液压工作介质及其力学基础v

2.1.1液压油主要特性（1）密度

密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常忽略单位体积内液体的质量。§2.1液压工作介质一般取ρ=900第1页，共66页。液压油液的体积将随压力的增高而减小的性质。即:单位压力变化下的体积相对变化量。体积变化初始体积压力变化（2）可压缩性用体积压缩系数k表示：第2页，共66页。体积弹性模量K(体积压缩系数的倒数)V0一定，在同样Δp下，K越大,ΔV越小。说明K越大，液体的抗压能力越强。矿物油K=(1.4~2.0)×109

N/m

2钢K=2.06×1011

N/m

2K钢=100~150K油在静态下工作时，不考虑液体的可压缩性。第3页，共66页。

液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力会产生一种阻碍其相对运动的内摩檫力，这种现象叫做液体的粘性。静止液体不呈现粘性。（3）粘性①粘性的定义第4页，共66页。粘性示意图下板固定上板以u0运动

A点：u=0B点：u=u0

两板之间液流速度呈线性规律分布BA式中：η—粘性系数(粘度)A—液层接触面积

du/dy—速度梯度两液层间的内摩擦力：η-液体的粘度第5页，共66页。②粘性的表示方法b.运动粘度

单位：m2/s单位：Ns/m2

或Pa.Sa.动力粘度(绝对粘度)它直接表示液体的粘性即内摩擦力的大小。如：旧牌号20号机械油，是在温度为50℃时，其运动粘度的平均值为20㎜2/s第6页，共66页。c.相对粘度式中：t1

–

油流出的时间

t2－20OC蒸馏水流出时间恩氏粘度与运动粘度的换算关系200mlφ=2.8mm恩氏粘度计

通常以20、50、100OC作为标准测定温度，记为：恩（中、德、俄）赛（美）雷（英）第7页，共66页。③粘度与压力的关系

p↑η↑

应用时忽略影响④粘度与温度的关系

T↑η↓

影响：η大，阻力大，能耗↑

η小，油变稀，泄漏↑限制油温：T↑↑，加冷却器

T↓↓，加热器第8页，共66页。（4）其他性质稳定性(热、氧化、水解、剪切）相容性（金属、密封、涂料）通过添加剂控制抗泡沫性防锈性第9页，共66页。2.1.2对工作介质的要求合适的粘度，粘温特性好润滑性能好杂质少相容性好稳定性好抗泡性好、防锈性好凝点低,闪点、燃点高无公害、成本低第10页，共66页。液压油的种类石油型难燃型机械油汽轮机油合成型液压油水-乙二醇液磷酸酯液水包油油包水乳化液合成型抗磨液压油液压导轨油2.1.3工作介质的种类第11页，共66页。2.1.4液压油液的选用优先考虑粘性按工作压力p高，选η大；p低，选η小按环境温度T高，选η大；T

低，选η小按运动速度

v高，选η小；v

低，选η大其他环境（污染、抗燃）经济（价格、使用寿命）特殊要求（精密机床、野外工作的工程机械）第12页，共66页。§2.2液体静力学2.2.1液体静压力及其特性(1)液体静压力：静止液体在单位面积上所受的法向力。(2)静压力的两个特性

1）液体静压力垂直于其承压面，方向和该面的内法线方向一致

2）静止液体内任一点所受的压力在各个方向都相等静止液体：指液体内部质点之间没有相对运动，至于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。研究内容：研究液体处于静止状态时的力学性质和平衡规律。单位:Pa（N／m2）工程上常用:MPa（兆帕）换算关系：1MPa＝106Pa1MPa＝105bar

第13页，共66页。2.2.2静压力基本方程重力作用下的静止液体，其压力分布具有如下特征：（1）静止液体内任一点处的压力由两部分组成：一部分是液面上的压力，另一部分是该点以上液体自重所形成的压力。（2）静止液体内的压力随液体深度按线性规律递增。（3）液面深度相同处各点的压力均相等，压力相等的所有点组成的面叫做等压面。：该点液面深度液体静压力基本方程为：液面上的压力hGPP0AdA第14页，共66页。2.2.3压力的表示方法绝对压力：当压力以绝对真空为基准度量时，称为绝对压力。相对压力：超过大气压力的那部分压力称为相对压力或表压力。真空度：当绝对压力低于大气压时，将绝对压力不足于大气压力的那部分压力值称为真空度。(1)压力的表示方法第15页，共66页。

压力的单位除法定计量单位Pa外，还有以前沿用的一些单位，如bar，工程大气压at（即kgf/cm2）、标准大气压（atm）、水柱高（mH2O）或汞柱高（mmHg）等。PabarKgf/cm2atatmmH2OmmHg1×10511.019721.019720.9869231.01972×1047.50062×102

