液压传动基础知识

第一章 液压传动基础知识 本章介绍有关液压传动的流体力学基础 重点为液体静压方程 连续性方程 伯努力方程的 应用 压力损失 小孔流量的计算 要求学生理解基本概念 牢记公式并会应用 第一节 液压传动工作介质 液压油是液压传动系统中的传动介质 而且还对液压装置的机构 零件起这润滑 冷却 和防锈作用 液压传动系统的压力 温度和流速在很大的范围内变化 因此液压油的质量优 劣直接影响液压系统的工作性能 故此 合理的选用液压油也是很重要的 一 液压传动工作介质的性质 1 1 密度 m V kg m3 一般矿物油的密度为 850 950kg m3 2 重度 G V N m3 一般矿物油的重度为 8400 9500N m3 因 G mg 所以 G V g 3 液体的可压缩性 当液体受压力作用二体积减小的特性称为液体的可压缩性 体积压缩系数 V pV0 体积弹性模量 K 1 4 4 流体的粘性 液体在外力作用下流动时 由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行 相对运动的内摩擦力 液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性 由于液体具有粘性 当流体发生剪切变形时 流体内就产生阻滞变形的内摩擦力 由此可见 粘性表征了流体抵 抗剪切变形的能力 处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形 因而也不存在变形的抵抗 只有当运动流体流层间发生相对运动时 流体对剪切变形的抵抗 也就是粘性才表现出来 粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动 在任何情况下它都只能延缓滑动的过程而不能 消除这种滑动 粘性的大小可用粘度来衡量 粘度是选择液压用流体的主要指标 是影响流动流体的重要物 理性质 图 2 2 液体的粘性示意图 当液体流动时 由于液体与固体壁面的附着力及流体本身的粘性使流体内各处的速度大小不 等 以流体沿如图 2 2 所示的平行平板间的流动情况为例 设上平板以速度 u0 向右运动 下平板固定不动 紧贴于上平板上的流体粘附于上平板上 其速度与上平板相同 紧贴于下 平板上的流体粘附于下平板图 2 2 液体的粘性示意图上 其速度为零 中间流体的速度按线 性分布 我们把这种流动看成是许多无限薄的流体层在运动 当运动较快的流体层在运动较 慢的流体层上滑过时 两层间由于粘性就产生内摩擦力的作用 根据实际测定的数据所知 流体层间的内摩擦力 F 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 即 F Adu dz 以 F A 表示切应力 则有 du dz 2 6 式中 为衡量流体粘性的比例系数 称为绝对粘度或动力粘度 du dz 表示流体层间速度 差异的程度 称为速度梯度 上式是液体内摩擦定律的数学表达式 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 除高粘性或含有大量特种添加剂的液体外 一般 的液压用流体均可看作是牛顿流体 流体的粘度通常有三种不同的测试单位 1 绝对粘度 绝对粘度又称动力粘度 它直接 表示流体的粘性即内摩擦力的大小 动力粘度 在物理意义上讲 是当速度梯度 du dz 1 时 单位面积上的内摩擦力的大小 即 2 7 动力粘度的国际 SI 计量单位为牛顿 秒 米 2 符号为 N s m2 或为帕 秒 符号为 Pa s 2 运动粘度 运动粘度是绝对粘度 与密度 的比值 2 8 式中 为液体的动力粘度 m2 s 为液体的密度 kg m3 运动粘度的 SI 单位为米 2 秒 m2 s 还可用 CGS 制单位 斯 托克斯 St 斯的单位太大 应用不便 常用 1 斯 即 1 厘斯来表示 符号为 cSt 故 1cSt 10 2St 10 6m2 s 运动粘度 没有什么明确的物理意义 它不能像 一样直接表示流体的粘性大小 但对 值相近的流体 例如各种矿物油系液压油之间 还是可用来大致比较它们的粘性 由于 在理论分析和计算中常常碰到绝对粘度与密度的比值 为方便起见才采用运动粘度这个单位 来代替 它之所以被称为运动粘度 是因为在它的量纲中只有运动学的要素长度和时 间因次的缘故 机械油的牌号上所标明的号数就是表明以厘斯为单位的 在温度 50 时运 动粘度 的平均值 例如 10 号机械油指明该油在 50 时其运动粘度 的平均值是 10cSt 蒸馏水在 20 2 时的运动粘度 恰好等于 1cSt 所以从机械油的牌号即可知道该 油的运动粘度 例如 20 号油说明该油的运动粘度约为水的运动粘度的 20 倍 30 号油的运 动粘度约为水的运动粘度的 30 倍 如此类推 动力粘度和运动粘度是理论分析和推导中经 常使用的粘度单位 它们都难以直接测量 因此 工程上采用另一种可用仪器直接测量的粘 度单位 即相对粘度 3 相对粘度 相对粘度是以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体的粘性的 