第2章 液壓工作介質及其力學基礎 v3

第2章液壓工作介質及其力學基礎§

2.1液壓工作介質§

2.2液體靜力學§

2.3液體動力學§

2.4管道中液流的能量損失§

2.5孔口與縫隙液流特性§

2.6氣穴現(xiàn)象及液壓沖擊2.1.1液壓油主要特性（1）密度

密度隨著溫度或壓力的變化而變化，但變化不大，通常忽略單位體積內液體的質量?！?.1液壓工作介質一般取ρ=900液壓油液的體積將隨壓力的增高而減小的性質。即:單位壓力變化下的體積相對變化量。體積變化初始體積壓力變化（2）可壓縮性用體積壓縮系數(shù)k表示：體積彈性模量K(體積壓縮系數(shù)的倒數(shù))V0一定，在同樣Δp下，K越大,ΔV越小。說明K越大，液體的抗壓能力越強。礦物油K=(1.4~2.0)×109

N/m

2鋼K=2.06×1011

N/m

2K鋼=100~150K油在靜態(tài)下工作時，不考慮液體的可壓縮性。

液體在外力作用下流動（或有流動趨勢）時，分子間的內聚力會產生一種阻礙其相對運動的內摩檫力，這種現(xiàn)象叫做液體的粘性。靜止液體不呈現(xiàn)粘性。（3）粘性①粘性的定義粘性示意圖下板固定上板以u0運動

A點：u=0B點：u=u0

兩板之間液流速度呈線性規(guī)律分布BA式中：η—粘性系數(shù)(粘度)A—液層接觸面積

du/dy—速度梯度兩液層間的內摩擦力：η-液體的粘度②粘性的表示方法b.運動粘度

單位：m2/s單位：Ns/m2

或Pa.Sa.動力粘度(絕對粘度)它直接表示液體的粘性即內摩擦力的大小。如：舊牌號20號機械油，是在溫度為50℃時，其運動粘度的平均值為20㎜2/sc.相對粘度式中：t1

–

油流出的時間

t2－20OC蒸餾水流出時間恩氏粘度與運動粘度的換算關系200mlφ=2.8mm恩氏粘度計

通常以20、50、100OC作為標準測定溫度，記為：恩（中、德、俄）賽（美）雷（英）③粘度與壓力的關系

p↑η↑

應用時忽略影響④粘度與溫度的關系

T↑η↓

影響：η大，阻力大，能耗↑

η小，油變稀，泄漏↑限制油溫：T↑↑，加冷卻器

T↓↓，加熱器（4）其他性質穩(wěn)定性(熱、氧化、水解、剪切）相容性（金屬、密封、涂料）通過添加劑控制抗泡沫性防銹性2.1.2對工作介質的要求合適的粘度，粘溫特性好潤滑性能好雜質少相容性好穩(wěn)定性好抗泡性好、防銹性好凝點低,閃點、燃點高無公害、成本低液壓油的種類石油型難燃型機械油汽輪機油合成型液壓油水-乙二醇液磷酸酯液水包油油包水乳化液合成型抗磨液壓油液壓導軌油2.1.3工作介質的種類2.1.4液壓油液的選用優(yōu)先考慮粘性按工作壓力p高，選η大；p低，選η小按環(huán)境溫度T高，選η大；T

低，選η小按運動速度

v高，選η小；v

低，選η大其他環(huán)境（污染、抗燃）經濟（價格、使用壽命）特殊要求（精密機床、野外工作的工程機械）§2.2液體靜力學2.2.1液體靜壓力及其特性(1)液體靜壓力：靜止液體在單位面積上所受的法向力。(2)靜壓力的兩個特性

1）液體靜壓力垂直于其承壓面，方向和該面的內法線方向一致

2）靜止液體內任一點所受的壓力在各個方向都相等靜止液體：指液體內部質點之間沒有相對運動，至于液體整體完全可以象剛體一樣做各種運動。研究內容：研究液體處于靜止狀態(tài)時的力學性質和平衡規(guī)律。單位:Pa（N／m2）工程上常用:MPa（兆帕）換算關系：1MPa＝106Pa1MPa＝105bar

