液壓第二章節(jié)

液壓第二章節(jié)第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動了解與液壓傳動技術有關的流體力學基本內容流體力學的質量守恒定律（連續(xù)性方程式）、能量守恒定律（伯努利方程式）、動量定律（動量方程式）小孔流量公式；液壓沖擊和氣穴現象及其減小措施；目的任務:

重點難點:

第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動Part2.1

液壓傳動的工作介質

工作介質：在傳動及控制中起傳遞能量和信號的作用。還起潤滑、冷卻和防銹的作用。流體傳動及控制（包括液壓與氣動），在工作、性能特點上和機械、電氣傳動之間的差異主要取決于載體的不同，前者采用工作介質。因此，掌握液壓與氣動技術之前，必須先對其工作介質有一基本了解。第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動1.物理性質密度

單位體積液體所具有的質量稱為該液體的密度。即：

（2-1）式中ρ—液體的密度；

V—液體的體積；

m—液體的質量。第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日第一章流體力學基礎液壓與氣壓傳動常用液壓傳動工作介質的密度值見表1-2

工作介質密度ρ/（kg·m－3）工作介質密度ρ/（kg·m－3）抗磨液壓液L－HM32抗磨液壓液L－HM46油包水乳化液L－HFB水包油乳化液L－HFAE0.8×1030.8875×1030.932×1030.9977×103水－乙二醇液壓液L－HFC通用磷酸脂液壓液L－HFDR飛機用磷酸酯液壓液L－HFDR10號航空液壓油1.06×1031.15×1031.05×1030.85×103表2-1

常用液壓傳動工作介質的密度（20℃）液體的密度隨著壓力或溫度的變化而發(fā)生變化，但其變化量一般很小，在液壓系統相關計算中可以忽略不計。第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動可壓縮性液體因所受壓力增高而發(fā)生體積縮小的性質稱為可壓縮性。若壓力為p0時液體的體積為V0，當壓力增加Δp，液體的體積減小ΔV，則液體在單位壓力變化下的體積相對變化量為：式中，k稱為液體的壓縮率，也稱為壓縮系數。由于壓力增加時液體的體積減小，兩者變化方向相反，為使k成為正值，在上式右邊須加一負號。液體壓縮率k的倒數，稱為液體體積模量，即第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動表2-2所示為各種工作介質的體積模量。由表中石油基液壓油體積模量的數量可知，它的可壓縮性是鋼的100~170倍（鋼的體積模量為2.1×105MPa）。工作介質體積模量K/MPa工作介質體積模量K/MPa石油基液壓油水包油乳化液油包水乳化液（1.4~2）×1031.95×1032.3×103水－乙二醇液壓液磷酸酯液壓液3.45×1032.65×103表2-2

各種工作介質的體積模量（20℃，大氣壓）第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動石油基液壓油的體積模量與溫度、壓力有關：溫度升高時，K值減小，在液壓油正常工作溫度范圍內，K值會有5%~25%的變化；壓力增加時，K值增大，但這種變化不呈線性關系，當p≥3MPa時，K值基本上不再增加。由于空氣的可壓縮性很大，因此當工作介質中有游離氣泡時，K值將大大減小。但是在液體內游離氣泡不可能完全避免，因此，一般建議石油基液壓油K的取值為（0.7~1.4）×103MPa，且應采取措施盡量減少液壓系統工作介質中的游離空氣的含量。一般情況下，工作介質的可壓縮性對液壓系統性能影響不大，但在高壓下或研究系統動態(tài)性能及計算遠距離操縱的液壓機構時，則必須予以考慮。第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動粘性1）粘性的表現

液體在外力作用下流動時，分子間內聚力的存在使其流動受到牽制從而沿其界面產生內摩擦力，這一特性稱為液體的粘性。圖2-1

液體粘性示意圖現以圖2-1為例說明液體的粘性。若距離為h的兩平行平板間充滿液體，下平板固定，而上平板以速度u0向右平動，由于液體和固體壁面間的附著力及液體的粘性，會使流動液體內部各液層的速度大小不等：緊靠著下平板的液層速度為零，緊靠著上平板的液層速度為u0

