液壓與氣動技術(shù) 第2版 課件 項目二 液壓傳動基礎(chǔ)

項目二液壓傳動基礎(chǔ)【項目要點】◆能正確選擇液壓油的牌號?！裟苷_使用液壓油?！裟苡嬎阋簤合到y(tǒng)的壓力損失的大小。【知識目標】◆掌握液壓油的物理性質(zhì)?！粽莆找后w靜力學基礎(chǔ)知識?！粽莆找后w動力學基礎(chǔ)知識?！袅私庖簤簺_擊與氣穴現(xiàn)象。項目任務(wù)任務(wù)一液壓油的認知任務(wù)二液體靜力學基礎(chǔ)知識的認知任務(wù)三液體動力學基礎(chǔ)知識的認知任務(wù)四液體流動的壓力損失任務(wù)五液流流經(jīng)孔口及隙縫的特性任務(wù)六液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象任務(wù)一液壓油的認知任務(wù)目標：了解液壓油的作用；掌握液壓油的黏度的物理意義；掌握液壓油的黏度特性及可壓縮性；掌握液壓油的選用原則；了解液壓油的分類；了解液壓油污染與防治的有關(guān)問題。任務(wù)描述：測量液壓油黏度的方法；熟悉液壓油的選用及其主要物理性能；液壓系統(tǒng)的清洗。液壓油液壓油是液壓系統(tǒng)中借以傳遞能量的工作介質(zhì)，還兼有潤滑、密封、冷卻、防銹等功能，因此液壓油的質(zhì)量（物理、化學性能）的優(yōu)劣，尤其是力學性能對液壓系統(tǒng)的工作的影響很大。所以，在研究液壓系統(tǒng)之前，必須對所用的液壓油的性能進行深入了解，以便進一步理解液壓傳動的基本原理。液壓油的物理性質(zhì)1.液體的密度液體單位體積內(nèi)的質(zhì)量稱為密度，通常用“p”表示，單位為kg/m3。p=m/v（2-1）式中：m——液體質(zhì)量，kg；v——液體體積，

。式（2-1）說明：液壓油的密度隨壓力的升高而增大，隨溫度升高而減小。但由于壓力和溫度對密度變化的影響都極小，一般可認為液體的密度為一常數(shù)。液壓油的物理性質(zhì)2.液體的粘度液體在外力作用下流動時，分子間的內(nèi)聚力會阻礙分子間的相對運動而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力。這一特性稱作液體的粘性。粘性的大小用粘度表示，粘性是液體重要的物理特性，也是選擇液壓油的主要依據(jù)。粘性使流動液體內(nèi)部各液層間的速度不等。液壓油的物理性質(zhì)圖2.1液體的粘性示意圖液壓油的物理性質(zhì)如圖2.1所示，兩平行平板間充滿液體，下平板不動，而上平板以速度

向右平動。由于粘性，緊貼于下平板的液體層速度為零，緊貼于上平板的液體速度為

，而中間各液體層的速度按線性分布。因此，不同速度層流相互制約而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力。液壓油的物理性質(zhì)粘度是衡量流體粘性的指標。常用的粘度有動力粘度、運動粘度和相對粘度。1）動力粘度

2）運動粘度3）相對粘度液壓油的物理性質(zhì)3.液體可壓縮性液體受壓力作用而體積縮小的性質(zhì)稱為液體的可壓縮性?？蓧嚎s性用體積壓縮系數(shù)

表示，并定義為單位壓力變化下的液體體積的相對變化量。液壓油的物理性質(zhì)4.其他性質(zhì)（1）粘度與壓力的關(guān)系。液體分子間的距離隨壓力增加而減小，內(nèi)聚力增大，其粘度也隨之增大。當壓力不高且變化不大時，壓力對粘度的影響較小，一般可忽略不計。當壓力較高（大于

）或壓力變化較大時，需要考慮這種影響。（2）粘溫特性。溫度對液體的粘度影響較大，液體的溫度升高其粘度下降。液體粘度隨溫度變化的性質(zhì)稱為粘溫特性。液壓油的物理性質(zhì)幾種國產(chǎn)液壓油的粘度特性曲線如圖所示。液壓油的種類與使用方法

