第2章 液压传动基础知识

1、目的和任务,1.了解液压油的物理性质，重点掌握液体的粘度；2.了解对液压油的要求及选用液压油的一般方法。,2.1液压油,1,2.1.1液压油的物理性质,一液体的密度二液体的粘性三液体的可压缩四其他性质,2,一、液体的密度,液体单位体积内的质量称为密度。常用“”表示，单位：kg/m3,对于均质液体,3,液压油的密度随着温度或压力的变化而变化，一般随温度升高而减小，随压力增高而加大。但变化不大，通常忽略，一般取=900kg/m3。,4,二、液体的粘性,液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力会阻碍分子间的相对运动而产生一种内摩擦力。这一特性称作液体的粘性。粘性的大小用粘度来表示。,5,液体流动时液层

2、间的内摩擦力与液层接触面积A及液层间的相对运动速度du成正比，而与液层间的距离dy成反比。,：比例常数，称为粘性系数或粘度。du/dy：速度梯度。液体静止时，du/dy=0静止液体不呈现粘性,6,流动液体单位面积上的内摩擦力称为切应力，用“”表示，单位为N/m2（MPa）。,称为牛顿的液体内摩擦定律。,在流体力学中，把粘性系数不随速度梯度变化而发生变化的液体称为牛顿液体，反之称为非牛顿液体。一般液压油均可视为牛顿液体。,7,粘度,动力粘度运动粘度相对粘度0E,8,1.动力粘度,液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上的内摩擦力。,国际单位（SI制）中：帕秒（Pas）或牛顿秒/米2（Ns

3、/m2）；,9,以前沿用单位（CGS制）中：达因秒/厘米2（dyns/cm2），又称泊（P）。换算关系：1Pas=10P=103CP,10,2.运动粘度,动力粘度与液体密度之比值。,SI制：m2/sCGS制：St（斯）、CSt（厘斯）（cm2/s）（mm2/s）换算关系：1m2/s=104St=106CSt,11,运动粘度无物理意义,只是因为/在流体力学中经常出现用代替（/）,运动粘度，常用于液压油牌号标注。,老牌号20号液压油，指这种油在50时的平均运动粘度为20cst。新牌号LHL32号液压油，指这种油在40时的平均运动粘度为32cst。,12,3.相对粘度E,恩氏度0E中国、德国、前苏联

4、等用赛氏秒SSU美国用雷氏秒R英国用巴氏度0B法国用,13,被测定的液体在某一温度下从恩氏粘度计小孔(2.8mm)流出200ml所需的时间t1(s)与蒸馏水在20流出相同体积所需时间t2(s)的比值，称为恩氏粘度。,工业上常用20、50、100作为测定恩氏粘度的标准温度。液压传动中一般以50作为标准测量温度。,14,恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系,15,三、液体的可压缩性,液体受压力作用而发生体积缩小性质。,液体的体积压缩系数：体积为V0的液体，当压力增大p时，体积减小V，则液体在单位压力变化下体积的相对变化量。,常用液压油的压缩系数仅为（57)10-10，一般可忽略不计。,16,四、液体的

5、其它性质,1.粘度和压力的关系P，F，随p而，压力较小时忽略，32Mpa以上才考虑。2.粘度和温度的关系温度，内聚力，粘度随温度变化的关系叫粘温特性，粘度随温度的变化较小，即粘温特性较好。,17,2.1.2对液压油的要求及选用,对液压油的要求液压油的选择,18,一、对液压油的要求,合适的粘度和良好的粘温特性；良好的润滑性；纯净度好，杂质少；对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；,液压油的任务,工作介质传递运动和动力。润滑剂润滑运动部件。,19,抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝固点低。

6、（凝点油液完全失去其流动性的最高温度）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜。总之：粘度是第一位的。,20,二、液压油的选择,1.选择液压油品种2.选择液压油粘度,首先根据工作条件（v、p、T）和元件类型选择油液品种，然后根据粘度选择牌号。慢速、高压、高温：大（以q）快速、低压、低温：小（以P）,21,2.2液体静力学,目的任务,了解液体的静压力及特性掌握液体静力学基本方程式掌握压力的表示方法及单位重点掌握静压传递原理掌握液体对固体壁面的作用力,22,流体静力学研究液体处于相对平衡状态下的力学规律及其实际应用。所谓相对平衡状态是指液体内部各质点间没有相对运动。,23,2.2.1液体的静压力

