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第二章 液压传动基础知识,液压传动的工作介质 流体静力学 流体动力学 液体流动时的压力损失 孔口和缝隙流动 液压冲击与气穴现象,2.1 液压传动的工作介质,液压油的用途 液压油的物理性质 对液压油的要求及选用,2.1.1 液压油的用途,1. 传递能量的载体:将泵的机械能转换成液体的压力能并传至各处,由于油本身具有粘度,在传递过程中会产生一定的动力损失。 2. 润滑防锈:液压元件内各移动部位,都可受到液压油充分润滑,从而减低元件磨耗。 3. 密封:油本身的粘性对细小的间隙有密封的作用。 4. 冷却:系统损失的能量会变成热,被油带出。,2.1.2 液压油的物理性质,液压油的密度及重度 液压油的可压缩性 液压油的粘性,一. 液压油的密度及重度 密度单位体积液体的质量 密度随着温度或压力的变化而变化,但变化不大,通常可忽略不计。压力增大,密度亦增大,温度上升,密度下降。 常用矿物型液压油密度计算时取,二. 液压油的压缩性 反映了液体体积随工作压力变化而变化的特性。 用体积压缩系数 或其倒数体积弹性模数 K 表示。 定义:在一定温度下,每增加一个单位的压力,液体体积的相对变化值。 问题:气体与液体相比,体积弹性模(系)数谁大? 若有游离空气混入系统时,三. 液压油的粘性 (一) 粘性: 是选择液压油的重要依据 定义:油液在外力作用下,液层间作相对运动时,产生内摩擦力的性质称为粘性。 特点:运动时才呈现粘性,静止油液不表现出粘性。,(二) 粘度:衡量粘性大小的物理量,式中:Ff 内摩擦力(N) A 油层接触面积 动力粘度(单位是Pa.s),如图21所示为粘性示意图。实验结果表明,流体流动时相邻液层间的内摩擦力为:,1. 动力粘度, 其物理意义为: 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。它是一种绝对粘度。单位为pa .s. 2. 运动粘度:液体动力粘度与液体密度之比。 无明显的物理意义。 运动粘度也是绝对粘度,单位为m2/s,1m2/s =106 mm2/s(厘斯,cSt)。习惯上使用运动粘度标志液体的粘度,例如机械油的牌号就是用其在40度时的平均运动粘度为其标号。如LHL46,LHL指改善其防锈及抗氧性的精制矿物油(通用机床液压油),数字46表示该液压油在40C时的运动粘度为46厘斯(平均值)。在工程实际中,常采用先测出液体的相对粘度,然后再换算成绝对粘度的方法来确定工作液的粘度。 3. 相对粘度又称条件粘度。常用的有恩氏粘度:200ml,直径2.8mm,在某一温度(20、50、100度)下与20度蒸馏水的时间比较。 中国、俄罗斯及德国采用。美国、英国分别采用通用赛氏秒和商用雷氏秒。,(三)温度和压力对粘性的影响 粘度随温度变化的关系叫粘温特性,随温度的变化粘度变化较小,即粘温特性较好。 油温变化对系统性能的影响: 温度上升,粘度显著下降,造成泄漏、效率降低、磨损增加等问题;温度下降,粘度增加,造成流动困难及泵转动不易等问题。 如运转时油液温度超过60度,就必须加装冷却器,因油温在60度以上,每超过10度,油的劣化速度就会加倍。 压力变化对粘性同样有影响。,2.1.3 对液压油的要求及选用,对液压油的要求 液压油的选择 液压油的污染与维护,一. 对液压油的要求 (1)适当的粘度和良好的粘温性; (2)有良好的化学稳定性(氧化安定性,热安定性及不易氧化、变质) ; (3)良好的润滑性,以减少相对运动间的磨损; (4)良好的抗泡沫性(起泡少,消泡快) ; (5)体积膨胀系数低,闪点及燃点高(油温升高时,部分的油会蒸发而与空气混合成油气,此油气所能点着的最低温度称为闪火点,如继续加热,则会达到连续燃烧的温度,此温度称为燃烧点); (6)纯净度好,杂质少; (7)对人体无害,对环境污染小,价格便宜。 