液压第二章节

液压第二章节第1页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动了解与液压传动技术有关的流体力学基本内容流体力学的质量守恒定律（连续性方程式）、能量守恒定律（伯努利方程式）、动量定律（动量方程式）小孔流量公式；液压冲击和气穴现象及其减小措施；目的任务:

重点难点:

第2页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动Part2.1

液压传动的工作介质

工作介质：在传动及控制中起传递能量和信号的作用。还起润滑、冷却和防锈的作用。流体传动及控制（包括液压与气动），在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于载体的不同，前者采用工作介质。因此，掌握液压与气动技术之前，必须先对其工作介质有一基本了解。第3页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动1.物理性质密度

单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度。即：

（2-1）式中ρ—液体的密度；

V—液体的体积；

m—液体的质量。第4页，课件共36页，创作于2023年2月第一章流体力学基础液压与气压传动常用液压传动工作介质的密度值见表1-2

工作介质密度ρ/（kg·m－3）工作介质密度ρ/（kg·m－3）抗磨液压液L－HM32抗磨液压液L－HM46油包水乳化液L－HFB水包油乳化液L－HFAE0.8×1030.8875×1030.932×1030.9977×103水－乙二醇液压液L－HFC通用磷酸脂液压液L－HFDR飞机用磷酸酯液压液L－HFDR10号航空液压油1.06×1031.15×1031.05×1030.85×103表2-1

常用液压传动工作介质的密度（20℃）液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量一般很小，在液压系统相关计算中可以忽略不计。第5页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动可压缩性液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。若压力为p0时液体的体积为V0，当压力增加Δp，液体的体积减小ΔV，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为：式中，k称为液体的压缩率，也称为压缩系数。由于压力增加时液体的体积减小，两者变化方向相反，为使k成为正值，在上式右边须加一负号。液体压缩率k的倒数，称为液体体积模量，即第6页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动表2-2所示为各种工作介质的体积模量。由表中石油基液压油体积模量的数量可知，它的可压缩性是钢的100~170倍（钢的体积模量为2.1×105MPa）。工作介质体积模量K/MPa工作介质体积模量K/MPa石油基液压油水包油乳化液油包水乳化液（1.4~2）×1031.95×1032.3×103水－乙二醇液压液磷酸酯液压液3.45×1032.65×103表2-2

各种工作介质的体积模量（20℃，大气压）第7页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动石油基液压油的体积模量与温度、压力有关：温度升高时，K值减小，在液压油正常工作温度范围内，K值会有5%~25%的变化；压力增加时，K值增大，但这种变化不呈线性关系，当p≥3MPa时，K值基本上不再增加。由于空气的可压缩性很大，因此当工作介质中有游离气泡时，K值将大大减小。但是在液体内游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议石油基液压油K的取值为（0.7~1.4）×103MPa，且应采取措施尽量减少液压系统工作介质中的游离空气的含量。一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大，但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构时，则必须予以考虑。第8页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动粘性1）粘性的表现

液体在外力作用下流动时，分子间内聚力的存在使其流动受到牵制从而沿其界面产生内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。图2-1

液体粘性示意图现以图2-1为例说明液体的粘性。若距离为h的两平行平板间充满液体，下平板固定，而上平板以速度u0向右平动，由于液体和固体壁面间的附着力及液体的粘性，会使流动液体内部各液层的速度大小不等：紧靠着下平板的液层速度为零，紧靠着上平板的液层速度为u0

，而中间各层液体的速度当层间距离h较小时，从上到下近似呈线性递减规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的；而速度慢的液层对速度快的起阻滞作用。hydyu0yxO第9页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动实验测定表明，流动液体相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比，即：（2-4）式中，比例系数μ称为粘性系数或动力粘度。若以τ表示液层间的切应力，即单位面上的内摩擦力，则上式可表示为：（2-5）这就是牛顿液体内摩擦定律。由此可知，在静止液体中，速度梯度du/dy=0，故其内摩擦力为零，因此静止液体不呈现粘性，液体只在流动时才显示其粘性。

