第二章-液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)

1.液壓油的物理性質(zhì)

密度

單位體積液體的質(zhì)量

可壓縮性

體積壓縮系數(shù)

體積彈性模量

粘性

液體流動(dòng)時(shí)分子之間產(chǎn)生的一種內(nèi)摩擦力

，用動(dòng)力粘度，運(yùn)動(dòng)粘度，相對(duì)粘度來度量。定義：液體在外力作用下流動(dòng)(或有流動(dòng)趨勢(shì))時(shí)，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子相而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力。這種阻礙液體分子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)叫做液體的粘性。

液體的粘性下板固定上板以u(píng)0運(yùn)動(dòng)附著力A點(diǎn)：u=0B點(diǎn)：u=u0內(nèi)摩擦力兩板之間液流速度逐漸減小式中：—粘性系數(shù)(粘度)

A—液層接觸面積du/dy—速度梯度—牛頓內(nèi)摩擦定律——兩液層的速度差——兩液層間的距離切應(yīng)力:粘度2)運(yùn)動(dòng)粘度單位：m2/s1)動(dòng)力粘度單位：Pa.S（帕秒）3)相對(duì)粘度(恩氏粘度)式中：t1

–油流出的時(shí)間

t2－20OC蒸餾水流出時(shí)間恩氏粘度與運(yùn)動(dòng)粘度的換算關(guān)系通常以20、50、100OC作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定溫度，記：粘度與壓力的關(guān)系

p↑

↑應(yīng)用時(shí)忽略影響

粘度與溫度的關(guān)系

T↑↓影響：

大，阻力大，能耗↑

小，油變稀，泄漏↑

液壓油的品種和選用HH液壓油是一種不含任何添加劑的精制礦物油。這種油雖列入分類之中，但因其穩(wěn)定性差，易起泡，使用周期短，故在液壓系統(tǒng)中不宜使用。HL液壓油是由精制深度較高的中性基礎(chǔ)油，加入抗氧化、防銹添加劑調(diào)制而成，屬防銹抗氧型。該油在抗氧化、防銹、消泡和抗乳化等性能方面均優(yōu)于HH油，具有減少磨損、降低溫升、防止銹蝕的作用，且其使用壽命較HH長(zhǎng)一倍以上?？捎糜诘蛪阂簤合到y(tǒng)和機(jī)床主軸箱、齒輪箱或類似機(jī)械設(shè)備中，HL油在我國已被定為機(jī)械油的升級(jí)換代產(chǎn)品。

HM油的配制比較復(fù)雜，除添加防銹、抗氧劑以外，還要加油性和極壓抗磨劑、金屬鈍化劑、破乳化劑和消泡劑等。國際上抗磨液壓油已廣泛應(yīng)用在各類低、中、高壓液壓系統(tǒng)及中等負(fù)荷機(jī)械的潤(rùn)滑部位。

HR液壓油是在HL油基礎(chǔ)上添加粘度指數(shù)添加劑而成，使油粘度隨溫度的變化減小。適用于環(huán)境溫度變化較大的低壓液壓系統(tǒng)及輕負(fù)荷機(jī)械的潤(rùn)滑部位。

HG液壓油是在HM油基礎(chǔ)上添加抗粘滑劑(油性劑或減摩劑)。該油不僅具有良好的防銹、抗氧化、抗磨性能，而且具有良好的抗粘滑性，在低速下防爬行效果好，是一種既具有液壓油的一般性能，又具有導(dǎo)軌油性能的多功能潤(rùn)滑油，目前的液壓一導(dǎo)軌油屬這一類。對(duì)于液壓及導(dǎo)軌潤(rùn)滑為同一油路系統(tǒng)的精密機(jī)床，宜采用HG油。

Hv及HS油均屬寬溫度變化范圍下使用的低溫液壓油，都具有低傾點(diǎn)(油液在試驗(yàn)條件下，冷卻到能夠流動(dòng)的最低溫度)，優(yōu)良的抗磨性，低溫流動(dòng)性和低溫泵送性，且粘度指數(shù)均大于l30。但是HV油的低溫性能稍遜于HS油，HS油的成本高于HV油。HV油主要用于寒冷地區(qū)，HS油主要用于嚴(yán)寒地區(qū)。