，而中間各層液體的速度當層間距離h較小時，從上到下近似呈線性遞減規(guī)律分布。其中速度快的液層帶動速度慢的；而速度慢的液層對速度快的起阻滯作用。hydyu0yxO第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動實驗測定表明，流動液體相鄰液層間的內摩擦力Ff與液層接觸面積A、液層間的速度梯度du/dy成正比，即：（2-4）式中，比例系數μ稱為粘性系數或動力粘度。若以τ表示液層間的切應力，即單位面上的內摩擦力，則上式可表示為：（2-5）這就是牛頓液體內摩擦定律。由此可知，在靜止液體中，速度梯度du/dy=0，故其內摩擦力為零，因此靜止液體不呈現粘性，液體只在流動時才顯示其粘性。

第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動2）粘性的度量度量粘性大小的物理量稱為粘度。常用的粘度有三種，即動力粘度、運動粘度、相對粘度。動力粘度μ由式（2-6）可知，動力粘度μ是表征流動液體內摩擦力大小的粘性系數。其量值等于液體在以單位速度梯度流動時，單位面積上的內摩擦力，（2-7）在我國法定計量單位制及SI制中，動力粘度μ的單位是Pa·s（帕·秒）或用N·s/m2（?！っ?米2）表示。如果動力粘度只與液體種類有關而與速度梯度無關，這種液體稱為牛頓液體，否則為非牛頓液體。石油基液壓油一般為牛頓液體。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動運動粘度v

液體動力粘度與其密度之比稱為該液體的運動粘度v，即（2-8）在我國法定計量單位制及SI制中，運動粘度v的單位是m2/s（米2/秒）。因其中只有長度和時間的量綱，故得名為運動粘度。國際標準ISO按運動粘度值對油液的粘度等級（VG）進行劃分，見表2-4

。粘度等級40℃時粘度平均值40℃時粘度范圍粘度等級40℃時粘度平均值40℃時粘度范圍VG10VG15VG22VG32101522329.00~11.013.5~16.519.8~24.228.8~35.2VG46VG68VG100466810041.4~50.661.2~74.890.0~110表2-4

常用液壓油運動粘度等級第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動相對粘度相對粘度是根據特定測量條件制定的，故又稱條件粘度。測量條件不同，采用的相對粘度單位也不同。如恩氏粘度?E（歐洲一些國家）、通用塞氏秒SUS（美國、英國）、商用雷氏秒R1S（英、美等國）和巴氏度?B（法國）等。國際標準化組織ISO已規(guī)定統一采用運動粘度來表示油的粘度。第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動3）溫度對粘度的影響溫度變化使液體內聚力發(fā)生變化，因此液體的粘度對溫度的變化十分敏感：溫度升高，粘度下降（見圖2-2）。這一特性稱為液體的粘－溫特性。粘－溫特性常用粘度指數VI來度量。VI表示該液體的粘度隨溫度變化的程度與標準液的粘度變化程度之比。通常在各種工作介質的質量指標中都給出粘度指數。粘度指數高，說明粘度隨溫度變化小，其粘－溫特性好。一般要求工作介質的粘度指數應在90以上，優(yōu)異在100以上。當液壓系統的工作溫度范圍較大時，應選用粘度指數高的介質。第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動幾種典型工作介質的粘度指數列于表2-5

。介質種類粘度指數VI介質種類粘度指數VI石油基液壓油L－HM石油基液壓油L－HR石油琪液壓油L－HG≥95≥160≥90油包水乳化液L－HFB水－乙二醇液L－HFC磷酸酯液L－HFDR130~170140~170－31~170表2-5

