第2章液压传动基础知识课件

Chapter2BasisofHydraulicTransmission第2章液压传动基础知识本单元学习内容2.5流体的压力损失2.3液体静力学基础2.4流体动力学基础2.2液压油2.1液体的物理性质2.6流体流过小孔和缝隙的流量2.7液压冲击和气穴现象2.1液体的物理性质PhysicalPropertiesofLiquid液压传动的工作介质一般是液体油液——液压油，它在工作中不仅起着传递动力的作用，同时它还起到润滑、冷却和防锈作用。液压系统能否可靠、有效地进行工作，在很大程度上取决于系统中所用的液压油液的物理性质。2.1.1密度与重度对于匀质液体，其密度是指其单位体积内所含的液体质量：■密度式中

——液体的密度（kg/m3）；

——液体的体积（m3）；

——体积V中的液体质量（kg）。常用液压油的密度（kg/m3）■重度液压油的密度随温度的升高而略有减小，随工作压力的升高而略有增加，通常对这种变化可忽略不计。重度是指其单位体积内所含液体的重量：式中

——液体的重度（N/m3）；

——体积V中的液体重量（N）。2.1.2可压缩性

●体积压缩系数k液体受压力作用时使其体积减小的性质。■液体的可压缩性■液体的可压缩性的表示

●体积弹性模量K说明：上述两式中负号的引入是因为液体受压时体积减小的原因。各类液压油的体积弹性模量（20℃，大气压）●液压油液的体积压缩系数和体积模量与温度、压力有关。当温度升高时，K

值减小，在液压油液正常的工作范围内，K

值会有5%～25%的变化；压力增大时，K

值增大。注意：●纯液体的压缩系数很小，即弹性模量很大。当液体中混入未溶解的气体后，K值将会有明显的降低。●当压力、温度变化不大时，液体的体积变化很小，因此在研究一般液压系统时，通常将液体看成是不可压缩的。2.1.3液体的黏性■液体黏性的概念液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，由于分子间内聚力的存在，而使其流动受到牵制，从而液体内部产生摩擦力或切应力，这种性质称为黏性。不同速度的液层之间相对滑动必然在层与层之间产生内部摩擦力。这种摩擦力作为液体内力，总是成对出现，且大小相等、方向相反地作用在相邻两液层上。

液体黏性的实质是液体液层之间的内摩擦力。■牛顿液体内摩擦定律流动液体相邻液层之间的内摩擦力式中

——比例常数，称为黏度系数或动力黏度；

——各液层间的接触面积；

——速度梯度，即在速度垂直方向上的速度变化率。注：对于静止液体，由于其du/dy=0，因此不呈现黏性。液体只有流动时才呈现黏性。■黏性大小的度量指标——黏度黏度相对黏度（条件黏度）动力黏度（绝对黏度）运动黏度恩氏黏度赛氏黏度雷氏黏度●动力黏度动力黏度即牛顿液体内摩擦定律中的动力黏度的物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，相接触的液层之间所产生的内摩擦力。在国际单位制中，动力黏度的单位是Pa·s

或N·s/m21Pa·s=1

N·s/m2●运动黏度液体的动力黏度和它的密度的比值称为运动黏度，即在国际单位制中，运动黏度的单位是m2/sSt（斯，cm2/s）cSt（厘斯，mm2/s）1m2/s=104St=106cSt◆

运动黏度没有明确的物理意义，之所以被称为运动黏度，是因为它的单位中只有运动学的量纲。◆

液压油（机械油）的牌号指的是油在40℃时运动黏度的中间值所对应的厘斯数。例如32号液压油：28.8cSt~35.2cSt●恩氏黏度恩氏黏度用恩氏黏度计来测定，其方法是将200mL、温度为t℃的被测液体装入黏度计的容器内，由其底部孔径为2.8mm的小孔流出，测出液体流完所需时间