7、及特性2.2.2液体静力学基本方程式2.2.3压力的表示方法及单位2.2.4静压传递原理2.2.5液体对固体壁面的作用力,24,2.2.1液体的静压力及特性,表面力作用于液体表面上的外力。（法向力、切向力、其它物体或容器对液体或一部分液体作用于另一部分液体等）,作用于液体上的力,质量力作用于液体的所有质点。（如重力、惯性力）,25,液体静压力的定义,液体在单位面积上所受的内法线方向的法向力称为压力。（物理学中称压强）单位为牛顿/平方米(N/m2)，也称帕(Pa)。,在液压技术中，还采用工程大气压、千克力每平方米(kgf/m2)等为单位。,26,液体静压力特性,液体静压力的方向总是沿着作用面的内

8、法线方向。液体在静止状态下不呈现粘性内部不存在切向剪应力而只有法向应力各向压力相等。有一向压力不等，液体就会流动各向压力必须相等,27,2.2.2液体静力学基本方程,例：计算静止液体内任意点A处的压力p。,28,重力作用下静止液体压力分布特征,静止液体内压力沿液深呈线性规律分布；离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相等的点组成的面叫等压面。,静止液体中任一点处的压力由两部分组成,液面外压力p0,液体自重所形成的压力gh,29,2.2.3压力的表示方法及单位,绝对压力以绝对真空为基准来进行度量,相对压力*以大气压力为基准进行度量。相对压力也称表压力。,当液体中某点处的绝对压力p小于大气压力时就

9、会产生真空。绝对压力小于大气压力的数值称为该点的真空度。,30,绝对压力=大气压力+相对压力或相对压力（表压）=绝对压力大气压力真空度=大气压力绝对压力,31,2.2.4静压传递原理,帕斯卡原理（静压传递原理）液压系统压力形成,32,帕斯卡原理（静压传递原理）,通常在液压系统的压力管路和压力容器中，由外力所产生的压力p0要比液体自重所产生的压力gh大许多倍。即对于液压传动，可忽略液体位置高度对于压力的影响，认为静止液体内各处的压力都是相等的。在密闭容器内，液体表面的压力可等值传递到液体内部所有各点。,33,34,35,液压系统压力形成,若F=0，则p=0显然F，则pF，则p结论：液压系统的工作

10、压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。,36,帕斯卡原理应用实例,图中垂直、水平液压缸截面积为A1、A2；活塞上负载为F1、F2。两缸互相连通，构成一个密闭容器，按帕斯卡原理，缸内压力处处相等，p1=p2，于是F2F1.A2/A1，如果垂直液缸活塞上没负载，则在,略去活塞重量及其它阻力时，不论怎样推动水平液压缸活塞，不能在液体中形成压力。,37,2.2.5液体对固体壁面的作用力,作用在平面上的总作用力作用在曲面上的总作用力,38,压力作用在平面上的总作用力当承受压力作用的面是平面时，作用在该面上的压力的方向是互相平行的。故总作用力F等于油液压力p与承压面积A的乘积。即F=p.A对于图中所示

11、的液压缸，油液压力作用在活塞上的总作用力为：F=p.A=p.D2/4式中p油液的压力；D活塞的直径。,39,作用在平面上的总作用力,作用在平面上的总作用力,如：液压缸，设活塞直径为D，则：,40,油液压力作用在曲面上的总作用力,当承受压力作用的表面是曲面时，作用在曲面上的所有压力的方向均垂直于曲面，图中将曲面分成若干微小面积dA，将作用力dF分解为x、y两个方向上的分力，即Fxp.dAsin=p.AxFY=p.dAcos=p.Ay式中，Ax、Ay分别是曲面在x和y方向上的投影面积。,41,作用在曲面上的总作用力,作用在曲面上的总作用力,结论：曲面在某一方向上所受的作用力，等于液体压力与曲面在该

12、方向的垂直投影面积之乘积。,42,2.3液体动力学,研究内容液体运动和引起运动的原因，即研究液体流动时流速和压力之间的关系，主要讨论动力学三个基本方程。目的任务了解流动液体特性、传递规律掌握动力学三大方程、流量和结论重点难点：流量与流速关系及结论,43,2.3.1基本概念,1、理想液体：既无粘性又不可压缩的液体2、恒定流动（稳定流动、定常流动）：流动液体中任一点的p、u和都不随时间而变化流动。反之称非恒定流动或时变流动。,一、理想液体和恒定流动,44,二、流线、流束和通流截面1.流线：某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线。2.流束：通过某截面上所有各点作出的流线集合构成流束。3.通流截面

