(完整版)第1章液压流体力学

第1章液压流体力学——液压与气压传动技术一、液压油1、液压油的物理性质液压传动系统的工作介质是液压油。液压油的质量直接影响液压系统的工作性能，因此必须合理地选用和使用。1.1液体的密度对于均质液体来说，密度是指单位体积液体的质量。以

ρ

表示

ρ＝m/V实际应用中可认为密度不受温度和压力变化的影响。一般液压油的密度为900㎏/m3。1.2液体的可压缩性可压缩性：液压油因受压力作用而发生体积缩小的性质。通常用体积压缩系数κ表示。即

液体体积压缩系数的物理意义：是指单位压力所引起的液体体积的相对变化量。液体的体积弹性模数：液体的体积压缩系数κ的倒数为液体的体积弹性模数.用Κ表示。液压油的可压缩性对液压系统性能的影响不大，所以一般可认为液体是不可压缩的。当液体中混入空气时，其压缩性将显著增加。1.2液体的黏性和黏度液体在外力作用下流动时，在其内部产生内摩擦力的性质，就称为液体的黏性。液体在管路中流动时的速度并不相等，紧贴管壁的液体速度为零，管路中心处的速度最大。黏性所起的作用只能延缓液体内部相互滑动的过程，而不能消除这种滑动。静止的液体不呈现黏性。黏性其大小可以用黏度来标定。黏度是选择液压油的主要指标，我国规定的液体常用黏度有动力黏度、运动黏度和相对黏度。1）动力黏度牛顿内摩擦定律：液体流动时，相邻液体流层之间的内摩擦力F与液体流层间的接触面积A、液体流层间的相对运动速度du成正比，而与液体流层间的距离dy成反比,其关系可以表示为——动力黏度，黏度系数；

——速度梯度。下板固定，上板以u0运动，两板之间液流速度逐渐减小。动力黏度是一种绝对黏度，具有物理意义。因为它的单位中有动力学的要素，所以称为动力黏度。动力黏度的SI（国际制单位）制单位：Pa·s；

CGS（高斯制单位）制单位：P(泊)、cP(厘泊)

换算关系：1Pa·S=10P=103cP剪切应力：2）运动黏度动力黏度和液体密度的比值，就称为液体的运动黏度。运动黏度也是一种绝对黏度，因为它的单位只有长度和时间的量纲，类似于运动学的量，所以称为运动黏度。运动黏度虽然没有明确的物理意义，但常用它来标志液体的黏度。运动黏度的法定计量单位“平方米/秒（m2/s）”，常用单位为“斯（St，cm2/s）厘斯（cSt，mm2/s）”，其三者之间的关系为：1m2/s=104St=106cSt。老牌号—20号液压油，指这种油在50℃时的平均运动黏度为20cSt。新牌号—L—HV32号液压油，指这种油在40℃时的平均运动黏度为32cSt。3）相对黏度（又称条件黏度）它是采用特定的黏度计在规定的条件下测出的液体黏度。雷式黏度"R——英国、欧洲赛式黏度SSU——美国恩式黏度oE

——俄罗斯、德国、中国单位：无量纲

200ml温度为T的被测液体，流经恩氏黏度计小孔（φ2.8mm）所用时间t1，与同体积20度的水通过小孔所用时间t2之比。称为被测液体在温度T下的恩氏黏度。t2oE=t1恩氏黏度计黏度与温度和压力的关系：黏温特性：黏度随温度变化而变化的性质。∵温度t↑，内聚力F↓，∴黏度μ↓若：黏度随温度的变化较小，则说明：黏温特性较好。黏压特性：黏度与压力的关系。∵压力p↑，内聚力F↑，∴黏度μ↑