1.液壓油的種類液壓油的分類方法很多，常用的有以下兩種分類方法。1）石油基液壓油2）難燃液壓油

合成液壓油、乙二醇液壓油、乳化液。液壓油的種類與使用方法2.對液壓油的要求液壓油是液壓傳動系統(tǒng)的重要組成部分，是用來傳遞能量的工作介質(zhì)。除了傳遞能量外，它還起著潤滑運動部件和保護金屬不被銹蝕的作用。液壓油的質(zhì)量及其各種性能將直接影響液壓系統(tǒng)的工作。從液壓系統(tǒng)使用油液的要求來看，有下面幾點：

液壓油的種類與使用方法（1）適宜的粘度和良好的粘溫性能。一般液壓系統(tǒng)所用的液壓油其粘度范圍為：或

。（2）潤滑性能好。在液壓傳動機械設(shè)備中，除液壓元件外，其他一些有相對滑動的零件也要用液壓油來潤滑，因此，液壓油應(yīng)具有良好的潤滑性能。為了改善液壓油的潤滑性能，可加入添加劑以增加其潤滑性能。（3）良好的化學穩(wěn)定性，即對熱、氧化、水解、相溶都具有良好的穩(wěn)定性。（4）對液壓裝置及相對運動的元件具有良好的潤滑性。（5）對金屬材料具有防銹性和防腐性。（6）比熱、熱傳導率大，熱膨脹系數(shù)小。（7）抗泡沫性好，抗乳化性好（8）油液純凈，含雜質(zhì)量少（9）流動點和凝固點低，閃點(明火能使油面上油蒸汽內(nèi)燃，但油本身不燃燒的溫度)和燃點高。此外，對油液的無毒性、價格便宜等，也應(yīng)根據(jù)不同的情況有所要求。液壓油的污染與防治措施液壓油是否清潔，不僅影響液壓系統(tǒng)的工作性能和液壓元件的使用壽命，而且直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)是否能正常工作。液壓系統(tǒng)多數(shù)故障與液壓油受到污染有關(guān)，因此控制液壓油的污染是十分重要的。液壓油的污染與防治措施1.液壓油被污染的原因

液壓油被污染的原因主要有以下幾方面。(1)液壓系統(tǒng)的管道及液壓元件內(nèi)的型砂、切屑、磨料、焊渣、銹片、灰塵等污垢在系統(tǒng)使用前沖洗時未被洗干凈，在液壓系統(tǒng)工作時，這些污垢就進入到液壓油里。(2)外界的灰塵、砂粒等，在液壓系統(tǒng)工作過程中通過往復伸縮的活塞桿，流回油箱的漏油等進入液壓油里。另外在檢修時，稍不注意也會使灰塵、棉絨等進入液壓油里。(3)液壓系統(tǒng)本身也不斷地產(chǎn)生污垢，而直接進入液壓油里，如金屬和密封材料的磨損顆粒，過濾材料脫落的顆?；蚶w維及油液因油溫升高氧化變質(zhì)而生成的膠狀物等。液壓油的污染與防治措施2.油液污染的危害

液壓油污染嚴重時，直接影響液壓系統(tǒng)的工作性能，使液壓系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生故障，使液壓元件壽命縮短。造成這些危害的原因主要是污垢中的顆粒。對于液壓元件來說，由于這些固體顆粒進入到元件里，會使元件的滑動部分磨損加劇，并可能堵塞液壓元件里的節(jié)流孔、阻尼孔，或使閥芯卡死，從而造成液壓系統(tǒng)的故障。水分和空氣的混入使液壓油的潤滑能力降低并使它加速氧化變質(zhì)，產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速腐蝕，使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)振動、爬行等。液壓油的污染與防治措施3.防止污染的措施為防止油液污染，在實際工作中應(yīng)采取如下措施：