13、：流束中所有与流线正交的截面（垂直于液体流动方向的截面）。,45,三、流量和平均流速,1.流量：单位时间内流过某通流截面的液体体积q，单位m3/s。工程上也用L/min。对于微小流束通过该通流截面的流量为：,dA：微小流束的通流截面面积。u：液体流过该通流截面的速度。对于微小流束可认为是相等的。,46,流过整个通流截面的流量：,2.平均流速：假设通流截面上流速均匀分布，称其为平均流速v，单位m/s。,47,实际上由于液体具有粘性，液体在管道内流动时，通流截面上各点的流速是不相等的。管道中心处流速最大；越靠近管壁流速越小；管壁处的流速为零。为方便起见，以后所指流速均为平均流速。,48,液压缸的运

14、动速度,q=0v=0qvqv,液压缸中液体的流速均为平均流速，它与活塞的运动速度相同。,结论：液压缸的运动速度取决于进入液压缸的流量，并且随着流量的变化而变化。,49,2.3.2连续性方程质量守恒定律在流体力学中的应用,连续性原理理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量。,50,液体在图示导管中流动，称其为流管，两端的通流截面面积分别为A1、A2。在管道内任取一微小流束，其两端截面积分别为dA1、dA2，流速分别为u1、u2。若液流为恒定流动且不可压缩，则在时间dt内流过两个微小通流截面的液体质量应相等

15、。,连续性方程推导,51,则,对上式积分，得到流过流管通流截面A1、A2的流量为,用v1、v2表示该两通流截面的平均流速：,52,结论：液体在管道中流动时，流过流管不同截面的流量是相等的。当流量一定时，通流截面上的平均速度与其截面积成反比。,53,2.3.3伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用,理想液体没有粘性，它在管内作稳定流动时没有能量损失。根据能量守恒定律，同一管道每一截面上的总能量都是相等的，或：外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的变化量。,一、理想液体的伯努利方程,54,在图中任意取两个截面A1和A2，它们距离基准水平面的坐标位置分别为h1和h2，流速分别为v1、v2，压力分

16、别为p1和p2，根据能量守恒定律有：,55,理想液体伯努利方程的物理意义,在密闭管道内作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、位能和动能。在流动过程中，三种能量之间可以互相转化，但各个过流断面上三种能量之和恒为定值。静压力基本方程则是伯努利方程（在速度为零时）的特例。,56,二、实际液体伯努利方程,实际液体具有粘性液体流动时会产生内摩擦力，从而损耗能量。故应考虑能量损失hw，并考虑动能修正系数，则实际液体伯努利方程为：,对圆管来说，=12紊流时取=1.1，层流时取=2。,57,伯努利方程应用条件,不可压缩液体作恒定流动。液体所受质量力仅为重力，且液流在所取计算点处的通流截面上为缓变流

17、动。所谓缓变流动是指流线之间的夹角很小和曲率半径很大的液流，即流线近似于平行的液流。,58,应用伯努利方程时必须注意的问题,断面1、2需顺流向选取（否则hw为负值），且应选在缓变的过流断面上。断面中心在基准面以上时，h取正值；反之取负值。通常选取特殊位置的水平面作为基准面。,59,在液压传动系统中，管路中的压力常为十几个大气压到几百个大气压，而大多数情况下管路中油液流速不超过6m/s，管路安装高度也不超过5m。故系统中油液流速引起的动能变化和高度引起的位能变化相对于压力能来说，可忽略不计，则：,在液压传动系统中，能量损失主要是压力损失p。,60,伯努利方程应用举例,1.计算泵吸油腔的真空度或泵

18、允许的最大吸油高度,如图，设泵的吸油口比油箱液高h，取油箱液面I和泵进口处截面II列伯努利方程，并取截面I为基准水平面。,p1：油箱液面气压。p2：泵进口处液体压力。,61,一般油箱液面与大气相通，故p1为大气压力，即p1=pa；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v1v2，故v1可忽略不计；p2为泵吸油口的绝对压力，hw为能量损失。因此：,泵吸油口真空度为,62,由上式可知，在泵的进油口处有一定真空度，所谓吸油，实质上是在油箱液面的大气压力作用下把油压入泵内的过程。由上式还可看出，泵吸油口的真空度由三部分组成：产生一定流速所需的压力；把油液提升到高度h所需的压力

19、；吸油管内压力损失。,63,泵吸油口的真空度不能太大，即泵吸油口处的绝对压力不能太低。当压力低于大气压一定数值时，溶解于油中的空气便分离出来形成气泡，产生气穴现象。这时的绝对压力称为空气分离压pg。气穴引起强烈的冲击和噪声，缩短泵的寿命。为避免产生这种现象，必须限制真空度，其方法除了加大油管直径等外，一般要限制泵的吸油高度h,允许的最大吸油高度计算式为:,64,2.计算泵的出口压力,如图，泵驱动液压缸克服负载而运动。设液压缸中心距泵出口处的高度为h，则可根据伯努利方程来确定泵的出口压力。选取I-I，截面列伯努利方程，以截面I-I为基准面。则,因此泵的出口压力为,65,2.3.4动量方程动量定理

