1、液壓與氣壓傳動2006-9-2第二章液壓油與液壓流體力學基礎液壓傳動是以液體作為工作介質傳遞能量的。液壓系統中的液壓油既是傳遞功率的介質，又是液壓元件的冷卻、防銹和潤滑劑。在工作中產生的磨粒和來自外界的污染物，也要靠液壓油帶走。液壓油的物理、化學特性將直接影響液壓系統的工作。2006-9-2第一節 流體的物理性質 1.液體的密度 單位體積液體的質量稱為液體的密度。體積為V、質量為m的液體的密度為m/V 2.液體的可壓縮性和熱膨脹性 (1)壓縮性：液體受壓后體積變小的性質，用壓縮系數描述。 k=-(V/V)/p m2/kg 壓縮系數的物理意義：指液體所受壓力增加一個工程大氣壓時所發生的體積相對變

2、化率，其中V為壓縮前的體積，V為體積為V的液體壓力變化p時體積變化量。2006-9-2 液體體積壓縮系數的倒數，稱為液體的體積彈性模量，以表示，即1/k 液壓油的體積彈性模量和溫度、壓力以及含在油液中的空氣有關。一般在分析時取=7001000MPa。 封閉在容器內的液體在外力作用下的情況極像一個彈簧（稱為液壓彈簧）：外力增大，體積減小；外力減小，體積增大。液壓彈簧的剛度： 液體的可壓縮性很小，在一般情況下當液壓系統在穩態下工作時可以不考慮可壓縮性的影響。但在高壓下或受壓體積較大以及對液壓系統進行動態分析時，就需要考慮液體可壓縮性的影響。2006-9-2 (2)熱膨脹：液體受熱，體積膨脹的性質，

3、用體積膨脹系數t 來表示：t =(V/V)/t 1/ 物理意義：溫度改變1時，液體體積的相對變化率。 一般，t=0.00065 1/ 如：油溫從20升到40，體積由14000 cm3將變為14182 cm2。 由此可見，液壓傳動中，由于溫度變化引起的體積變化，是不能忽視的，尤其是對閉式系統。2006-9-2 3.粘度 液體在外力作用流動（或有流動趨勢）時，分子間的內聚力要阻止分子間的相對運動而產生一種內摩擦力，這種現象叫做液體的粘性。液體只有在流動（或有流動趨勢）時才會呈現出粘性，靜止液體是不呈現粘性的。(1)動力粘度或稱絕對粘度 以表示切應力，即單位面積上的內摩擦力，則 =du/dz 這就是

4、牛頓的液體內摩擦定律。 物理意義：液體在單位速度梯度下流動時單位面積上產生的內摩擦力。動力粘度的單位為Pas（帕秒，Ns/m2） 2006-9-2 (2)運動粘度 液體的動力粘度與其密度的比值，稱為液體的運動粘度，即=/ 運動粘度的單位為m2/s。 (3)恩氏粘度E 相對粘度又稱條件粘度，它是按一定的測量條件制定的。根據測量的方法不同，可分為恩氏粘度E、賽氏粘度SSU、雷氏粘度Re等。 我國和德國等國家采用恩氏粘度。2006-9-2 (4)溫度對粘度的影響 液壓油的粘度對溫度變化十分敏感。溫度升高時，粘度下降。在液壓技術中，希望工作液體的粘度隨溫度變化越小越好。 粘度隨溫度變化特性，可以用粘度

5、溫度曲線表示。2006-9-2 (5)壓力對粘度的影響 對液壓油來說，壓力增大時，粘度增大，但影響很小，通常忽略不計。 (6)兩種油混合，粘度的計算 a、b兩種油占的百分比，ab100；c實驗系數。2006-9-24.液壓油的分類 普通液壓油 耐磨液壓油 數控液壓油 潔凈液壓油 水一二元醇液壓油 油包水 水包油 磷酸脂基液壓油 合成液壓油(如硅酮，鹵化物等)礦物油基液壓油含水液壓油合成液壓油乳化液液壓油2006-9-2 5.液壓油的使用要求(1)適當的粘度：過大，造成水力損失增加，效率低；粘度小，漏失大，容積效率低。 選擇液壓油還與具體使用條件有關。如夏天，粘度要大些，冬天則選用粘度小；南方，