難燃液壓液的分類及特點(diǎn)HFAE(高水基乳化液)

組成：由95％的水與5％含精制礦物油(或其他類型油類)及多種添加劑(包括乳化劑、防銹劑、防霉劑、消泡劑等)的濃縮液混合而成特點(diǎn)：形成以水為連續(xù)相、油為分散相的水包油乳化液，呈乳白色。它的潤(rùn)滑性、過濾性、乳化穩(wěn)定性等均較差，不宜作液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)，在國內(nèi)煤礦液壓支架中被廣泛使用。

1）HFA(高水基液、HWBF或HWCF)

HFAS(高水基合成液)

組成：不含油，由95％的水和5％含有多種水溶性添加劑(包括抗磨、防銹、防霉、防氧化、氣相防蝕劑等)的濃縮液混合而成。特點(diǎn)：透明，過濾性好，抗磨性優(yōu)于HFAE，適用于低壓液壓系統(tǒng)。HFAM(高水基微乳化液)

組成：由95％的水和5％含有高級(jí)潤(rùn)滑油與多種添加劑(含油性和極壓添加劑)的濃縮液混合而成。特點(diǎn)：它與HFAE的主要區(qū)別是其中油以非常微小粒子(2tim以下)的形式分散在水中。半透明，兼有HFAE和HFAS的優(yōu)點(diǎn)，其抗磨性、過濾性、穩(wěn)定性均較好。適用于中、低壓液壓系統(tǒng)。組成：由40％的水和60％的精制礦物油，再加入乳化劑、防銹劑、抗磨劑、抗氧劑、防霉劑等調(diào)制而成的以油為連續(xù)相，水為分散相的油包水乳化液，乳白色，優(yōu)點(diǎn)：潤(rùn)滑性、防銹蝕性等均較好(優(yōu)于HFA和HFC)，與礦物油相容的金屬材料(鎂、鉛除外)、橡膠密封材料(聚氨酯除外)，也與HFB相容，且有較好的抗燃性，價(jià)格較低，無毒無味等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：乳化穩(wěn)定性差(油水易分離)，過濾性差，為非牛頓液體、剪切穩(wěn)定性差，其粘度隨含水量增加而增大。

2）HFB(油包水乳化液)

組成：含有35％～55％的水，其余為能溶于水的乙二醇、丙二醇或其聚合物，以及水溶性的增粘、抗磨、防銹、消泡等添加劑。優(yōu)點(diǎn)：良好的抗燃性、低溫流動(dòng)性(凝點(diǎn)低，可在一20--5012的溫度范圍內(nèi)使用)以及粘溫特性(粘度指數(shù)l40～170)，穩(wěn)定性好，使用壽命較長(zhǎng)。缺點(diǎn)：抗磨性能差；與鋅、錫、鎂、鎘、鋁、聚氨酯膠及普通耐油涂料等均不相容；汽化壓力高，易產(chǎn)生氣蝕；與礦油型液壓油混合后易生油泥；粘度隨含水量減少而顯著增加；廢液不易處理。3）HFC(zk．乙二醇)

組成：是一種以化學(xué)合成液體為基礎(chǔ)的無水液壓液。HFDR系磷酸酯，HFDS系氯化烴，HFDT系前兩者的混合物，HFDU系指其他成分的無水合成液。應(yīng)用較多的是磷酸酯。優(yōu)點(diǎn)：具有良好的潤(rùn)滑性、抗燃性(自燃溫度可高達(dá)近60012)及抗氧化性，揮發(fā)性低，對(duì)大多數(shù)金屬不腐蝕，使用溫度范圍較廣(-6～65℃)。缺點(diǎn)：價(jià)格貴(為液壓油的5～8倍)；不能用一般的耐油橡膠和耐油涂料，需用氟橡膠(最佳)、丁基膠、乙丙膠、聚四氟乙烯、環(huán)氧樹脂漆等；混入水分時(shí)會(huì)發(fā)生水解，生成磷酸使金屬腐蝕；對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；有刺激性氣味和輕度毒性。4）HFD(無水合成液)

