第二章 液压传动基础知识

1、第二章：液压传动基础知识,2.1、液体的性质 2.2、液体静力学基础 2.3、液体动力学基础 2.4、管道内的压力损失 2.5、液体流经小孔和间隙的流量 2.6、液压冲击和空穴现象,2.1、液体的性质,一、液体的密度 单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为V、质量为m的液体的密度为 m/V 矿物型液压油的密度随温度和压力而变化的，压力增加密度加大，温度升高而减小但其变动值很小，可认为其为常数，一般矿物油系液压油在20时密度: 850960 kg/m3 。,二、液体的可压缩性 液体受压力作用而发生体积变化的性质。 液体的压缩性可用体积压缩系数（m2/N）表示。,液体体积压缩系数的倒数，称为液体

2、的体积弹性模量，以K表示，即K1/k 液压油的体积模量为（1.41.9）x109N/m2。对于液压系统来说一般以为其不可压缩，但在混入空气，动态性能要求高，压力变化范围大的高压系统中要考虑起影响。实际计算时一般取其体积模量为（0.71.4）x109N/m2。,三、液体的粘性 （一）、粘性的意义 液体在外力作用流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。,:称为动力粘度系数（Pas） :单位面积上的摩擦力（即剪切应力） :速度梯度，即液层间速度对液层距离的变化率,（

3、二）、液体的粘度 液体的粘性用粘度表示。表示方式有：动力粘度、运动粘度、相对粘度。 （1）、动力粘度（绝对粘度），用表示。,物理意义：当速度梯度为dv/dy=1(即单位速度梯度）时，流动液体内接触液层间单位面积上的内摩擦力。 法定计量单位 ：帕秒（Pas）,（2）、运动粘度，用 表示。,运动粘度没有明确的物理意义。在工程中液体的粘度常用的表示方法。 法定计量单位：m2/s 前单位cSt（厘斯），关系为：1 m2/s=106 cSt=106mm2/s,（3）、相对粘度（条件粘度） 根据测量的仪器和条件不同分为：美国的赛氏年度SSU、英国的雷氏粘度R和我国及欧洲的恩氏粘度。 恩氏粘度：它表示200

4、mL被测液体在tC时，通过恩氏粘度计小孔（=2.8mm）流出所需的时间t1，与同体积20C的蒸馏水通过同样小孔流出所需时间t2之比值。,恩氏粘度与运动粘度（mm2/s)之间的换算关系： 当1.35 3.2时 =8 -8.64/ 当 3.2时 =7.6 -4/ ,影响粘度的因素： （1）、压力 液体的粘度随压力的变化而变化，压力增大时粘度增大，在一般的液压传动系统中可忽略其影响，在压力变化很大时按下式计算：,式中：p:压力为P时液体的运动粘度； a：压力为1个大气压时液体的运动粘度。,（2）、温度 粘温特性：粘度随温度变化的特性，温度升高粘度降低。 不同的液体粘温特性不同，在实际的应用中希望工作

5、液体的粘度随温度变化的影响越小越好。,四、液压油（液）的选用 1、液压油（液）的品种及牌号 （1）品种：矿物油型，难燃型 （2）牌号：以粘度的大小划分。 标称粘度等级是40时的运动粘度中心值的近似值表示，单位为mm2/s。 液压油代号示例： L-HM32:L润滑剂类；H液压油（液）组；M防锈、抗氧和抗磨型；32粘度等级为32mm2/s。,2、液压油（液）的选择 （1）选择品种：根据液压系统所处的工作环境、系统的工况条件（压力、温度和液压泵类型）以及技术经济性（价格、使用寿命等），再按液压油（液）各品种的性能综合考虑选择； （2）选择粘度等级：根据系统的工作温度范围，参考液压泵的类型、工作压力等

6、因素确定。,2.2、液体静力学基础,液体静力学研究的内容:液体处于相对平衡状态下的力学规律和这些规律的实际应用。 相对平衡：液体内部质点与质点之间没有相对位移。 一、液体的静压力及其性质 1、液体静压力 液体的受力： 质量力：惯性力、重力 表面力：法向力、切向力 静压力：液体处相对静止时,液体内某点处单位面积上所受的法向力，在物理学中称为压强，在液压传动中称为压力。用p表示：,A:液体内某点处的微小面积； F：液体内某点处的微小面积上所受的法向力。 计量单位：Pa（帕斯卡）或N/m2。工程上一般用KPa和MPa。 1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8104 Pa 1mH2O(米水柱)