但,粘度是第一位的。,二. 液压油的选用 液压油的选择包括液压油品种的选择及粘度的选择。液压油有很多品种,可根据不同的使用场合选用合适的品种,在品种确定的情况下,最主要考虑的是油液的粘度。,1. 选择液压油品种,液压油主要有下列三种: A.石油基型矿物油(可燃性):主要由石腊基(paraffin base)的原油精制而成,再加抗氧化剂和防锈剂,由于石油基液体(矿物油)的润滑性好、腐蚀性小、粘度较高、化学稳定性好,因此在液压传动中广泛采用。其缺点为耐火性差。 B. 抗燃液压油(难燃性):专用于防止有引起火灾危险的乳化型液压油。有水中油滴型(o/w)和油中水滴形(w/o)两种,水中油滴型(o/w)的润滑性差,会侵蚀油封和金属;油中水滴形(w/o)化学稳定性很差。 C. 专用液压油:航空、舰船、炮用及车辆制动用液压油。,2. 选择液压油粘度,A. 液压系统的工作压力:工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油,以减少泄露;反之便选用粘度较低的油。 当 时, ; 当 时, ; 当 时, 。 B. 运动速度:执行机构运动速度较高时,为了减小液流的功率损失,宜选用粘度较低的液压油。 C. 环境工作温度高时选用粘度较高的液压油,减少容积损失。 此外,可按液压泵的类型来选用,在液压系统中,对液压泵的润滑要求苛刻,不同类型的泵对油的粘度有不同的要求,具体可参见有关产品说明书。,除了按液压系统所配置液压泵产品说明书的推荐选用之外, 也可按下表 选用。,液压油选用的总结:,首先根据工作条件 (v、p 、T)和元件类型选择油 液品种,然后根据粘度选择牌号。 慢速、高压、高温:大(以q) 通常 快速、低压、低温:小(以P),3. 液压油的污染与维护 液压油使用一段时间后会受到污染,常使阀内的阀芯卡死,并使 油封加速磨耗及液压缸内壁磨损。造成液压油污染的原因有三方面: 1)污染:(1)外部侵入的污物;(2)内部生成的不纯物 2)恶化:液压油的恶化速度与含水量、气泡、压力、油温、金属粉末等有关,其中以温度影响最大,故液压设备运转时,须特别注意油温之变化。 3)泄漏:液压设备因配管不良,油封破损是造成泄漏的原因,泄漏发生时空气、水、尘埃便可轻易的侵入油中,故当泄漏发生时,必须立即加以排除。 液压油经长期使用,油质必会恶化,一般皆用目视法判定油质是否 恶化,当油颜色混蚀并有异味时,须立即更换;保养方法有二种:一为 定期更换(约为5000-20000小时),其次是使用过滤器定期过滤。也可 采用在线监控液压油是否达到规定值,定期抽查液压油。液压油的粘度 、酸值、水分及杂质是确定液压油是否更换的重要指标。,2.2 流体静力学,流体静力学的研究内容 液体静压力及其特性 重力作用下静力学基本规律 压力的表示方法及单位 静压力对固体壁面的作用力,2.2.1 流体静力学的研究内容,流体静力学是研究静止液体的平衡规律及其规律的应用,它是流体力学的基础。 静止液体:指液体之间没有相对运动。,2.2.2 静压力及其特性,1. 作用在静止液体上的力有两种: 质量力:重力、惯性力、离心力 表面力:法向力(垂直受压面), 切向力(运动时有静止无) 2. 液体静压力定义:静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力,以 p 表示。静压力在物理学中称为压强,在液压传动中则简称为压力。,3. 液体静压力有两个重要特性: (1)方向:液体静压力垂直并指向承压面,其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体质点间的内聚力很小,不能受拉只能受压之故。 (2)大小:与作用面的方向无关。静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等。为什么?如果某点受到的压力在某个方向上不相等,那么液体就会流动,这就违背了液体静止的条件。,在液压传动中,由于 (p0是液压系统的工作压力),所以在一般情况下不考虑位置对静压力产生的影响。 因而重力压力(质量力)与液压系统工作压力相比常可忽略不计。,2.2.3 重力作用下静力学基本规律,1. 在静止液体中,距液面 h 深处的压力分布规律,2. 重力作用下静止液体压力分布特征,(1) 静止液体中任何一点的静压力为作用在液面的压力Po和液体重力所产生的压力之和。 (2) 液体中的静压力随着深度h 而线性增加。 (3) 在同一深度下各点压力相等,压力相等的点组成的面叫等压面。,2.2.4 压力表示方法,1. 压力单位 国际单位:Pa,KPa,MPa 工程单位:kgf/cm2(公斤力/厘米2)或bar 液注高:mmHg,mH2o 2. 绝对压力、相对压力(表压力)及真空度 绝对压力(absolute pressure) :以绝对零值为基准测得的压力 相对压力又称表压力(gauge pressure):以当地大气压力(atomosphere)为基准测得的压力。 真空度:如液体中某点处的绝对压力小于大气压力,这时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值。 真空度=大气压力-绝对压力,3. 有关表压力、绝对压力和真空度的相互关系,2.2.5 静压力对固体壁面的总作用力,1. 静压力作用在平面上的总作用力,等于压力 p 乘以作用面积 A,即 F = pA,2. 静压力作用在曲面上的的总作用力,2.3 流体动力学,流体动力学的研究内容 液体流动的基本概念 连续性方程 伯努力方程 动量方程,2.3.1 流体动力学的研究内容,流体动力学是流体力学的核心问题,主要研究液体运动与力的关系。其主要内容是三大方程的应用: 连续性方程 能量方程(伯努力方程) 动量方程,2.3.2 基本概念,1.理想液体 实际液体 无粘性又不可压缩的液体称为理想液体。 有粘性又可压缩的液体称为实际液体。 2.稳定流动(定常流动) 非稳定流动(非定常流动) 流体流动时,每一空间点上液体的全部运动参数(如压 力、速 度、密度)都不随时间而变化,这样的流动叫稳定流 动。稳定流动又叫定常流动、非时变流动。 这些参数中只要有一个是时间 t 的函数,这样的流动叫非 稳定流动或时变流动。,3. 过流断面 流量 平均流速,(1) 与液体流动方向相垂直的截面,称为过流断面。过流截面可能是平面,也可能是曲面。由于微小流束的通流截面很小,可以认为该过流断面上各点的运动参数(压力、速度、密度等)相同。 (2) 单位时间内流过过流断面的液体的体积称做流量,用 q 表示。流过整个过流流断面的流量 q 为:,(3) 液体具有粘性,过流断面上的速度分布不均匀,通常以过流断面上的平均流速来代替实际流速。,4. 湿周 水力直径,液体与固体壁面相接触的周长称为湿周。湿周用 x 表示。 水力直径用 dH 表示,它定义为:,2.3.3 连续性方程,应用条件:理想液体、稳定流动 遵循:质量守恒定律 如图所示在非等断面管内选取两个过流断面,面积分别为A1和A2,平均流速分别为V1和V2,对于理想液体,根据质量守恒定律,液体在管道内既不能增多也不能减少,因此单位时间内液体流过断面1的质量必然等于流过断面2的质量,即 两边除以密度得 即连续性方程, 由此式还得出: 运动速度取决于流量, 而与流体的压力无关。,2.3.4 伯努力方程(推导从略),1. 