典型工作介質的粘度指數VI第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動4）壓力對粘度的影響

壓力增大時，液體分子間距離縮小，內聚力增加，粘度也會有所變大。但是這種影響在低壓時并不明顯，可以忽略不計；當壓力大于50MPa時，其影響才趨于顯著。壓力對粘度的影響可用下式計算：vp=vaecp≈va(1+cp)

式中p—液體的壓力，單位為MPa；

vp—壓力為p時液體的運動粘度，單位為m2/s；

va—大氣壓力下液體的運動粘度，單位為m2/s；

e—自然對數的底；

c—系數，對于石油基液壓油，c=0.015~0.035MPa-1

第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動4、為使液壓系統長期保持正常的工作性能，對其工作介質提出的要求是：1）可壓縮性可壓縮性盡可能小，響應性好；2）粘性溫度及壓力對粘度影響小，具有適當的粘度，粘溫特性好；3）潤滑性通用性對液壓元件滑動部位充分潤滑；4）安定性不因熱、氧化或水解而變質，剪切穩(wěn)定性好，使用壽命長；5）防銹和抗腐蝕性對鐵及非鐵金屬的銹蝕性小；6）抗泡沫性介質中的氣泡容易逸出并消除；7）抗乳化性除含水液壓液外的油液，油水分離要容易；8）潔凈性質地要純凈，盡可能不含污染物，當污染物從外部侵入時能迅速分離；9）相容性對金屬、密封件、橡膠軟管、涂料等有良好的相容性；10）阻燃性燃點高，揮發(fā)性小，最好具有阻燃性；11）其他對工作介質的其他要求還有；無毒性和臭味；比熱容和熱導率要大；體脹系數要小等。第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日SchoolofMechanicalEngineering東南大學機械工程學院液壓與氣壓傳動能夠同時滿足上述各項要求的理想的工作介質是不存在的。液壓系統中使用的工作介質按國際標準組織（ISO）的分類（我國國家標準GB/T7631.2—1987與此等效）如表2-2所示。工作介質類別組成與特性代號石油基液壓液無添加劑的石油基液壓液HH+抗氧化劑、防銹劑HL+抗磨劑HL+增粘劑HM+增粘劑HM+防爬劑無特定難燃性的合成液（特殊性能）L－HHL－HLL－HML－HRL－HVL－HGL－HS難燃液壓液含水液壓液高含水液壓液水包油乳化液水的化學溶液

含水大于80%（休積分數）L－HFAL－HFAEL－HFAS油包水乳化液

含水小于80%（體積分數）L－HFB含聚合物水溶液/水－乙二醇液L－HFC合成液壓液磷酸酯無水合成液L－HFDL－HFDR氯化烴無水合成液L－HFDSHFDR和HFDS液混合的無水合成液L－HFDT其他成分的無水合成液L－HFDU表2-2

液壓傳動工作介質的種類第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動目前90%以上的液壓設備采用石油基液壓油液?；蜑榫频氖蜐櫥宛s分。為了改善液壓油液的性能，以滿足液壓設備的不同要求，往往在基油中加入各種添加劑。添加劑有兩類：一類是改善油液化學性能的，如抗氧化劑、防腐劑、防銹劑等；另一類是改善油液物理性能的，如增粘劑、抗磨劑、防爬劑等。為了軍事目的，近年來在某些艦船液壓系統中，也有以海水或淡水為工作介質的。而且正在逐漸向水下作業(yè)、河道工程、海洋開發(fā)等領域延伸。第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動工作介質的選用和維護正確而合理地選用和維護工作介質對于液壓系統達到設計要求、保障工作能力、滿足環(huán)境條件、延長使用壽命、提高運行可靠性、防止事故發(fā)生等方面都有重要影響。第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動