液壓油的選用工作壓力

液壓系統(tǒng)壓力較高時(shí)泄漏問題較為突出，此時(shí)應(yīng)選擇粘度較大的油液。反之，則應(yīng)選擇粘度較小的油液。工作速度

液壓系統(tǒng)中工作部件運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，油液的流速也高，壓力損失較大。此時(shí)應(yīng)選擇粘度較小的油液。反之，則選擇粘度大的油液。環(huán)境溫度

礦物油的粘度由于溫度的影響變化很大，當(dāng)溫度高時(shí)，宜采用粘度較高的油液，周圍環(huán)境溫度較低時(shí)，采用粘度較低的油液。綜合經(jīng)濟(jì)分析選擇工作介質(zhì)還要通盤考慮價(jià)格和使用壽命等成本問題。

液壓油的選用工作壓力

液壓系統(tǒng)壓力較高時(shí)泄漏問題較為突出，此時(shí)應(yīng)選擇粘度較大的油液。反之，則應(yīng)選擇粘度較小的油液。工作速度

液壓系統(tǒng)中工作部件運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，油液的流速也高，壓力損失較大。此時(shí)應(yīng)選擇粘度較小的油液。反之，則選擇粘度大的油液。環(huán)境溫度

礦物油的粘度由于溫度的影響變化很大，當(dāng)溫度高時(shí)，宜采用粘度較高的油液，周圍環(huán)境溫度較低時(shí)，采用粘度較低的油液。綜合經(jīng)濟(jì)分析選擇工作介質(zhì)還要通盤考慮價(jià)格和使用壽命等成本問題。

使用液壓油的注意事項(xiàng)及識(shí)別油品品種的簡(jiǎn)易方法

應(yīng)保持液壓油的清潔，防止金屬屑和纖維等雜物進(jìn)入油中。換油時(shí)要徹底清洗油箱，注入新油時(shí)必須過濾。油箱內(nèi)壁一般不要涂刷油漆，以免油中產(chǎn)生沉淀物質(zhì)。在液壓系統(tǒng)合適部位設(shè)置合適的過濾器，并定期檢查、清洗或更換。為防止空氣進(jìn)入系統(tǒng)，回油管口應(yīng)在油箱液面以下，并將管口切成斜面；液壓泵和吸油管路應(yīng)嚴(yán)格密封；液壓泵和油管安裝高度應(yīng)盡量小些，以減少液壓泵吸油阻力；必要時(shí)在系統(tǒng)的最高處設(shè)置放氣閥。定期檢查油液質(zhì)量和油面高度。應(yīng)保證油箱的溫升不超過液壓油允許的范圍，通常不超過700C，否則應(yīng)進(jìn)行冷卻調(diào)節(jié)。

1）使用液壓油時(shí)的注意事項(xiàng)

看由于不同種類的油品具有不同的顏色，有經(jīng)驗(yàn)的管理人員用肉眼即可鑒別出品種。通常，淺色的是蒸餾出的油及精制程度深的油；深色的是殘?jiān)图熬瞥潭葴\的油。嗅工作介質(zhì)的氣味，一般分為酸味、香味、醚味及酒精味等。一般來說，普通液壓油有酸味，合成磷酯有醚味，蓖麻油型制動(dòng)液有酒精味。搖搖動(dòng)裝有油液的無色玻璃瓶，視油膜掛瓶狀況及氣泡的狀態(tài)，可判定油液粘度。油膜掛瓶薄、氣泡多、氣泡直徑小、上升快及消失快，這些特征都表明油品粘度小。摸通過摸的感覺可以區(qū)別礦物油型油品的精制程度。通常，精制程度高的油液，其光滑感強(qiáng)。2）識(shí)別油品品種的簡(jiǎn)易方法