μ随p↑而↑，压力较小时可忽略，32Mpa以上才考虑。2、液压油的分类类型名称ISO代号特性和用途

矿油型普通液压油L—HL精制矿油加添加剂，提高抗氧化和防锈性能，适用于室内一般设备的中、低压系统。抗磨液压油L—HML—HZ油加添加剂，改善抗磨特性，适用于工程机械、车辆的液压系统。低温液压油L—HVZ—HM油加添加剂，改善黏温特性，可用于环境温度在—20℃～—40℃的高压系统。高黏度指数液压油L—HRL—HL油加添加剂，改善黏温特性，VI值达175以上，适用于对黏温特性有特殊要求的低压系统，如数控机床的液压系统液压导轨油L—HGL—HM油加添加剂，改善黏、滑性能，适用于机床中液压和导轨润滑合用的系统全损耗系统用油L—HH浅度精制矿油，抗氧化性、抗泡沫性较差，主要用于机械润滑，可以作液压代用油，用于要求不高的低压系统。乳化型水包油乳化液L—HFA又称高水基液，难燃，黏温性好，有一定的防锈能力，润滑性差，易泄漏。适用于有抗燃要求、油液用量大且泄漏严重的系统。油包水乳化液L—HFB既具有矿油型液压油的抗磨、防锈性能，又具有抗燃性，适用于有抗燃要求的中压系统。合成型水—乙二醇液L—HFC难燃，黏温特性和抗蚀性好，能在—30℃～60℃温度下使用，适用于有抗燃要求的中、低压系统。磷酸酯液L—HFDR难燃，润滑抗磨性能和抗氧化性能良好，能在—54℃～135℃温度范围内使用，但有毒。适用于有抗燃要求的高压精密液压系统。表1-2液压油的主要品种及其特性和用途航空液压油属于专用液压油，在飞机上通常使用植物基液压油、矿物基液压油和磷酸酯基液压油三种油液。1）植物基液压油（MIL—H—7644）：由蓖麻油和酒精组成，易燃，用在最初的较老式的飞机上，油液染成蓝色。天然的橡胶密封件适用于植物基液压油。液压系统堵塞后，可以用酒精冲洗。2）矿物基液压油（如MIL—H—5606）：从石油中提炼，被染成红色，也称为红油。具有良好的性能，化学性质非常稳定，黏温特性好。可以用石油、矿物油、溶剂油来清洗。氯丁橡胶密封件和软管可以使用，易燃。广泛用于轻型飞机的刹车系统、液压动力系统和缓冲器中，使用中不能与植物基和磷酸酯基液压油混合。3）磷酸酯基液压油（合成液压油）：广泛用于现代飞机的液压系统中，于1948年开始用于高性能的活塞发动机和涡轮螺旋桨飞机上。当今常用的磷酸酯基液压油主要有：SkydrolR—500，具有较好的低温工作特性和低腐蚀性；SkydrolR—LD，主要用于重量为主要因素的大型运输机上。SkydrolR液压油，浅紫色，比水稍重，具有非常好的防火特性，在-65～225ºF的很大温度范围内可以持续工作。对大气中水的污染非常敏感。液压系统有堵塞或油污时，可以用三氯乙烯来冲洗。3、液压油的选用选用液压油时，首先应选用液压油的品种（参见表1-2），其次选用液压油的黏度。液压油的黏度选用十分重要，因为黏度对液压系统工作的稳定性、可靠性、效率、温升及磨损都有显著的影响。1）按工作压力：P高，选μ大，P低，选μ小；2）按运动速度：v高，选μ小，v低，选μ大；3）按环境温度：T高，选μ大，T低，选μ小。在液压系统的所有液压元件中，以液压泵对液压油的性能最为敏感。因为泵内零件的运动速度最高，工作压力也最高，而且承压时间长、温升高。因此，常将液压系统中液压泵对液压油的要求，作为选用液压油的重要依据（有伺服阀的液压系统除外）。各类液压泵适用的黏度范围，见表1-3。液压泵类型黏度/（mm2﹒s-1）（40℃）

液压泵类型黏度/（mm2﹒s-1）（40℃）5℃～40℃①40℃～80℃①5℃～40℃①40℃～80℃①叶片泵7MPa以下30～5040～75齿轮泵30～7095～1657MPa以上50～7050～90径向柱塞泵30～5065～240螺杆泵30～5040～80轴向柱塞泵30～7070～150