7、=9.8103 Pa 1mmHg(毫米汞柱)=1.33102 Pa 1bar(巴) = 105 Pa1.02kgf/cm2 当液体受到外力的作用时就形成液体的压力。 2、液体静压力特性： 1）、液体的静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向 2）、静止液体中任何一点所受到各个方向的压力都相等,二、液体静力学基本方程,液体静力学的基本方程： p=p0+gh,由液体静力学基本方程可知: 1）、静止液体内任一点处的压力由两部分组成，一部分是液面上的压力p0，另一部分是g与该点离液面深度h的乘积。当液面上只受大气压力p0作用时，点A处的静压力则为 p=p0+gh。 2）、液体静压力随液深呈线性规律分布。

8、 3）、离液面深度相同的各点组成的面称为等压面，等压面为水平面。,三、压力的传递 帕斯卡原理（静压力传递原理）：在密闭容器中由外力作用在液面上的压力可以等值地传递液体内部的所有各点。 例题2-1,四、绝对压力、相对压力、真空度 相对压力（表压力）: 以大气压力为基准，测量所得的压力，是高于大气压的部分 绝对压力: 以绝对零压为基准测得的压力 绝对压力=相对压力 + 大气压力 真空度:当绝对压力小于大气压力 时，比大气压力小的那部分数值。 真空度=大气压力-绝对压力,五、液体作用在固体壁面上的力 当承受压力的固体壁面为平面时:则作用在其上的总作用力等于压力与该壁面面积之积 如果承受压力的固体壁面

9、是曲面时:曲面上总作用力在某一方向上的分力等于曲面在与该方向垂直平面内的投影面积与静压力的乘积。,2.3、液体动力学基础,液体动力学基础研究的内容：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的变化规律。 一、基本概念 1、理想液体和稳定流动 理想液体：既无粘性又不可压缩的假想液体。 稳定流动：液体流动时，液体任一点处的压力、速度 和密度都不随时间而变化的流动。 2、过流断面、流量和平均流速 过流断面：液体在管道中流动时，垂直于液体流动方 向的截面。,流量（q）：单位时间流过某一过流断面的液体体积。 单位：m3/s或L/min。 换算为：1 m3/s=6x104L/min 平均流速(v

10、a)：假设的过流断面上各点的流速平均分布的流速。,二、连续性方程（质量守恒定律的表达式）,连续性方程：1a1A1=2a2A2 忽略液体的可压缩性时 a1A1=a2A2 q=aA=常数 （1）、不可压缩液体在管中流动时，流过各个过流截面的流量相等(流量是连续的）。 （2）、通过过流截面的流速与过流截面的面积成反比，管径粗流速低，管径细流速快。,三、伯努利方程（能量守恒定律的表达式）,p/g:单位质量液体的压力能; gh:单位质量液体的位能; V2/2:单位质量液体的动能。,物理意义：在密闭管道内作稳定流动的理想液体具有三种 形式的能量（压力能、位能、动能），在沿管道流动过程 中三种能量之间可以相

11、互转化，但在任一截面处，三种能 量的总和为一常数。,1、理想液体的伯努利方程,ghw:单位质量液体能量的损失; 12:动能修正系数，紊流时取1，层流时取2。,2、实际液体的伯努利方程,实际液体由于存在粘性，流动中会有能量损失。平均流速代替实际流速也会产生偏差。于是需对理想液体的伯努利方程进行修正。,伯努利方程应用实例,液压泵吸油口处的真空度是油箱 液面压力与吸油口处压力p2之差。 液压泵吸油口处的真空度却不能 太大. 实践中一般要求液压泵的 吸油口的高度h不超过0.5米.,X向动量方程： Fx = q (2v 2x-1v1x) X向稳态液动力 ： Fx= -Fx = q (1v1x-2v2x)