2.2.2靜壓力基本方程重力作用下的靜止液體，其壓力分布具有如下特征：（1）靜止液體內任一點處的壓力由兩部分組成：一部分是液面上的壓力，另一部分是該點以上液體自重所形成的壓力。（2）靜止液體內的壓力隨液體深度按線性規(guī)律遞增。（3）液面深度相同處各點的壓力均相等，壓力相等的所有點組成的面叫做等壓面。：該點液面深度液體靜壓力基本方程為：液面上的壓力hGPP0AdA2.2.3壓力的表示方法絕對壓力：當壓力以絕對真空為基準度量時，稱為絕對壓力。相對壓力：超過大氣壓力的那部分壓力稱為相對壓力或表壓力。真空度：當絕對壓力低于大氣壓時，將絕對壓力不足于大氣壓力的那部分壓力值稱為真空度。(1)壓力的表示方法

壓力的單位除法定計量單位Pa外，還有以前沿用的一些單位，如bar，工程大氣壓at（即kgf/cm2）、標準大氣壓（atm）、水柱高（mH2O）或汞柱高（mmHg）等。PabarKgf/cm2atatmmH2OmmHg1×10511.019721.019720.9869231.01972×1047.50062×102

由于液壓傳動的用途不同，系統(tǒng)所需要的壓力也不相同，為了便于液壓元件的設計、生產和使用，將壓力分為幾個等級。壓力等級低壓中壓中高壓高壓超高壓壓力（Mpa）≤2.5>2.5～8>8～16>16～32>32表2-5

各種壓力單位的換算關系表2-6壓力分級(2)壓力的單位和等級例2-1

圖2-5所示的容器內充滿kg/m3的液壓油液，活塞上的作用力F=1000N，活塞面積A=1×10-3m2，忽略活塞的重量。試計算活塞下方深度為h=0.5m處的靜壓力p。解：活塞與油液接觸面上的壓力為:則深度為h=0.5m處的液體壓力為:注意:分析液壓系統(tǒng)時,重力所產生上的壓力可忽略據(jù)2.2.4液體靜壓力的傳遞

液壓系統(tǒng)中靜壓力的傳遞服從帕斯卡原理，即:密閉容器內靜止液體的壓力可以等值地向液體中各點傳遞。

根據(jù)帕斯卡原理和靜壓力的特性，液壓傳動不僅可以進行力的傳遞，而且還能將力放大和改變力的方向。

上式表明，只要A1/A2足夠大，用很小的力F2就可產生很大的力F1。液壓千斤頂和水壓機就是按此原理制成的。根據(jù)帕斯卡原理有p1=p2。因此有：2.液壓系統(tǒng)壓力的形成p=F/AF↑p↑

F↓p↓

F=0p=0

結論：液壓系統(tǒng)的工作壓力取決于負載，并且隨著負載的變化而變化。FA可知:

液壓系統(tǒng)中油液的壓力是在前阻后推的情況下產生的；

壓力的大小取決于負載，并隨負載變化而變化；當某處有幾個負載并聯(lián)時，則壓力取決于克服負載的各個壓力值中的最小值。2.2.5靜壓力對固體壁面的作用力

當靜止液體和固體壁面接觸時，固體壁面上各點在某一方向上受到的液體靜壓作用力的總和，即為液體在該方向上作用于固體壁面上的力

當固體壁面為一平面時，平面上各點的靜壓力大小相等，其作用方向于該平面垂直。即當固體壁面為一曲面時，液體壓力在該曲面方向上的分力為§2.3液體動力學2.3.1基本概念(1)實際液體和理想液體理想液體：通常把假設的既無粘性又不可壓縮的液體稱為理想液體實際液體：具有粘性和壓縮性的液體(2)恒定流動和非恒定流動恒定流動：液體流動時，流動空間中每一點上的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，這樣的流動稱為恒定流動非恒定流動：液體流動時，流動空間中每一點上的壓力、速度和密度中只要有一個是時間的函數(shù)，則這樣的流動稱為非恒定流動動畫演示（3）一維流動：當液體整個作線形流動時，稱為一維流動。4、流線、流束和通流截面

流線：某一瞬時，表示液流中各點運動狀態(tài)的一條條光滑曲線。在此瞬時，流線上各質點速度方向與該線相切。注意：由于流動液體中任一質點在其一瞬時只能有一個速度，所以流線之間不可能相交，也不可能突然轉折。

流束：通過某截面上所有各點作出的流線集合構成流束。

通流截面：

流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面。截面上每點處的流動速度都垂直于這個面。2.3.2連續(xù)性方程質量守恒定律在流體力學中的應用