（1）使液壓油在使用前保持清潔。(2)使液壓系統(tǒng)在裝配后、運轉(zhuǎn)前保持清潔。(3)使液壓油在工作中保持清潔。(4)采用合適的濾油器。(5)定期更換液壓油。(6)控制液壓油的工作溫度。任務(wù)二液體靜力學基礎(chǔ)知識的認知任務(wù)目標：了解液體靜力學的性質(zhì)；掌握液體靜力學的基本方程；掌握壓力的表示方法；了解液體靜力學基本方程的應(yīng)用。任務(wù)描述：用液體靜力學的知識分析液壓系統(tǒng)中的具體問題。液體靜壓力及其特性作用在液體上的力有兩種類型：一種是質(zhì)量力，另一種是表面力。質(zhì)量力作用在液體所有質(zhì)點上，它的大小與質(zhì)量成正比，屬于這種力的有重力、慣性力等。單位質(zhì)量液體受到的質(zhì)量力稱為單位質(zhì)量力，在數(shù)值上等于重力加速度。表面力作用于所研究液體的表面上，如法向力、切向力。表面力可以是其他物體(例如活塞、大氣層)作用在液體上的力；也可以是一部分液體間作用在另一部分液體上的力。靜力學基本方程式式中：

——作用在液面上的壓力；——液體密度。式（2-12）為液體靜力學的基本方程。壓力的表示方法及單位液壓系統(tǒng)中的壓力就是指壓強，液體壓力通常有絕對壓力、相對壓力(表壓力)、真空度三種表示方法。壓力的表示方法及單位(1)絕對壓力＝大氣壓力+表壓力(2)表壓力＝絕對壓力-大氣壓力(3)真空度＝大氣壓力-絕對壓力壓力單位為帕斯卡，簡稱帕，符號為Pa，1Pa＝1N/m2。由于此單位很小，工程上使用不便，因此常采用它的倍單位兆帕，符號MPa。1Mpa=105Pa。帕斯卡原理如果垂直液壓缸的活塞上沒有負載，即F1=0，則當略去活塞重量及其他阻力時，不論怎樣推動水平液壓缸的活塞也不能在液體中形成壓力。這說明液壓系統(tǒng)中的壓力是由外界負載決定的，這是液壓傳動的一個基本概念。任務(wù)三液體動力學基礎(chǔ)知識的認知任務(wù)目標：了解液體動力學三個基本方程式，即液流的連續(xù)性方程、柏努力方程和動量方程；掌握有關(guān)液體動力學的幾個基本概念，即理想液體與恒定流動、跡線、流線、流束和通流截面、流量和平均流速；了解液體動力學三個基本方程的應(yīng)用。任務(wù)描述：用液體動力學的知識分析液壓系統(tǒng)中的具體問題。知識與技能：本任務(wù)主要討論三個基本方程式，即液流的連續(xù)性方程、伯努利方程和動量方程。液體是有黏性的，并在流動中表現(xiàn)出來，因此，在研究液體運動規(guī)律時，不但要考慮質(zhì)量力和壓力，還要考慮黏性摩擦力的影響。此外，液體的流動狀態(tài)還與溫度、密度、壓力等參數(shù)有關(guān)。為了分析，可以簡化條件，從理想液體著手，所謂理想液體是指沒有黏性的液體，同時，一般都視為在等溫的條件下把黏度、密度視作常量來討論液體的運動規(guī)律。然后在通過實驗對產(chǎn)生的偏差加以補充和修正，使之符合實際情況。在液壓傳動系統(tǒng)中，液壓油總是在不斷的流動中，因此要研究液體在外力作用下的運動規(guī)律及作用在流體上的力及這些力和流體運動特性之間的關(guān)系。1）理想液體既具有粘性又可壓縮的液體稱為實際液體。理想液體就是指沒有粘性、不可壓縮的液體。2）恒定流量液體流動時，液體中任意點處的壓力、流速和密度都不隨時間而變化，稱為恒定流動。反之，流體的運動參數(shù)中，只要有一個運動參數(shù)隨時間而變化，液體的運動就是非定常流動或非恒定流動。3）流量單位時間內(nèi)通過通流截面的液體的體積稱為流量，用q表示，流量的常用單位為升/分，L/min。流量連續(xù)性方程液體流動的連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學中的應(yīng)用。即液體在密封管道內(nèi)作恒定流動時，設(shè)液體是不可壓縮的，則單位時間內(nèi)流過任意截面的質(zhì)量相等。流量連續(xù)性方程【例2-1】某液壓系統(tǒng)，兩液壓缸串聯(lián)，缸1的活塞是主運動，缸2的活塞對外克服負載（從動運動），如圖2.11所示。已知小活塞大面積A1=14cm2，小活塞大面積A2=40cm2，連接兩液壓缸管路的流量