由于液压传动的用途不同，系统所需要的压力也不相同，为了便于液压元件的设计、生产和使用，将压力分为几个等级。压力等级低压中压中高压高压超高压压力（Mpa）≤2.5>2.5～8>8～16>16～32>32表2-5

各种压力单位的换算关系表2-6压力分级(2)压力的单位和等级第16页，共66页。例2-1

图2-5所示的容器内充满kg/m3的液压油液，活塞上的作用力F=1000N，活塞面积A=1×10-3m2，忽略活塞的重量。试计算活塞下方深度为h=0.5m处的静压力p。第17页，共66页。解：活塞与油液接触面上的压力为:则深度为h=0.5m处的液体压力为:注意:分析液压系统时,重力所产生上的压力可忽略据第18页，共66页。2.2.4液体静压力的传递

液压系统中静压力的传递服从帕斯卡原理，即:密闭容器内静止液体的压力可以等值地向液体中各点传递。

根据帕斯卡原理和静压力的特性，液压传动不仅可以进行力的传递，而且还能将力放大和改变力的方向。

上式表明，只要A1/A2足够大，用很小的力F2就可产生很大的力F1。液压千斤顶和水压机就是按此原理制成的。根据帕斯卡原理有p1=p2。因此有：第19页，共66页。2.液压系统压力的形成p=F/AF↑p↑

F↓p↓

F=0p=0

结论：液压系统的工作压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。FA可知:

液压系统中油液的压力是在前阻后推的情况下产生的；

压力的大小取决于负载，并随负载变化而变化；当某处有几个负载并联时，则压力取决于克服负载的各个压力值中的最小值。第20页，共66页。2.2.5静压力对固体壁面的作用力

当静止液体和固体壁面接触时，固体壁面上各点在某一方向上受到的液体静压作用力的总和，即为液体在该方向上作用于固体壁面上的力

当固体壁面为一平面时，平面上各点的静压力大小相等，其作用方向于该平面垂直。即当固体壁面为一曲面时，液体压力在该曲面方向上的分力为第21页，共66页。§2.3液体动力学2.3.1基本概念(1)实际液体和理想液体理想液体：通常把假设的既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体实际液体：具有粘性和压缩性的液体(2)恒定流动和非恒定流动恒定流动：液体流动时，流动空间中每一点上的压力、速度和密度都不随时间而变化，这样的流动称为恒定流动非恒定流动：液体流动时，流动空间中每一点上的压力、速度和密度中只要有一个是时间的函数，则这样的流动称为非恒定流动动画演示（3）一维流动：当液体整个作线形流动时，称为一维流动。第22页，共66页。4、流线、流束和通流截面

流线：某一瞬时，表示液流中各点运动状态的一条条光滑曲线。在此瞬时，流线上各质点速度方向与该线相切。注意：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。

流束：通过某截面上所有各点作出的流线集合构成流束。

通流截面：

流束中与所有流线正交的截面称为通流截面。截面上每点处的流动速度都垂直于这个面。第23页，共66页。2.3.2连续性方程质量守恒定律在流体力学中的应用

若忽略液体可压缩性：

按守质量守恒定律，在单位时间内流过两通流截面的液体质量相等。即上式称为连续性方程结论:1)通过流管任一通流截面的流量相等；

2)液体的流速与管道通流截面积成反比；

3)在具有分支的管路中具有q=q1+q2的关系。或第24页，共66页。2.3.3伯努利方程(1)理想液体的伯努利方程根据能量守恒定律得到理想液体的伯努利方程为：伯努利方程是能量守恒定律在流体力学中的一种表达形式。或通流截面上三者之和为一定值，但三者可以相互转换，即能量守恒。理想液体的伯努利方程的物理意义是：在管内作定常流动的理想液体的总比能由比位能、比压能和比动能三种形式的能量组成，在任一

式中Z为单位重量液体所具有的势能，称为比位能。(p/ρg)为单位重量液体所具有的压力能，称为比压能。（v2/2g）为单位重量液体所具有的动能，称为比动能。它们的量纲都为长度。第25页，共66页。(2)实际液体的伯努利方程其中，为单位质量液体在管路两截面之间流动的能量损失；为动能修正系数，的数值与管路中液体的流态有关，液体在圆管中层流时，紊流时，实际计算时常取

实际液体具有粘性，因此液体在流动时还需克服由于粘性所引起的摩擦阻力，这必然要消耗能量，假定因粘性而消耗的能量为hw，则实际液体的伯努利方程为：第26页，共66页。应用伯努利方程时必须注意的问题：1）截面1、2需顺流向选取（否则hw为负），且应选在缓变的通流截面上（使v=0)。