理想伯努力方程 应用条件:理想液体,稳定流动 遵循:能量守恒定律,由上式可看出: (1) 、 、 分别为单位重量液体在某断面处的比压能、比势能和比动能。 (2) 在管内作稳定流动的理想流体具有压力能、势能和动能,它们之间可以相互转换,但在任一截面处其总和不变,即能量守恒。,2. 实际伯努利方程 应用条件:不可压缩液体,稳定流动 实际伯努力方程对理想伯努力方程进行了两个方面的修正: (1) 由于实际液体具有粘性,导致能量损失,若沿流动方向选取两个过流断面1、2,必有 hf 表示液体流动时的机械能损失,在液压技术中,这种损失主 要表现为液体的压力损失。,(2) 对动能进行修正,通常以平均流速代替实际流速,有偏差,故引入动能修正系数,则重力场中不可压缩液体作定常流动的实际伯努利方程为,动能修正系数的取值情况:流速分布愈均匀,1, 计算时通常由液体流态决定大小,层流时=2,紊流时=1。,2.4 液体流动时的压力损失,液体的流态及雷诺判据 沿程压力损失 局部压力损失 管路系统总压力损失及推荐流速,2.4.1 液体的流态及雷诺判据,1. 雷诺实验(雷诺,英国物理学家) 如图所示为一典型的雷诺实验装置,试验时保持水箱水位平静且不 变。缓慢开启阀门A,使玻璃管中通过较小的流量,即管中流速v很 小;然后,开启颜色水容器的阀门B,颜色水经小管流入玻璃管内, 此时可见颜色水成为一条鲜明而细直的流束。如果逐渐加大阀门 A 的开度,管中流速 v 也加大; 当流速加大到某一数值时, 颜色水 流束开始弯曲颤动这说明玻璃管内的流体质点运动方向不再是原来 的轴向运动, 已经出现垂直于玻璃管轴心线的横向速度。若再加大 一点点A的开度,流体质点的横向运动速度加大, 颜色水流束开始 断裂。当继续加大一点A的开度,流体质点的横向运动进一步增强, 颜色水流束完全与周围的水混杂,已见不到颜色水的痕迹。,2. 层流、紊流及雷诺判据 层流:质点没有横向脉动,互不干扰,有规则 紊流:流速增大后,有横向脉动,交错而混乱 雷诺数的定义: 雷诺数的物理意义:液体惯性力与粘性力之比的无量纲数。 临界雷诺数:液体由层流转变为紊流或由紊流转变为层流 时的雷诺数。用Rec表示。 雷诺判据: 当雷诺数Re Rec 时,为紊流 当雷诺数Re Rec 时,为层流 通常,光滑金属圆管Rec=20002300,压力损失:由于液体具有粘性,在管路流动过程中必然要损耗一部分能量。在液压技术中,这部分能量损耗主要表现为压力损失,即 hf 。 压力损失有沿程压力损失和局部压力损失两种,它们与液体的流动状态有关。,2.4.2 沿程压力损失,当液体在等径管中流动过程中,因摩擦而产生的压力 损失。 其中,系数与流态有关 层流:金属管=75/Re 橡胶软管=(80108)/Re 紊流:3103Re 105 光滑管=0.3164Re-0.25,其它经验公式见教材。,2.4.3 局部压力损失,液体在流动过程中由于遇到局部障碍(管子截面形状突然变化、液流方向改变或其它形式的液流阻力)而引起的压力损失。,2.4.4 管路中总的压力损失,等于所有沿程损失和所有局部损失之和。 由于压力损失的必然存在,所以泵的额定压力要略大于系统工作时所需的最大工作压力,一般可将系统工作所需的最大工作压力乘以一个1.31.5的系数来估算。,伯努力方程举例,如图所示:液压泵的流量 Q=63L/min, 吸油管通径 d=20mm,液压泵吸油 口距液面高度 h=400mm , 粗滤油网 的压力降 油液密 度 粘度 求液压泵吸油口处的真空度。,液体流经孔口的力学特性 液体流经缝隙的力学特性,2.5 液体流经孔口及缝隙的力学特性,2.5.1 液体流经孔口的力学特性,薄壁孔口 细长孔 短孔(厚壁孔口),如图所示,当小孔的长度和直径之比为 时,该小孔称之为薄壁小孔。