工作介質的選擇選擇工作介質時要考慮的因素如表2-3所示?？紤]方面內容系統工作環(huán)境是否阻燃（閃點、燃點）抑制嗓聲的能力（空氣溶解度、消泡性）廢液再生處理及環(huán)保要求系統工作條件壓力范圍（潤滑性、承載能力）溫度范圍（粘度、粘－溫特性、剪切損失、熱穩(wěn)定性、揮發(fā)度、低溫流動性）轉速（氣蝕、對支承面浸潤能力）工作介質的品質物理化學指標對金屬和密封件等的相容性過濾性能、吸氣情況、去垢能力銹蝕性抗氧化穩(wěn)定性剪切穩(wěn)定性經濟性價格及使用壽命貨源情況維護、更換的難易程度表2-3選擇工作介質時考慮的因素第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動工作介質的選擇通常要經歷下述四個基本步驟：1）列出液壓系統對工作介質以下性能變化范圍的要求：粘度、密度、體積模量、飽和蒸氣壓、空氣溶解度、溫度界限、壓力界限、阻燃性、潤滑性、相容性、污染性等；2）查閱產品說明書，選出符合或基本符合上述各項要求的工作介質品種；3）進行綜合權衡，調整各方面的要求和參數；4）與供貨廠商聯系，最終決定所采用的合適工作介質。第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動2.工作介質的污染及其控制選擇好合適的工作介質僅是保障液壓系統正常工作的先決條件，而要保持液壓裝置長期高效而可靠地運動，則必須對工作介質進行合理的使用和正確的維護。實際上，如果使用不當，還會使工作介質的性質發(fā)生變化。工作介質的維護關鍵是控制污染。實踐證明，工作介質被污染是系統發(fā)生故障的主要原因，它嚴重影響著液壓系統的可靠性及元件的壽命。第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動2）污染原因工作介質遭受污染的原因是多方面的，污染物的來源如表2-9所示。表中液壓裝置組裝時殘留下來的污染物主要是指切屑、毛刺、型砂、磨粒、焊渣、鐵銹等；從周圍環(huán)境混入的污染物主要是指空氣、塵埃、水滴等；在工作過程中產生的污染物主要是指金屬微粒、銹斑、涂料和密封件的剝離片、水分、氣泡以及工作介質變質后的膠狀生成物等。外界侵入的污染物工作過程中產生的污染物工作介質運輸過程中帶來的污染物液壓裝置組裝時殘留下來的污染物從周圍環(huán)境混入的污染物液壓裝置中相對運動件磨損時產的污染物工作介質物理化學性能變化時產生的污染物表2-9

工作介質中的污染物第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動1）污染物種類及其危害液壓系統中的污染物，是指混入工作介質中的各種雜物，如固體顆粒、水、空氣、化學物質、微生物和污染能量等。工作介質被污染后，將對系統及元件產生下述不良后果：固體顆粒會加速元件磨損，堵塞縫隙及過濾器，使液壓泵和閥性能下降，產生噪聲；水侵入液壓油會加速油液的氧化，并與添加劑起作用產生粘性膠質，使濾心堵塞；空氣的混入會降低工作介質的體積模量，引起氣蝕，降低潤滑性；溶劑、表面活性化合物等化學物質使金屬腐蝕；微生物的生成使工作介質變質，降低潤滑性能，加速元件腐蝕，對高水基液壓液的危險更大。第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動3）污染度等級

