液压与气动技术 第2版 课件 项目二 液压传动基础

项目二液压传动基础【项目要点】◆能正确选择液压油的牌号。◆能正确使用液压油。◆能计算液压系统的压力损失的大小。【知识目标】◆掌握液压油的物理性质。◆掌握液体静力学基础知识。◆掌握液体动力学基础知识。◆了解液压冲击与气穴现象。项目任务任务一液压油的认知任务二液体静力学基础知识的认知任务三液体动力学基础知识的认知任务四液体流动的压力损失任务五液流流经孔口及隙缝的特性任务六液压冲击与气穴现象任务一液压油的认知任务目标：了解液压油的作用；掌握液压油的黏度的物理意义；掌握液压油的黏度特性及可压缩性；掌握液压油的选用原则；了解液压油的分类；了解液压油污染与防治的有关问题。任务描述：测量液压油黏度的方法；熟悉液压油的选用及其主要物理性能；液压系统的清洗。液压油液压油是液压系统中借以传递能量的工作介质，还兼有润滑、密封、冷却、防锈等功能，因此液压油的质量（物理、化学性能）的优劣，尤其是力学性能对液压系统的工作的影响很大。所以，在研究液压系统之前，必须对所用的液压油的性能进行深入了解，以便进一步理解液压传动的基本原理。液压油的物理性质1.液体的密度液体单位体积内的质量称为密度，通常用“p”表示，单位为kg/m3。p=m/v（2-1）式中：m——液体质量，kg；v——液体体积，

。式（2-1）说明：液压油的密度随压力的升高而增大，随温度升高而减小。但由于压力和温度对密度变化的影响都极小，一般可认为液体的密度为一常数。液压油的物理性质2.液体的粘度液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力会阻碍分子间的相对运动而产生一种内摩擦力。这一特性称作液体的粘性。粘性的大小用粘度表示，粘性是液体重要的物理特性，也是选择液压油的主要依据。粘性使流动液体内部各液层间的速度不等。液压油的物理性质图2.1液体的粘性示意图液压油的物理性质如图2.1所示，两平行平板间充满液体，下平板不动，而上平板以速度

向右平动。由于粘性，紧贴于下平板的液体层速度为零，紧贴于上平板的液体速度为

，而中间各液体层的速度按线性分布。因此，不同速度层流相互制约而产生内摩擦力。液压油的物理性质粘度是衡量流体粘性的指标。常用的粘度有动力粘度、运动粘度和相对粘度。1）动力粘度

2）运动粘度3）相对粘度液压油的物理性质3.液体可压缩性液体受压力作用而体积缩小的性质称为液体的可压缩性。可压缩性用体积压缩系数

表示，并定义为单位压力变化下的液体体积的相对变化量。液压油的物理性质4.其他性质（1）粘度与压力的关系。液体分子间的距离随压力增加而减小，内聚力增大，其粘度也随之增大。当压力不高且变化不大时，压力对粘度的影响较小，一般可忽略不计。当压力较高（大于

）或压力变化较大时，需要考虑这种影响。（2）粘温特性。温度对液体的粘度影响较大，液体的温度升高其粘度下降。液体粘度随温度变化的性质称为粘温特性。液压油的物理性质几种国产液压油的粘度特性曲线如图所示。液压油的种类与使用方法

1.液压油的种类液压油的分类方法很多，常用的有以下两种分类方法。1）石油基液压油2）难燃液压油

合成液压油、乙二醇液压油、乳化液。液压油的种类与使用方法2.对液压油的要求液压油是液压传动系统的重要组成部分，是用来传递能量的工作介质。除了传递能量外，它还起着润滑运动部件和保护金属不被锈蚀的作用。液压油的质量及其各种性能将直接影响液压系统的工作。从液压系统使用油液的要求来看，有下面几点：