2）截面中心在基准面以上时，z取正值；反之取负值。通常选取特殊位置的水平面作为基准面（使z=0)。例2－1第27页，共66页。2.3.4动量方程

动量方程是动量定理在流体力学中的一种表达形式。可以用来计算流动液体对固体壁面的作用力。

液体作定常流动时的动量方程为：作用在液体控制体积上的全部外力之和该动量方程表明：等于单位时间内流出控制表面与流入控制表面的液体的动量之差。

例2-2第28页，共66页。§2.4管道中液流的能量损失

实际液体具有粘性,流动时会损耗一部分能量，这种能量损失就是实际液体伯努利方程中的。本节解决如何计算问题。一.流态及其判别方法（一）层流和紊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，这种流动叫层流1.层流：特点：液体流速较低，粘性力起主导作用;能量损失主要是粘性摩擦造成的损失,直接转化为热能（液体带走、传给管壁）。层流和紊流是两种不同性质的流态第29页，共66页。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。这种流动叫紊流。2.紊流：特点：液体流速较高，粘性作用减弱，惯性力起主导作用;能量损失主要是动能损失。产生噪声、振动、漩涡、气穴等，最终转化为热能（液体带走、传给管壁）。（二）流态的判别：雷诺实验动画液体流动时，究竟是层流还是紊流与有关要用雷诺数来判定：雷诺实验第30页，共66页。圆形管道雷诺数：

Re=dv/ν

非圆管道截面雷诺数：

Re=dHv/ν

过流断面水力直径dH=4A/χ

水力直径大，液流阻力小，通流能力大。临界雷诺数Rec：液体从紊流变成层流的雷诺数,是判断液体流态依据光滑金属管：Rec＝2320Re<Rec为层流

Re>Rec为紊流雷诺数物理意义：液流的惯性力对粘性力的无因次比

--X湿周长度第31页，共66页。二.等直径圆管中的沿程压力损失定义:液体沿等径直管流动时，由于液体的粘性摩擦和质点的相互扰动作用，而产生的压力损失

液体在等径直管中作层流运动，沿管轴线取一半径为r，长度为l的小圆柱体压力损失的大小与液体的流态有关1.等径直管中层流的沿程压力损失第32页，共66页。

小圆柱体两端面压力为p1、p2

，侧面的内摩擦力为Ff，其受力平衡方程为：由牛顿内摩擦定律：

代人上式：第33页，共66页。1）通流截面上流速u分布规律速度u对称于圆管中心线并按抛物线规律分布

分析：2）流量q----泊肃叶公式第34页，共66页。3）圆管的平均流速：4）圆管沿程压力损失

=128ηlq/πd4=8ηlq/πR4

将q=πR2v代入上式并简化得：可知：液流沿等径直管作层流运动时，其沿程压力损失与管长、流速、粘度成正比，而与管径的平方成反比。第35页，共66页。∵η=ρνRe=dv/νλ=64/Re∴λ：理论值64/Re实际值：光滑金属管75/Re

非金属软管80/Re第36页，共66页。2.等径直管中紊流的沿程压力损失λ=0.3164Re-0.25

（105>Re>4000）λ=0.032+0.221Re-0.237

（3×106>Re>105）λ=[1.74+2lg（d/△）]-2（Re>3×106或Re>900d/△）

∵紊流运动时，△pλ比层流大∴液压系统中液体在管道内应尽量作层流运动

第37页，共66页。三.局部压力损失定义:

液体流经管道的弯头、接口、突变截面以及阀口、滤网等局部装置时，液流会产生旋涡，并发生强烈的紊动现象，由此而造成的压力损失称为局部压力损失。用表示

产生原因：碰撞、旋涡（突变管、弯管)

产生附加摩擦

附加摩擦：只有紊流时才有，是由于分子作横向运动时产生的摩擦，即速度分布规律改变，造成液体的附加摩擦

第38页，共66页。局部压力损失的计算公式：第39页，共66页。四.管路系统的总压力损失整个管路系统的总压力损失应为所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和:

△p↑→热能→T↑→△q↑→η↓

↓

↓

传散污染

第40页，共66页。减小△p的措施

1

尽量↓l

，↓突变2↑加工质量，力求光滑，ν合适3↑A，↓v

过高△p↑

∵△p∝v2

其中v的影响最大过低尺寸↑成本↑∴一般有推荐流速可供参考，见有关手册。在液压传动中，可将压力损失写成如下形式：

∑△p=p1-p2

例题第41页，共66页。§

2.5孔口和缝隙液流特性液压系统中的孔和缝隙调节流量(应用）造成泄漏(防止）都需计算其流量小孔虽小（直径1mm以内）缝隙虽窄（宽度0.1mm以下）其作用却不可等闲视之第42页，共66页。液体流经孔口时的分析：

l

/d≤0.5

薄壁小孔；

l/d≥4

细长小孔；

0.5<l/d≤4短孔。

l为小孔的通流长度；d为小孔的孔径。

一.孔口压力流量特性第43页，共66页。1）流速和流量公式推导：1.薄壁小孔如图，以管道中心为参考平面，对1—1和2—2截面，列伯努利方程如下：

动画演示第44页，共66页。水平放置z1=z2

v1=v2

v1<<vc

α1=α2=1代入方程，则薄壁小孔处的速度：式中：第45页，共66页。流量：式中：流量系数截面收缩系数流量系数按实验取得，一般取：小孔截面积液流收缩后截面积分析：∵q∝√△p

