液压传动基础

1、第二章 液压流体力学基础,液压系统中完全靠液压油把能量从液压泵经管路、控制阀传递到执行元件，根据统计，许多液压设备的故障，皆起因于液压油的使用不当，故应对液压油要有充分的了解,1.5液压油,1、液压油的用途 （1） 传递运动与动力：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：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,1.5液压油,2、液压油的种类：液压油主要有下列二种 （1）矿物油系液压油（可燃性）：主要由石

2、腊基（paraffin base）的原油精制而成，再加抗氧化剂和防锈剂，为用途最多的一种；其缺点为耐火性差。 （2）耐火性液压油（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。 （3）专用液压油：航空、舰船、炮用及车辆制动用液压油,1.5液压油,3、液压油的性质 （1）密度，比重越大，泵吸入性越差。 （2）闪火点：油温升高时，部分的油会蒸发而与空气混合成油气，此油气所能点火的最低温度称为闪火点，如继续加热，则会连续燃烧，此温度称为燃烧点。 （3）粘度：流体

3、流动时，沿其边界面会产生一种阻止其运动的流体磨擦作用，这种产生内摩擦力的性质称为粘性。 （4）压缩性：有体积压缩系数或其倒数体积弹性模数K表示。 液压油还有其他一些性质，如稳定性、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性、以及相容性等,1.5液压油,式中： 剪应力（） 动力粘度（单位是Pa.s;1 Pa.s=10P,一般用P（泊dyn.s/cm2）；cP（厘泊）来表示，） 将液体动力粘度与液体密度之比称为运动粘度。 运动粘度也是绝对粘度，单位为m2/s, 1 m2/s =106 mm2/s(厘斯，cSt) 动力粘度的物理意义：当速度梯度为1时， 接触液层间单位面积上的内摩擦力。 相对粘度又称条件粘度

4、。常用的有 恩氏粘度：200ml，直径2.8mm， 同一温度下与蒸馏水的时间比较。 中国、俄罗斯及德国采用。 美国、英国采用通用赛氏秒和商用雷氏秒,1.5液压油,粘性：液压油粘性对机械效率、磨耗、压力损失、容积效率、漏油及泵的吸入性影响很大。粘性可分为动力粘度和运动粘度两种。粘度是液压油的性能指标。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400C时的平均运动粘度（mm/s2）为其标号。 油的粘性易受温度影响，温度上升，粘度降低，造成泄漏、磨损增加、效率降低等问题，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

5、以上，每超过10度，油的劣化速度就会加倍,1.5液压油,4、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 （6）成分纯净，不含腐蚀性物质，具有足够的清洁度 （7）对人体无害，对环境污染小，价格便宜,1.5液压油,5、液压油的选用 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，其选择考虑的因素如下。 （1） 液压系统的工作压力：工作压力较高的系统宜选用粘

6、度较高的液压油，以减少泄露；反之便选用粘度较低的油。例如，当压力p = 7.020.0Mpa时，宜选用N46N100的液压油；当压力p7.0Mpa时宜选用N32N68的液压油。 （2）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。 （3）液压泵的类型：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，具体可参见有关资料。 （4）工作环境温度高时选用粘度较高的液压油，减少容积损失,1.5液压油,6、液压油的污染与保养 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

7、）污染：（1）外部侵入的污物；（2）外部生成的不纯物 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

8、液压油是否更换的重要指标,1.5液压油,2. 1 液压油,2.1.1 液压油的物理性质 1、液体的密度 密度： = m/V kg/ m3 2、液体的粘性 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，这一特性称为粘性,液体粘性示意图,F=A,式中：比例常数，称为粘性系数或粘度,速度梯度,F=A,2. 1 液压油,粘度的分类： 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。 动力粘度 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,它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小。 运动粘度 运动

9、粘度是动力粘度与液体密度的比值,即：=/ 运动粘度没有什么明确的物理意义，因在理论分析和计算中常遇到/的比值，为方便起见用表示。 相对粘度 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,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。可压缩性用体积压缩系数,4、其它性质 1）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。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。 2）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

10、降低,2. 1 液压油,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,1、液体静压力：静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。静压力在液压传动中简称压力,在物理学中则称为压强。如何定义液体中某点的压力？

11、 2.液体静压力有两个重要特性: （1）液体静压力垂直于承压面,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。为什么？ （2）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,2. 2 流体静力学,3、液体静压力基本方程 pA=Po A+ ghA 式中，ghA为小液柱的重力， 液体的密度 上式化简后得：p=p0+gh,2. 2 流体静力学,3、液体静压力基本方程说明什么问题： （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gh之和。 （2

12、） 液体中的静压力随着深度h 而线性增加。 （3）在连通器里，静止液体中只要深度h 相同其压力都相等。 p=p0+gh,2. 2 流体静力学,3、应用液体静压力基本方程： 例1-1 如图1-3所示，容器内盛油液。已知油的密度=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面积A=110-3m2，假设活塞的重量忽略不计。问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少,2. 2 流体静力学,解: 活塞与液体接触面上的压力均匀分布，有 根据静压力的基本方程式（1-3），深度为h处的液体压力 =106 +9009.80.5 =1.0044106(N/m2)106(Pa) 从本例可以看出，液体在受