相对粘度 又称条件粘度 各国采用的相对粘度单位有所不同 有的用赛氏粘度 有的用雷氏粘度 我 国采用恩氏粘度 恩氏粘度的测定方法如下 测定 200cm3 某一温度的被测液体在自重作用 下流过直径 2 8mm 小孔所需的时间 tA 然后测出同体积的蒸馏水在 20 时流过同一孔所 需时间 tB tB 50 52s tA 与 tB 的比值即为流体的恩氏粘度值 恩氏粘度用符号 E 表示 被测液体温度 t 时的恩氏粘度用符号 Et 表示 Et tA tB 2 9 工业上一般以 20 50 和 100 作为测定恩氏粘度的标准温度 并相应地以符号 E20 E50 和 E100 来表示 知道恩氏粘度以后 利用下列的经验公式 将恩氏粘度换算成运动粘度 7 31 E 6 31 E 10 6 2 10 为了使液体介质得到所需要的粘度 可以采用两种不同粘度的液体按一定比例混合 混合后 的粘度可按下列经验公式计算 E a E1 b E2 c E1 E2 100 2 11 式中 E 为混合液体的恩氏粘度 E1 E2 分别为用于混合的两种油液的恩氏粘度 E1 E2 a b 分别为用于混合的两种液体 E1 E2 各占的百分数 a b 100 c 为与 a b 有关的实验系数 见表 2 1 表 2 1 系数 c 的值 a 102030405060708090 b 9080706050403020 10 c6 7 13 117 922 125 527 928 22517 4 压力对粘度的影响 在一般情况下 压力对粘度的影响比较小 在工程中当压力低于 5MPa 时 粘度值的变化很小 可以不考虑 当液体所受的压力加大时 分子之间的距离缩 小 内聚力增大 其粘度也随之增大 因此 在压力很高以及压力变化很大的情况下 粘度 值的变化就不能忽视 在工程实际应用中 当液体压力在低于 50MPa 的情况下 可用下式计 算其粘度 p 0 1 p 2 12 式中 p 为压力在 p Pa 时的运动粘度 0 为绝对压力为 1 个大气压时的运动粘度 p 为 压力 Pa 为决定于油的粘度及油温的系数 一般取 0 002 0 004 10 5 1 Pa 5 温度对粘度的影响 液压油粘度对温度的变化是十分敏感的 当温度升高时 其分子之 间的内聚力减小 粘度就随之降低 不同种类的液压油 它的粘度随温度变化的规律也不同 我国常用粘温图表示油液粘度随温度变化的关系 对于一般常用的液压油 当运动粘度不超 过 76mm2 s 温度在 30 150 范围内时 可用下述近似公式计算其温度为 t 的运动粘 度 t 50 50 t n 2 13 式中 t 为温度在 t 时油的运动粘度 50 为温度为 50 时油的运动粘度 n 为粘温指 数 粘温指数 n 随油的粘度而变化 其值可参考表 2 2 表 2 2 粘温指数 50 mm2 s 12 5 6 5 9 5 12213038455260 n1 391 591 721 791 992 132 242 322 422 49 二 对液压传动工作介质的要求 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 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 11 5 10 6 35 3 10 6m2 s 2 5 E50 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 相容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气内燃 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 三 工作介质的分类及选用 1 分类 普通液压油 专用液压油 1 石油基液压油 抗磨液压油 高粘度指数液压油 石油基液压油是以石油地精炼物未基础 加入抗氧化或抗磨剂等混合而成的液压油 不同性 能 不同品种 不同精度则加入不同的添加剂 合成液压油 磷酸酯液压油 2 难燃液压油 水 乙二醇液压油 含水液压油 油包税乳化液 乳化液 水包油乳化油 1 石油基液压油 这种液压油是以石油的精炼物为基础 加入各种为改进性 能的添加剂而成 添加剂有抗氧添加剂 油性添加剂 抗磨添加剂等 不同工作条件要求具 有不同性能的液压油 不同品种的液压油是由于精制程度不同和加入不同的添加剂而成 2 成添加剂 磷酸脂液压油是难燃液压油之一 它的使用范围宽 可达 54 135 抗燃性 好 氧化安定性和润滑性都很好 缺点是与多种密封材料的相容性很差 有一定的毒性 3 乙二醇液压油 这种液体由水 乙二醇和添加剂组成 而蒸馏水占 35 55 因而抗 燃性好 这种液体的凝固点低 达 50 粘度指数高 130 170 为牛顿流体 缺点是能 使油漆涂料变软 但对一般密封材料无影响 4 乳化液 乳化液属抗燃液压油 它由水 基础油和各种添加剂组成 分水包油乳化液和油 包水乳化液 前者含水量达 90 95 后者含水量大 40 2 选用 