6、用高號液壓油，北方則選用低號液壓油。(2)具有良好的潤滑性能，這與形成油膜有直接關系。(3)對機件無腐蝕作用，也不會引起密封件的膨脹。(4)良好的化學穩定性，要加添加劑。(5)不得含有空氣、蒸氣、水和雜質(含有氣體會造成氣蝕，空穴會引起振動、噪音；水等引起乳化）。(6)燃點高，凝點低。 一般使用的油溫在4050之間，當油溫超過80，氧化加劇，油溫低于10 時，粘度增大，啟動困難。2006-9-2 6.液壓油的選用(1)根據液壓元件生產廠樣本和說明書所推薦的來選用液壓油。或者(2)初步根據液壓系統的使用性能和工作環境確定液壓油的類型（品種）。 選用品種時，一般要求不高的液壓系統可選用普通液壓油；

7、系統條件要求高或專用的液壓設備可選用各種專用液壓油。(3)根據液壓系統的工作壓力、環境溫度及工作部件的運動速度確定液壓油的粘度后，確定油的具體牌號。工作壓力、環境溫度高，而控制的工作部件運動速度低時，為了減少泄露，宜采用粘度較高的液壓油，反之，則采用粘度較低的液壓油。 總的來說，應盡量選用較好的液壓油。 2006-9-2液壓油使用注意事項：(1)油箱中的液面應保持一定高度；(2)正常工作時油箱的溫升不應超過液壓油所允許的范圍，一般不得超過65；(3)為防止系統中進入空氣，要做到：所有回油管都在油箱液面以下；管口切成斜斷面；油泵吸油管應嚴格密封；油泵吸油高度應盡可能小些，以減少油泵吸油阻力；可能

8、情況下，應在系統最高點設置放氣閥；定期檢查油液質量和油面高度，以便及時更換和添加。2006-9-2 7.液壓油的污染與控制(1)用過濾的方法濾掉液壓油中的雜質，對過渡精度有要求。液壓元件名稱過濾精度要求柱塞泵與馬達5-20葉片泵與馬達30液壓缸50齒輪泵和馬達50普通液壓控制閥30伺服閥、比例閥5-202006-9-2(2)為了避免或減少系統運行中的液壓油再污染，運行中要注意油溫和油箱的油位，油溫過高，將加速液壓油老化變質；油位過低會使吸油困難，引起噪音和氣蝕，加劇液壓油的污染。(3)液壓系統的密封性能良好。在油箱的通氣孔及液壓缸活塞桿處加防塵裝置；外漏油不得直接流回油箱。(4)液壓系統投入運

9、行前應按有關的規定嚴格沖洗，運行中要按規定及時更換新油，換油時新油必須經過過濾后才能加入系統中使用。2006-9-2第二節 液體靜力學基礎 液體靜力學主要是討論液體靜止時的平衡規律以及這些規律的應用。所謂“液體靜止”指的是液體內部質點間沒有相對運動，不呈現粘性。 一、液體的壓力 作用在液體上的力有兩種，即質量力和表面力。 質量力：單位質量液體受到的質量力稱為單位質量力，在數值上等于加速度。 表面力：是與液體相接觸的其它物體（如容器或其它液體）作用在液體上的力，這是外力；也可以是一部分液體作用在另一部分液體上的力，這是內力。2006-9-2 單位面積上作用的表面力稱為應力，它有法向應力和切向應力

10、之分。當液體靜止時，液體質點間沒有相對運動，不存在摩擦力，所以靜止液體的表面力只有法向力。液體內某點處單位面積A上所受到的法向力F之比，稱為壓力p（靜壓力），即 由于液體質點間的凝聚力很小，不能受拉，只能受壓，所以液體的靜壓力具有兩個重要特性： 1.液體靜壓力的方向總是作用在內法線方向上； 2.靜止液體內任一點的液體靜壓力在各個方向上都相等。2006-9-2 二、液體靜壓力基本方程 有一垂直小液柱，在平衡狀態下，有pA=p0A+FG，這里的FG即為液柱的重量FG=ghA所以有 p=p0+gh 液體靜壓力分布特征： (a)一部分是液面上的壓力p0，另一部分是g與該點離液面深度h的乘積。 2006

