液压与气压传动第二章液压油与液压流体力学基础

1、液压与气压传动2006-9-2第二章液压油与液压流体力学基础液压传动是以液体作为工作介质传递能量的。液压系统中的液压油既是传递功率的介质，又是液压元件的冷却、防锈和润滑剂。在工作中产生的磨粒和来自外界的污染物，也要靠液压油带走。液压油的物理、化学特性将直接影响液压系统的工作。2006-9-2第一节 流体的物理性质 1.液体的密度 单位体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m/V 2.液体的可压缩性和热膨胀性 (1)压缩性：液体受压后体积变小的性质，用压缩系数描述。 k=-(V/V)/p m2/kg 压缩系数的物理意义：指液体所受压力增加一个工程大气压时所发生的体积相对变

2、化率，其中V为压缩前的体积，V为体积为V的液体压力变化p时体积变化量。2006-9-2 液体体积压缩系数的倒数，称为液体的体积弹性模量，以表示，即1/k 液压油的体积弹性模量和温度、压力以及含在油液中的空气有关。一般在分析时取=7001000MPa。 封闭在容器内的液体在外力作用下的情况极像一个弹簧（称为液压弹簧）：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。液压弹簧的刚度： 液体的可压缩性很小，在一般情况下当液压系统在稳态下工作时可以不考虑可压缩性的影响。但在高压下或受压体积较大以及对液压系统进行动态分析时，就需要考虑液体可压缩性的影响。2006-9-2 (2)热膨胀：液体受热，体积膨胀的性质，

3、用体积膨胀系数t 来表示：t =(V/V)/t 1/ 物理意义：温度改变1时，液体体积的相对变化率。 一般，t=0.00065 1/ 如：油温从20升到40，体积由14000 cm3将变为14182 cm2。 由此可见，液压传动中，由于温度变化引起的体积变化，是不能忽视的，尤其是对闭式系统。2006-9-2 3.粘度 液体在外力作用流动（或有流动趋势）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，这种现象叫做液体的粘性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。(1)动力粘度或称绝对粘度 以表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则 =du/dz 这就是

4、牛顿的液体内摩擦定律。 物理意义：液体在单位速度梯度下流动时单位面积上产生的内摩擦力。动力粘度的单位为Pas（帕秒，Ns/m2） 2006-9-2 (2)运动粘度 液体的动力粘度与其密度的比值，称为液体的运动粘度，即=/ 运动粘度的单位为m2/s。 (3)恩氏粘度E 相对粘度又称条件粘度，它是按一定的测量条件制定的。根据测量的方法不同，可分为恩氏粘度E、赛氏粘度SSU、雷氏粘度Re等。 我国和德国等国家采用恩氏粘度。2006-9-2 (4)温度对粘度的影响 液压油的粘度对温度变化十分敏感。温度升高时，粘度下降。在液压技术中，希望工作液体的粘度随温度变化越小越好。 粘度随温度变化特性，可以用粘度

5、温度曲线表示。2006-9-2 (5)压力对粘度的影响 对液压油来说，压力增大时，粘度增大，但影响很小，通常忽略不计。 (6)两种油混合，粘度的计算 a、b两种油占的百分比，ab100；c实验系数。2006-9-24.液压油的分类 普通液压油 耐磨液压油 数控液压油 洁净液压油 水一二元醇液压油 油包水 水包油 磷酸脂基液压油 合成液压油(如硅酮，卤化物等)矿物油基液压油含水液压油合成液压油乳化液液压油2006-9-2 5.液压油的使用要求(1)适当的粘度：过大，造成水力损失增加，效率低；粘度小，漏失大，容积效率低。 选择液压油还与具体使用条件有关。如夏天，粘度要大些，冬天则选用粘度小；南方，

6、用高号液压油，北方则选用低号液压油。(2)具有良好的润滑性能，这与形成油膜有直接关系。(3)对机件无腐蚀作用，也不会引起密封件的膨胀。(4)良好的化学稳定性，要加添加剂。(5)不得含有空气、蒸气、水和杂质(含有气体会造成气蚀，空穴会引起振动、噪音；水等引起乳化）。(6)燃点高，凝点低。 一般使用的油温在4050之间，当油温超过80，氧化加剧，油温低于10 时，粘度增大，启动困难。2006-9-2 6.液压油的选用(1)根据液压元件生产厂样本和说明书所推荐的来选用液压油。或者(2)初步根据液压系统的使用性能和工作环境确定液压油的类型（品种）。 选用品种时，一般要求不高的液压系统可选用普通液压油；

