第二章液压传动基础

第二章液压传动基础 第一节工作介质第二节流体静力学基础第三节流动液体动力学基础第四节液体在管道中流动时压力损失的计算第五节液压冲击和空穴现象

第一节工作介质 一、工作介质的种类主要分为：石油型、合成型、乳化型目前，90%以上的液压设备采用石油型液化油。二、工作介质的主要性质 1、粘性液体在外力作用下流动时，其流动受到牵制，且在流动截面上各点的流速不同。各层液体间有相互牵制作用，这种相互牵制的力称作液体内的摩擦力或粘性力。 T=μA. du/dz 或τ=μ.du/dz μ－液体动力粘度； τ－单位面积上地摩擦力； du/dz－速度梯度，此式又称为牛顿内摩擦定律。液体动力粘度与液体密度之比称为运动粘度ν，即：ν=μ/ρ。当压力增加时，粘度有所增加；液体的粘度对温度很敏感，温度略升高，粘度显著降低。

2、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。体积压缩系数式中：Δp-压力的增量，V0-压缩前液体体积，ΔV-体积的增量。由于ΔV是负值（体积减小），在式子右边增加一个负号以保证k为正数。另外，工程上常用液体体积弹性模量K来表示其可压缩性，取 K=1/k。 3、其他性质物理性质：密度、润滑性、防锈性、闪点、凝点、抗燃性、抗凝性、抗泡沫性、抗乳化性等。化学性质：热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、对密封材料不浸蚀不溶胀性等。

三工作介质的选择 正确而合理地选用液压油，乃是保证液压设备高效率正常运转的前提。选用液压油时，可根据液压元件生产厂样本和说明书所推荐的品种号数来选用液压油，或者根据液压系统的工作压力、工作温度、液压元件种类及经济性等因素全面考虑，一般是先确定适用的粘度范围，再选择合适的液压油品种。同时还要考虑液压系统工作条件的特殊要求，如在寒冷地区工作的系统则要求油的粘度指数高、低温流动性好、凝固点低；伺服系统则要求油质纯、压缩性小；高压系统则要求油液抗磨性好。在选用液压油时，粘度是一个重要的参数。粘度的高低将影响运动部件的润滑、缝隙的泄漏以及流动时的压力损失、系统的发热温升等。所以，在环境温度较高，工作压力高或运动速度较低时，为减少泄漏，应选用粘度较高的液压油，否则相反。液压油的旧牌号(即数字)表示在40℃下油液运动粘度的平均值(单位为cSt)。新牌号中的数字表示在50℃时油液运动粘度的平均值。总的来说，应尽量选用较好的液压油，虽然初始成本要高些，但由于优质油使用寿命长，对元件损害小，所以从整个使用周期看，其经济性要比选用劣质油好些。

三、工作介质的使用及其污染的控制1. 污染的原因：(1)液压系统的管道及液压元件内的型砂、切屑、磨料、焊渣、锈片、灰尘等污垢在使用前未冲洗干净；(2)外界的灰尘、砂粒等进入液压油里；(3)液压系统本身也不断地产生污垢，而直接进入液压油里。2. 污染的危害：液压油污染严重时，直接影响液压系统的工作性能，使液压系统经常发生故障，使液压元件寿命缩短。水分和空气的混入使液压油的润滑能力降低并使它加速氧化变质，产生气蚀，使液压元件加速腐蚀，使液压系统出现振动、爬行等。3.防止污染的措施：(1)使液压油在使用前保持清洁。(2)使液压系统在装配后、运转前保持清洁。 (3)使液压油在工作中保持清洁。(4)采用高性能的滤油器。。(5)定期更换液压油。(6)控制液压油的工作温度。

第二节 流体静力学基础一、静压力及其特性1、静压力静压力是指液体处于静止状态时，其单位面积上所收的法向作用力。静压力在液压传动中简称为静压力，而在物理学中则称为压强。可表示为： P=F/A我国法定的压力单位为牛顿/米2(N/m2)，称为帕斯卡，简称帕(Pa)。在液压技术中，目前还采用的压力单位有巴(bar)和工程大气压、千克力每平方米(kgf/cm )等。2、静压力特性（1）液体静压力的方向总是沿着作用面的法线方向，只能承受法向压力。（2）静止液体中任何一点所受到各个方向压力都相等。

二、液体静压力基本方程如图所示容器中盛有液体，作用在液面上的压力为P0，现在求离液面h深处A点压力，在液体内取一个底面包含A点的小液柱，设其底部面积为A，高为h。这个小液柱在重力及周围液体的压力作用下，处于平衡状态。则在垂直方向上的力平衡方程为 P=P0+ρgh=P0+γh 其中ρ为液体的密度， γ为液体的比重。静压力的分布规律上式即为静压力基本方程式，它说明了：（1）静止液体中任意点的静压力是液体表面上的压力和液柱重力所产生的压力之和。当液面接触大气时，P0为大气压力Pa，故有 P=Pa+γh 。（2）同一容器同一液体中的静压力随深度的增加线性地增加。（3）连通器内，同一液体中深度相同的各点压力都相等。