，与η无关∴流过薄壁小孔的流量不受油温变化的影响薄壁小孔因沿程阻力损失小，流量对油温变化不敏感，因此被用作节流阀。结论:第46页，共66页。2.细长孔

(l

/d>4）

液流经过细长孔的流量和孔前后压差成正比，和液体粘度成反比，流量受液体温度影响较大3.短孔（0.5<l

/d

≤4)Cd可按手册查得短孔比薄壁小孔好加工，常用作固定节流器第47页，共66页。缝隙流动的形式二.缝隙压力流量特性第48页，共66页。1.平行平板缝隙流量结论：在压差作用下，通过固定平行平板缝隙的流量与缝隙高度的三次方成正比，这说明，液压元件内缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的

两平板既有相对运动，两端又有压差第49页，共66页。2.同心环缝隙流量设圆柱体直径为d，间隙厚度为h，间隙长度为l，若沿圆周展开，相当于平行平板间隙，b=πd，则液体通过内外表面间有相对运动情况下同心环形间隙的流量为：第50页，共66页。3.偏心环缝隙流量结论：1）ε=1时q偏

=2.5q同

2）ε=0时即同心圆环缝隙

3）∵q与ε2成正比，ε↑q↑∴应尽量做成同心，以减小泄漏量

δ—内外圆同心时的间隙ε—相对偏心率，ε＝ｅ/δ。第51页，共66页。§2.6气穴现象及液压冲击2.6.1气穴现象

液压系统中，由于某种原因（如速度突变），使压力降低而使气泡产生的现象。称为气穴现象。（2）产生原因

压力油流过节流口、阀口或管道狭缝时，速度升高，压力降低；

液压泵吸油管道较小，阻力增大，吸油高度过大，压力降低。（1）定义第52页，共66页。（3）气穴现象引起的结果1）液流不连续，流量、压力脉动2）系统发生强烈的振动和噪声3）发生气蚀第53页，共66页。减小小孔和缝隙前后压力降，希望p1/p2<3.5。增大直径、降低高度、限制流速。管路要有良好密封性防止空气进入。提高零件抗腐蚀能力:采用抗腐蚀能力强的金属材料，减小表面粗糙度。整个管路尽可能平直，避免急转弯、缝隙。

（4）防止措施第54页，共66页。2.6.2液压冲击（1）定义

液压系统中，由于某种原因（如速度急剧变化），引起压力突然急剧上升，形成很高压力峰值的现象称为液压冲击

如：急速关闭自来水管可能使水管发生振动，同时发出噪声第55页，共66页。（2）液压冲击产生的原因1）阀门突然开闭2）运动部件突然制动或换向，使压力升高3）系统中某些元件动作不灵敏，也会产生冲击（3）液压冲击的危害∵液压冲击峰值压力>>工作压力∴1）引起振动、噪声

2）导致某些元件如密封装置、管路等损坏

3）使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作第56页，共66页。（4）减小液压冲击的措施

1）延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间。2）限制管道流速及运动部件速度v管<5m/s，

v缸<10m/min。3）加大管道直径，尽量缩短管路长度。4）采用软管，以增加系统的弹性。5）设置卸荷阀和蓄能器第57页，共66页。本章结束谢谢!第58页，共66页。类型名称ISO代号特性和用途矿物油型普通液压油L-HL精制矿物油加添加剂，提高抗氧化和防锈性能，适用于室内一般设备的中低压系统抗磨液压油L-HML-HL油加添加剂，改善抗磨性能，适用于工程机械、车辆液压系统低温液压油L-HVL-HM油加添加剂，改善粘温特性，可用于环境温度在-20℃～40℃的高压系统高粘度指数液压油L-HRL-HL油加添加剂，改善粘温特性，VI值达175以上，适用于对粘温特性有特殊要求的低压系统，如数控机床液压系统液压导轨油L-HGL-HM油加添加剂，改善粘一滑性能，适用于机床中液压和导轨润滑全损耗系统用油L-HH浅度精制矿物油，抗氧化性、抗泡沫性较差，主要用于机械润滑，用于要求不高的低压系统汽轮机油L-TSA深度精制矿