正确而合理地选用液压油 乃是保证液压设备高效率正常运转的前提 选用液压油时 可根据液压元件生产厂样本和说明书所推荐的品种号数来选用液压油 或者 根据液压系统的工作压力 工作温度 液压元件种类及经济性等因素全面考虑 一般是先确 定适用的粘度范围 再选择合适的液压油品种 同时还要考虑液压系统工作条件的特殊要求 如在寒冷地区工作的系统则要求油的粘度指数高 低温流动性好 凝固点低 伺服系统则要 求油质纯 压缩性小 高压系统则要求油液抗磨性好 在选用液压油时 粘度是一个重要的 参数 粘度的高低将影响运动部件的润滑 缝隙的泄漏以及流动时的压力损失 系统的发热 温升等 所以 在环境温度较高 工作压力高或运动速度较低时 为减少泄漏 应选用粘度 较高的液压油 否则相反 液压油的牌号 即数字 表示在 40 下油液运动粘度的平均值 单位为 cSt 原名内为过去的 牌号 其中的数字表示在 50 时油液运动粘度的平均值 但是总的来说 应尽量选用较好的液压油 虽然初始成本要高些 但由于优质油使用寿命长 对元件损害小 所以从整个使用周期看 其经济性要比选用劣质油好些 表 2 3 常见液压油系列品种 种类牌号原 名用途 油名代号 普通液压油N32 号液压油 N68G 号液压油YA N32 YA N6820 号精密机床液压油 40 号液压 导轨油用于环境温度 0 45 工作的各类液压泵的中 低压液压系统 抗磨液压油N32 号抗磨液压油 N150 号抗磨液压油 N168K 号抗磨液压油 YA N32 YA N150 YA N168 K20 抗磨液压油 80 抗磨液压油 40 抗磨液压油用于环境温度 10 40 工作的高压柱塞泵或其他泵的中 高压系统 低温液压油N15 号低温液压油 N46D 号低温液压油YA N15 YA N46 D 低凝液压油 工程液压油用于环境温度 20 至高于 40 工作的各类高压油泵系统 高粘度指数液压油N32H 号高粘度指数液压油 YD N32 D 用于温度变化不大且对 粘温性能要求更高的液压系统 四 液压油的污染与防护 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 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 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 3 防止污染的措施 造成液压油污染的原因多而复杂 液压油自身又在不断地产生脏物 因此要彻底解决液压油 的污染问题是很困难的 为了延长液压元件的寿命 保证液压系统可靠地工作 将液压油的 污染度控制在某一限度以内是较为切实可行的办法 对液压油的污染控制工作主要是从两个 方面着手 一是防止污染物侵入液压系统 二是把已经侵入的污染物从系统中清楚出去 污 染控制要贯穿于整个液压装置的设计 制造 安装 使用 维护和修理等各个阶段 为防止油液污染 在实际工作中应采取如下措施 1 1 使液压油在使用前保持清洁 液压油在运输和保管过程中都会受到外界污染 新买 来的液压油看上去很清洁 其实很 脏 必须将其静放数天后经过滤加入液压系统中使用 2 使液压系统在装配后 运转前保持清洁 液压元件在加工和装配过程中必须清洗干净 液压系统在装配后 运转前应彻底进行清洗 最好用系统工作中使用的油液清洗 清洗时油 箱除通气孔 加防尘罩 外必须全部密封 密封件不可有飞边 毛刺 3 使液压油在工作中保持清洁 液压油在工作过程中会受到环境污染 因此应尽量防止工 作中空气和水分的侵入 为完全消除水 气和污染物的侵入 采用密封油箱 通气孔上加空 气滤清器 防止尘土 磨料和冷却液侵入 经常检查并定期更换密封件和蓄能器中的胶囊 4 采用合适的滤油器 这是控制液压油污染的重要手段 应根据设备的要求 在液压系统 中选用不同的过滤方式 不同的精度和不同的结构的滤油器 并要定期检查和清洗滤油器和 油箱 5 定期更换液压油 更换新油前 油箱必须先清洗一次 系统较脏时 可用煤油清洗 排 尽后注入新油 6 控制液压油的工作温度 液压油的工作温度过高对液压装置不利 液压油本身也会加速 化变质 产生各种生成物 缩短它的使用期限 一般液压系统的工作温度最好控制在 65 以下 机床液压系统则应控制在 55 以下 第二节液体静力学 液压传动是以液体作为工作介质进行能量传递的 因此要研究液体处于相对平衡状态下的力 学规律及其实际应用 所谓相对平衡是指液体内部各质点间没有相对运动 至于液体本身完 全可以和容器一起如同刚体一样做各种运动 因此 液体在相对平衡状态下不呈现粘性 不 存在切应力 只有法向的压应力 即静压力 本节主要讨论液体的平衡规律和压强分布规律 以及液体对物体壁面的作用力 一 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 对于液体 整体来说 其他物体作用在液体上的力属于外力 而液体间作用力属于内力 由于理想液体 质点间的内聚力很小 液体不能抵抗拉力或切向力 即使是微小的拉力或切向力都会使液体 发生流动 因为静止液体不存在质点间的相对运动 