t

1

，再测出相同体积、温度为20℃的蒸馏水在同一容器中流完所需的时间

t

2

，这两个时间之比即为被测液体在t℃下的恩氏黏度，即一般以20℃、40℃、50℃、100℃作为测定液体黏度的标准温度（t℃），对应的恩氏黏度分别用以下表示：注：液压传动系统中一般以40℃作为测定液压油恩氏黏度的标准温度。国际标准化组织（ISO）规定统一采用运动黏度。运动黏度与恩氏黏度的换算公式为：●黏度与温度的关系——黏温特性2.1.4液体的其他物理性质指标热导率、比热容、闪点、倾点、中和值、腐蚀等。●黏度与压力的关系——液体的压力（MPa）；——压力为p时液体的黏度；——压力为大气压（1atm）时液体的黏度；——系数，对于石油基液压油，c=0.015~0.035。2.2液压油hydraulicoil了解液压油2.2.1液压油及其分类液压传动与控制系统中使用的工作介质（液压介质），根据其使用性能和化学成分的不同划分为若干组，其组别名称、代号、性能及用途见表2-3。根据物理性质的不同，液压介质又分为可燃性（矿物型）液压油和抗燃性（合成型、乳化型）液压油两大类，见表2-4。表2-3液压介质的组别名称、代号、性能及用途表2-4液压介质的种类及其性质2.2.2对液压油的要求（自学）2.2.3液压油的选用（自学）2.2.4液压油的使用（自学）2.3液体静力学基础BasisofLiquidStatics本节讨论静止液体的平衡规律以及这些规律的应用。所谓静止液体，是指液体内部质点间没有相对运动。如果盛装液体的容器本身处在运动之中，则液体处于相对静止状态。2.3.1液体的静压力及其特性■质量力和表面力●质量力作用于所研究液体的所有质点上，它的大小与液体质量成正比，属于这种力的有重力、惯性力和电磁力等。●表面力作用于所研究液体表面上的力。因为微元体ΔA既可取在液体与容器或两种液体的界面上，也可取在液体内部任一位置，所以表面力也是在液体各处发生的，并非只在液体的“表面”上。■静压力与切应力表面力可分解为以下两个力：——法向力，即垂直于液体表面的力；——切向力，即垂直于液体表面法向的力；静压力（简称压力）的定义为：若法向力均匀地作用在液体表面上，则压力可表示为切应力的定义为：切应力τ是液体黏性的反映，当液体的不同液层间有相对运动时，即产生切应力，所以τ反映的是液体中的内摩擦力，静止液体中，τ＝0。静压力与切应力具有相同的国际单位制单位——Pa（帕）。■液体静压力的特性●

液体静压力沿法线方向，垂直于承压面。●

静止液体内，任一点的压力，在各个方向上都相等。由上述性质可知：静止液体总是处于受压状态，并且其内部的任何质点都是受平衡压力作用的。■压力的表示方法◆绝对压力——以绝对真空为基准度量的压力◆相对压力（表压力）——以大气压力为基准度量的压力◆真空度——绝对压力比大气压力小的那部分压力值，用于绝对压力低于大气压力场合相对压力（表压力）＝绝对压力－大气压力真空度＝大气压力－绝对压力■压力的单位及其换算Pa（帕斯卡，帕），MPa（兆帕，1MPa=106Pa）bar（巴，1bar=105Pa=0.1MPa）atm（标准大气压，1atm=1.01972×105Pa≈0.1MPa）at（kgf/cm2，工程大气压，1kgf/cm2=0.986923×105Pa）2.3.2液体静压力基本方程——液体静压力基本方程◆静止液体内任一点的压力都是由液面压力和重力产生的压力两部分组成。◆静止液体内的压力随液体深度呈线性规律递增。◆同一静止液体中，离液面深度相等的各点压力相等。——单位重量液体所具有的压力能，称为比压能或压力（水）头；——单位重量液体所具有的位能，称为比位能或位置（水）头。液体静压力基本方程的物理意义：静止液体内任何一点具有压力能和位能两种能量形式，且其总和保持不变，即能量守恒。但是两种能量形式之间可以相互转换。2.3.3静压力传递原理——帕斯卡（Pascal）原理在密闭的容器内，施加于静止液体上的压力将等值地同时传递到液体内部各点。原因：◆液体静止，压力分布符合静压力基本方程的规律；◆在液压传动系统中，通常。液压系统中的压力是由外载荷决定的，即液压系统的工作压力取决于负载。液压缸的平衡条件：2.3.4静止液体作用在各类表面上的力右图所示为某安全阀受力简图，阀芯为圆锥形，阀座孔径d=10mm，阀芯最大直径D=15mm。当油液压力p