液压油的种类与使用方法（1）适宜的粘度和良好的粘温性能。一般液压系统所用的液压油其粘度范围为：或

。（2）润滑性能好。在液压传动机械设备中，除液压元件外，其他一些有相对滑动的零件也要用液压油来润滑，因此，液压油应具有良好的润滑性能。为了改善液压油的润滑性能，可加入添加剂以增加其润滑性能。（3）良好的化学稳定性，即对热、氧化、水解、相溶都具有良好的稳定性。（4）对液压装置及相对运动的元件具有良好的润滑性。（5）对金属材料具有防锈性和防腐性。（6）比热、热传导率大，热膨胀系数小。（7）抗泡沫性好，抗乳化性好（8）油液纯净，含杂质量少（9）流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸汽内燃，但油本身不燃烧的温度)和燃点高。此外，对油液的无毒性、价格便宜等，也应根据不同的情况有所要求。液压油的污染与防治措施液压油是否清洁，不仅影响液压系统的工作性能和液压元件的使用寿命，而且直接关系到液压系统是否能正常工作。液压系统多数故障与液压油受到污染有关，因此控制液压油的污染是十分重要的。液压油的污染与防治措施1.液压油被污染的原因

液压油被污染的原因主要有以下几方面。(1)液压系统的管道及液压元件内的型砂、切屑、磨料、焊渣、锈片、灰尘等污垢在系统使用前冲洗时未被洗干净，在液压系统工作时，这些污垢就进入到液压油里。(2)外界的灰尘、砂粒等，在液压系统工作过程中通过往复伸缩的活塞杆，流回油箱的漏油等进入液压油里。另外在检修时，稍不注意也会使灰尘、棉绒等进入液压油里。(3)液压系统本身也不断地产生污垢，而直接进入液压油里，如金属和密封材料的磨损颗粒，过滤材料脱落的颗粒或纤维及油液因油温升高氧化变质而生成的胶状物等。液压油的污染与防治措施2.油液污染的危害

液压油污染严重时，直接影响液压系统的工作性能，使液压系统经常发生故障，使液压元件寿命缩短。造成这些危害的原因主要是污垢中的颗粒。对于液压元件来说，由于这些固体颗粒进入到元件里，会使元件的滑动部分磨损加剧，并可能堵塞液压元件里的节流孔、阻尼孔，或使阀芯卡死，从而造成液压系统的故障。水分和空气的混入使液压油的润滑能力降低并使它加速氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速腐蚀，使液压系统出现振动、爬行等。液压油的污染与防治措施3.防止污染的措施为防止油液污染，在实际工作中应采取如下措施：

（1）使液压油在使用前保持清洁。(2)使液压系统在装配后、运转前保持清洁。(3)使液压油在工作中保持清洁。(4)采用合适的滤油器。(5)定期更换液压油。(6)控制液压油的工作温度。任务二液体静力学基础知识的认知任务目标：了解液体静力学的性质；掌握液体静力学的基本方程；掌握压力的表示方法；了解液体静力学基本方程的应用。任务描述：用液体静力学的知识分析液压系统中的具体问题。液体静压力及其特性作用在液体上的力有两种类型：一种是质量力，另一种是表面力。质量力作用在液体所有质点上，它的大小与质量成正比，属于这种力的有重力、惯性力等。单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上等于重力加速度。表面力作用于所研究液体的表面上，如法向力、切向力。表面力可以是其他物体(例如活塞、大气层)作用在液体上的力；也可以是一部分液体间作用在另一部分液体上的力。静力学基本方程式式中：