若忽略液體可壓縮性：

按守質量守恒定律，在單位時間內流過兩通流截面的液體質量相等。即上式稱為連續(xù)性方程結論:1)通過流管任一通流截面的流量相等；

2)液體的流速與管道通流截面積成反比；

3)在具有分支的管路中具有q=q1+q2的關系?；?.3.3伯努利方程(1)理想液體的伯努利方程根據(jù)能量守恒定律得到理想液體的伯努利方程為：伯努利方程是能量守恒定律在流體力學中的一種表達形式?；蛲鹘孛嫔先咧蜑橐欢ㄖ?，但三者可以相互轉換，即能量守恒。理想液體的伯努利方程的物理意義是：在管內作定常流動的理想液體的總比能由比位能、比壓能和比動能三種形式的能量組成，在任一

式中Z為單位重量液體所具有的勢能，稱為比位能。(p/ρg)為單位重量液體所具有的壓力能，稱為比壓能。（v2/2g）為單位重量液體所具有的動能，稱為比動能。它們的量綱都為長度。(2)實際液體的伯努利方程其中，為單位質量液體在管路兩截面之間流動的能量損失；為動能修正系數(shù)，的數(shù)值與管路中液體的流態(tài)有關，液體在圓管中層流時，紊流時，實際計算時常取

實際液體具有粘性，因此液體在流動時還需克服由于粘性所引起的摩擦阻力，這必然要消耗能量，假定因粘性而消耗的能量為hw，則實際液體的伯努利方程為：應用伯努利方程時必須注意的問題：1）截面1、2需順流向選?。ǚ駝thw為負），且應選在緩變的通流截面上（使v=0)。

2）截面中心在基準面以上時，z取正值；反之取負值。通常選取特殊位置的水平面作為基準面（使z=0)。例2－12.3.4動量方程

動量方程是動量定理在流體力學中的一種表達形式?？梢杂脕碛嬎懔鲃右后w對固體壁面的作用力。

液體作定常流動時的動量方程為：作用在液體控制體積上的全部外力之和該動量方程表明：等于單位時間內流出控制表面與流入控制表面的液體的動量之差。

例2-2§2.4管道中液流的能量損失

實際液體具有粘性,流動時會損耗一部分能量，這種能量損失就是實際液體伯努利方程中的。本節(jié)解決如何計算問題。一.流態(tài)及其判別方法（一）層流和紊流液體質點互不干擾，液體的流動呈線性或層狀，且平行于管道軸線，這種流動叫層流1.層流：特點：液體流速較低，粘性力起主導作用;能量損失主要是粘性摩擦造成的損失,直接轉化為熱能（液體帶走、傳給管壁）。層流和紊流是兩種不同性質的流態(tài)液體質點的運動雜亂無章，除了平行于管道軸線的運動以外，還存在著劇烈的橫向運動。這種流動叫紊流。2.紊流：特點：液體流速較高，粘性作用減弱，慣性力起主導作用;能量損失主要是動能損失。產生噪聲、振動、漩渦、氣穴等，最終轉化為熱能（液體帶走、傳給管壁）。（二）流態(tài)的判別：雷諾實驗動畫液體流動時，究竟是層流還是紊流與有關要用雷諾數(shù)來判定：雷諾實驗圓形管道雷諾數(shù)：

Re=dv/ν

非圓管道截面雷諾數(shù)：

Re=dHv/ν

過流斷面水力直徑dH=4A/χ

水力直徑大，液流阻力小，通流能力大。臨界雷諾數(shù)Rec：液體從紊流變成層流的雷諾數(shù),是判斷液體流態(tài)依據(jù)光滑金屬管：Rec＝2320Re<Rec為層流

Re>Rec為紊流雷諾數(shù)物理意義：液流的慣性力對粘性力的無因次比

--X濕周長度二.等直徑圓管中的沿程壓力損失定義:液體沿等徑直管流動時，由于液體的粘性摩擦和質點的相互擾動作用，而產生的壓力損失

液體在等徑直管中作層流運動，沿管軸線取一半徑為r，長度為l的小圓柱體壓力損失的大小與液體的流態(tài)有關1.等徑直管中層流的沿程壓力損失

小圓柱體兩端面壓力為p1、p2

，側面的內摩擦力為Ff，其受力平衡方程為：由牛頓內摩擦定律：

代人上式：1）通流截面上流速u分布規(guī)律速度u對稱于圓管中心線并按拋物線規(guī)律分布

分析：2）流量q----泊肅葉公式3）圓管的平均流速：4）圓管沿程壓力損失

=128ηlq/πd4=8ηlq/πR4

將q=πR2v代入上式并簡化得：可知：液流沿等徑直管作層流運動時，其沿程壓力損失與管長、流速、粘度成正比，而與管徑的平方成反比?！擀?ρνRe=dv/νλ=64/Re∴λ：理論值64/Re實際值：光滑金屬管75/Re