13、外界压力作用的情况下，液体自重所形成的那部分压力gh相对甚小，在液压系统中常可忽略不计，因而可近似认为整个液体内部的压力是相等的。以后我们在分析液压系统的压力时，一般都采用这种结论,2. 2 流体静力学,4、 绝对压力、表压力及真空度 根据度量方法的不同有所谓的表压力又称相对压力（gauge pressure）和绝对压力（absolute pressure）之分。以当地大气压力(atomosphere)为基准所表示的压力称为表压力。以绝对零压力作为基准所表示的压力称为绝对压力。 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，称为真空度。所以 真空度=大气压

14、力-绝对压力,2. 2 流体静力学,4、 绝对压力、表压力及真空度 有关表压力、绝对压力和真空度的关系见图1-4,2. 2 流体静力学,5、帕斯卡原理（Pascals Principle） 图所示建立了一个很重要的概念，即在液压传动中工作的压力取决于负载，而与流入的流体多少无关,2. 2 流体静力学,6、连续定理(Principle of Continuity) 液体在流动时，通过任一通流横截面的速度、压力和密度不随时间改变的流动称为稳流，反之速度、压力和密度其中一项随时间而变，就称为非稳流。 对稳流而言，液体以稳流流动通过管内任一截面的液体质量必然相等。如图1-6所示管内两个流通截面面积为A

15、1和A2，流速分别为V1和V2，则通过任一截面的流量Q如（16）式表示。 Q=AV=A1V1=A2V2=常量 （16） 式（16）即连续定理， 此式还得出另一个重要的基本概念， 即运动速度取决于流量， 而与流体的压力无关,2. 3 流体动力学,6、连续定理(Principle of Continuity)应用及帕斯卡原理应用：例1-2 图17所示为相互连通的两个液压缸，已知大缸内径D=100mm, 小缸内径d=20mm,大活塞上放上质量为5000kg的物体。问:1.在小活塞上所加的力F有多大才能使大活塞顶起重物？2.若小活塞下压速度为0.2m/s，试求大活塞上升速度,图17 帕斯卡原理应用实例

16、,2. 3 流体动力学,6、连续定理(Principle of Continuity)： 解：1物体的重力为G=mg=5000kg9.8m/s2=49000kgm/s2=49000N 根据帕斯卡原理，由外力产生的压力在两缸中相等，即 故为了顶起重物应在小活塞上加力为 = 49000N=1960N 2.由连续定理：Q=AV=常数得出： 故大活塞上升速度： 本例说明了液压千斤顶等液压起重机械的工作原理，体现了液压装置的力放大作用,2. 3 流体动力学,7、液体流动中的压力和流量的损失 （1）压力损失：由于液体具有粘性，在管路中流动时又不可避免地存在着摩擦力，所以液体在流动过程中必然要损耗一部分能量

17、。这部分能量损耗主要表现为压力损失。 压力损失有沿程损失和局部损失两种。沿程损失是当液体在直径不变的直管中流过一段距离时，因摩擦而产生的压力损失。局部损失是由于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。总的压力损失等于沿程损失和局部损失之和。 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,2. 4 压力损失计算,7、液体流动中的压力和流量的损失 （2）流量损失 在液压系统中,各被压元件都有相对运动的表面,如液压缸内表面和活塞外表面，因为要有相对运动,所以它们之间都有

18、一定的间隙,如果间隙的一边为高压油,另一边为低压油,则高压油就会经间隙流向低压区从而造成泄漏。同时由于液压元件密封不完善，一部分油液也会向外部泄漏。这种泄漏造成实际流量有所减少,这就是我们所说的流量损失。 流量损失影响运动速度，而泄漏又难以绝对避免，所以在液压系统中泵的额定流量要略大于系统工作时所需的最大流量。通常也可以用系统工作所需的最大流量乘以一个l.11.3的系数来估算,2. 4 压力损失计算,8、液压冲击和空穴现象 （1）液压冲击：在液压系统中,当油路突然关闭或换向时,会产生急剧的压力升高,这种现象。 造成液压冲击的主要原因是液压速度的急剧变化、高速运动工作部件的惯性力和某些液压元件反应动作不够灵敏. 产生液压冲击时,系统中的压力瞬间就要比正常压力大好几倍,特别是在压力高、流量大的情况下,极易引起系统的振动、噪音甚至导管或某些液压元件的损坏,既影响系统的工作质量又会缩短其使用寿命。还要注意的是由于压力冲击产生的高压力可能使某些液压元件（如压力继电器）产生误动作,而损坏设备。 避免液压冲击的主要办法是避免液流速度的急剧变化。延缓速度变化的时间能有效地防止液压冲击,如将液动换向阀和电磁换向阀联用可减少液压冲击,因为液动换向阀能把换向时间控制得慢一些,2. 5 液压冲击及空穴现象,8、液压冲击和空穴现象 （2）空穴现象：