表1-3各类液压泵适用的液压油黏度范围在液压传动中，液压油既是传动介质，又兼作润滑油，因此它比一般润滑油的要求更高。为了保证液压传动系统的正常工作，对液压油的要求为：1）要有适宜的黏度和良好的黏温特性，一般液压系统所选用的液压油的运动黏度为（13～68）×（40℃）。2）具有良好的润滑性能，以减少液压元件中相对运动表面的磨损。3）具有良好的热安定性和氧化安定性。4）具有较好的相容性，即对密封件、软管、涂料等无溶解的有害影响。5）质量要纯净，不含或含有极少量的杂质、水分和水溶性酸碱等。6）具有良好的抗泡沫性，抗乳化性要好，腐蚀性要小，防锈性要好。液压油中产生泡沫会引起气穴现象。液压油乳化会降低它的润滑性，而使酸值增加，使用寿命缩短。7）液压油用于高温场合时，为了防火安全，闪点要求要高；在温度低的环境下工作时，凝点要求要低。8）对人体无害，对环境污染小，价格便宜。4、液压油的污染及其控制液压油受到污染，常常是液压系统发生故障的主要原因。1.1污染的危害：液压油被污染是指液压油中含有水分、空气、微小固体颗粒和胶状生成物等杂质。液压油污染的危害主要有：1）固体颗粒和胶状生成物：堵塞过滤器，使液压泵运转困难产生噪声；堵塞阀类元件的小孔和缝隙，使阀类元件动作失灵。2）微小固体颗粒：加速零件磨损，使元件不能正常工作；同时，也会损坏密封件，使泄漏增加。3）水分和空气：会降低液压油的润滑能力，并使其氧化变质；产生气蚀，使元件加速损坏，并使液压系统出现振动、爬行现象。1.2污染的原因：液压油被污染主要有以下几个方面的原因:1）残留物的污染。金属切屑、焊渣、型砂、棉纱、锈片、尘埃及清洗溶剂等。2）生成物的污染。磨屑，锈蚀剥落物，以及氧化物等。3）侵入物的污染。通过呼吸孔侵入，注油和维修带入等。4）化学物质和微生物。残留的化学杂质，以及油液分解或添加剂作用而产生的有害化学物质等。微生物一般常见于水基工作液。5）以能量形式存在的污染物质。（3）污染的控制：由于污染的原因很复杂，因而要彻底防止污染是很困难的，实践中常采取以下三个方面的措施:1）力求减少外来污染。液压元件、油箱和各种管件在组装前后必须严格清洗，油箱通大气处要加空气过滤器，向油箱灌油应通过过滤器，拆装维护液压元件应在无尘区进行。2）滤除液压系统产生的杂质。应在液压系统的有关部位设置适当的过滤器，并且要定期检查、清洗和更换过滤器的滤芯。应采用适当措施（如水冷、风冷等）控制液压系统的工作温度，以防止温度过高，造成工作介质氧化变质，产生各种生成物。3）定期检查更换液压油。应根据液压设备使用说明书的要求和维护保养规程的规定，定期检查更换液压油。换油时，必须对整个液压系统进行彻底的清洗。二、液体静力学1、液体的静压力及其特性在非惯性系统中，液体处于静止状态下，作用在液体上的力有质量力和表面力。质量力作用在液体的所有质点上，如重力和惯性力等。表面力作用在液体的表面上，单位面积上作用的表面力称为应力，它可以分为法向应力和切向应力。静止液体质点间没有相对运动，因此静止液体的表面力只有法向力。液体的静压力是指液体处于静止状态下，单位面积上所受到的法向作用力。在物理学中称为压强，在工程实际中习惯上称为压力。静压力则可表示为液体的静压力具有两个重要的特性：1）液体静压力的方向总是承压面的内法线方向。否则，如果液体受到拉力或剪切力的作用，必然引起质点间的相对运动，这就破坏了液体静止的条件，所以静止液体只能承受法向作用力。2）静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。如果静止液体中某点受到的各个方向的静压力不相等，那么静止液体就要流动，这同样破坏了液体静止的条件。2、压力的表示方法及其单位压力的表示方法有绝对压力和相对压力两种。绝对压力是以绝对真空（零压力）为基准进行度量的压力。相对压力是以大气压力为基准进行度量的压力，也称为表压力。真空度工程上指绝对压力不足于大气压力的那部分压力值。即：绝对压力＝大气压力＋相对压力相对压力＝绝对压力－大气压力真空度＝大气压力－绝对压力压力的法定单位是帕斯卡或帕（Pa，N/m2）常用单位千帕（kPa）或兆帕（MPa）。它们的换算关系为绝对压力、相对压力与真空度的关系：3、液体静力学的基本方程