第10页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动2）粘性的度量度量粘性大小的物理量称为粘度。常用的粘度有三种，即动力粘度、运动粘度、相对粘度。动力粘度μ由式（2-6）可知，动力粘度μ是表征流动液体内摩擦力大小的粘性系数。其量值等于液体在以单位速度梯度流动时，单位面积上的内摩擦力，（2-7）在我国法定计量单位制及SI制中，动力粘度μ的单位是Pa·s（帕·秒）或用N·s/m2（牛·秒/米2）表示。如果动力粘度只与液体种类有关而与速度梯度无关，这种液体称为牛顿液体，否则为非牛顿液体。石油基液压油一般为牛顿液体。第11页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动运动粘度v

液体动力粘度与其密度之比称为该液体的运动粘度v，即（2-8）在我国法定计量单位制及SI制中，运动粘度v的单位是m2/s（米2/秒）。因其中只有长度和时间的量纲，故得名为运动粘度。国际标准ISO按运动粘度值对油液的粘度等级（VG）进行划分，见表2-4

。粘度等级40℃时粘度平均值40℃时粘度范围粘度等级40℃时粘度平均值40℃时粘度范围VG10VG15VG22VG32101522329.00~11.013.5~16.519.8~24.228.8~35.2VG46VG68VG100466810041.4~50.661.2~74.890.0~110表2-4

常用液压油运动粘度等级第12页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动相对粘度相对粘度是根据特定测量条件制定的，故又称条件粘度。测量条件不同，采用的相对粘度单位也不同。如恩氏粘度˚E（欧洲一些国家）、通用塞氏秒SUS（美国、英国）、商用雷氏秒R1S（英、美等国）和巴氏度˚B（法国）等。国际标准化组织ISO已规定统一采用运动粘度来表示油的粘度。第13页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动3）温度对粘度的影响温度变化使液体内聚力发生变化，因此液体的粘度对温度的变化十分敏感：温度升高，粘度下降（见图2-2）。这一特性称为液体的粘－温特性。粘－温特性常用粘度指数VI来度量。VI表示该液体的粘度随温度变化的程度与标准液的粘度变化程度之比。通常在各种工作介质的质量指标中都给出粘度指数。粘度指数高，说明粘度随温度变化小，其粘－温特性好。一般要求工作介质的粘度指数应在90以上，优异在100以上。当液压系统的工作温度范围较大时，应选用粘度指数高的介质。第14页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动几种典型工作介质的粘度指数列于表2-5

。介质种类粘度指数VI介质种类粘度指数VI石油基液压油L－HM石油基液压油L－HR石油琪液压油L－HG≥95≥160≥90油包水乳化液L－HFB水－乙二醇液L－HFC磷酸酯液L－HFDR130~170140~170－31~170表2-5

典型工作介质的粘度指数VI第15页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动4）压力对粘度的影响

压力增大时，液体分子间距离缩小，内聚力增加，粘度也会有所变大。但是这种影响在低压时并不明显，可以忽略不计；当压力大于50MPa时，其影响才趋于显著。压力对粘度的影响可用下式计算：vp=vaecp≈va(1+cp)

式中p—液体的压力，单位为MPa；

vp—压力为p时液体的运动粘度，单位为m2/s；

va—大气压力下液体的运动粘度，单位为m2/s；

e—自然对数的底；

c—系数，对于石油基液压油，c=0.015~0.035MPa-1

第16页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动4、为使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要求是：1）可压缩性可压缩性尽可能小，响应性好；2）粘性温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性好；3）润滑性通用性对液压元件滑动部位充分润滑；4）安定性不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿命长；5）防锈和抗腐蚀性对铁及非铁金属的锈蚀性小；6）抗泡沫性介质中的气泡容易逸出并消除；7）抗乳化性除含水液压液外的油液，油水分离要容易；8）洁净性质地要纯净，尽可能不含污染物，当污染物从外部侵入时能迅速分离；9）相容性对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性；10）阻燃性燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性；11）其他对工作介质的其他要求还有；无毒性和臭味；比热容和热导率要大；体胀系数要小等。第17页，课件共36页，创作于2023年2月SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院液压与气压传动能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压系统中使用的工作介质按国际标准组织（ISO）的分类（我国国家标准GB/T7631.2—1987与此等效）如表2-2所示。工作介质类别组成与特性代号石油基液压液无添加剂的石油基液压液HH+抗氧化剂、防锈剂HL+抗磨剂HL+增粘剂HM+增粘剂HM+防爬剂无特定难燃性的合成液（特殊性能）L－HHL－HLL－HML－HRL－HVL－HGL－HS难燃液压液含水液压液高含水液压液水包油乳化液水的化学溶液