1＝8MPa时，压力油克服弹簧力顶开阀芯而溢油，出油腔有背压(回油压力)p

2＝0.4MPa。试求阀内弹簧的预紧力Fs。阀芯受到的向上的液压力为阀芯受到的向下的液压力为弹簧预紧力Fs应等于阀芯两侧作用力之差。阀芯受力平衡方程式为代入数据后得2.4流体动力学基础BasisofHydrokinetics液体流动时，由于重力、惯性力、黏性摩擦力等的影响，其内部各质点的运动状态是不相同的。液体的流动状态将与液体的温度、黏度、压力、流量、管道几何参数等参数有关。从液压传动角度来说，液体流动时的运动状态、能量转换关系、作用力等主要涉及到流体动力学的三个方程——连续性方程、伯努利方程、动量方程，本节将重点讨论前两个。2.4.1基本概念■理想液体与实际液体●理想液体指的是一种假想的既没有黏性，又不可压缩的液体。●实际液体事实上存在的具有黏性和可压缩的液体。■恒（稳）定流动与非恒（稳）定流动液体流动时，如液体中任何一点处的压力、速度和密度都不随时间变化，便称液体在作恒定流动；反之，只要压力、速度或密度中有一个参数随时间变化，则液体的流动称为非恒定流动。恒定流动非恒定流动■一维流动与二、三维流动当液体整个作线形流动时，称为一维流动；当作平面或空间流动时，称为二维或三维流动。通常把封闭容器和管道内的液体的流动按一维流动处理。■流线、流束、流管、通流截面●流线液流中一条条标志其各处质点运动状态的曲线。在某一瞬时，流线上各点处的质点的瞬时流动方向与该点的切线方向重合。●流束与流管通过某截面A上各点画出流线，这些流线的集合就构成流束。流束表面称为流管。●通流截面在流束中，与所有流线正交的截面称为通流截面，通流截面可以是平面，也可以是曲面。液体在液压管道中流动时，垂直于流动方向的截面即为通流截面。通流截面的面积称为通流面积。■流量和平均流速●流量单位时间内流过某通流截面的液体体积称为流量。一般用符号q

表示，即流量的国际单位制单位是m3/s，常用单位主要是L/min，二者之间的换算关系为或液压系统中执行元件的运动速度取决于流量。●平均流速由于实际液体具有黏性，因此液体在管道内流动时，通流截面上各点的流速是不相等的。管壁处的流速为零，管道中心处流速最大，流速分布如图所示。定义即平均流速为了解压力与流量■液体的流动状态●层流与紊流液体的流动状态有两种——层流和紊流。雷诺实验1883年，英国物理学家雷诺通过大量的实验发现，液体在管道中流动时，存在层流和紊流两种完全不同的流动状态。层流时，液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线；紊流时，液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。层流时，黏性力起主导作用，惯性力与黏性力相差不大，液体流速较低，液体质点主要受黏性力制约，不能随意运动；紊流时，惯性力起主导作用，液体流速较高，黏性力的制约作用较弱。●雷诺数——判别流态的依据雷诺实验证明，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、液体的运动黏度ν有关。但是，不论这些参数如何变化，液体流动状态仅与由这些参数所组成的一个称为雷诺数的无量纲数有关。雷诺数v

——液体的平均流速；RH

——管道的水利半径，流体通过液流的有效截面积A与它的湿周长度（有效截面的周界长度）χ

之比，即ν

——液体的运动黏度；各种管道的水利半径

Q:在相同的通流面积下，哪种管道的水利半径最大？判别流态时，要用到管道的临界雷诺数。常见管道的临界雷诺数

——层流

——紊流

若：常见液流管道的临界雷诺数由实验求得，如下：2.4.2流体动力学的三个基本方程■连续性方程连续性方程是流体动力学的基本方程之一，其实质是质量守恒定律在流体力学中的表示形式。连续性方程根据质量守恒定律，有由于液体的不可压缩性，有从而有在管道或活塞面积一定的情况下，速度取决于流量。只要能设法调节v1