20、在流体力学中的应用,动量定理：作用在物体上的外力等于物体单位时间内动量的变化量。,引入动量修正系数,66,结论：作用在滑阀阀芯上的稳态液动力总是力图使阀口关闭。,对于圆管,为简化，可取,X向动量方程：,X向稳态液动力：,紊流时,层流时,67,2.4管路中液体的压力损失,目的任务了解压力损失的定义、类型及其产生的原因掌握减小压力损失的措施重点难点掌握两种压力损失减小的措施,68,2.4管路中液体的压力损失,实际液体具有粘性流动中必有阻力，为克服阻力，须消耗能量，造成能量损失（即压力损失）。分类：沿程压力损失、局部压力损失。液体在管路中流动的能量损失与液体的运动状态有关,69,2.4.1液体的流动

21、状态,一、层流和紊流1.层流：液体质点互不干涉，液体的流动呈线性或层状，层与层之间互不干扰，且平行管道轴线。,层流时，液体流速较低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用。,70,2.紊流（湍流）：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剧烈的横向运动。液体流动不分层，做混杂紊乱流动。,紊流时，液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。,71,二、雷诺数,72,实验表明，液体在管道中的流态既与平均流速有关，也与管径、液体的粘性有关。真正能判断液体流态的是雷诺数。,圆形管道雷诺数：,：管道中液体的平均流速，m/s。,：圆管内径，mm。,：液体的运动粘度，m2/s。

22、,73,实验表明，液体由层流转变为紊流的雷诺数较大，而由紊流转变为层流的雷诺数较小。规定：液体由紊流转变为层流的雷诺数作为判断液流状态的依据，称临界雷诺数Rec。,时，液体层流。反之为紊流。,74,雷诺数是液流的惯性力对粘性力的比值，雷诺数较大，惯性力起主导作用，液流为紊流，雷诺数较小，粘性力起主导作用液流为层流。流管内，液流为层流时，液流各质点运动有规律，能量损失较小，因此液压传动中应尽量使液体在管道中的流动为层流。,75,2.4.2沿程压力损失（粘性损失）,定义:液体沿等径直管流动时，由于液体的粘性摩擦和质点的相互扰动作用，而产生的压力损失。沿程压力损失主要决定于液体的流速、粘性、管路的长

23、度以及油管的内径等，还与液流状态有关。,76,流速分布规律圆管层流的流量圆管的平均流速圆管沿程压力损失圆管紊流的压力损失,77,一、流速分布规律,液体在等径水平直管中作层流运动，速度对称于圆管中心线分布，在某一压力降作用下，速度分布的表达式为：,r=0时，流速最大：,78,二、圆管层流的流量,d：圆管直径，mm。l：圆管长度，mm。,79,三、圆管的平均流速,80,四、圆管沿程压力损失,分子、分母乘以2v,81,称沿程阻力系数。层流时其理论值为64/Re,但由于油液粘度较大及管道进口起始段流动的影响，实际值略大。,一般油液在金属管中流动时取,橡胶管取,82,结论：液流沿圆管作层流运动时，其沿程

24、压力损失与管长、流速、粘度成正比，而与管径的平方成反比。,83,五、圆管紊流的压力损失,紊流流动时的能量损失比层流时要大，截面上速度分布也与层流时不同，除靠近管壁处速度较低外，其余地方速度接近于最大值。其阻力系数可由经验公式求得。,84,管壁粗糙度值与制造工艺有关。一般铸铁管取0.25mm无缝钢管取0.04mm冷拔钢管取0.00150.01mm铝管取0.00150.06mm橡胶软管取0.03mm,85,2.4.2局部压力损失,定义:液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口滤网等局部装置时，液流会产生旋涡，并发生强烈的紊动现象，由此而产生的损失称为局部损失。局部压力损失产生原因：碰撞、旋涡产生

25、附加摩擦。附加摩擦只有紊流时才有，是由于分子作横向动时产生的摩擦，即速度分布规律改变，造成液体的附加摩擦。,86,一般用实验来得出局部阻力系数，然后计算局部压力损失：,局部阻力系数，由实验确定。v平均流速，一般指局部阻力区域下游的流速。,87,液流流经各种阀的局部压力损失可由阀的产品技术规格中查得。查得的压力损失为其在公称流量qn下的压力损失pn。当实际通过阀的流量q不等于公称流量qn时，局部压力损失的计算式为：,88,2.4.4管路系统的总压力损失,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。,计算时，要求两个相邻局部阻力区间的距离（直管长度）大于1020倍直管直径。,8