方程式描述了静止液体中任一点的压力分布规律：1）静止液体内任一点处的压力由液面上的压力P0和液体自重所引起的压力ρgh组成。2）静止液体内的压力沿深度呈线性规律分布。3）连通容器内同一液体中，深度相同处各点的压力均相等。由压力相等的点组成的面叫做等压面，在重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。4、压力的传递在密闭容器中，由外力作用所产生的压力可以等值地传递到液体内所有各点。这就是帕斯卡原理，或称为静压力传递原理，液压传动就是在这个原理的基础上建立起来的。液体自重产生的压力忽略不计。力的传递遵循帕斯卡原理p=F1/A1=W/A2

～压力F1=pA1=WA1/A2

∴压力决定于负载A1<

A2→

F<W

∴省力例1-1图1-6例1-2图1-75、静止液体作用在固体壁面上的液压力当固体壁面为一个平面时，不计液体自重对压力的影响，静压力在这个平面上的作用力F等于液体工作压力p与该平面面积A的乘积。即A——活塞平面的面积，m2。当固体壁面为一个曲面时，液体作用在固体壁面（曲面）上某一方向的作用力F等于液体的静压力p和曲面在该垂直方向的投影面积A的乘积。即d——承压部分曲面在垂直方向投影圆的直径。

三、液体动力学1、基本概念

1）理想液体和稳定流动：理想液体：一种既无黏性又不可以压缩的假想液体。稳定流动：液体中任何一点处的压力、速度和密度都不随时间而变化的液体流动。2）通流截面、流量和平均流速：通流截面：液体在管路中流动时，垂直于液体流动方向的截面积，或称过流断面。流量：单位时间内通过某通流截面的液体的体积。常用的代号为“q”，常用的单位为“L/min”或“mL/s”。平均流速：通过某一过流断面的流量除以截面面积，即v=q/A。3）流动液体的压力：流动液体内任意点处的压力在各个方向上的数值可以看作是相等的。4）液体的流动状态：液体在管路中流动时有层流和湍流两种流动状态。在层流时，液体质点沿管路作直线运动，互不干扰，没有横向运动，如图1-10所示。在湍流时，液体质点除了沿管路运动外，还有横向运动，呈紊乱混杂状态，如图1-11所示。图1-10图1-11大量试验证明，圆管中液体的流动状态与液体的流速v、管路的直径d，以及油液的运动粘度v有关。真正能判定液体流动状态的，则是雷诺数Re，它是由液体的流速v、管路的直径d，以及油液的运动粘度v这三个参数所组成的一个无量纲。即2、流动液体的连续性方程当液体在管道内作稳定流动时，根据质量守恒定律，管内液体的质量不会增多也不会减少，所以在单位时间内流过每一截面的液体质量必然相等。如图所示，管道的两个通流面积分别为A1、A2，液体流速分别为v1、v2，液体的密度为ρ，则