，試求兩液壓缸運動速度及速比。動量方程動量方程是動量定理在流體力學中的具體應(yīng)用。流動液體的動量方程是流體力學的基本方程之一，它是研究液體運動時作用在液體上的外力與其動量的變化之間的關(guān)系。在液壓傳動中，在計算液流作用在固體壁面上的力時，應(yīng)用動量方程去解決就比較方便。伯努利方程能量守恒是自然界的客觀規(guī)律，流動液體也遵守能量守恒定律，這個規(guī)律是用伯努利方程的數(shù)學形式來表達的。伯努利方程是一個能量方程。伯努利方程對伯努利方程可作如下的理解。（1）伯努利方程式是一個能量方程式，它表明在空間各相應(yīng)通流斷面處流通液體的能量守恒規(guī)律。（2）理想液體的伯努利方程只適用于重力作用下的理想液體作恒定流動的情況。（3）任一微小流束都對應(yīng)一個確定的伯努利方程式，即對于不同的微小流束，它們的常量值不同。伯努利方程的物理意義為：在密封管道內(nèi)作定常流動的理想液體在任意一個通流斷面上具有三種形成的能量，即壓力能、勢能和動能。三種能量的總合是一個恒定的常量，而且三種能量之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，即在不同的通流斷面上，同一種能量的值會是不同的，但各斷面上的總能量值都是相同的。伯努利方程2.實際液體的伯努利方程

由于液體存在著粘性，其粘性力在起作用，并表示為對液體流動的阻力，實際液體的流動要克服這些阻力，表示為機械能的消耗和損失，因此，當液體流動時，液流的總能量或總比能在不斷地減少。伯努利方程上式適用的條件如下。（1）穩(wěn)定流動的不可壓縮液體，即密度為常數(shù)。

（2）液體所受質(zhì)量力只有重力，忽略慣性力的影響。

（3）所選擇的兩個通流截面必須在同一個連續(xù)流動的流場中是漸變流（即流線近于平行線，有效截面近于平面）。而不考慮兩截面間的流動狀況。任務(wù)四液體流動的壓力損失任務(wù)目標：了解液體的紊流狀態(tài)；了解液體流動時的壓力損失的類型及產(chǎn)生的原因；掌握減小壓力損失的途徑。任務(wù)描述：學會分析實際液壓系統(tǒng)壓力損失產(chǎn)生的原因及其減小壓力損失的途徑。液體流動的壓力損失液體在管路中流動時會產(chǎn)生能量損失，即壓力損失。這種能量損失轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚挂簤合到y(tǒng)溫度升高，泄漏量增加，效率下降和液壓系統(tǒng)性能變壞。

在液壓技術(shù)中，研究阻力的目的是：①為了正確計算液壓系統(tǒng)中的阻力；②為了找出減少流動阻力的途徑；③為了利用阻力所形成的壓差

p來控制某些液壓元件的動作。液體的流動狀態(tài)19世紀末，雷諾首先通過試驗觀察了水在圓管內(nèi)的流動情況，發(fā)現(xiàn)液體有兩種流動狀態(tài)：層流和紊流。液體的流動狀態(tài)1.層流和紊流層流和紊流是兩種不同性質(zhì)的流態(tài)。層流時，液體流速較低，質(zhì)點受粘性制約，不能隨意運動，粘性力起主導作用；紊流時液體流速較高，粘性的制約作用減弱，慣性力其主要作用。液體的流動狀態(tài)2.雷諾數(shù)沿程壓力損失液體在直管中流動時的壓力損失是由液體流動時的摩擦引起的，稱之為沿程壓力損失。它主要取決于管路的長度、內(nèi)徑、液體的流速和粘度等。液體的流態(tài)不同，沿程壓力損失也不同。液體在圓管中層流流動在液壓傳動中最為常見，因此，在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，常希望管道中的液流保持層流流動的狀態(tài)。液體在等徑直管中流動時多數(shù)情況下為層流。局部壓力損失局部壓力損失是液體流經(jīng)閥口、彎管、通流截面變化等時，產(chǎn)生的能量損失稱為局部壓力損失。液流通過這些地方時，由于液流方向和速度均發(fā)生變化，形成旋渦（見圖2.18），使液體的質(zhì)點間相互撞擊和摩擦，從而產(chǎn)生較大的能量損耗。局部壓力損失管路壓力總損失液壓系統(tǒng)中管路通常由若干段管道串聯(lián)而成。其中每一段又串聯(lián)一些諸如彎頭、控制閥、管接頭等形成局部阻力的裝置，因此管路系統(tǒng)總的壓力損失等于所有直管中的沿程壓力損失