液壓油的污染及控制

固體顆粒會(huì)使泵的滑動(dòng)部分(如葉片泵中的葉片和葉片槽、轉(zhuǎn)子端面和配油盤)磨損加劇，縮短泵的使用壽命水的侵入會(huì)加速油液的氧化，并和添加劑起作用，產(chǎn)生粘性膠質(zhì)，使濾芯堵塞。空氣的混入能降低油液的體積模量，引起氣蝕，降低其潤(rùn)滑性能。微生物的生成使油液變質(zhì)，降低潤(rùn)滑性能，加速元件腐蝕不正當(dāng)?shù)臒崮堋㈧o電能、磁場(chǎng)能及放射能也常被認(rèn)為會(huì)對(duì)油液產(chǎn)生污染，有的會(huì)使油溫超過規(guī)定限度，導(dǎo)致油液變質(zhì)，有的則導(dǎo)致火災(zāi)。1）液壓油污染的危害

降低溫度，減小溫差，延緩氧化速度，減少蒸發(fā)及氧化損失。對(duì)于盛裝容器，除根據(jù)氣溫變化留出必要的膨脹空間外，盡量裝滿，達(dá)到安全容量，以減少油液蒸發(fā)及降低油液氧化速度。盛裝同品種油液的兩個(gè)或多個(gè)容器未裝滿時(shí)，要及時(shí)合并。零星發(fā)放使用時(shí)，待一個(gè)容器的油液發(fā)完后，再動(dòng)用另一個(gè)容器容器孔口應(yīng)嚴(yán)加密封，防止油液蒸發(fā)和污染。注意容器清洗，盡可能做到容器專用。加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)督，不合格油品不出庫。做到“存新發(fā)舊、優(yōu)質(zhì)后用”，易變質(zhì)和變質(zhì)快的油品先出庫。液壓油使用到一定時(shí)期后，因其老化變質(zhì)，性能下降，為保證液壓系統(tǒng)能正常工作，應(yīng)更換新油。2）液壓油污染的控制

液壓油液的換油周期及常用們幾種常用換油方法

定期換油法根據(jù)主機(jī)工況條件、環(huán)境條件及液壓系統(tǒng)所用油品，規(guī)定換油周期。目測(cè)檢驗(yàn)換油法定期從運(yùn)行的液壓系統(tǒng)中抽取油樣，經(jīng)與新油對(duì)比或?yàn)V紙分析，檢測(cè)其狀態(tài)變化(如油液變黑、發(fā)臭、變成乳白色等)或感覺油已很臟，決定換油。定期取樣化驗(yàn)換油法定期測(cè)定一些項(xiàng)目（稱為換油指標(biāo)，如黏度、酸值、水分及污染度、腐蝕性)，與規(guī)定的油液劣化指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，一旦一項(xiàng)或幾項(xiàng)超過換油指標(biāo)，就必須換油。換油指標(biāo)因主機(jī)類型、工作條件及油品不同而異，但定期檢測(cè)的項(xiàng)目大同小異。2.流體靜力學(xué)基礎(chǔ)液體靜壓力及其特性靜力學(xué)基本方程壓力的表示方法及單位

帕斯卡原理

作用在大活塞上的負(fù)載F1形成液體壓力

p1=F1/A1

小活塞上應(yīng)施加一個(gè)推力F2，缸內(nèi)的壓力為p2：

p2=F2/A2

根據(jù)帕斯卡原理p1=p2=p，則：F1/A1=F2/A2

=p即：F1=F2A1/A2

液體作用于固體表面上的力

液體和固體壁面接觸時(shí)，固體壁面將受到液體靜壓力的作用pDDFFdp基本概念3.流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)液體的流動(dòng)狀態(tài)雷諾雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)非圓直管雷諾數(shù)：R為水力半徑為濕周臨界雷諾數(shù)Ｒec連續(xù)性方程伯努利方程α:動(dòng)能修正系數(shù),為截面上單位時(shí)間內(nèi)流過液體所具有的實(shí)際動(dòng)能，與按截面上平均流速計(jì)算的動(dòng)能之比（層流時(shí)α=2，紊流時(shí)α=1）:單位重量液體所消耗的能量實(shí)際液體的伯努利方程伯努利方程應(yīng)用實(shí)例例１－２例１－４１１P122P2hh22１

