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识pqLd1284第6节液体流经小孔和缝隙的流量压力特性l(3)液体经小孔流动时流量压力的流一公式l上述各小孔的流量可归纳为一个通用

26、公式lq=Apml式中由流经小孔的油液性质决定；l m由孔的长径比决定的指数。细长孔m=1，薄壁孔m=0.5，厚壁孔0.5m1。 流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识第6节液体流经小孔和缝隙的流量压力特性l二、二、 液体流经缝隙的流量压力特性液体流经缝隙的流量压力特性l 常见缝隙形式：平行平面缝隙和环形缝隙。 l 1.1.液体平行平板缝隙流动的流量压力特性液体平行平板缝隙流动的流量压力特性l 在压差作用下通过平行平板缝隙的流量为：l 结论：缝隙的流量与缝隙高度的三次方成正比。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识在液压系统的各元件中存在着大量的缝隙，而这些缝隙是导致泄漏的主要

27、原因，从面造成系统的容积效率的降低。但是若缝隙过小则会导致两相对运动件间的摩擦阻力增大。因此就，适当的间隙是保证液压系统正常工作的必要条件和。pLbhq123第6节液体流经小孔和缝隙的流量压力特性l2.液体同心圆环和偏心圆环形缝隙的流量压力特性l（1）同心圆环形缝隙的流量l压差作用下的同心l环形缝隙流动的流量：l （2）偏心圆环形缝隙的流量l压差作用下的偏心圆环l形缝隙流动的流量：pLdhq123流体力学与流体传动知识第2章 液压传动基础知识)5 . 11 (1223pLdhq由上式可见=1时漏失量为最大。 为相对偏心率。 =e/(R-r)第7节 液压冲击和空穴现象l一、 液压冲击l 概念概念：在液压系统中，由于某种原因而引起油液的压力在瞬间急剧上升，这种现象称为液压冲击。l 产生原因产生原因：液流速度突变(如关闭阀门)或突然改变液流方向(换向) 。l 后果后果：引起振动和噪声，导致密封装置、管路等液压元件的损坏，有时还会使某些元件如压力继电器、顺序阀产生误动作，影响系统的正常工作。 l 减少液压冲击的措施减少液压冲击的措施：l (1) 缓慢开关阀门；l (2) 限制管路中液流的速度；l (3) 系统中设置蓄能器和安全阀；l (4) 在液压元件中设置缓冲装置(如节流孔)。流体力学与流体传动知识第2章 液压传动