也就不存在拉力或切向力 所以静止液 体只能承受压力 所谓静压力是指静止液体单位面积上所受的法向力 用 p 表示 液体内某质点处的法向力 F 对其微小面积 A 的极限称为压力 p 即 p lim F A 2 14 A 0 若法向力均匀地作用在面积 A 上 则压力表示为 p F A 2 15 式中 A 为液体有效作用面积 F 为液体有效作用面积 A 上所受的法向力 静压力具有下述两个重要特征 1 液体静压力垂直于作用面 其方向与该面的内法线方向一致 2 静止液体中 任何一点所受到的各方向的静压力都相等 二 液体静力学方程 图 2 3 静压力的分布规律 静止液体内部受力情况可用图 2 3 来说明 设容器中装满液体 在任意一点 A 处取一微小面 积 dA 该点距液面深度为 h 距坐标原点高度为 Z 容器液平面距坐标原点为 Z0 为了求得 任意一点 A 的压力 可取 dA h 这个液柱为分离体 见图 b 根据静压力的特性 作用于 这个液柱上的力在各方向都呈平衡 现求各作用力在 方向的平衡方程 微小液柱顶面上的 作用力为 p0dA 方向向下 液柱本身的重力 hdA 方向向下 液柱底面对液柱的作用 力为 pdA 方向向上 则平衡方程为 pdA p0dA hdA 故 p p0 h 2 16 为了更清晰地说明静压力的分布规律 将 2 16 式按坐标 变换一下 即以 h Z0 Z 代入上式整理后得 p Z p0 Z0 常量 2 17 上式是液体静力学基本方程的另一种形式 其中 Z 实质上表示 A 点的单位质量液体的位能 设 A 点液体质点的质量为 m 重力为 mg 如果质点从 A 点下降到基准水平面 它的重力所做 的功为 mgz 因此 A 处的液体质点具有位置势能 mgz 单位质量液体的位能就是 mgz mg Z Z 又常称作位置水头 而 p g 表示 A 点单位质量液体的压力能 常称为压力 水头 由以上分析及式 2 1 可知 静止液体中任一点都有单位质量液体的位能和压力能 即具有两部分能量 而且各点的总能量之和为一常量 分析式 2 16 可知 1 静止液体中任一点的压力均由两部分组成 即液面上的表面压力 p0 和液体自重而引起的 对该点的压力 h 2 静止液体内的压力随液体距液面的深度变化呈线性规律分布 且在同一深度上各点的压 力相等 压力相等的所有点组成的面为等压面 很显然 在重力作用下静止液体的等压面为 一个平面 3 可通过下述三种方式使液面产生压力 p0 通过固体壁面 如活塞 使液面产生压力 通过气体使液面产生压力 通过不同质的液体使液面产生压力 三 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 因为在地球表面上 一切物体都受大气压力的作用 而且是自成平衡的 即大 多数测压仪表在大气压下并不动作 这时它所表示的压力值为零 因此 它们测出的压力是 高于大气压力的那部分压力 也就是说 它是相对于大气压 即以大气压为基准零值时 所测 量到的一种压力 因此称它为相对压力或表压力 另一种是以绝对真空为基准零值时所测得 的压力 我们称它为绝对压力 当绝对压力低于大气压时 习惯上称为出现真空 因此 某 点的绝对压力比大气压小的那部分数值叫作该点的真空度 如某点的绝对压力为 4 052 104Pa 0 4 大气压 则该点的真空度为 0 6078 104Pa 0 6 大气压 绝对压力 相对压力 表压力 和真空度的关系如图 2 4 所示 图 2 4 绝对压力与表压力的关系 图 2 5 真空 由图 2 4 可知 绝对压力总是正值 表压力则可正可负 负的表压力就是真空度 如真空度 为 4 052 104Pa 0 4 大气压 其表压力为 4 052 104Pa 0 4 大气压 我们把下端开口 上端具有阀门的玻璃管插入密度为 的液体中 如图 2 5 所示 如果在上端抽出一部分封 入的空气 使管内压力低于大气压力 则在外界的大气压力 p a 的作用下 管内液体将上 升至 h0 这时管内液面压力为 p0 由流体静力学基本公式可知 pa p0 gh0 显然 gh0 就是管内液面压力 p0 不足大气压力的部分 因此它就是管内液面上的真空度 由此 可见 真空度的大小往往可以用液柱高度 h0 pa p0 g 来表示 在理论上 当 p0 等于 零时 即管中呈绝对真空时 h0 达到最大值 设为 h0max r 在标准大气压下 h0max r patm g 10 1325 9 8066 1 033 水的密度 10 3kg cm3 汞的密度为 13 6 10 3kg cm3 所以 h0max r 1 033 10 3 1033cmH2O 10 33mH2O 或 h0max r 1 03313 6 10 3 76cmHg 760mmHg 即理论上在标准大气压下的最大真空度可达 10 33 米水柱或 760 毫米汞柱 根据上述归纳如 下 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 四 帕斯卡原理 密封容器内的静止液体 当边界上的压力 p0 发生变化时 例如增加 p 则容器内任意一 