含水大于80%（休积分数）L－HFAL－HFAEL－HFAS油包水乳化液

含水小于80%（体积分数）L－HFB含聚合物水溶液/水－乙二醇液L－HFC合成液压液磷酸酯无水合成液L－HFDL－HFDR氯化烃无水合成液L－HFDSHFDR和HFDS液混合的无水合成液L－HFDT其他成分的无水合成液L－HFDU表2-2

液压传动工作介质的种类第18页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动目前90%以上的液压设备采用石油基液压油液。基油为精制的石油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不同要求，往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的，如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等。为了军事目的，近年来在某些舰船液压系统中，也有以海水或淡水为工作介质的。而且正在逐渐向水下作业、河道工程、海洋开发等领域延伸。第19页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动工作介质的选用和维护正确而合理地选用和维护工作介质对于液压系统达到设计要求、保障工作能力、满足环境条件、延长使用寿命、提高运行可靠性、防止事故发生等方面都有重要影响。第20页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动

工作介质的选择选择工作介质时要考虑的因素如表2-3所示。考虑方面内容系统工作环境是否阻燃（闪点、燃点）抑制嗓声的能力（空气溶解度、消泡性）废液再生处理及环保要求系统工作条件压力范围（润滑性、承载能力）温度范围（粘度、粘－温特性、剪切损失、热稳定性、挥发度、低温流动性）转速（气蚀、对支承面浸润能力）工作介质的品质物理化学指标对金属和密封件等的相容性过滤性能、吸气情况、去垢能力锈蚀性抗氧化稳定性剪切稳定性经济性价格及使用寿命货源情况维护、更换的难易程度表2-3选择工作介质时考虑的因素第21页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动工作介质的选择通常要经历下述四个基本步骤：1）列出液压系统对工作介质以下性能变化范围的要求：粘度、密度、体积模量、饱和蒸气压、空气溶解度、温度界限、压力界限、阻燃性、润滑性、相容性、污染性等；2）查阅产品说明书，选出符合或基本符合上述各项要求的工作介质品种；3）进行综合权衡，调整各方面的要求和参数；4）与供货厂商联系，最终决定所采用的合适工作介质。第22页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动2.工作介质的污染及其控制选择好合适的工作介质仅是保障液压系统正常工作的先决条件，而要保持液压装置长期高效而可靠地运动，则必须对工作介质进行合理的使用和正确的维护。实际上，如果使用不当，还会使工作介质的性质发生变化。工作介质的维护关键是控制污染。实践证明，工作介质被污染是系统发生故障的主要原因，它严重影响着液压系统的可靠性及元件的寿命。第23页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动2）污染原因工作介质遭受污染的原因是多方面的，污染物的来源如表2-9所示。表中液压装置组装时残留下来的污染物主要是指切屑、毛刺、型砂、磨粒、焊渣、铁锈等；从周围环境混入的污染物主要是指空气、尘埃、水滴等；在工作过程中产生的污染物主要是指金属微粒、锈斑、涂料和密封件的剥离片、水分、气泡以及工作介质变质后的胶状生成物等。外界侵入的污染物工作过程中产生的污染物工作介质运输过程中带来的污染物液压装置组装时残留下来的污染物从周围环境混入的污染物液压装置中相对运动件磨损时产的污染物工作介质物理化学性能变化时产生的污染物表2-9

工作介质中的污染物第24页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动1）污染物种类及其危害液压系统中的污染物，是指混入工作介质中的各种杂物，如固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物和污染能量等。工作介质被污染后，将对系统及元件产生下述不良后果：固体颗粒会加速元件磨损，堵塞缝隙及过滤器，使液压泵和阀性能下降，产生噪声；水侵入液压油会加速油液的氧化，并与添加剂起作用产生粘性胶质，使滤心堵塞；空气的混入会降低工作介质的体积模量，引起气蚀，降低润滑性；溶剂、表面活性化合物等化学物质使金属腐蚀；微生物的生成使工作介质变质，降低润滑性能，加速元件腐蚀，对高水基液压液的危险更大。第25页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动3）污染度等级

