液压传动课件PPT教程-第二章 液压油及液压流体力学基础.ppt

第二章 液压油与液压流体力学,2.1 液压油的种类 2.2 液压油的主要特性 2.3 对液压油的要求 2.4 液压油的选择,2-1 液压油的种类及代码 一、种类,石油型,难燃型,机械油 汽轮机油 液压油,水-乙二醇液 磷酸酯液,水包油 油包水,乳化液,合成型,二、液压油的代号,作为液压传动介质的液压油主要有以下功能： l 传动：把由泵产生的压力能传递给执行部件 l 润滑：对泵、阀、执行元件等运动部件进行润滑 l 密封：保持由泵所产生的压力 l 冷却：吸收并带出液压装置所产生的热量 l 防锈：防止液压系统中所用的各种金属部件锈蚀 l 传递信号：传递信号元件或控制元件发出的信号 l 吸收冲击：吸收液压回路中产生的压力冲击,2-2 液压油的作用,2-3 液压油主要特性,一、可压缩性 液压油的体积将随压力的增高而减小。 体积压缩系数,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,体积弹性模量K,V一定，在同样p下， K 越大, V 越小 说明K 越大，液体的抗压能力越强 矿物油 K = (1.42.0)10 9 N/m 2 钢 K = 2.06 10 11 N/m 2 k钢 = 100150 k油 在静态下工作时，不考虑液体的可压缩性。,二、粘性,附着力 液体与固体表面 内聚力 液体分子与分子之间,液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩檫力，它使液体各层间的运动速度不等，这种现象叫做液体的粘性,粘性示意图,下板固定 上板以u0运动 附着力 A点：u = 0 B点：u = u0 内摩擦力 两板之间液流速度逐渐小。,B,A,x,z,根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力T与流体层的接触面积A及流体层的相对流速du成正比，而与此二流体层间的距离dz成反比,1、牛顿内摩擦力,式中：粘度系数 A 液层接触面积 du /dz速度梯度, 牛顿内摩擦定律,两液层的速度差,两液层间的距离,切应力:,当速度梯度变化时，为不变常数的流体称为牛顿流体，为变数的流体称为非牛顿流体。,2、粘度,三种表示方法,2) 运动粘度,单位：Pa.S（帕秒）,单位：m2/s,1) 动力粘度,机械油的牌号,是用40时运动粘度的平均值来标志的 例：20号机械油 =1723 cSt（厘斯） 换算关系： 1 m2/s = 104 St = 106 cSt (=106 mm2/s) 斯(cm2/s) 厘斯(mm2/s),3)相对粘度(恩氏粘度),式中：t1 油流出的时间 t220OC蒸馏水流出时间,恩氏粘度与运动粘度的换算关系,通常以20、50、100OC作为标准测定温度， 记为：,3.粘度与压力的关系,4.粘度与温度的关系,T 影响： 大，阻力大，能耗 小，油变稀，泄漏 限制油温：T，加冷却器 T，加热器,粘温图,三、其他性质,稳定性 (热、氧化、水解、剪切） 抗泡沫性 防锈性 相容性（金属、密封、涂料） 通过添加剂控制,2-4 对液压油的要求,1.合适的粘度，粘温性好 2.润滑性能好 3.杂质少 4.相容性好 5.稳定性好 6.抗泡性好、防锈性好 7.凝点低,闪点、燃点高 8.无公害、成本低,2-5 液压油液的选择和使用,一、液压油液的选择 1.优先考虑粘性 =11.5 41.3 cSt 即 20、30、40号机械油 2.按工作压力 p 高，选大； p 低，选小 3.按环境温度 T 高，选大； T 低，选小 4.按运动速度 v 高，选小； v 低，选大 5.其他 （污染、抗燃、毒性） （相容性、稳定性、防锈抗腐） （价格、使用寿命、更换）,工作条件,工作环境,油液质量,经济性,二、液压油的使用,1.控制油温 2.防止污染 3.定期抽检、定期更换 4.油箱储油充分 5.确保密封,三、液压油污染的来源,液压流体力学基础,液压流体力学,液压流体力学是研究液体平衡和运动的力学规律的一门学科。 