由于流動(dòng)液體具有粘性，以及流動(dòng)時(shí)突然轉(zhuǎn)彎或通過閥口會(huì)產(chǎn)生撞擊和旋渦，因此液體流動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生阻力。為了克服阻力，流動(dòng)液體會(huì)損耗一部分能量，這種能量損失可用液體的壓力損失來表示。

壓力損失由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成。

液流在管道中流動(dòng)時(shí)的壓力損失和液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失4.管路內(nèi)壓力損失的計(jì)算1）沿程壓力損失液體在等直徑管中流動(dòng)時(shí)因摩擦而產(chǎn)生的損失，稱為沿程壓力損失。與管道的長(zhǎng)度,內(nèi)徑,流速,粘度,流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。因液體的流動(dòng)狀態(tài)不同沿程壓力損失的計(jì)算有所區(qū)別。層流時(shí)沿程壓力損失:這種沿等直徑管流動(dòng)時(shí)的壓力損失λ:沿程壓力損失系數(shù),其理論值為.當(dāng)流動(dòng)液體為液壓油時(shí)，2）局部壓力損失液體流經(jīng)管道的閥口、彎管、截面積變化等局部阻力處時(shí)，由此造成的壓力損失稱為局部壓力損失。

∑Δp=∑Δpλ+∑Δpξ3）管道系統(tǒng)中的總壓力損失整個(gè)液壓系統(tǒng)的總壓力損失應(yīng)為所有沿程壓力損失和所有的局部壓力損失之和。薄壁小孔

薄壁小孔是指小孔的長(zhǎng)度和直徑之比l/d＜0.5的孔。圖

通過薄壁小孔的流體薄壁小孔液流式中

Cv——小孔速度系數(shù)，；Δp——小孔前后的壓差，。由此得流經(jīng)小孔的流量為式中A0——小孔的截面積；Cc——截面收縮系數(shù)，Cc=Ac/A0；Cd——流量系數(shù)，Cd=CcCv。短孔和細(xì)長(zhǎng)孔1）當(dāng)孔的長(zhǎng)度和直徑之比0.5<l/d≤4時(shí)，稱為短孔。2）當(dāng)孔的長(zhǎng)度和直徑之比l/d＞4時(shí)，稱為細(xì)長(zhǎng)孔式中，液體流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)孔的流量和孔前后壓差Δp成正比，而和液體粘度μ成反比。因此流量受液體溫度變化的影響較大。這一點(diǎn)和薄壁小孔的特性明顯不同。5.液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象定義：在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)突然關(guān)閉或開啟液流通道時(shí)，在通道內(nèi)液體壓力發(fā)生急劇交替升降的波動(dòng)過程稱為液壓沖擊危害：液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生液壓沖擊時(shí)，瞬時(shí)壓力峰值有時(shí)比正常壓力要大好幾倍，這就容易引起液壓設(shè)備振動(dòng)，導(dǎo)致密封裝置、管道和元件的損壞。有時(shí)還會(huì)使壓力繼電器、順序閥等液壓元件產(chǎn)生誤動(dòng)作，影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用中必須防止或減小液壓沖擊。