，则v2

也将获得相应的调节。调节q3也能使v2产生相应的变化。■伯努利（Bernoulli）方程伯努利方程也称为能量方程，它实际上是能量守恒定律在流体力学中的具体应用。●理想液体的伯努利方程静止的液体具有压力能、位能两种能量形式。根据液体静压力基本方程，单位重量液体所具有的能量可以表示为流动的液体还同时具有动能。单位重量液体所具有的动能为根据能量守恒定律，有——比动能或速度（水）头理想液体伯努利方程的物理意义：理想液体在管道内作恒定流动时，同时具有动能、位能、压力能三种形式的能量。三种形式的能量可以相互转化，但它们的和保持不变。几点说明：◆液体静压力基本方程可以看成是伯努利方程当v=0时的特例。◆当液体流通的管道基本处于水平，或位置头的大小与速度头、压力头相比可忽略不计时，伯努利方程变成：速度高的地方压力小，速度低的地方压力大。Q:若A1>A2，则？●实际液体的伯努利方程对于实际液体，由于黏性的存在，液体在流动时要克服内摩擦力而损失能量，流体的总比能将沿着流动方向而逐渐减少。实际液体的伯努利方程为hw——阻力水头——截面1、2处由于流速分布不均而引入的动能修正系数，层流时取2，紊流时取1.05~1.10注：能量损失的具体表现为压力损失，所损失的能量主要转化为热而导致液体温度的升高。●伯努利方程的应用【例2-1】

水箱侧壁开一个小孔，水箱自由液面1-1与小孔2-2处的压力分别为pl和p2，小孔中心到水箱自由液面的距离为h，且h基本不变，如果不计损失，求水从小孔流出的速度。解：取2-2截面为基准截面，列出两个截面处所对应的伯努力方程取则则前面的伯努利方程简化为：由此解得并取当时，有当时，有按题意【例2-2】

液压泵吸油装置如图所示，设油箱液面绝对压力为p1，液压泵吸油口处的绝对压力为p2

，泵吸油口距油箱液面的高度为h，吸油管路上的总能量损失为hw，不考虑液体流动状态的影响，取动能修正系数α=1。试确定液压泵吸油口处的真空度。解：取1-1截面为基准截面，列出两个截面处所对应的伯努力方程按题意则真空度◆真空度的大小取决于三个因素：

★把液体提升高度h所需的压力；

★把液体加速到v2所需的压力；

★克服阻力hw所需要的压力。◆真空度不能太大——易产生气穴现象

★加粗吸油管径

★降低泵的安装高度◆真空度不能太小——影响泵的吸油性能Q:吸油or压油？■动量方程（略）2.5流体的压力损失PressureLossofFluid实际液体是有黏性的，为了克服黏性摩擦阻力，液体流动时要损耗一部分能量，由于管道中液体的流量、流速、位置均不变，因此这种能量损耗表现为压力损失。损耗的能量转变为热量，使液压系统的温度升高，影响系统的工作性能（如泄漏、元件老化等），因此，在设计液压系统时，应尽量减小压力损失。压力损失产生的内因是液体本身的黏性（内摩擦力），外因是管道结构（局部阻力）。液体在管道中流动时产生的压力损失分为以下两种。●沿程压力损失液体在等径直管中流动时因黏性摩擦而产生的液体压力损失。●局部压力损失由于管道的截面突然变化、液流方向改变或其他形式的局部阻力（如控制阀阀口）而产生的液体压力损失。2.5.1沿程压力损失■层流时的沿程压力损失液体流经等径d的直管时，在管长l段上的沿程压力损失为理论值实际值其中——沿程阻力系数橡胶圆管或■紊流时的沿程压力损失仍按下式计算但沿程阻力系数λ的确定方法不同，与管壁表面粗糙度的绝对值Δ有关，见下表。圆管的沿程阻力系数的计算公式粗估算时，壁绝对表面粗糙度Δ的值可取：钢管——取0.04mm铜管——取0.0015mm～0.01mm铝管——取0.0015mm～0.06mm橡胶软管——取0.03mm铸铁管——取0.25mm计算沿程压力损失时，必须首先判别液体的流态！2.5.2局部压力损失局部压力损失是液体流经阀口、弯管、通流截面变化等处所引起的压力损失。液流通过这些地方时，由于它的方向和流速发生变化，液体在这些地方扰动、搅拌，形成旋涡、尾流，或使边界层剥离，使液体的质点相互撞击，从而产生了较大的能量损耗。局部压力损失直接与液体的动能有关，一般通过实验确定，通常可表示为其中——局部阻力系数，一般由实验确定2.5.3液体流经管路时总的压力损失液压系统的管路一般由若干段管道和一些阀、过滤器、管接头、弯头等组成，因此管路总的压力损失就等于所有直管中的沿程压力损失和所有这些元件的局部压力损失之总和：作业：3-5、3-10