薄壁孔口通常做成刃口形式。液体流经薄壁孔口的流量公式为:,1. 薄壁孔口,对上式作如下几点说明: 1.由于流体流经薄壁孔口的流量q与小孔前后压差的平方根成正比,所以孔口出流受孔口压差变化的影响较小。由于q与液体的粘度无关,因而工作温度的变化对薄壁孔口流量q的影响甚微。在液压技术中,节流孔口常做成薄壁孔口。 2.流量系数通常由实验确定。在完全收缩的情况下( 时,D为管径),流量系数为: 3.液体流经滑阀阀口、锥阀阀口及喷嘴挡板阀阀口时,也可用薄壁孔口流量公式来计算流量,而流量系数及孔口过流截面积随着孔口不同而有所区别。 对于如图2-25所示的圆柱滑阀阀口,当 :阀口为尖锐棱边时, ;阀口为棱边圆滑或有小圆角时, 。,对于如图226所示锥阀阀口,当 时,,2. 细长孔,如图所示,当 时,该孔称为细长孔。 通过细长孔的流量公式: 或 3. 短孔(厚壁孔口) 当 时,称为短孔。,2.5.2 液体流经缝隙的力学特性,平行平板缝隙流 环形缝隙流,1. 平行平板缝隙中的平行流动,(1) 压差流动 如图230所示,液体在压力差作用下的流动称为压差流动。液体在压差作用下流经平行平板间隙的流量公式为:,(2) 剪切流动,如图231所示,两平行平面间隙间充满液体,平板两端无压差。两平板之间有相对运动(设下平板不动,上平板以速度v沿x正向运动)。在运动时,由于液体存在粘性,缝隙中的液体也会流动,这种流动称为剪切流动。在平行平面缝隙中剪切流动的流量公式为:,(3) 压差与剪切联合作用下的流动,如图2-32所示,平行平面间 隙两端有压差,而平板间又 有相对运动,液体在压差及 平板带动下在缝隙中二维流 动,称为联合运动。此时平 行平板缝隙的流量为:,2. 环形缝隙中的平行流动,(1) 圆柱环形缝隙中的平行流动 A.同心环形缝隙中的平行流动 圆柱同心环形缝隙的流量公式: B. 偏心环形缝隙中的平行流动 偏心圆柱环形缝隙的流量公式为,(2) 圆锥环形缝隙流动中的平行流动 图236 流体在圆锥环形缝隙中稳定流动 通过圆锥环形 缝隙的流量公式为: 对于倒锥,在渐扩缝隙中 的压力分布为: 对于顺锥,在渐缩缝隙中 的压力分布为:,(3) 平面环形缝隙差压流动 在图238所示环形缝隙中,沿平面环形缝隙向外辐射流出(轴向对称流动),其流量公式为: 若流体经平面环形缝隙流入大气,缝隙内的压力分布规律为: 如图2-39所示。把间隙切开展开成平面,则将成为扇形。从几何关系可求出扇形中心角为:,用 代替上式中的 ,就可得到通过锥 阀的流量公式为:,2.6 液压冲击和气穴气蚀现象,液压冲击 气穴、气蚀现象,2.6.1 液压冲击,液压冲击现象 产生液压冲击的原因 液压冲击的危害 避免液压冲击的主要办法,1. 什么叫液压冲击? 在液压系统中,由于某种原因使系统或系统局部压力在一瞬间急剧上升,形成很高的压力峰值,并产生振动和噪声,这种现象。 2. 产生液压冲击的原因 (1) 液流具有惯性。 (2) 运动部件(负载)本身具有惯性。,(1) 液流具有惯性。当液流通道迅速关闭或液流迅速换向时(或突然制动时),液流速度的大小或方向发生突然的变化,流体的惯性将导致液压冲击。,(2) 运动部件(负载)本身具有惯性。运动部件由液压驱动。当其突然制动或换向时,因运动部件具有惯性,此时也将导致系统发生液压冲击。,3. 液压冲击的危害,(1) 极易引起强烈的振动和噪声,并使油温升高 (2) 巨大的压力峰值会损坏某些液压元件,尤其是密封件。 (3) 由于压力冲击产生的高压力可能使某些压力控制元件 (如压力继电器、顺序阀等)产生误动作,而损坏设备。,4. 避免液压冲击的主要办法,延缓阀

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