ρv1A1=ρv2A2=常量即v1A1=v2A2=Q=常量或v1/v2=A2/A

上式称为液流的连续性方程，它说明液体在管路中作稳定流动时，单位时间内通过任何截面的流量都是相等的。而液流的流速与通流截面的面积成反比。因此，流量一定时，管路细的地方流速大，管路粗的地方流速小；通流截面面积不变时，流量越大，流速越快。3、伯努利方程1）理想液体的伯努利方程：理想液体在管路内作稳定流动时，没有能量损失。在流动过程中，由于它具有一定的速度，所以除了具有位置势能和压力能以外，还具有动能。能量1-1截面（A1）2-2截面（A2）动能位置势能压力能表1-4液体在不同截面的能量根据能量守恒定律，有若等式的两边同除以m，即可以得到单位质量液体的能量方程上式为理想液体的伯努利方程，它表明了流动液体各质点的位置、压力和速度之间的关系。其物理意义是：在管路内作稳定流动的理想液体具有动能、位置势能和压力能三种能量，在任一截面上的这三种能量都可以互相转换，但其和都保持不变。静压力基本方程是伯努利方程（在速度为零时）的一种特例。2）实际液体的伯努利方程：实际液体在管路中流动时，由于实际液体具有黏性和管路的尺寸形状变化会引起能量损失消耗。另外，实际液体在管路中流动时通流截面上各点的速度不同，若用平均流速计算动能，必然会有误差。则实际液体的伯努利方程为：α——动能修正系数，一般液体处于层流流动时取α=2，液体处于湍流流动时取α=1。3）伯努利方程应用举例：应用伯努利方程计算液压泵吸油腔的真空度或液压泵允许的最大吸油高度。如图1-13所示，液压泵的吸油口比油箱液面高h，取油箱液面“1-1”和液压泵进口处截面“2-2”建立伯努利方程，并取油箱液面“1-1”为基准平面。则有式中p1为油箱液面压力，一般油箱液面与大气相通，故p1=p0；v2为泵吸油口的流速，一般可取吸油管流速；v1为油箱液面流速，由于v1<<v2，故v1可忽略不计；p2为泵吸油口的绝对压力，ghw为单位质量液体的能量损失。据此，上式可简化成

液压泵吸油口处的真空度为

由上式可知，液压泵吸油口处的真空度由三部分组成，即：①把油液提升到一定高度所需要的压力；②产生一定流速所需要的压力；③吸油管路内的压力损失。液压泵形成真空度的能力就表示液压泵自吸性能的好坏，但液压泵吸油口处真空度不能太大，否则就会产生空穴现象，造成液压泵的噪声过大。因而在实际使用中，h值一般应小于0.5m，并且采用较大直径的吸油管，使管路尽可能短些，以减小液体流速和压力损失。应用伯努利方程解决实际问题的方法，一般可以归纳为四个要点:1）选取适当的截面作为基准平面。2）在缓变流动处选取两个计算截面，不考虑两截面之间的流动状态，一个截面设在所求参数处，另一个截面设在参数已知处。3）按照液体的流动方向列出伯努利方程。4）若未知数的数量多于方程数，则必须列出其辅助方程，如连续性方程、动量方程等联合求解。例1-3图1-144、动量方程在液压传动中，动量方程可以用来计算流动液体作用于限制其流动的固体壁面上的总作用力，它是刚体力学中的动量定理在流体力学中的具体应用。刚体力学动量定理指出，作用在物体上的外力等于该物体在单位时间内的动量变化量。即对于稳定流动的液体，若忽略其可压缩性，将m=ρqΔt代入上式，并考虑以平均流速代替实际流速会产生误差，引入动量修正系数β，则液体稳定流动时的动量方程为——作用在液体上所有外力的矢量和；四、液体流动中的压力损失实际液体流动时必须要消耗能量，在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失。液压传动系统中的压力损失分为沿程压力损失和局部压力损失。1、沿程压力损失沿程压力损失是液压油沿等径直管流动时所产生的压力损失。可以用达西公式确定式中λ—沿程阻力系数；l—管道长度；d—管道内径；