7、系统条件要求高或专用的液压设备可选用各种专用液压油。(3)根据液压系统的工作压力、环境温度及工作部件的运动速度确定液压油的粘度后，确定油的具体牌号。工作压力、环境温度高，而控制的工作部件运动速度低时，为了减少泄露，宜采用粘度较高的液压油，反之，则采用粘度较低的液压油。 总的来说，应尽量选用较好的液压油。 2006-9-2液压油使用注意事项：(1)油箱中的液面应保持一定高度；(2)正常工作时油箱的温升不应超过液压油所允许的范围，一般不得超过65；(3)为防止系统中进入空气，要做到：所有回油管都在油箱液面以下；管口切成斜断面；油泵吸油管应严格密封；油泵吸油高度应尽可能小些，以减少油泵吸油阻力；可能

8、情况下，应在系统最高点设置放气阀；定期检查油液质量和油面高度，以便及时更换和添加。2006-9-2 7.液压油的污染与控制(1)用过滤的方法滤掉液压油中的杂质，对过渡精度有要求。液压元件名称过滤精度要求柱塞泵与马达5-20叶片泵与马达30液压缸50齿轮泵和马达50普通液压控制阀30伺服阀、比例阀5-202006-9-2(2)为了避免或减少系统运行中的液压油再污染，运行中要注意油温和油箱的油位，油温过高，将加速液压油老化变质；油位过低会使吸油困难，引起噪音和气蚀，加剧液压油的污染。(3)液压系统的密封性能良好。在油箱的通气孔及液压缸活塞杆处加防尘装置；外漏油不得直接流回油箱。(4)液压系统投入运

9、行前应按有关的规定严格冲洗，运行中要按规定及时更换新油，换油时新油必须经过过滤后才能加入系统中使用。2006-9-2第二节 液体静力学基础 液体静力学主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。所谓“液体静止”指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性。 一、液体的压力 作用在液体上的力有两种，即质量力和表面力。 质量力：单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于加速度。 表面力：是与液体相接触的其它物体（如容器或其它液体）作用在液体上的力，这是外力；也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力，这是内力。2006-9-2 单位面积上作用的表面力称为应力，它有法向应力和切向应力

10、之分。当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体的表面力只有法向力。液体内某点处单位面积A上所受到的法向力F之比，称为压力p（静压力），即 由于液体质点间的凝聚力很小，不能受拉，只能受压，所以液体的静压力具有两个重要特性： 1.液体静压力的方向总是作用在内法线方向上； 2.静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。2006-9-2 二、液体静压力基本方程 有一垂直小液柱，在平衡状态下，有pA=p0A+FG，这里的FG即为液柱的重量FG=ghA所以有 p=p0+gh 液体静压力分布特征： (a)一部分是液面上的压力p0，另一部分是g与该点离液面深度h的乘积。 2006

11、-9-2 (b)同一容器中同一液体内的静压力随液体深度h的增加而线性地增加。 (c)连通器内同一液体中深度h相同的各点压力都相等。由压力相等的组成的面称为等压面。在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。2006-9-2 三、压力表示方法 压力的表示法有两种：绝对压力和相对压力。 绝对压力是以绝对真空作为基准所表示的压力； 相对压力是以大气压力作为基准所表示的压力。 由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称表压力。绝对压力与相对压力的关系为绝对压力相对压力大气压力 如果液体中某点处的绝对压力小于大气压，这时在这个点上的绝对压力比大气压小的部分数值称为真空度。即真空度大气压力

12、绝对压力 2006-9-2绝对压力p=0(绝对真空)大气压力 相对压力绝对压力 真空度p pa表压力绝对压力、相对压力和真空度的相对关系2006-9-2 压力单位换算表压力的单位: 我国法定压力单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa，1Pa= 1N/m2。由于Pa太小，工程上常用其倍数单位兆帕（MPa）来表示：1MPa=106Pa2006-9-2第三节 液体动力学基础理想液体：既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体。定常流动：液体流动时，若液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，则这种流动称为定常流动。否则，只要压力、速度和密度有一个量随时间变化，则这种流动就称为非定常流动。 一维流动：当液

13、体整个作线形流动时，称为一维流动。 迹线：流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹。2006-9-2流线：表示某一瞬时，液流中各处质点运动状态的一条条曲线。在此瞬时，流线上各质点速度方向与该线相切。在定常流动时，流线不随时间而变化，这样流线就与迹线重合。由于流动液体中任一质点在其一瞬时只能有一个速度，所以流线之间不可能相交，也不可能突然转折。2006-9-2流管：在一维的流动空间中任意画一不属流线的封闭曲线，沿经过此封闭曲线上的每一点作流线，由这些流线组合的表面称为流管。流束：流管内的流线群称为流束。流管和流束2006-9-2通流截面：流束中与所有流线正交的截面称为通流截面。截面上每