工作介质的污染度是指单位体积工作介质中固体颗粒污染物的含量，即工作介质中所含固体颗粒的浓度。为了定量地描述和评定工作介质的污染程度，以便对它实施控制，有必要制定污染度的等级标准。国际标准ISO4406：1987污染度等级见表2-3。该等级采用两个数码表示工作介质中固体颗粒的污染度，前面的数码代表1mL工作介质中尺寸≥5μm的颗粒数等级，后面的数码代表1mL工作介质中尺寸≥15μm的颗粒数等级，在两个数码之间用一斜线分离。例如，污染等级为20/17的液压油，表示它在每毫升内≥5μm的颗粒数在5000~10000之间，≥15μm的颗粒数在640~1300之间。第26页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动常用的控制工作介质污染的措施有：严格清洗元件和系统。液压元件在加工的每道工序后都应净化，装配后再仔细清洗，以清除在加工和组装过程中残留的污染物。系统在组装前，先清洗油箱和管道，组装后再进行全面彻底的冲洗；防止污染物从外界侵入。在贮存、搬运及加注的各个阶段都应防止工作介质被污染。工作介质必须经过过滤器注入系统。设计时可在油箱呼吸孔上装设空气过滤器或采用密封油箱，防止运行时尘土、磨料和冷却物侵入系统。另外，在液压缸活塞杆端部应装防尘密封，并经常检查定期更换；采用高性能的过滤器。这是控制工作介质污染度的重要手段，它可使系统在工作中不断滤除内部产生的和外部侵入的污染物。过滤器必须定期检查、清洗和更换滤心；控制工作介质的温度。工作介质的抗氧化、热稳定性决定了其工作温度的界限。因此，液压装置必须具备良好的散热条件，使工作介质长期处在低于它开始氧化的温度下工作。一般液压系统的工作温度最好控制在65℃以下，机床液压系统应更低一些；保持系统所有部位良好的密封性。空气侵入系统将直接影响工作介质的物理化学性能。因此，一旦发生泄漏，应立即排除；定期检查和更换工作介质并形成制度。每隔一定时间，对系统中的工作介质进行抽样分析。如发现污染度已超过标准，必须立即更换。在更换新工作介质前，整个系统必须先清洗一次。第27页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动Part2.3

流体静力学本节主要介绍液体静力学。液体静力学是研究静止液体的力学规律以及这些规律的应用。这里所说的静止液体是指液体内部质点间没有相对运动而言。第28页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动Part2.3.1

静压力及其特性

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。静止液体中某点处微小面积ΔA上作用有法向力ΔF，则该点的压力定义为：（2-10）若法向作用力F均匀地作用在面积A上，则压力可表示为：（2-11）第29页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动我国采用法定计量单位Pa来计量压力，1Pa=1N/m2。液压技术中习惯用MPa，1MPa=106Pa。液体静压力有三个重要特性：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。这是由于液体质量点间的内聚力很小，不能受拉只能受压之故；2）静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等。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。3）在密封容器内，施加于静止液体上的压力将以等值传递到液体中的所有各点，这就是帕斯卡原理，或称为液压传递原理。第30页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动3.压力的表示方法根据度量基准的不同，压力有两种表示方法：以绝对零压力作为基准所表示的压力，称为绝对压力；以当地大气压力为基准所表示的压力，称为相对压力。绝对压力与相当对压力之间的关系如图2-3所示。绝大多数测压仪表因其外部均受大气压力作用，所以仪表指示的压力是相对压力。今后，如不特别指明，液压传动中所提到的压力均为相对压力。图2-3

绝对压力与相对压力间的关系pap>pap<pap=0第31页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动如果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。真空度=大气压力－绝对压力

（2-12）绝对压力=表压力+大气压力

（2-13）第32页，课件共36页，创作于2023年2月液压与气压传动Part2.2.3

静压力基本方程

1.静压力基本方程图2-4

重力作用下的静止液体