点的压力将增加同一数值 p0 也就是说 在密封容器内施加于静止液体任一点的压力将以 等值传到液体各点 这就是帕斯卡原理或静压传递原理 在液压传动系统中 通常是外力产生的压力要比液体自重 h 所产生的压力大得多 因此 可把式 2 16 中的 h 项略去 而认为静止液体内部各点的压力处处相等 图 2 6 静压传递原理应用实例 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 图 2 6 所示是应用帕斯卡原理推导压力与负载关系的实例 图中垂直液压缸 负载缸 的截面积为 A1 水平液压缸截面积为 A2 两个活塞上的外作用力分别为 F1 F2 则缸内压力分别为 p1 F1 A1 p2 F2 A2 由于两缸充满液体且互相连接 根据帕斯卡原 理有 p1 p2 因此有 F1 F2A1 A2 2 18 上式表明 只要 A1 A2 足够大 用很小的力 F1 就可产生很大的力 F2 液压千斤顶和水压机 就是按此原理制成的 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 五 液压静压力对固体壁面的作用力 在液压传动中 略去液体自重产生的压力 液体中各点的静压力是均匀分布的 且垂直作用 于受压表面 因此 当承受压力的表面为平面时 液体对该平面的总作用力 F 为液体的压力 p 与受压面积 A 的乘积 其方向与该平面相垂直 如压力油作用在直径为 D 的柱塞上 则有 F pA p D2 4 当承受压力的表面为曲面时 由于压力总是垂直于承受压力的表面 所以作用在曲面上各点 的力不平行但相等 要计算曲面上的总作用力 必须明确要计算哪个方向上的力 图 2 7 所示为液压缸筒受力分析图 设缸筒半径为 r 长度为 l 求液压力作用在右壁部 x 方向的力 Fx 在缸筒上取一微小窄条 其面积为 dA lds lrd 压力油作用在这微小面积 上的力 dF 在 x 方向的投影为 dFx dFcos pdAcos plrcos d 在液压缸筒右半壁上 x 方向的总作用力为 Fx plrcos d 2lrp 2 19 式中 2lr 为曲面在 x 方向的投影面积 由此可得出结论 作用在曲面上的液压力在某一方 向上的分力等于静压力与曲面在该方向投影面积的乘积 这一结论 图 2 7 液体对固体壁面的作用力 对任意曲面都适用 图 2 8 为球面和锥面所受液压力分析图 要计算出球面和锥面在垂直方 向受力 F 只要先计算出曲面在垂直方向的投影面积 A 然后再与压力 p 相乘 即 F pA p d2 4 2 20 式中 d 为承压部分曲面投影圆的直径 图 2 8 液压力作用在曲面上的力 第三节 液体动力学 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 对液压流体力学我们只关心和研 究平均作用力和运动之间的关系 本节主要讨论三个基本方程式 即液流的连续性方程 柏 努力方程和动量方程 它们是刚体力学中的质量守恒 质量守恒及动量守恒原理在流体力学 中的具体应用 前两个方程描述了压力 流速与流量之间的关系 以及液体能量相互间的变 换关系 后者描述了流动液体与固体壁面之间作用里的情况 液体是有粘性的 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 还要考虑粘性摩擦力 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粘性的液体 同时 一般都视为在等温的条件 下把粘度 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 3 1 基本概念 1 理想液体与定常流动 液体具有粘性 并在流动时表现出来 因此研究流动液体时就要 考虑其粘性 而液体的粘性阻力是一个很复杂的问题 这就使我们对流动液体的研究变得复 杂 因此 我们引入理想液体的概念 理想液体就是指没有粘性 不可压缩的液体 首先对 理想液体进行研究 然后再通过实验验证的方法对所得的结论进行补充和修正 这样 不仅 使问题简单化 而且得到的结论在实际应用中扔具有足够的精确性 我们把既具有粘性又可 压缩的液体称为实际液体 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 g 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 如果空间上的运动参数 p v 及 在不同的时间内都有确定的值 即它们只随空间点坐标的变 化而变化 不随时间 t 变化 对液体的这种运动称为定常流动或恒定流动 但只要有一个运 动参数随时间而变化 则就是非定常流动或非恒定流动 如果空间点上的运动参数 p 及 在不同的时间内都有确定的值 即它们只随空间点坐 标的变化而变化 不随时间 t 变化 对液体的这种运动称为定常流动或恒定流动 定常流动 时 在流体的运动参数中 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 