三、压力的传递由静压力基本方程式 P=P0+γh 可知，液体中任何一点的压力都包含有液面压力P0，或者说液体表面的压力P0等值的传递到液体内所有的地方。这称为帕斯卡原理或静压传递原理。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γh大许多倍。即对于液压传动来说，一般不考虑液体位置高度对于压力的影响，可以认为静止液体内各处的压力都是相等的。右图是运用帕斯卡原理寻找推力和负载间关系的实例。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，则按帕斯卡原理，缸内压力到处相等，p1=p2，于是F2＝F1 . 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。

四、绝对压力、相对压力和真空度 绝对压力:以绝对零压力作为基准所表示的压力。相对压力:以当地大气压力为基准所表示的压力，也称表压力.真空度:相对压力为负数时，工程上称为真空度。真空度的大小以此负数的绝对值表示。显然绝对压力＝大气压力＋相对压力（表压力）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

五、液体作用在固体壁面上的力 1、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。 2、当承受压力的表面为曲面时：由于压力总是垂直于承受压力的表面，所以作用在曲面上各点的力不平行但相等。要计算曲面上的总作用力，必须明确要计算哪个方向上的力。作用在曲面上的液压力在某一方向上的分力等于静压力与曲面在该方向投影面积的乘积。这一结论对任意曲面都适用。

第三节流动液体动力学基础 一、基本概念 1、理想液体与恒定流动理想液体：指没有粘性、不可压缩的液体。实际液体：既具有粘性又可压缩的液体。恒定流动：如果空间上的运动参数p、v及ρ在不同的时间内都有确定的值，即它们只随空间点坐标的变化而变化，不随时间t变化，对液体的这种运动称为定常流动或恒定流动。非恒定流动：只要有一个运动参数随时间而变化，则就是非定常流动或非恒定流动。 2、流量和平均流速流量：单位时间内通过通流截面的液体体积，即 qv=V /t，常用单位为L/min。流速：液流质点在单位时间内流过的距离，即u=s/t, 常用单位为m/s。平均流速：指通流截面通过的流量qv与该通流截面面积A的比值，用v来表示，即 v = qv /A

3、层流、紊流和雷诺数 液体在管道中流动时存在两种不同状态，即层流和紊流，可通过实验观察。层流：在液体运动时，如果质点没有横向脉动，不引起液体质点混杂，而是层次分明，能够维持安定的流束状态的流动。紊流：如果液体流动时质点具有脉动速度，引起流层间质点相互错杂交换的流动。液体流动时究竟是层流还是紊流，须用雷诺数来判别。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、液体的运动粘度υ有关。雷诺数：由平均流速v、管径d、液体的运动粘度υ所组成的一个无量纲纯数，用Re表示， Re=vd/υ 当液流的雷诺数Re小于临界雷诺数时，液流为层流；反之为紊流。

二、液流连续性方程 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 上式称为连续性方程，它说明在同一管路中无论通流面积怎么变化，只要没有泄漏，液体通过任意截面的流量是相等的；同时还说明了在同一管路中通流面积大的地方液体流速小。通流面积小的地方则液体流速大；此外，当通流面积一定时，通过的液体流量越大，其流速也越大。

三、伯努利方程 1、理想液体的伯努力方程理想液体没有粘性，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。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Z1和Z2，流速分别为v1、v2，压力分别为p1和p2，根据能量守恒定律有：P1/r+z1+v12/2g=P2/r+z2+v22/2g 可改写成 P/r+z+v2/2g=常量以上两式即为理想液体的伯努利方程，式中每一项的量纲都是长度单位，分别称为水头、位置水头和速度水头。伯努利方程的物理意义为：在管内作稳定流动的理想液体具有压力能、位能和动能三种形式的能量。在任意截面上这三种能量都可以相互转换，但其总和保持不变。而静压力基本方程则是伯努利方程（在速度为零时）的特例。

2、实际液体的伯努力方程 伯努利方程的适用条件为： ①稳定流动的不可压缩液体，即密度为常数。 ②液体所受质量力只有重力，忽略惯性力的影响。 ③所选择的两个通流截面必须在同一个连续流动的流场中是渐变流（即流线近于平行线，有效截面近于平面）。而不考虑两截面间的流动状况。实际液体具有粘性，当它在管中流动时，为克服内摩擦阻力需要消耗一部分能量，所以实际液体的伯努利方程为： P1/r+z1+v12/2g=P2/r+z2+v22/2g +hw 式中：hw为以水头高度表示的能量损失当管道水平放置时，由于z1=z2，方程可简化为：P1/r+V12/2g=P2/r+V22/2g+hw 当管道为等径直管且水平放置时，方程可简化为： P1/r= P2/r+hw