——作用在液面上的压力；——液体密度。式（2-12）为液体静力学的基本方程。压力的表示方法及单位液压系统中的压力就是指压强，液体压力通常有绝对压力、相对压力(表压力)、真空度三种表示方法。压力的表示方法及单位(1)绝对压力＝大气压力+表压力(2)表压力＝绝对压力-大气压力(3)真空度＝大气压力-绝对压力压力单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa，1Pa＝1N/m2。由于此单位很小，工程上使用不便，因此常采用它的倍单位兆帕，符号MPa。1Mpa=105Pa。帕斯卡原理如果垂直液压缸的活塞上没有负载，即F1=0，则当略去活塞重量及其他阻力时，不论怎样推动水平液压缸的活塞也不能在液体中形成压力。这说明液压系统中的压力是由外界负载决定的，这是液压传动的一个基本概念。任务三液体动力学基础知识的认知任务目标：了解液体动力学三个基本方程式，即液流的连续性方程、柏努力方程和动量方程；掌握有关液体动力学的几个基本概念，即理想液体与恒定流动、迹线、流线、流束和通流截面、流量和平均流速；了解液体动力学三个基本方程的应用。任务描述：用液体动力学的知识分析液压系统中的具体问题。知识与技能：本任务主要讨论三个基本方程式，即液流的连续性方程、伯努利方程和动量方程。液体是有黏性的，并在流动中表现出来，因此，在研究液体运动规律时，不但要考虑质量力和压力，还要考虑黏性摩擦力的影响。此外，液体的流动状态还与温度、密度、压力等参数有关。为了分析，可以简化条件，从理想液体着手，所谓理想液体是指没有黏性的液体，同时，一般都视为在等温的条件下把黏度、密度视作常量来讨论液体的运动规律。然后在通过实验对产生的偏差加以补充和修正，使之符合实际情况。在液压传动系统中，液压油总是在不断的流动中，因此要研究液体在外力作用下的运动规律及作用在流体上的力及这些力和流体运动特性之间的关系。1）理想液体既具有粘性又可压缩的液体称为实际液体。理想液体就是指没有粘性、不可压缩的液体。2）恒定流量液体流动时，液体中任意点处的压力、流速和密度都不随时间而变化，称为恒定流动。反之，流体的运动参数中，只要有一个运动参数随时间而变化，液体的运动就是非定常流动或非恒定流动。3）流量单位时间内通过通流截面的液体的体积称为流量，用q表示，流量的常用单位为升/分，L/min。流量连续性方程液体流动的连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的应用。即液体在密封管道内作恒定流动时，设液体是不可压缩的，则单位时间内流过任意截面的质量相等。流量连续性方程【例2-1】某液压系统，两液压缸串联，缸1的活塞是主运动，缸2的活塞对外克服负载（从动运动），如图2.11所示。已知小活塞大面积A1=14cm2，小活塞大面积A2=40cm2，连接两液压缸管路的流量

，试求两液压缸运动速度及速比。动量方程动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用。流动液体的动量方程是流体力学的基本方程之一，它是研究液体运动时作用在液体上的外力与其动量的变化之间的关系。在液压传动中，在计算液流作用在固体壁面上的力时，应用动量方程去解决就比较方便。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，这个规律是用伯努利方程的数学形式来表达的。伯努利方程是一个能量方程。伯努利方程对伯努利方程可作如下的理解。（1）伯努利方程式是一个能量方程式，它表明在空间各相应通流断面处流通液体的能量守恒规律。（2）理想液体的伯努利方程只适用于重力作用下的理想液体作恒定流动的情况。（3）任一微小流束都对应一个确定的伯努利方程式，即对于不同的微小流束，它们的常量值不同。伯努利方程的物理意义为：在密封管道内作定常流动的理想液体在任意一个通流断面上具有三种形成的能量，即压力能、势能和动能。三种能量的总合是一个恒定的常量，而且三种能量之间是可以相互转换的，即在不同的通流断面上，同一种能量的值会是不同的，但各断面上的总能量值都是相同的。伯努利方程2.实际液体的伯努利方程

由于液体存在着粘性，其粘性力在起作用，并表示为对液体流动的阻力，实际液体的流动要克服这些阻力，表示为机械能的消耗和损失，因此，当液体流动时，液流的总能量或总比能在不断地减少。伯努利方程上式适用的条件如下。（1）稳定流动的不可压缩液体，即密度为常数。

（2）液体所受质量力只有重力，忽略惯性力的影响。

（3）所选择的两个通流截面必须在同一个连续流动的流场中是渐变流（即流线近于平行线，有效截面近于平面）。而不考虑两截面间的流动状况。任务四液体流动的压力损失任务目标：了解液体的紊流状态；了解液体流动时的压力损失的类型及产生的原因；掌握减小压力损失的途径。任务描述：学会分析实际液压系统压力损失产生的原因及其减小压力损失的途径。液体流动的压力损失液体在管路中流动时会产生能量损失，即压力损失。这种能量损失转变为热量，使液压系统温度升高，泄漏量增加，效率下降和液压系统性能变坏。