图 2 9 恒定出流与非恒定出流 a 恒定出流 b 非恒定出流 在图 2 9 a 中 我们对容器出流的流量给予补偿 使其液面高度不变 这样 容器中各点 的液体运动参数 p 都不随时间而变 这就是定常流动 在图 2 9 b 中 我们不对 容器的出流给予流量补偿 则容器中各点的液体运动参数将随时间而改变 例如随着时间的 消逝 液面高度逐渐减低 因此 这种流动为非定常流动 2 迹线 流线 流束和通流截面 迹线 迹线是流场中液体质点在一段时间内运动的轨迹线 流线 流线是流场中液体质点在某一瞬间运动状态的一条空间曲线 在该线上各点的液体 质点的速度方向与曲线在该点的切线方向重合 在非定常流动时 因为各质点的速度可能随 时间改变 所以流线形状也随时间改变 在定常流动时 因流线形状不随时间而改变 所以 流线与迹线重合 由于液体中每一点只能有一个速度 所以流线之间不能相交也不能折转 图 2 10 流线和流束 a 流线 b 流束 流管 某一瞬时 t 在流场中画一封闭曲线 经过曲线的每一点作流线 由这些流线组成 的表面称流管 流束 充满在流管内的流线的总体 称为流束 通流截面 垂直于流束的截面称为通流截面 3 流量和平均流速 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 对微小流束 通过 dA 上的流量为 dq 其表达式为 dq udA 2 21 q 当已知通流截面上的流速 u 的变化规律时 可以由上式求出实际流量 平均流速 在实际液体流动中 由于粘性摩擦力的作用 通流截面上流速 u 的分布规律 难以确定 因此引入平均流速的概念 即认为通流截面上各点的流速均为平均流速 用 v 来 表示 则通过通流截面的流量就等于平均流速乘以通流截面积 令此流量与上述实际流量相 等 得 q vA 2 22 则平均流速为 v q A 2 23 4 流动状态 雷诺数 实际液体具有粘性 是产生流动阻力的根本原因 然而流动状态不同 则阻力大小也是不同 的 所以先研究两种不同的流动状态 流动状态 层流和紊流 液体在管道中流动时存在两种不同状态 它们的阻力性质也不相同 虽然这是在管道液流中 发生的现象 却对气流和潜体也同样适用 试验装置如图 2 20 所示 试验时保持水箱中水位恒定和可能平静 然后将阀门 A 微微开启 使少量水流流经玻璃管 即玻璃管内平均流速 V 很小 这时 如将颜色水容器的阀门 B 也微 微开启 使颜色水也流入玻璃管内 我们可以在玻璃管内看到一条细直而鲜明的颜色流束 而且不论颜色水放在玻璃管内的任何位置 它都能呈直线状 这说明管中水流都是安定地沿 轴向运动 液体质点没有垂直于主流方向的横向运动 所以颜色水和周围的液体没有混杂 如果把 A 阀缓慢开大 管中流量和它的平均流速 V 也将逐渐增大 直至平均流速增加至某一 数值 颜色流束开始弯曲颤动 这说明玻璃管内液体质点不再保持安定 开始发生脉动 不 仅具有横向的脉动速度 而且也具有纵向脉动速度 如果 A 阀继续开大 脉动加剧 颜色水 就完全与周围液体混杂而不再维持流束状态 图 2 20 雷诺试验 层流 在液体运动时 如果质点没有横向脉动 不引起液体质点混杂 而是层次分明 能 够维持安定的流束状态 这种流动称为层流 紊流 如果液体流动时质点具有脉动速度 引起流层间质点相互错杂交换 这种流动称为 紊流或湍流 雷诺数 液体流动时究竟是层流还是紊流 须用雷诺数来判别 实验证明 液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速 v 有关 还和管径 d 液体的 运动粘度 有关 但是 真正决定液流状态的 却是这三个参数所组成的一个称为雷诺数 Re 的无量纲纯数 Re vd 2 24 由式 2 41 可知 液流的雷诺数如相同 它的流动状态也相同 当液流的雷诺数 Re 小 于临界雷诺数时 液流为层流 反之 液流大多为紊流 常见的液流管道的临界雷诺数由实 验求得 示于表 2 4 中 表 2 4 常见液流管道的临界雷诺数 管道的材料与形状Recr管道的材料与形状Recr 光滑的金属圆管2000 2320带槽装的同心环状缝隙700 橡胶软管1600 2000带槽装的偏心环状缝隙400 光滑的同心环状缝隙1100圆柱形滑阀阀口260 光滑的偏心环状缝隙1000锥状阀口20 100 对于非阀截面的管道来说 Re 可用下式计算 2 25 式中 Re 为流截面的水力半径 它等于也流的有效截面积 A 和它的湿周 有效截面的周界 长度 x 之比 即 2 26 直径为 D 的圆柱截面管道的水力半径为 R A x d 4 将此式代入 2 25 可得式 2 24 又如正方形的管道 边长为 b 则湿周为 4b 因而水力半径为 R b 4 水力半径的大 小 对管道的通流能力影响很大 水力半径大 表明流体与管壁的接触少 同流能力强 水 力半径小 表明流体与管壁的接触多 同流能力差 容易堵塞 3 2 连续性方程 质量守恒是自然界的客观规律 不可压缩液体的流动过程也遵守能量守恒定律 在流体力 学中这个规律用称为连续性方程的数学形式来表达的 其中不可压缩流体作定常流动的连续性方程为 