第四节液体在管道中流动时压力损失的计算 实际液体具有粘性，在液体流动时就有力，为了克服阻力，就必然要消耗能量，这样就有能量损失。能量损失主要表现为压力损失，这就是实际液体伯努利方程中最后一项的意义。压力损失过大，将使功率消耗增加，油液发热，泄漏增加，效率降低，液压系统性能变坏。因此在液压技术中正确估算压力损失的大小，从而找到减少压力损失的途径。液压系统中的压力损失分为两类：一是油液流经直管时的压力损失，称为沿程压力损失。这类压力损失是由液体流动时的内摩擦力引起的。二是油液流经局部障碍时，由于液流的方向和速度突然变换，在局部区域形成漩涡，引起液体质点相互撞击和剧烈摩擦因而产生的压力损失，这种损失称为局部压力损失。

一、沿程压力损失 油液在直管中流动的沿程压力损失可用达西公式： ΔPy=λ(l/d)(ρv2/2) 式中: λ－沿程阻力系数； l－直管长度； d –管道直径；v－油液的平均流速；ρ－油液密度。公式说明了压力损失ΔP与管道长度及流速v的平方成正比，而与管子的内径成反比。至于油液的粘度，管壁粗糙度和流动状态等都包含在λ内。 1.层流时沿程阻力系数的确定 2.紊流时沿程阻力系数 的确定层流时沿程阻力系数的理论值为：=64/Re 在实际工程应用中: 液压油在金属管中流动时，常取：=75/Re 在橡皮管中流动时，取=80/Re 其阻力系数由试验求得。当2.3x103<Re<105时，可用勃拉修斯公式求得： =0.3164Re-0.25

二、局部压力损失 局部压力损失是液流流经管道截面突然变化的弯管、管接头以及控制阀阀口等局部障碍处时的压力损失。计算式为： Δpj=ξ(ρv2/2) 式中:ξ－局部阻力系数,查手册；V－液流流速。三、管路系统总压力损失液压系统中管路通常由若干段管道串联而成。其中每一段又串联一些诸如弯头、控制阀、管接头等形成局部阻力的装置，因此管路系统总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失ΔPy及所有局部压力损失ΣΔPj之和。即： ΔP=ΣΔPy+ΣΔPj =Σλ(l/d)(ρv2/2)+Σξρ(ρv2/2)

第五节液体流经小孔和间隙的流量 一、液流流经小孔的流量式中：m为指数，当孔口为薄壁小孔时，m＝0.5，当孔口为细长孔时，m＝1； K为孔口的通流系数，孔口为薄壁孔时，K＝Cq(2/ρ)0.5；当孔口为细长孔时，K＝d2/32μl 由上式可见：小孔中通过的流量均与其过流断面面积A成正比，改变A即可改变小孔流入液压缸或液压马达的流量，从而达到对运动部件进行调速的目的。

二、液流流经间隙的流量 1．液体流经平行平板间隙的流量流经固定平行平板间隙的流量 Q=bδ3/12μl·Δp 两平行平板有相对运动时的间隙流量 Q=bδ3/12μl·Δp±bδν0/2 2、液体流经环形间隙的流量流经同心环形间隙的流量 Q=(πdδ3/12μl)Δp±πdδν0/2 流经偏心环形间隙的流量 Q=(πdδ3/12μl)Δp(1+1.5ε2)±πdδν0/2

第五节液压冲击和空穴现象 一、液压冲击液压冲击：在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间会突然升高，产生很高的压力峰值的现象。液压冲击的危害性：液压冲击产生的压力峰值往往比正常工作压力高好几倍，且常伴有噪声和振动，从而损坏液压元件、密封装置、管件等。液压冲击的类型： 1、液流通道迅速关闭或液流迅速换向使液流速度的大小或方向突然变化时，由于液流的惯力引起的液压冲击。 2、运动着的工作部件突然制动或换向时，因工作部件的惯性引起的液压冲击。 3、某些液压元件动作失灵或不灵敏，使系统压力升高而引起的液压冲击。减少液压冲击的措施： 1、使完全冲击改变为不完全冲击 2、限制管中油液的流速 3、用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸收液压冲击的能量。 4、在容易出现液压冲击的地方，安装限制压力升高的安全阀。

二、空穴现象 空穴现象：在液体流动中，因某点处的压力低于空气分离压而产生大量气泡的现象。减少空穴现象的措施： 1、减小阀孔前后的压差，一般应使油液在阀前与阀后的压力比P1/P2<3.5 2、正确设计液压泵的结构参数。适当加大吸油管的内径，尽量避免管路急剧转弯，良好的接头密封，及时更换滤油器，设置辅助泵等。 3、提高零件的机械强度。

第二章 液压传动基础