14、点处的流动速度都垂直于这个面。平行流动：流线彼此平行的流动。缓变流动：流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动。平行流动和缓变流动都可算是一维流动。2006-9-2 流量和平均流速：单位时间内通过某通流截面的液体的体积称为流量。 流量用q表示，单位m3/s或L/min。 由于流动液体粘性的作用，在通流截面上各点的流速u是不相等的。 在计算流过整个通流截面A的流量时，可在通流截面上取微小截面dA，并认为在该断面上各点的速度u相等，则流过该微小断面的流量为dq=udA， 流过整个通流截面A的流量为2006-9-2 在实际工程计算中，平均流速才具有应用价值。液压缸工作时，活塞的运动速度就等于缸内液体的平

15、均流速，当液压缸有效面积一定时，活塞运动速度由输入液压缸的流量决定。 对于实际液体的流动，速度u的分布规律很复杂，故按上式计算流量是困难的。因此提出一个平均流速的概念，即假设通流截面上各点的流速均匀分布，液体以此均布流速v流过通流截面的流量等于以实际流速流过的流量，由此得出通流面积上的平均流速为2006-9-2层流、湍流、雷诺数 层流：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；湍（紊）流：液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动以外，还存在着剧烈的横向运动。层流层流开始破坏 2006-9-2 层流和紊流是两种不同性质的流态。 层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能

16、随意运动，粘性力起主导作用； 紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。 液体流动时，究竟是层流还是紊流，要用雷诺数来判定。流动趋于紊流 紊流 2006-9-2雷诺数：实验表明，真正决定液流流动状态的是用管内的平均流速V、液体的运动粘度、管径d三个数所组成的一个称为雷诺数Re的无量纲数，即临界雷诺数： 当液流的实际流动时的雷诺数小于临界雷诺数时，液流为层流，反之液流则为紊流。常见的液流管道的临界雷诺数可由实验求得。雷诺数物理意义：影响液体流动的力主要有惯性力和粘性力，雷诺数就是惯性力对粘性力的无因次比值。2006-9-2 对于非圆截面管道来说，Re可用下式来计算：Re4vR/

17、 式中R为通流截面的水力半径。它等于液流的有效截面积A和它的湿周（通流截面上与液体接触的固体壁面的周长）之比，即RA/ 水力半径对管道通流能力影响很大，水力半径大，表明液流与管壁接触少，通流能力大；水力半径小，表明液流与管壁接触多，通流能力小，易堵塞。2006-9-2连续性方程 假设液体作定常流动，且不可压缩。任取一流管，两端通流截面面积为A1、A2，在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为dA1和dA2，在微小截面上各点的速度可以认为是相等的，且分别为u1和u2。根据质量守恒定律，在dt时间内流入此微小流束的质量应等于此微小流束流出的质量u1dA1dtu2dA2dtu1dA1u2dA2q

18、vA常数结论：a.通过流管任一通流截面的流量相等。 b.液体的流速与管道通流截面积成反比。 c.在具有分支的管路中具有q1=q2+q3的关系。2006-9-2能量方程：伯努利方程 根据能量守恒定律，同一管道每一截面的总能量都是相等的。 对静止液体，单位质量液体总能量为单位质量液体的压力能p/(g)和势能hg之和；而对于流动液体，还有单位质量的动能v2/(2g)。任取两个截面A1和A2，距基准水平面距离分别h1和h2，断面平均流速分别为v1和v2，压力分别为p1和p2，根据能量守恒定律: 因两个截面是任意的，因此上式可写为：2006-9-2物理意义：第一项为单位重量液体的压力能 称为比压能（p/

19、）；第二项为单位重量液体的动能称 为比动能（v2/2）；第三项为单位重量液体的位能称为比位能（hg）。由于上述三种能量都具有长度单位，故又分别称为压力水头、速度水头和位置水头。三者之间可以互相转换，但总和（H，称为总水头）为一定值。2006-9-2实际液体总流的伯努利方程将微小流束扩大到总流，由于在通流截面上速度u是一个变量，若用平均流速代替，则必然引起动能偏差，故必须引入动能修正系数。于是实际液体总流的伯努利方程为式中hw-由液体粘性引起的能量损失； ， -动能修正系数，一般在紊流时取 1，层流时取 2。2006-9-2动量方程动量定理：作用在物体上的力的大小等于物体在力作用方向上的动量的变

20、化率，即 取分离体: 微元的动量变化是 微小流束扩大到总流，对液体的作用力合力为 即，动量方程：1、2为动量修正系数，一般在紊流时1，层流时。2006-9-2第四节 流体流动时的压力损失输油管线 基本概念：在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失，压力损失分为两类：沿程压力损失和局部压力损失沿程压力损失：油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力引起的。局部压力损失：是油液流经局部障碍（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间，以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失。2006-9