12、 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，流量越大，流速越大，则稳态液动力越大。这将增大操纵滑阀所需要的力。,四、动量方程,2.4、管道内的压力损失,1、基本概念 ：在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失 ，压力损失分为两类：沿程压力损失和局部压力损失 2、沿程压力损失： 油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失，这类压力损失是由液体流动时的内、外摩擦力所引起的。 3、局部压力损失： 是油液流经局部障碍（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间，以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失。,一、沿程压力损失

13、 沿程压力损失：液体在等径直管中流动时因内外摩擦而产生的压力损失。 1、流速的分布规律： 液体在直管中作层流运动时，速度对称于圆管中心线并按抛物线规律分布。 2、通过管道的流量：,3、管道内的平均流速： 4、沿程压力损失：,：沿程阻力系数。圆管层流：理论=64/Re，实际=75/Re 橡胶管： =80/Re 紊流：当2.3x103Re105, 0.3164Re-0.25,二、局部压力损失 局部压力损失：液体流经管道的弯头、接头、突变截面以及阀口，致使流速的方向和大小发生剧烈变化形成旋涡、脱流，因而使液体质点相互撞击、造成能量损失。,：局部阻力系数，可查手册 流经各种阀的局部压力损失常用式（2-

14、31）进行计算。,三、管道系统中总压力损失 管道系统中总压力损失：所有的沿程压力损失和所有局部压力损失之和。,危害：油温升高，泄露增多，系统效率降低，影响性能。 改善措施：缩短管路长度，减小管路弯曲和截面的突变，管壁光滑，管径合理，流速低。,2.5、液体流经小孔和间隙的流量,一、液体流经小孔的流量 l/d0.5，薄壁小孔；l/d4，细长孔；0.5l/d4,短孔,1、流经薄壁小孔的流量,Cq：流量系数， Cq=CvCc,当完全收缩（D/d7） Cq=0.600.62，当不完全收缩时， Cq=0.70.8 Cc：收缩系数； Ac：收缩完成处的面积； A：过流小孔截面积。,2、流经细长小孔的流量,比

15、较： 薄壁小孔：流量与压力差P的平方根成正比，因孔短摩擦阻力小，流量受温度和粘度变化的影响小，流量稳定。可做节流孔用（节流阀）。 细长小孔：流量与液体的粘度有关，温度变化引起粘度变化，所以流量受温度变化影响较大。,通用公式：,K：由孔的形状、尺寸和液体性质决定的系数，薄壁孔： K=Cq（2/）0.5，细长孔K=d2/32l 。 m：由孔的长径比决定的指数，薄壁孔：m=0.5，细长孔：m=1，短孔：m=0.51。,二、液体流经间隙的流量,产生泄露的原因： （1）、间隙两端压力差引起压差流动； （2）、间隙的两端面相对运动一起的剪切流动。 1、流经平行平板间隙的流量 （1）、流过固定平行板间的流量

16、,（2）、流过相对运动平行平板间的流量,一平板运动，一平板固定时，仅有剪切流动时：,既有剪切流动又有差压流动时：,长平板相对短平板运动方向与压差流动方向一致时， 取“+”；反之，取“-”。,2、流经环状间隙的流量,（1）、流经同心环状间隙的流量,（2）、流经偏心环状间隙的流量,2.6、液压冲击和空穴现象,一、液压冲击,定义：在液压系统中，由于某种原因引起油液的压力在 瞬间急剧上升的现象。 产生原因：流速突变（关闭阀）或突然改变液流方向（换 向）等原因引起系统中油液压力的骤然升高而产生液压冲击。 危害：引起振动和噪声，导致密封装置、管路和液压元件的损坏，使压力继电器、顺序阀产生误动作等。 避免措施：1、缓慢开关阀门； 2、限制管路中液流的速度； 3 、尽量缩短管道长度，增大管径； 4、系统中设置蓄能器和安全阀； 5、在液压元件中设置缓冲装置（如节流孔）。,二、空穴现象,定义：在液压系统中，由于流速突然变大，供油不足等因素，压力迅速下降至低于空气分离压时，溶解于油液中的空气游离出来形成气泡，这些气泡夹杂在油液中形成气穴的现象。 危害：造成流量和压力的脉动，引起局部液压冲击，造成系统强烈的噪声和振动。会产生气蚀。 避免措施：1、减少液流在阀口处的压力降，p1/p23.5； 2、降低吸油高度（H0.5m)，适当加大吸油管内