在进行液压系统的设计计算时，通常要估算从液压泵出口到执行元件之间的总压力损失，或某一部分管路的总压力损失。2.6流体流过小孔和缝隙的流量FlowRateWhenfluidPassesOstioleorGap液压系统中常见的小孔主要有以下三类。2.6.1液体流过小孔的流量薄壁孔细长孔短（厚壁）孔■薄壁孔●一般薄壁小孔孔口边缘都做成刃口形式。●液体流动特性◆液体通过小孔时，在惯性力作用下会发生收缩现象。收缩现象发生在2-2处，其d2<d。完全收缩：D/d≥7

时，收缩作用不受D

内壁的影响。不完全收缩：D/d<7

时，D内壁对液流进入小孔起导向作用。●薄壁孔流量公式式中——小孔截面积——流量系数，大小一般由实验确定——收缩系数——速度系数A2/A0.10.20.30.40.50.60.7Cq0.6020.6150.6340.6610.6960.7420.804不完全收缩时的流量系数Cq小孔的壁很薄时，其沿程压力损失非常小（主要是局部压力损失），通过小孔的流量对油液温度的变化，即对黏度的变化不敏感，因此在液压系统中，常采用一些与薄壁小孔流动特性相近的阀口作为可调节流孔口，如锥阀、滑阀、喷嘴挡板阀等。薄壁孔的加工困难，实际应用中多用短孔代替。■短孔●

Cq一般由实验曲线查得，当Re较大时，其值基本稳定在0.8左右。●

短孔常用作固定节流器。■细长孔●

流量受温度的影响较大。●

易堵塞。●

常用作阻尼孔。■通用小孔流量公式孔口通流面积系数，由孔的形状、尺寸及液体的性质所决定孔口两端的压力差指数，由孔的长径比决定。薄壁孔m=0.5，细长孔m=12.6.2液体流过缝隙的流量有相对运动的液压元件各零件（例如柱塞与柱塞孔）之间须有一定的配合间隙，有些无相对运动的零件之间也不可避免地存在间隙，这些间隙的存在将导致液压油在压力差的作用下产生泄漏（内泄漏和外泄漏）。泄漏将使液压系统的传动效率降低，同时还会污染环境。液压传动中间隙的形式有许多种（见教材），但最常见的有两种：

●平行平板间隙

●环形间隙液体在间隙中的流动分为两种情况：压差流动——由间隙两端的压力差造成的流动剪切流动——由形成间隙的两固体壁面间的相对运动造成的流动实际间隙流动是压差流动与剪切流动的组合。为简化，以后只考虑压差流动的情况。压差流动剪切流动■平行平板间隙式中——间隙的长、宽、高■环形间隙●同心环形间隙——间隙圆环的直径式中——间隙的长度——间隙量（大小）●偏心环形间隙——偏心率式中——偏心距■间隙流量小结平行平板间隙同心环形间隙偏心环形间隙◆间隙流量（通常是泄漏量）与间隙的立方成正比，必须严格控制间隙。◆偏心圆环间隙的泄漏量比同心圆环的大，最大为其2.5倍，因此应采取措施尽量减小偏心。◆经过间隙的泄漏量与液体的黏度成反比，温度的变化会导致黏度以及泄漏量的显著变化。油温升高→黏度下降→泄漏量增大→效率降低。◆经过间隙的泄漏量与间隙两端的压力差成正比，与间隙的长度成反比。为减小泄漏，可适当降低压力差或增大封油长度。2.7液压冲击和气穴现象PhenomenaofHydraulicShockandCavitation2.7.1液压冲击■液压冲击及其危害

液压系统工作时，液体压力发生急剧交替升降的波动过程称为液压冲击。例如，当阀门突然关闭时，阀门处的压力急剧上升而出现峰值，可能使液压元件（特别是密封件）和管道损害；当阀门突然开启时，则使压力突然下降。这种突然开闭引起的冲击叫做直接液压冲击。原因：◆流动的液体具有惯性，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，液体的惯性将导致液压冲击。◆运动部件（负载）由液压驱动，当其突然制动或换向时，因运动部件具有惯性，也将导致系统发生液压冲击。最大冲击压力——未发生冲击时的工作压力——压力变化值