非金屬軟管80/Re2.等徑直管中紊流的沿程壓力損失λ=0.3164Re-0.25

（105>Re>4000）λ=0.032+0.221Re-0.237

（3×106>Re>105）λ=[1.74+2lg（d/△）]-2（Re>3×106或Re>900d/△）

∵紊流運動時，△pλ比層流大∴液壓系統(tǒng)中液體在管道內應盡量作層流運動

三.局部壓力損失定義:

液體流經管道的彎頭、接口、突變截面以及閥口、濾網(wǎng)等局部裝置時，液流會產生旋渦，并發(fā)生強烈的紊動現(xiàn)象，由此而造成的壓力損失稱為局部壓力損失。用表示

產生原因：碰撞、旋渦（突變管、彎管)

產生附加摩擦

附加摩擦：只有紊流時才有，是由于分子作橫向運動時產生的摩擦，即速度分布規(guī)律改變，造成液體的附加摩擦

局部壓力損失的計算公式：四.管路系統(tǒng)的總壓力損失整個管路系統(tǒng)的總壓力損失應為所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和:

△p↑→熱能→T↑→△q↑→η↓

↓

↓

傳散污染

減小△p的措施

1

盡量↓l

，↓突變2↑加工質量，力求光滑，ν合適3↑A，↓v

過高△p↑

∵△p∝v2

其中v的影響最大過低尺寸↑成本↑∴一般有推薦流速可供參考，見有關手冊。在液壓傳動中，可將壓力損失寫成如下形式：

∑△p=p1-p2

例題§

2.5孔口和縫隙液流特性液壓系統(tǒng)中的孔和縫隙調節(jié)流量(應用）造成泄漏(防止）都需計算其流量小孔雖小（直徑1mm以內）縫隙雖窄（寬度0.1mm以下）其作用卻不可等閑視之液體流經孔口時的分析：

l

/d≤0.5

薄壁小孔；

l/d≥4

細長小孔；

0.5<l/d≤4短孔。

l為小孔的通流長度；d為小孔的孔徑。

一.孔口壓力流量特性1）流速和流量公式推導：1.薄壁小孔如圖，以管道中心為參考平面，對1—1和2—2截面，列伯努利方程如下：

動畫演示水平放置z1=z2

v1=v2

v1<<vc

α1=α2=1代入方程，則薄壁小孔處的速度：式中：流量：式中：流量系數(shù)截面收縮系數(shù)流量系數(shù)按實驗取得，一般?。盒】捉孛娣e液流收縮后截面積分析：∵q∝√△p

，與η無關∴流過薄壁小孔的流量不受油溫變化的影響薄壁小孔因沿程阻力損失小，流量對油溫變化不敏感，因此被用作節(jié)流閥。結論:2.細長孔

(l

/d>4）

液流經過細長孔的流量和孔前后壓差成正比，和液體粘度成反比，流量受液體溫度影響較大3.短孔（0.5<l

/d

≤4)Cd可按手冊查得短孔比薄壁小孔好加工，常用作固定節(jié)流器縫隙流動的形式二.縫隙壓力流量特性1.平行平板縫隙流量結論：在壓差作用下，通過固定平行平板縫隙的流量與縫隙高度的三次方成正比，這說明，液壓元件內縫隙的大小對其泄漏量的影響是很大的

兩平板既有相對運動，兩端又有壓差2.同心環(huán)縫隙流量設圓柱體直徑為d，間隙厚度為h，間隙長度為l，若沿圓周展開，相當于平行平板間隙，b=πd，則液體通過內外表面間有相對運動情況下同心環(huán)形間隙的流量為：3.偏心環(huán)縫隙流量結論：1）ε=1時q偏