11、-9-2 (b)同一容器中同一液體內的靜壓力隨液體深度h的增加而線性地增加。 (c)連通器內同一液體中深度h相同的各點壓力都相等。由壓力相等的組成的面稱為等壓面。在重力作用下靜止液體中的等壓面是一個水平面。2006-9-2 三、壓力表示方法 壓力的表示法有兩種：絕對壓力和相對壓力。 絕對壓力是以絕對真空作為基準所表示的壓力； 相對壓力是以大氣壓力作為基準所表示的壓力。 由于大多數測壓儀表所測得的壓力都是相對壓力，故相對壓力也稱表壓力。絕對壓力與相對壓力的關系為絕對壓力相對壓力大氣壓力 如果液體中某點處的絕對壓力小于大氣壓，這時在這個點上的絕對壓力比大氣壓小的部分數值稱為真空度。即真空度大氣壓力

12、絕對壓力 2006-9-2絕對壓力p=0(絕對真空)大氣壓力 相對壓力絕對壓力 真空度p pa表壓力絕對壓力、相對壓力和真空度的相對關系2006-9-2 壓力單位換算表壓力的單位: 我國法定壓力單位為帕斯卡，簡稱帕，符號為Pa，1Pa= 1N/m2。由于Pa太小，工程上常用其倍數單位兆帕（MPa）來表示：1MPa=106Pa2006-9-2第三節 液體動力學基礎理想液體：既無粘性又不可壓縮的液體稱為理想液體。定常流動：液體流動時，若液體中任何一點的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，則這種流動稱為定常流動。否則，只要壓力、速度和密度有一個量隨時間變化，則這種流動就稱為非定常流動。 一維流動：當液

13、體整個作線形流動時，稱為一維流動。 跡線：流動液體的某一質點在某一時間間隔內在空間的運動軌跡。2006-9-2流線：表示某一瞬時，液流中各處質點運動狀態的一條條曲線。在此瞬時，流線上各質點速度方向與該線相切。在定常流動時，流線不隨時間而變化，這樣流線就與跡線重合。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。2006-9-2流管：在一維的流動空間中任意畫一不屬流線的封閉曲線，沿經過此封閉曲線上的每一點作流線，由這些流線組合的表面稱為流管。流束：流管內的流線群稱為流束。流管和流束2006-9-2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

14、點處的流動速度都垂直于這個面。平行流動：流線彼此平行的流動。緩變流動：流線夾角很小或流線曲率半徑很大的流動。平行流動和緩變流動都可算是一維流動。2006-9-2 流量和平均流速：單位時間內通過某通流截面的液體的體積稱為流量。 流量用q表示，單位m3/s或L/min。 由于流動液體粘性的作用，在通流截面上各點的流速u是不相等的。 在計算流過整個通流截面A的流量時，可在通流截面上取微小截面dA，并認為在該斷面上各點的速度u相等，則流過該微小斷面的流量為dq=udA， 流過整個通流截面A的流量為2006-9-2 在實際工程計算中，平均流速才具有應用價值。液壓缸工作時，活塞的運動速度就等于缸內液體的平

15、均流速，當液壓缸有效面積一定時，活塞運動速度由輸入液壓缸的流量決定。 對于實際液體的流動，速度u的分布規律很復雜，故按上式計算流量是困難的。因此提出一個平均流速的概念，即假設通流截面上各點的流速均勻分布，液體以此均布流速v流過通流截面的流量等于以實際流速流過的流量，由此得出通流面積上的平均流速為2006-9-2層流、湍流、雷諾數 層流：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；湍（紊）流：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。層流層流開始破壞 2006-9-2 層流和紊流是兩種不同性質的流態。 層流時，液體流速較低，質點受粘性制約，不能

16、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，慣性力起主導作用。 液體流動時，究竟是層流還是紊流，要用雷諾數來判定。流動趨于紊流 紊流 2006-9-2雷諾數：實驗表明，真正決定液流流動狀態的是用管內的平均流速V、液體的運動粘度、管徑d三個數所組成的一個稱為雷諾數Re的無量綱數，即臨界雷諾數： 當液流的實際流動時的雷諾數小于臨界雷諾數時，液流為層流，反之液流則為紊流。常見的液流管道的臨界雷諾數可由實驗求得。雷諾數物理意義：影響液體流動的力主要有慣性力和粘性力，雷諾數就是慣性力對粘性力的無因次比值。2006-9-2 對于非圓截面管道來說，Re可用下式來計算：Re4vR/