图 2 11 液体的微小流束连续 性流动示意图 v1A1 v2A2 2 27 由于通流截面是任意取的 则有 q v1A1 v2A2 v3A3 vnAn 常数 2 28 式中 v1 v2 分别是流管通流截面 A1 及 A2 上的平均流速 式 2 26 表明通过流管内任 一通流截面上的流量相等 当流量一定时 任一通流截面上的通流面积与流速成反比 则有 任一通流断面上的平均流速为 vi q Ai 3 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 伯努利方程是一个能量方程 掌握这一物理意义是十分重要的 1 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 P1 g Z1 u12 2g P2 g Z2 u22 2g 2 29 式中 p r 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 图 2 12 液流能量方程关系转换图 对伯努利方程可作如下的理解 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 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定常活动的情况 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 2 实际液体微小流束的伯努利方程 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 所以 实际液体微小流束的伯努力方程为 2 30 3 实际液体总流的伯努利方程 2 31 伯努利方程的适用条件为 稳定流动的不可压缩液体 即密度为常数 液体所受质量力只有重力 忽略惯性力的影响 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 3 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 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 再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 流动液体的动量方程为 F 2 32 它是一个矢量表达式 液体对固体壁面的作用力 F 与液体所受外力 F 大小相等方向相反 图 2 15 动量变化 第四节 定常管流压力损失的计算 实际粘性液体在流动时存在阻力 为了克服阻力就要消耗一部分能量 这样就有能量损失 在液压传动中 能量损失主要表现为压力损失 这就是实际液体流动的伯努利方程式中的 hw 项的含义 液压系统中的压力损失分为两类 一类是油液沿等直径直管流动时所产生的 压力损失 称之为沿程压力损失 这类压力损失是由液体流动时的内 外摩擦力所引起的 另一类是油液流经局部障碍 如弯头 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称之为局部压力损失 压力损失过大也就是液压系统中功率损耗的增加 这将导致油液发热加剧 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 为了正确计算液压系统中的阻力 为了找出减少 流动阻力的途径 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 一 液体在直管中流动时的压力损失 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 1 层流时的压力损失 在液压传动中 液体的流动状态多数是层流流动 在这种状态下液体流经直管的压力损失可 以通过理论计算求得 图 2 21 圆管中的层流 1 液体在流通截面上的速度分布规律 如图 2 21 a 所示 液体在直径 d 的圆管中作层 流运动 圆管水平放置 在管内取一段与管轴线重合的小圆柱体 设其半径为 r 长度为 l 在这一小圆柱体上沿管轴方向的作用力有 左端压力 p1 右端压力 p2 圆柱面上的摩擦 力为 Ff 则其受力平衡方程式为 2 44 由式 2 6 可知 2 45 式中 为动力粘度 因为速度增量 du 与半径增量 dr 符号相反 则在式中加一负号 另外 p p1 p2 把 p 式 2 45 代入式 2 44 则得 2 46 对式 2 46 积分得 2 47 当 r R 时 u 0 代入 2 47 式得 则 2 48 由式 2 48 可知管内流速 u 沿半径方向按抛物线规律分布 最大流速在轴线上 其值为 2 49 2 1 管路中的流量 图 2 21 b 所示抛物体体积 是液体单位时间内流过通流截面的 体积即流量 为计算其体积 可在半径为 r 处取一层厚度为 d r 的微小圆环面积 通过 此环形面积的流量为 2 50 对式 2 50 积分 即可得流量 q 2 51 3 2 平均流速 