產(chǎn)生液壓沖擊的原因當(dāng)管道內(nèi)的液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，如某一瞬時(shí)將液流通路迅速切斷(如閥門迅速關(guān)閉)，則液體的流速將突然降為零。液壓系統(tǒng)中的高速運(yùn)動(dòng)部件突然制動(dòng)時(shí)，也可引起液壓沖擊。因運(yùn)動(dòng)部件換向或制動(dòng)時(shí)，常用控制閥關(guān)閉回油路，使油液不能繼續(xù)排出，但由于運(yùn)動(dòng)部件的慣性而將繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，使封閉的油液受到擠壓，其壓力急劇升高而產(chǎn)生液壓沖擊。當(dāng)液壓系統(tǒng)中的某些元件反應(yīng)不靈敏時(shí)，也可能造成液壓沖擊。如溢流閥不能在系統(tǒng)壓力升高時(shí)及時(shí)打開，限壓式變量泵不能在油壓升高時(shí)自動(dòng)減少輸油量等，都會(huì)出現(xiàn)壓力超調(diào)現(xiàn)象，因而造成液壓沖擊。沖擊壓力當(dāng)管道內(nèi)的液體運(yùn)動(dòng)時(shí)，如某一瞬時(shí)將液流通路迅速切斷(如閥門迅速關(guān)閉)，則液體的流速將突然降為零。液壓系統(tǒng)中的高速運(yùn)動(dòng)部件突然制動(dòng)時(shí)，也可引起液壓沖擊。因運(yùn)動(dòng)部件換向或制動(dòng)時(shí)，常用控制閥關(guān)閉回油路，使油液不能繼續(xù)排出，但由于運(yùn)動(dòng)部件的慣性而將繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，使封閉的油液受到擠壓，其壓力急劇升高而產(chǎn)生液壓沖擊。當(dāng)液壓系統(tǒng)中的某些元件反應(yīng)不靈敏時(shí)，也可能造成液壓沖擊。如溢流閥不能在系統(tǒng)壓力升高時(shí)及時(shí)打開，限壓式變量泵不能在油壓升高時(shí)自動(dòng)減少輸油量等，都會(huì)出現(xiàn)壓力超調(diào)現(xiàn)象，因而造成液壓沖擊。1.管內(nèi)液流速度突變引起的液壓沖擊圖

液流速度突變引起的液壓沖擊設(shè)上圖中管道的截面積和長(zhǎng)度分別為A和l，管道中液體的流速為v，密度為ρ，則根據(jù)能量守恒定律，液體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成液體的壓力能，即所以式中Δpmax——液壓沖擊時(shí)壓力的升高值；

K’——計(jì)及管壁彈性后的液體等效體積模量；

c——壓力沖擊波在管道中的傳播速度，即壓力沖擊波在管道中的傳播速度可按下式計(jì)算式中K——液體的體積模量；

d——管道的內(nèi)徑；

δ——管道的壁厚；

E——管道材料的彈性模量。壓力沖擊波在管道中液壓液內(nèi)的傳播速度c一般在890~1420m/s范圍內(nèi)。如果閥門不是全部關(guān)閉，而是部分關(guān)閉，使液體的流速v降到v’，則只要在式（1-64）中以（v-v’）代替v，便可求得這種情況下的壓力升高值，即一般，依閥門閉時(shí)間常把液壓沖擊分為兩種：當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)間時(shí)，稱為直接液壓沖擊（又稱完全沖擊）。當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)間，稱為間接液壓沖擊（又稱不完全沖擊）。此時(shí)壓力升高值比直接沖擊時(shí)小。2.運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)引起的液壓沖擊運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)引起的液壓沖擊設(shè)運(yùn)動(dòng)部件在制動(dòng)時(shí)的減速時(shí)間為Δt，速度的減小值為Δv，則根據(jù)動(dòng)量定律可近似地求得左腔內(nèi)的沖擊壓力Δp，由于故有式中Σm——運(yùn)動(dòng)部件（包括活塞和負(fù)載）的總質(zhì)量；

A——液壓缸的有效工作面積；Δt——運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)時(shí)間；Δv——運(yùn)動(dòng)部件速度的變化值，Δv=v-v′；

v——運(yùn)動(dòng)部件制動(dòng)前的速度；

v′——運(yùn)動(dòng)部件經(jīng)過Δt時(shí)間后的速度。上式的計(jì)算忽略了阻尼、泄漏等因素，其值比實(shí)際的要大些，因而是偏安全的。