=2.5q同

2）ε=0時即同心圓環(huán)縫隙

3）∵q與ε2成正比，ε↑q↑∴應盡量做成同心，以減小泄漏量

δ—內外圓同心時的間隙ε—相對偏心率，ε＝ｅ/δ。§2.6氣穴現(xiàn)象及液壓沖擊2.6.1氣穴現(xiàn)象

液壓系統(tǒng)中，由于某種原因（如速度突變），使壓力降低而使氣泡產生的現(xiàn)象。稱為氣穴現(xiàn)象。（2）產生原因

壓力油流過節(jié)流口、閥口或管道狹縫時，速度升高，壓力降低；

液壓泵吸油管道較小，阻力增大，吸油高度過大，壓力降低。（1）定義（3）氣穴現(xiàn)象引起的結果1）液流不連續(xù)，流量、壓力脈動2）系統(tǒng)發(fā)生強烈的振動和噪聲3）發(fā)生氣蝕減小小孔和縫隙前后壓力降，希望p1/p2<3.5。增大直徑、降低高度、限制流速。管路要有良好密封性防止空氣進入。提高零件抗腐蝕能力:采用抗腐蝕能力強的金屬材料，減小表面粗糙度。整個管路盡可能平直，避免急轉彎、縫隙。

（4）防止措施2.6.2液壓沖擊（1）定義

液壓系統(tǒng)中，由于某種原因（如速度急劇變化），引起壓力突然急劇上升，形成很高壓力峰值的現(xiàn)象稱為液壓沖擊

如：急速關閉自來水管可能使水管發(fā)生振動，同時發(fā)出噪聲（2）液壓沖擊產生的原因1）閥門突然開閉2）運動部件突然制動或換向，使壓力升高3）系統(tǒng)中某些元件動作不靈敏，也會產生沖擊（3）液壓沖擊的危害∵液壓沖擊峰值壓力>>工作壓力∴1）引起振動、噪聲

2）導致某些元件如密封裝置、管路等損壞

3）使某些元件（如壓力繼電器、順序閥等）產生誤動作（4）減小液壓沖擊的措施

1）延長閥門關閉和運動部件制動換向的時間。2）限制管道流速及運動部件速度v管<5m/s，

v缸<10m/min。3）加大管道直徑，盡量縮短管路長度。4）采用軟管，以增加系統(tǒng)的彈性。5）設置卸荷閥和蓄能器本章結束謝謝!類型名稱ISO代號特性和用途礦物油型普通液壓油L-HL精制礦物油加添加劑，提高抗氧化和防銹性能，適用于室內一般設備的中低壓系統(tǒng)抗磨液壓油L-HML-HL油加添加劑，改善抗磨性能，適用于工程機械、車輛液壓系統(tǒng)低溫液壓油L-HVL-HM油加添加劑，改善粘溫特性，可用于環(huán)境溫度在-20℃～40℃的高壓系統(tǒng)高粘度指數(shù)液壓油L-HRL-HL油加添加劑，改善粘溫特性，VI值達175以上，適用于對粘溫特性有特殊要求的低壓系統(tǒng)，如數(shù)控機床液壓系統(tǒng)液壓導軌油L-HGL-HM油加添加劑，改善粘一滑性能，適用于機床中液壓和導軌潤滑全損耗系統(tǒng)用油L-HH淺度精制礦物油，抗氧化性、抗泡沫性較差，主要用于機械潤滑，用于要求不高的低壓系統(tǒng)汽輪機油L-TSA深度精制礦物油加添加劑，改善抗氧化、抗泡沫等性能，為汽輪機專用油，用于一般液壓系統(tǒng)乳化型水包油乳化液L-HFA又稱高水基液，特點是難燃、粘溫特性好，有一定的防銹能力，潤滑性差，易泄漏。適用于有抗燃要求、油液用量大且泄漏嚴重的系統(tǒng)油包水乳化液L-HFB既具有礦物油型液壓油的抗磨、防銹性能，又具有抗燃性，適用于有抗燃要求的中壓系統(tǒng)合成型水—乙二醇液L-HFC難燃，粘溫特性和抗蝕性好，能在-30℃～60℃溫度下使用，適用于有抗燃要求的中低壓系統(tǒng)磷酸酯液L-HFDR難燃，潤滑抗磨性能和抗氧化性能良好，能在-54℃～135℃溫度范圍內使用；缺點是有毒。適用于有抗燃要求的高壓精密度液壓系統(tǒng)液壓油的