17、 式中R為通流截面的水力半徑。它等于液流的有效截面積A和它的濕周（通流截面上與液體接觸的固體壁面的周長）之比，即RA/ 水力半徑對管道通流能力影響很大，水力半徑大，表明液流與管壁接觸少，通流能力大；水力半徑小，表明液流與管壁接觸多，通流能力小，易堵塞。2006-9-2連續性方程 假設液體作定常流動，且不可壓縮。任取一流管，兩端通流截面面積為A1、A2，在流管中取一微小流束，流束兩端的截面積分別為dA1和dA2，在微小截面上各點的速度可以認為是相等的，且分別為u1和u2。根據質量守恒定律，在dt時間內流入此微小流束的質量應等于此微小流束流出的質量u1dA1dtu2dA2dtu1dA1u2dA2q

18、vA常數結論：a.通過流管任一通流截面的流量相等。 b.液體的流速與管道通流截面積成反比。 c.在具有分支的管路中具有q1=q2+q3的關系。2006-9-2能量方程：伯努利方程 根據能量守恒定律，同一管道每一截面的總能量都是相等的。 對靜止液體，單位質量液體總能量為單位質量液體的壓力能p/(g)和勢能hg之和；而對于流動液體，還有單位質量的動能v2/(2g)。任取兩個截面A1和A2，距基準水平面距離分別h1和h2，斷面平均流速分別為v1和v2，壓力分別為p1和p2，根據能量守恒定律: 因兩個截面是任意的，因此上式可寫為：2006-9-2物理意義：第一項為單位重量液體的壓力能 稱為比壓能（p/

19、）；第二項為單位重量液體的動能稱 為比動能（v2/2）；第三項為單位重量液體的位能稱為比位能（hg）。由于上述三種能量都具有長度單位，故又分別稱為壓力水頭、速度水頭和位置水頭。三者之間可以互相轉換，但總和（H，稱為總水頭）為一定值。2006-9-2實際液體總流的伯努利方程將微小流束擴大到總流，由于在通流截面上速度u是一個變量，若用平均流速代替，則必然引起動能偏差，故必須引入動能修正系數。于是實際液體總流的伯努利方程為式中hw-由液體粘性引起的能量損失； ， -動能修正系數，一般在紊流時取 1，層流時取 2。2006-9-2動量方程動量定理：作用在物體上的力的大小等于物體在力作用方向上的動量的變

20、化率，即 取分離體: 微元的動量變化是 微小流束擴大到總流，對液體的作用力合力為 即，動量方程：1、2為動量修正系數，一般在紊流時1，層流時。2006-9-2第四節 流體流動時的壓力損失輸油管線 基本概念：在液壓傳動中，能量損失主要表現為壓力損失，壓力損失分為兩類：沿程壓力損失和局部壓力損失沿程壓力損失：油液沿等直徑直管流動時所產生的壓力損失，這類壓力損失是由液體流動時的內、外摩擦力引起的。局部壓力損失：是油液流經局部障礙（如彎管、接頭、管道截面突然擴大或收縮）時，由于液流的方向和速度的突然變化，在局部形成旋渦引起油液質點間，以及質點與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產生的壓力損失。2006-9

21、-2通流截面上的流速分布規律：取微小圓柱液體，在勻速運動時受力平衡，有可見，管內液體質點的流速在半徑方向按拋物線規律分布。令對上式積分，并應用邊界條件，當rR時，u0，得則2006-9-2圓管中的流量對于半徑r，寬度dr的微小通流截面，面積dA2rdr，通過的流量為：通過圓管的流量可由上式積分求得，即：2006-9-2沿程壓力損失計算：圓管通流截面上的平均流速為：沿程壓力損失為：可以改寫為：稱為沿程阻力系數。的理論值為64/Re，水在作層流流動時的實際阻力系數和理論值是很接近的。液壓油在金屬圓管中作層流流動時，常取75/Re，在橡膠管中80/Re。2006-9-2局部壓力損失：液體流經如閥口、