在液压技术中，研究阻力的目的是：①为了正确计算液压系统中的阻力；②为了找出减少流动阻力的途径；③为了利用阻力所形成的压差

p来控制某些液压元件的动作。液体的流动状态19世纪末，雷诺首先通过试验观察了水在圆管内的流动情况，发现液体有两种流动状态：层流和紊流。液体的流动状态1.层流和紊流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，惯性力其主要作用。液体的流动状态2.雷诺数沿程压力损失液体在直管中流动时的压力损失是由液体流动时的摩擦引起的，称之为沿程压力损失。它主要取决于管路的长度、内径、液体的流速和粘度等。液体的流态不同，沿程压力损失也不同。液体在圆管中层流流动在液压传动中最为常见，因此，在设计液压系统时，常希望管道中的液流保持层流流动的状态。液体在等径直管中流动时多数情况下为层流。局部压力损失局部压力损失是液体流经阀口、弯管、通流截面变化等时，产生的能量损失称为局部压力损失。液流通过这些地方时，由于液流方向和速度均发生变化，形成旋涡（见图2.18），使液体的质点间相互撞击和摩擦，从而产生较大的能量损耗。局部压力损失管路压力总损失液压系统中管路通常由若干段管道串联而成。其中每一段又串联一些诸如弯头、控制阀、管接头等形成局部阻力的装置，因此管路系统总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失

及所有局部压力损失Σ

之和。减少压力损失的措施：

减少流速、缩短管路长度、减少管路的突变，提高管壁加工质量等，都可以使压力损失减少。在这些因素中，流速的影响最大，特别是局部压力损失与速度的平方成比例关系。故在液压传动系统中，管路的流速不应过高。但流速过低，又会使管路及阀类元件的尺寸加大，造成成本增高，有时在结构上也不允许。任务五液流流经孔口及缝隙的特性任务目标：了解液流经小孔或缝隙时的流量大小影响因素；学会运用液流经小孔或缝隙时的流量计算公式。任务描述：会运用液流经小孔或缝隙时的流量计算公式来分析实际液压系统中的液压元件的工作性能。液流流经孔口及隙缝的特性在液压系统中，液流经小孔或缝隙的现象是普遍存在的，它们有的用来调节流量，有的造成泄漏，不管是哪一种，都涉及到小孔或缝隙的流量问题。任务六液压冲击与气穴现象任务目标：掌握液压压冲击产生的原因及预防措施；掌握气穴现象产生的原因及预防措施；认识液压冲击和气穴现象所造成的危害。任务描述：在实际工作中能判断液压冲击和气穴现象，并能找出产生的原因，针对性采取有效措施。液压冲击与气穴现象1液压冲击在液压系统中由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高,产生很高的压力峰值,这种现象称为液压冲击。液压冲击产生的压力峰值往往比正常工作压力高好几倍，且常伴有噪声和振动，从而损坏液压元件、密封装置、管件等。液压冲击与气穴现象1.液压冲击的类型

（1）液流通道迅速关闭或液流迅速换向使液流速度的大小或方向突然变化时，由于液流的惯力引起的液压冲击。（2）运动着的工作部件突然制动或换向时，因工作部件的惯性引起的液压冲击。（3）某些液压元件动作失灵或不灵敏，使系统压力升高而引起的液压冲击。2.产生原因(1)阀门突然关闭引起液压冲击。(2)运动部件突然制动或换向时引起液压冲击。液压冲击与气穴现象3.减少液压冲击措施液压冲击的危害是很大的。发生液压冲击时管路中的冲击压力往往急增很多倍，而使按工作压力设计的管道破裂。此外，所产生的液压冲击波会引起液压系统的振动和冲击噪声。因此在液压系统设计时要考虑这些因素，应当尽量减少液压冲击的影响。为此，一般可采用如下措施。(1)缓慢关闭阀门，削减冲击波的强度。(2)在阀门前设置蓄能器，以减小冲击波传播的距离。(3)应将管中流速限制在适当范围内，或采用橡胶软管，也可以减小液压冲击。(4)在系统中装置安全阀，可起卸载作用。液压冲击与气穴现象2空穴(气穴)现象管道中发生空穴现象时，气泡随着液流进入高压区时，体积急剧缩小，气