设管内平均流速为 2 52 把式 2 52 与式 2 49 对比可得平均流速与最大流速的关系 2 53 4 沿程压力损失 层流状态时 液体流经直管的沿程压力损失可从式 2 52 求得 2 54 由式 2 54 可看出 层流状态时 液体流经直管的压力损失与动力粘度 管长 流速成正比 与管径平方成反比 在实际计算压力损失时 为了简化计算 由式 2 8 和式 2 41 得 d Re 并把 d Re 代入式 2 54 且分子分母同乘以 2g 得 2 55 式中 为沿程阻力系数 它的理论值为 64 Re 而实际由于各种因素的影响 对光滑 金属管取 75 Re 对橡胶管取 80 Re 2 紊流时的压力损失层流流动中各质点有沿轴向的规则运动 而无横向运动 紊流的重要特 性之一是液体各质点不再是有规则的轴向运动 而是在运动过程中互相渗混和脉动 这种极 不规则的运动 引起质点间的碰撞 并形成旋涡 使紊流能量损失比层流大得多 由于紊流流动现象的复杂性 完全用理论方法加以研究至今 尚未获得令人满意的成果 故 仍用实验的方法加以研究 再辅以理论解释 因而紊流状态下液体流动的压力损失仍用式 2 55 来计算 式中的 值不仅与雷诺数 Re 有关 而且与管壁表面粗糙度 有关 具体的 值见表 2 5 表 2 5 圆管紊流时的 值 2 局部压力损失 局部压力损失是液体流经阀口 弯管 通流截面变化等所引起的压力损失 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 如图 2 22 使液体的质点间相互撞击 从而产生较大的能量损耗 图 2 22 突然扩大处的局部损失 局部压力损失的计算式可以表达成如下算式 2 2 2 56 式中 为局部阻力系数 其值仅在液流流经突然扩大的截面时可以用理论推导方法求得 其他情况均须通过实验来确定 为液体的平均流速 一般情况下指局部阻力下游处的流速 3 管路系统中的总压力损失与效率 管路系统的总压力损失等于所有沿程压力损失和所有局部压力损失之和 即 2 58 第五节 小孔及间隙流动 在液压传动系统中常遇到油液流经小孔或间隙的情况 例如节流调速中的节流小孔 液压元 件相对运动表面间的各种间隙 研究液体流经这些小孔和间隙的流量压力特性 对于研究节 流调速性能 计算泄漏都是很重要的 一 小孔流动 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 d 0 5 时 称为薄 壁小孔 0 5 l d 4 时 称为短孔 l d 4 时 称为细长孔 图 2 23 液体在薄壁小孔中的流动 1 1 液流流经薄壁小孔的流量 液体流经薄壁小孔的情况如图 2 23 所示 液流在小孔上游大约 d 2 处开始加速并从四周流 向小孔 由于流线不能突然转折到与管轴线平行 在液体惯性的作用下 外层流线逐渐向管 轴方向收缩 逐渐过渡到与管轴线方向平行 从而形成收缩截面 Ac 对于圆孔 约在小孔 下游 d 2 处完成收缩 通常把最小收缩面积 Ac 与孔口截面积之比值称为收缩系数 Cc 即 Cc Ac A 其中 A 为小孔的通流截面积 液流收缩的程度取决于 Re 孔口及边缘形状 孔口离管道内壁的距离等因素 对于圆形小 孔 当管道直径 D 与小孔直径 d 之比 D d 7 时 流速的收缩作用不受管壁的影响 称为完 全收缩 反之 管壁对收缩程度有影响时 则称为不完全收缩 对于图 2 23 所示的通过薄壁小孔的液流 取截面 1 1 和 2 2 为计算截面 设截面 1 1 处 的压力和平均速度分别为 p1 1 截面 2 2 处的压力和平均速度分别为 p2 2 由于选 轴线为参考基准 则 Z1 Z2 列伯努利方程为 由于小孔前管道的通流截面积 A1 比小孔的通流截面积 A 大得多 故 1 2 1 可忽略不 计 此外 式中的 hw 部分主要是局部压力损失 由于 2 2 通流截面取在最小收缩截面处 所以 它只有管道突然收缩而引起的压力损失 将上式代入伯努利方程中 并令 p p1 p2 求得液体流经薄壁小孔的平均速度 2 为 2 60 令 C 1 2 为小孔流速系数 由于 2 是最小收缩截面上的平均速度 设最小通 流截面的面积为 Ac 与小孔通流截面积 A 的比值为 Ac A Cc 则流经小孔的流量为 2 61 式中 流量系数 Cd CcC p 为小孔前后压差 流量系数一般由实验确定 在液流完全收缩的情况下 当 Re 105 时 Cd 可按下式计算 当 Re 105 时 Cd 可视为常数 取值为 Cd 0 60 0 62 当液流为不完全收缩时 其流量系数为 Cd 0 7 0 8 2 液流流经细长孔和短孔的流量 液体流经细长小孔时 一般都是层流状态 所以可直接应用前面已导出的直管流量公式 2 51 来计算 当孔口直径为 d 截面积为 A d2 4 时 可写成 2 62 比较式 2 61 和式 2 62 不难发现 通过孔口的流量与孔口的面积 孔口前后的压力差以及 孔口形式决定的特性系数有关 由式 2 61 可知 通过薄壁小孔的流量与油液的粘度无关 因此流量受油温变化的影响较小 但流量与孔口前后的压力差呈非线性关系