22、彎管、通流截面變化等局部阻力處所引起的壓力損失。計算公式為 ：v為液體的平均流速，一般情況下均指局部阻力后部的流速。,局部阻力系數。對于液流通過各種標準液壓元件的局部損失，一般可從產品技術規格中查到 。管路中的總壓力損失為所有沿程壓力損失和局部壓力損失之和。2006-9-2第五節 液體流經小孔和縫隙的流量在液壓系統的管路中，裝有截面突然收縮的裝置，稱為節流裝置（節流閥）。突然收縮處的流動叫節流，一般均采用各種形式的孔口來實現節流-節流口。液體流經孔口時： 薄壁小孔：l/d； 細長小孔：l/d4； 短孔：0.5l/d4。 l為小孔的通流長度；d為小孔的孔徑。2006-9-2一、液體流過小孔的流量

23、液體在薄壁小孔中的流動 ：液體質點突然加速，慣性力作用；收縮截面2-2，然后再擴散；造成能量損失，并使油液發熱；收縮截面面積A2-2和孔口截面積A的比值稱為收縮系數Cc，即Cc=A2-2/A收縮系數決定于雷諾數、孔口及其邊緣形狀、孔口離管道側壁的距離等因素。液體在薄壁小孔中的流動 2006-9-2列截面11和22的伯努利方程：v1可以忽略不計，整理得：由此求得液流通過薄壁小孔的流量為：CdCvCc為小孔流量系數，一般由實驗確定。2006-9-2流經細長小孔的流量計算 ： 液體流經細長孔時，一般都是層流狀態，可直接應用前面已導出的直管流量公式來計算，當孔口的截面積為A=d2/4時，可寫成： 統一

24、寫為： qKApm 式中A為流量截面面積，m2；p為孔口前后的壓力差，N/m2；m為由孔口形狀決定的指數，0.5m1，當孔口為薄壁小孔時，m，當孔口為細長孔時，m1；K為孔口的形狀系數，當孔口為薄壁小孔時， ；當孔口為細長孔時，Kd2/(32l)。2006-9-2二、液體流過縫隙的流量1.平行平板的間隙流動：如下四種情況 固定平行平板間隙流動（壓差流動） 平行平板有相對運動時的間隙流動 兩平行平板有相對運動，但無壓差（純剪切流動） 兩平行平板既有相對運動，兩端又存在壓差時的流動2.圓柱環形間隙流動：如下三種情況 同心環形間隙在壓差作用下的流動 偏心環形間隙在壓差作用下的流動 內外圓柱表面有相對

25、運動又存在壓差的流動3.流經平行圓盤間隙徑向流動的流量4.圓錐狀環形間隙流動2006-9-2第六節 液壓沖擊及空穴現象在流動的液體中，因某點處的壓力低于空氣分離壓而產生氣泡的現象，稱為空穴現象。在一定的溫度下，如壓力降低到某一值時，過飽和的空氣將從油液中分離出來形成氣泡，這一壓力值稱為該溫度下的空氣分離壓。當液壓油在某溫度下的壓力低于某一數值時，油液本身迅速汽化，產生大量蒸氣氣泡，這時的壓力稱為液壓油在該溫度下的飽和蒸氣壓。液壓油的飽和蒸氣壓相當小，比空氣分離壓小得多，因此，要使液壓油不產生大量氣泡，它的壓力最低不得低于液壓油所在溫度下的空氣分離壓。 一、空穴現象2006-9-2 空穴的產生：液壓泵的空穴現象 ： 液壓泵吸油管直徑太小，或吸油阻力太大，或液壓泵轉速過高。由于吸油腔壓力低于空氣分離壓而產生空穴現象，形成氣泡。節流口處的空穴現象。2006-9-2空穴的危害：氣蝕：這些氣泡隨著液流流到下游壓力較高的部位時，會因承受不了高壓而破滅，產生局部的液壓沖擊，發出噪聲并引起振動，當附著在金屬表面上的氣泡破滅時，它所產生的局部高溫和高壓會使金屬剝落，使表面粗糙，或出現海綿狀的小洞穴。這種固體壁面的腐蝕、剝蝕的現象稱為氣蝕。減小