及所有局部壓力損失Σ

之和。減少壓力損失的措施：

減少流速、縮短管路長度、減少管路的突變，提高管壁加工質(zhì)量等，都可以使壓力損失減少。在這些因素中，流速的影響最大，特別是局部壓力損失與速度的平方成比例關(guān)系。故在液壓傳動系統(tǒng)中，管路的流速不應(yīng)過高。但流速過低，又會使管路及閥類元件的尺寸加大，造成成本增高，有時在結(jié)構(gòu)上也不允許。任務(wù)五液流流經(jīng)孔口及縫隙的特性任務(wù)目標：了解液流經(jīng)小孔或縫隙時的流量大小影響因素；學會運用液流經(jīng)小孔或縫隙時的流量計算公式。任務(wù)描述：會運用液流經(jīng)小孔或縫隙時的流量計算公式來分析實際液壓系統(tǒng)中的液壓元件的工作性能。液流流經(jīng)孔口及隙縫的特性在液壓系統(tǒng)中，液流經(jīng)小孔或縫隙的現(xiàn)象是普遍存在的，它們有的用來調(diào)節(jié)流量，有的造成泄漏，不管是哪一種，都涉及到小孔或縫隙的流量問題。任務(wù)六液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象任務(wù)目標：掌握液壓壓沖擊產(chǎn)生的原因及預防措施；掌握氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及預防措施；認識液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象所造成的危害。任務(wù)描述：在實際工作中能判斷液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象，并能找出產(chǎn)生的原因，針對性采取有效措施。液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象1液壓沖擊在液壓系統(tǒng)中由于某種原因，液體壓力在一瞬間會突然升高,產(chǎn)生很高的壓力峰值,這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。液壓沖擊產(chǎn)生的壓力峰值往往比正常工作壓力高好幾倍，且常伴有噪聲和振動，從而損壞液壓元件、密封裝置、管件等。液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象1.液壓沖擊的類型

（1）液流通道迅速關(guān)閉或液流迅速換向使液流速度的大小或方向突然變化時，由于液流的慣力引起的液壓沖擊。（2）運動著的工作部件突然制動或換向時，因工作部件的慣性引起的液壓沖擊。（3）某些液壓元件動作失靈或不靈敏，使系統(tǒng)壓力升高而引起的液壓沖擊。2.產(chǎn)生原因(1)閥門突然關(guān)閉引起液壓沖擊。(2)運動部件突然制動或換向時引起液壓沖擊。液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象3.減少液壓沖擊措施液壓沖擊的危害是很大的。發(fā)生液壓沖擊時管路中的沖擊壓力往往急增很多倍，而使按工作壓力設(shè)計的管道破裂。此外，所產(chǎn)生的液壓沖擊波會引起液壓系統(tǒng)的振動和沖擊噪聲。因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計時要考慮這些因素，應(yīng)當盡量減少液壓沖擊的影響。為此，一般可采用如下措施。(1)緩慢關(guān)閉閥門，削減沖擊波的強度。(2)在閥門前設(shè)置蓄能器，以減小沖擊波傳播的距離。(3)應(yīng)將管中流速限制在適當范圍內(nèi)，或采用橡膠軟管，也可以減小液壓沖擊。(4)在系統(tǒng)中裝置安全閥，可起卸載作用。液壓沖擊與氣穴現(xiàn)象2空穴(氣穴)現(xiàn)象管道中發(fā)生空穴現(xiàn)象時，氣泡隨著液流進入高壓區(qū)時，體積急劇縮小，氣