液体静力学 研究液体在静止状态下的力学规律及其应用 液体动力学 研究液体流动时流速和压力的变化规律 管道中液流的特性 用于计算液体在管路中流动时的压力损失 孔口及缝隙的压力流量特性 是分析节流调速回路性能和计算元件泄漏量的理论依据 - 液压冲击和气穴现象: - 测量仪表,2-6 液体静力学,（1）、静压力及其特性 （2）、静压力基本方程式 （3）、帕斯卡原理 （4）、静压力对固体壁面的作用力,（1） 静压力及其特性,液体的静压力 静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。p=limF/A （A0） 若在液体的面积A上所受的作用力F为均匀分布时，静压力可表示为 p = F / A 液体静压力在物理学上称为压强，工程实际应用中习惯称为压力。 液体静压力的特性 液体静压力垂直于承压面，方向为该面内法线方向。 液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。,（2）、液体静压力基本方程,a、静压力基本方程,如图所示容器中盛有液体，作用在液面上的压力为P0，现在求离液面h深处A点压力，在液体内取一个底面包含A点的小液柱，设其底部面积为A，高为h。这个小液柱在重力及周围液体的压力作用下，处于平衡状态。则在垂直方向上的力平衡方程为 P=p0+gh=p0+h 其中为液体的密度，为液体的重度。,如图所示为盛有液体的密闭容器，液面压力为p0。选择一基准水平面(0x)，根据静压力基本方程式可确定距液面深度为h处A点的压力p即 p=p0+h=p0+(z0-z) 整理后得 P/+z=p0/+z0=常数 式中z实质上表示了A点单位重量 液体的位能。单位重量液体的位 能为mgz/mg=z,z又称为位置水头。,b、静压力基本方程式的物理意义,hp,如果在与A点等高的容器上，接一根上端封闭并抽去空气的玻璃管，可以看到在静压力作用下，液体将沿玻璃管上升hp,根据上式对A点有：,静压力基本方程式说明：静止液体中单位重量液体的压力能和位能可以相互转换，但各点的总能量保持不变，即能量守恒。,p/+z=z+hp，故 p/=hp,这说明了A处液体质点由于受到静压力作用而具有mghp的势能，单位重量液体具有的势能为hp。因为hp=p/，故p/为A点单位重量液体的压力能。,（3）帕斯卡原理,图示是应用帕斯卡原理的实例 作用在大活塞上的负载F1形成液体压力 p= F1/A1 为防止大活塞下降，在小活塞上应施加的力 F2= pA2= F1A2/A1 由此可得: 液压传动可使力放大，可使力缩小，也可以改变力的方向。 液体内的压力是由负载决定的。,在密闭容器内，施加于静止液体的压力可以等值地传递到液体各点，这就是帕斯卡原理。也称为静压传递原理。,2-6 液体动力学,主要是研究液体流动时流速和压力的变化规律。流动液体的连续性方程、伯努利方程、动量方程是描述流动液体力学规律的三个基本方程式。前两个方程反映了液体的压力、流速与流量之间的关系，动量方程用来解决流动液体与固体壁面间的作用力问题。 基本概念 流量连续性方程 伯努利方程 动量方程,(1) 液体动力学基本概念,通流截面 垂直于流动方向的截面，也称为过流截面。 流量 单位时间内流过某一通流截面的液体体积，流量以q表示，单位为 m3 / s 或 L/min。 平均流速 实际流体流动时，速度的分布规律很复杂。假设通流截面上各点的流速均匀分布，平均流速为v =q/A。,理想液体 假设的既无粘性又不可压缩的流体称为理想流体。,恒定流动 液体流动时，液体中任一点处的压力、速度和密度都不随时间而变化的流动，亦称为恒定流动或非时变流动。,当液体流动时，可以将流动液体中空间任一点上质点的运动参数，例如压力p、流速v及密度表示为空间坐标和时间的函数，例如： 压力p=p（x，y，z，t) 速度v=v（x，y，z，t) 密度=（x，y，z，t）,=,(2)流量连续性方程,流量连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的表达方式。,液体在管内作恒定流动，任取1、2两个通流截面，根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面的液体流量相等，即： 1v1 A1 = 2v2 A2 不考虑液体的压缩性则得 q = v A = 常量,流量连续性方程说明了恒定流动中流过各截面的不可压缩流体的流量是不变的。