21、-2通流截面上的流速分布规律：取微小圆柱液体，在匀速运动时受力平衡，有可见，管内液体质点的流速在半径方向按抛物线规律分布。令对上式积分，并应用边界条件，当rR时，u0，得则2006-9-2圆管中的流量对于半径r，宽度dr的微小通流截面，面积dA2rdr，通过的流量为：通过圆管的流量可由上式积分求得，即：2006-9-2沿程压力损失计算：圆管通流截面上的平均流速为：沿程压力损失为：可以改写为：称为沿程阻力系数。的理论值为64/Re，水在作层流流动时的实际阻力系数和理论值是很接近的。液压油在金属圆管中作层流流动时，常取75/Re，在橡胶管中80/Re。2006-9-2局部压力损失：液体流经如阀口、

22、弯管、通流截面变化等局部阻力处所引起的压力损失。计算公式为 ：v为液体的平均流速，一般情况下均指局部阻力后部的流速。,局部阻力系数。对于液流通过各种标准液压元件的局部损失，一般可从产品技术规格中查到 。管路中的总压力损失为所有沿程压力损失和局部压力损失之和。2006-9-2第五节 液体流经小孔和缝隙的流量在液压系统的管路中，装有截面突然收缩的装置，称为节流装置（节流阀）。突然收缩处的流动叫节流，一般均采用各种形式的孔口来实现节流-节流口。液体流经孔口时： 薄壁小孔：l/d； 细长小孔：l/d4； 短孔：0.5l/d4。 l为小孔的通流长度；d为小孔的孔径。2006-9-2一、液体流过小孔的流量

23、液体在薄壁小孔中的流动 ：液体质点突然加速，惯性力作用；收缩截面2-2，然后再扩散；造成能量损失，并使油液发热；收缩截面面积A2-2和孔口截面积A的比值称为收缩系数Cc，即Cc=A2-2/A收缩系数决定于雷诺数、孔口及其边缘形状、孔口离管道侧壁的距离等因素。液体在薄壁小孔中的流动 2006-9-2列截面11和22的伯努利方程：v1可以忽略不计，整理得：由此求得液流通过薄壁小孔的流量为：CdCvCc为小孔流量系数，一般由实验确定。2006-9-2流经细长小孔的流量计算 ： 液体流经细长孔时，一般都是层流状态，可直接应用前面已导出的直管流量公式来计算，当孔口的截面积为A=d2/4时，可写成： 统一

24、写为： qKApm 式中A为流量截面面积，m2；p为孔口前后的压力差，N/m2；m为由孔口形状决定的指数，0.5m1，当孔口为薄壁小孔时，m，当孔口为细长孔时，m1；K为孔口的形状系数，当孔口为薄壁小孔时， ；当孔口为细长孔时，Kd2/(32l)。2006-9-2二、液体流过缝隙的流量1.平行平板的间隙流动：如下四种情况 固定平行平板间隙流动（压差流动） 平行平板有相对运动时的间隙流动 两平行平板有相对运动，但无压差（纯剪切流动） 两平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的流动2.圆柱环形间隙流动：如下三种情况 同心环形间隙在压差作用下的流动 偏心环形间隙在压差作用下的流动 内外圆柱表面有相对

25、运动又存在压差的流动3.流经平行圆盘间隙径向流动的流量4.圆锥状环形间隙流动2006-9-2第六节 液压冲击及空穴现象在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而产生气泡的现象，称为空穴现象。在一定的温度下，如压力降低到某一值时，过饱和的空气将从油液中分离出来形成气泡，这一压力值称为该温度下的空气分离压。当液压油在某温度下的压力低于某一数值时，油液本身迅速汽化，产生大量蒸气气泡，这时的压力称为液压油在该温度下的饱和蒸气压。液压油的饱和蒸气压相当小，比空气分离压小得多，因此，要使液压油不产生大量气泡，它的压力最低不得低于液压油所在温度下的空气分离压。 一、空穴现象2006-9-2 空穴的产生：液压泵的空穴现象 ： 液压泵吸油管直径太小，或吸油阻力太大，或液压泵转速过高。由于吸油腔压力低于空气分离压而产生空穴现象，形成气泡。节流口处的空穴现象。2006-9-2空穴的危害：气蚀：这些气泡随着液流流到下游压力较高的部位时，会因承受不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声并引起振动，当附着在金属表面上的气泡破灭时，它所产生的局部高温和高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现海绵状的小洞穴。这种固体壁面的腐蚀、剥蚀的现象称为气蚀。减小