v—油液的平均流速；

ρ—液体的密度。液体在不同的流动状态下，沿程阻力系数不同。在层流时，只与Re的值有关；在湍流时，不仅与Re的值有关，而且与管壁的相对粗糙度相关。在计算时，用试验的方法确定沿程阻力系数λ。液体层流时，黏性力起主导作用，液体质点受黏性的约束，不能随意运动。液体湍流时，惯性力起主导作用，黏性力已不能约束它。湍流流动时的能量损失比层流流动时的能量损失大得多。因此，在液压传动系统中，应尽可能使液体在管路中作层流流动。2、局部压力损失液体流过管路的弯头、接头、突变截面以及过滤网等局部装置时，会使液体流动的大小和方向发生很大的变化，形成旋涡、湍流，液体质点产生相互撞击而造成的能量损失。ξ－局部阻力系数，由试验求得；v－液流流速，一般情况下，均指局部阻力后部的流速。3、标准阀类元件的压力损失液体流过各种液压控制阀时的局部压力损失，可以在阀类产品样本的技术规格中直接查得，或者查得在额定流量时的压力损失。若实际流过阀的流量不是额定流量，而且压力损失又是与流量有关的阀类元件，如换向阀、过滤器等，则局部压力损失都可以按公式计算。即——流过阀的实际流量的压力损失；——在额定流量下，阀允许的最大压力损失；——流过阀的实际流量；——阀的额定流量。4、管路中液体的总压力损失液压传动系统的管路通常由若干段管路组成，因此管路系统中的总压力损失等于直管中的沿程压力损失Δpλ，以及所有局部压力损失Δpξ的总和。即在液压传动系统中，管路一般都不长，沿程应力损失比局部压力损失小得多。因此，大多数情况下总的压力损失只包括局部压力损失和长管的沿程损失。减小流速，缩短管路长度，减少管路截面的突然变化，提高管路内壁的加工质量，保证管路足够大的通流面积等，都可以减少压力损失，其中尤以液体流动的速度影响最大。五、液体流经小孔及缝隙的流量1、液体流经小孔的流量1）液体流经薄壁小孔的流量液压传动系统中，当小孔的通流长度l和孔的直径d之比≤0.5时，称为薄壁小孔。液体流经薄壁小孔时，液流有一个收缩和扩散的过程，这会造成很大的能量损失，也就是压力损失。当管路直径D与小孔直径d的比值D/d>7时，收缩作用不受管路侧壁的影响，这时称为完全收缩。反之，管路侧壁对收缩的程度有影响，就称为不完全收缩。流经小孔的流量为Cq——流量系数，液流完全收缩时，Cq可以看作为常数;取值为Cq=0.60～0.62，当不完全收缩时，Cq=0.7～0.8；AT——薄壁小孔的面积，；Δp——薄壁小孔前、后的压力差，Δp=p1-p2。由于通过薄壁小孔时的摩擦阻力作用很小，所以流量受油温和黏度变化的影响很小，这是薄壁小孔流量的一个重要特征。2）液体流经细长小孔的流量液压传动系统中，当小孔的通流长度l和孔的直径d之比>4时，称为细长小孔。液体流经细长小孔时，一般呈层流状态，与液体在等径直管中流动相当。通过细长小孔的流量计算公式为从上式可以看出，通过细长小孔的流量与细长小孔前、后的压力差成正比，与液体的动力黏度成反比。因此，流量会受油液黏度的影响，当油温升高时，流经细长小孔的流量会因黏度变小而增加。3）液体流经短孔的流量液压传动系统中，当小孔的通流长度l和孔的直径d之比在0.5和4范围内时，称为短孔。薄壁小孔加工比较困难，实际应用较多的是短孔。液体流经短孔时的流量，可以用薄壁小孔的流量计算公式计算，但流量系数Cq不相同，一般取Cq=0.82。短孔比薄壁小孔制造容易，适合作固定节流元件用。2、液体流经缝隙的流量液压元件在装配后，各元件之间就存在缝隙。常见的缝隙有：一是两个平行平面形成的缝隙，二是内外圆柱表面形成的环形缝隙。液体流经缝隙的流量，称为缝隙流量。1