因而流速与通流截面的面积成反比。,(3) 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。,1)理想液体微小流束的伯努利方程,为研究的方便，一般将液体作为没有粘性摩擦力的理想液体来处理。,式中p/r（r=g）为单位重量液体所具有的压力能，称为比压能，也叫作压力水头。Z为单位重量液体所具有的势能，称为比位能，也叫作位置水头。（u2/2g）为单位重量液体所具有的动能，称为比动能，也叫作速度水头，它们的量纲都为长度。,P1/g +Z1 +u12/2g = P2/g+ Z2 + u22 /2g,(3) 伯努利方程,2)实际液体微小流束的伯努利方程,实际流体存在粘性，流动时存在能量损失，hw 为单位质量液体在两截面之 间流动的能量损失。,3)实际液体总流的伯努利方程,用平均流速替代实际流速， 为动能修正系数。,伯努利方程的物理意义：在管内作稳定流动的理想流体具有压力能，势能和动能三种形式的能量，它们可以互相转换，但其总和不变，即能量守恒。,(4) 动量方程,动量方程是动量定理在流体力学中的具体应用，用来计算流动液体作用在限制其流动的固体壁面上的总作用力。,2)液体的动量方程,1)动量定理（刚体）：作用在物体上的全部外力矢量和等于物体在力作用方向上的动量变化率。,应用动量方程注意：F、u是矢量；流动液体作用在固体壁面上的力与作用在液体上的力大小相等、方向相反。,F = （m u）/t = q（u2 - u1）,F = （m u）/t,推论：作用在液体控制体积上的外力总和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。,在一般可以将液压系统中的压力损失分为沿程压力损失和局部压力损失两大类。,沿程压力损失：是指油液沿等直径管流动时所产生的压力损失。这类压力损失是由于液体流动时各质点间运动速度不同，液体分子间及与管壁间存在内外摩擦力导致液体流动必须消耗一部分能量来克服这部分阻力而造成的。,圆管中的层流,(5) 流动液体的压力损失,局部压力损失：是油液流动时经过局部障碍（如弯管、分支或管路截面突然变化）时，由于液体的流向和速度的突然变化，在局部形成涡流，引起油液质点间以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈磨擦而产生的压力损失 。,突然扩大处的局部损失,(6) 流经孔口的力学特性,液体流经小孔的情况可以根据孔长l与孔径d的比值分为三种情况：l/d0.5时，称为薄壁小孔；0.5l/d4时，称为短孔；l/d4时，称为细长孔。,液体在薄壁小孔中的流动,1)流经薄壁小孔的流量,通过薄壁小孔的流量与液体粘度无关，因而流量受液体温度影响较小.但流量与孔口前后压差的关系是非线性的 。,Cd称为小孔流量系数，流量系数一般 由实验确定 。p为小孔前后压差。,2)流经细长孔和短孔的流量,液体流经细长小孔的流量将随液体温度的变化而变化。 但细长小孔的流量与孔前后的压差关系是线性的。,A是细长小孔的通流截面积,3) 统一的经过小孔的流量公式,液流流经短孔的流量仍可用薄壁小孔的流量计算式，但其中的流量系数不同 。,式中 A:孔的通流截面积，p:孔前后压差， m:由孔结构形式决定的指数,0.5m1 k:由孔口形式有关的系数 当孔为薄壁小孔时，m=0.5, 为细长小孔时m=1，,(一)液压冲击现象,在液压系统中，当极快地换向或关闭液压回路时，致使液流速度急速地改变(变向或停止)，由于流动液体的惯性或运动部件的惯性，会使系统内的压力发生突然升高或降低，这种现象称为液压冲击(水力学中称为水锤现象)。,2-7 液压冲击及气蚀现象,理想情况下冲击压力的变化规律,实际情况下冲击压力的变化规律,液压冲击引起的结果,液压冲击峰值压力工作压力。引起振动、噪声、导致某些元件如密封装置、管路等 损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作，影响系 统 正常工作。,2-7 液压冲击及气蚀现象,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 ，