工作介質的污染度是指單位體積工作介質中固體顆粒污染物的含量，即工作介質中所含固體顆粒的濃度。為了定量地描述和評定工作介質的污染程度，以便對它實施控制，有必要制定污染度的等級標準。國際標準ISO4406：1987污染度等級見表2-3。該等級采用兩個數碼表示工作介質中固體顆粒的污染度，前面的數碼代表1mL工作介質中尺寸≥5μm的顆粒數等級，后面的數碼代表1mL工作介質中尺寸≥15μm的顆粒數等級，在兩個數碼之間用一斜線分離。例如，污染等級為20/17的液壓油，表示它在每毫升內≥5μm的顆粒數在5000~10000之間，≥15μm的顆粒數在640~1300之間。第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動常用的控制工作介質污染的措施有：嚴格清洗元件和系統。液壓元件在加工的每道工序后都應凈化，裝配后再仔細清洗，以清除在加工和組裝過程中殘留的污染物。系統在組裝前，先清洗油箱和管道，組裝后再進行全面徹底的沖洗；防止污染物從外界侵入。在貯存、搬運及加注的各個階段都應防止工作介質被污染。工作介質必須經過過濾器注入系統。設計時可在油箱呼吸孔上裝設空氣過濾器或采用密封油箱，防止運行時塵土、磨料和冷卻物侵入系統。另外，在液壓缸活塞桿端部應裝防塵密封，并經常檢查定期更換；采用高性能的過濾器。這是控制工作介質污染度的重要手段，它可使系統在工作中不斷濾除內部產生的和外部侵入的污染物。過濾器必須定期檢查、清洗和更換濾心；控制工作介質的溫度。工作介質的抗氧化、熱穩(wěn)定性決定了其工作溫度的界限。因此，液壓裝置必須具備良好的散熱條件，使工作介質長期處在低于它開始氧化的溫度下工作。一般液壓系統的工作溫度最好控制在65℃以下，機床液壓系統應更低一些；保持系統所有部位良好的密封性?？諝馇秩胂到y將直接影響工作介質的物理化學性能。因此，一旦發(fā)生泄漏，應立即排除；定期檢查和更換工作介質并形成制度。每隔一定時間，對系統中的工作介質進行抽樣分析。如發(fā)現污染度已超過標準，必須立即更換。在更換新工作介質前，整個系統必須先清洗一次。第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動Part2.3

流體靜力學本節(jié)主要介紹液體靜力學。液體靜力學是研究靜止液體的力學規(guī)律以及這些規(guī)律的應用。這里所說的靜止液體是指液體內部質點間沒有相對運動而言。第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動Part2.3.1

靜壓力及其特性

靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。靜壓力在液壓傳動中簡稱壓力，在物理學中則稱為壓強。靜止液體中某點處微小面積ΔA上作用有法向力ΔF，則該點的壓力定義為：（2-10）若法向作用力F均勻地作用在面積A上，則壓力可表示為：（2-11）第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動我國采用法定計量單位Pa來計量壓力，1Pa=1N/m2。液壓技術中習慣用MPa，1MPa=106Pa。液體靜壓力有三個重要特性：1）液體靜壓力垂直于承壓面，其方向和該面的內法線方向一致。這是由于液體質量點間的內聚力很小，不能受拉只能受壓之故；2）靜止液體內任一點所受到的壓力在各個方向上都相等。如果某點受到的壓力在某個方向上不相等，那么液體就會流動，這就違背了液體靜止的條件。3）在密封容器內，施加于靜止液體上的壓力將以等值傳遞到液體中的所有各點，這就是帕斯卡原理，或稱為液壓傳遞原理。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動3.壓力的表示方法根據度量基準的不同，壓力有兩種表示方法：以絕對零壓力作為基準所表示的壓力，稱為絕對壓力；以當地大氣壓力為基準所表示的壓力，稱為相對壓力。絕對壓力與相當對壓力之間的關系如圖2-3所示。絕大多數測壓儀表因其外部均受大氣壓力作用，所以儀表指示的壓力是相對壓力。今后，如不特別指明，液壓傳動中所提到的壓力均為相對壓力。圖2-3

絕對壓力與相對壓力間的關系pap>pap<pap=0第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動如果液體中某點處的絕對壓力小于大氣壓力，這時該點的絕對壓力比大氣壓力小的那部分壓力值，稱為真空度。真空度=大氣壓力－絕對壓力

（2-12）絕對壓力=表壓力+大氣壓力

（2-13）第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期日液壓與氣壓傳動Part2.2.3

靜壓力基本方程

1.靜壓力基本方程圖2-4

重力作用下的靜止液體在