26、9,减小p的措施,1.减小流速。流速对压力损失的影响最大，特别是局部压力损失与速度的平方成正比。故在液压系统中，管路的流速不应太高。但流速过低又会使管路及阀类元件的尺寸加大，造成成本升高，结构上不允许。2.缩短管路长度。3.减少管路截面的突变。4.提高管壁加工质量等。,90,2.5液体流经孔口和缝隙的流量压力特性2.6液压冲击和气穴现象,目的任务了解流量公式、特点，两种现象产生原因。掌握薄壁孔流量公式及通用方程、两种现象危害及消除。,91,液流流经小孔的流量压力特性是节流调速和液压伺服系统工作原理的基础，而液体流经缝隙的流量公式是计算和分析液压元件和系统泄漏的根据。,2.5液体流经孔口及缝隙的

27、流量压力特性,92,2.5.1小孔流量压力特性,小孔,薄壁小孔l/d0.5细长小孔l/d4短孔0.5l/d4,93,一、薄壁小孔流量压力特性,如图，,液流在小孔上游大约d/2处开始加速并从四周,流向小孔，在小孔出口处的液流在惯性力的作用下，流线不能突然改变方向，使液流通过口以后发生收缩,现象，形成收缩截面A2。对于圆孔，约在小孔下游d/2处完成收缩，而后再开始扩散，造成能量损失。,94,最小收缩面积A2与孔口截面积AT之比称为收缩系数c。,液流收缩的程度取决于Re，孔口及其边缘的形状，孔口离管道内壁的距离等因素。对于圆形小孔，设管道直径为D，小孔直径为d，则：,D/d7时，流束的收缩作用不受管

28、壁的影响，称完全收缩。反之，管壁对收缩作用有影响称不完全收缩。,95,流量特性推导,取孔前通道断面为-通流截面，收缩断面为-通流截面，管道中心为基准面，h1=h2，列伯努利方程如下：,A1A2v1v2,v1可忽略不计。收缩断面流动是紊流2=1；而pw仅为局部压力损失。,96,97,98,令：cq=ccv，称流量系数，则：,完全收缩,Re105时，cq=0.964Re-0.05,Re105时，cq=0.600.62,结论：薄壁小孔的流量与小孔前后压差的1/2次方成正比，且沿程压力损失很小，流量受粘度的影响很小，对油温变化不敏感，且不易堵塞，常用作液压系统节流装置的节流孔。,99,短孔和细长孔的流

29、量压力特性,短孔：,流量系数cq由相关资料查出。结论：短孔较薄壁小孔加工容易，常用作固定的节流器使用。,液流在细长孔中的流动一般为层流：,，称系数。,100,2.5.2液体流经缝隙的流量压力特性,常见缝隙,平面缝隙,环状缝隙,缝隙流动状况,压差流动,剪切流动,101,一、流体流经平行平板缝隙的流量压力特性,1、固定平行平板,液体在两固定平行平板间流动是由压差引起的，称压差流动。,如图，设缝隙度高为，宽度b，长度为l，两端压力为p1、p2，其压差为P。,102,从缝隙中取一微小六面体，左右两端所受压力为p和p+dp，上下两侧面所受切应力为+d和，则在水平方向受力平衡方程为：,“-”表示流速u随y

30、增大而减小。,103,流速u呈抛物线分布，y=0时有最大值。,边界条件：,104,结论：在压差作用下，通过固定平行平板缝隙的流量与缝隙高度的三次方成正比，这说明，液压元件内缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。,105,2.相对运动平行平板缝隙,一个平板以一定速度相对于另一固定平板运动，在无压差的作用下，由于液体的粘性，缝隙间的液体也会流动，称剪切流动。,在压差作用下，液体流经相对运动平行平板缝隙的流量应为压差流动和剪切流动两种流量的叠加。,106,二、液体流经环形缝隙的流量压力特性,环形缝隙,液压缸缸筒与活塞,阀芯与阀孔,分类,同心,偏心,107,如图设圆柱体直径为d，缝隙厚度为，缝隙长度为l，若沿圆周展开，相当于平行平板缝隙b=d。,1.同心环形缝隙流量,当相对运动速度v为0时:,108,2.偏心环形缝隙流量,设偏心距为e，大圆半径为R，小圆半径为r缝隙长为l，内外环的相对运动速度为v，则通过缝隙的流量为：,当内外圆表面没有相对运动时：,109,结论：1)=1时，q偏=2.5q同