第二章液压传动与气压传动

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第二章液压传动基础知识液压传动的工作介质流体静力学流体动力学液体流动时的压力损失孔口和缝隙流动液压冲击与气穴现象 2.1液压传动的工作介质液压油的用途液压油的物理性质对液压油的要求及选用 2.1.1液压油的用途1.传递能量的载体：将泵的机械能转换成液体的压力能并传至各处，由于油本身具有粘度，在传递过程中会产生一定的动力损失。2.润滑防锈：液压元件内各移动部位，都可受到液压油充分润滑，从而减低元件磨耗。3.密封：油本身的粘性对细小的间隙有密封的作用。4.冷却：系统损失的能量会变成热，被油带出。 2.1.2液压油的物理性质液压油的密度及重度液压油的可压缩性液压油的粘性 一.液压油的密度及重度密度—单位体积液体的质量密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常可忽略不计。压力增大，密度亦增大，温度上升，密度下降。常用矿物型液压油密度计算时取 二.液压油的压缩性反映了液体体积随工作压力变化而变化的特性。用体积压缩系数β或其倒数体积弹性模数K表示。定义：在一定温度下，每增加一个单位的压力，液体体积的相对变化值。问题：气体与液体相比，体积弹性模（系）数谁大？若有游离空气混入系统时… 三.液压油的粘性(一)粘性:是选择液压油的重要依据定义：油液在外力作用下，液层间作相对运动时，产生内摩擦力的性质称为粘性。特点：运动时才呈现粘性，静止油液不表现出粘性。 (二)粘度：衡量粘性大小的物理量式中：Ff—内摩擦力（N）A—油层接触面积μ—动力粘度（单位是Pa.s）如图2—1所示为粘性示意图。实验结果表明，流体流动时相邻液层间的内摩擦力为： 1.动力粘度，其物理意义为：液体在单位速度梯度下流动时，单位面积上产生的内摩擦力。它是一种绝对粘度。单位为pa.s.2.运动粘度：液体动力粘度与液体密度之比。无明显的物理意义。运动粘度也是绝对粘度，单位为m2/s,1m2/s=106mm2/s(厘斯，cSt)。习惯上使用运动粘度标志液体的粘度，例如机械油的牌号就是用其在40度时的平均运动粘度为其标号。如L—HL—46，L—HL指改善其防锈及抗氧性的精制矿物油（通用机床液压油），数字46表示该液压油在40ºC时的运动粘度为46厘斯（平均值）。在工程实际中，常采用先测出液体的相对粘度，然后再换算成绝对粘度的方法来确定工作液的粘度。3.相对粘度又称条件粘度。常用的有恩氏粘度：200ml，直径2.8mm，在某一温度(20、50、100度)下与20度蒸馏水的时间比较。中国、俄罗斯及德国采用。美国、英国分别采用通用赛氏秒和商用雷氏秒。 （三）温度和压力对粘性的影响粘度随温度变化的关系叫粘温特性，随温度的变化粘度变化较小，即粘温特性较好。油温变化对系统性能的影响：温度上升，粘度显著下降，造成泄漏、效率降低、磨损增加等问题；温度下降，粘度增加，造成流动困难及泵转动不易等问题。如运转时油液温度超过60度，就必须加装冷却器，因油温在60度以上，每超过10度，油的劣化速度就会加倍。压力变化对粘性同样有影响。 2.1.3对液压油的要求及选用对液压油的要求液压油的选择液压油的污染与维护 一.对液压油的要求(1)适当的粘度和良好的粘温性；(2)有良好的化学稳定性（氧化安定性，热安定性及不易氧化、变质）；(3)良好的润滑性，以减少相对运动间的磨损；(4)良好的抗泡沫性（起泡少，消泡快）；(5)体积膨胀系数低，闪点及燃点高（油温升高时，部分的油会蒸发而与空气混合成油气，此油气所能点着的最低温度称为闪火点，如继续加热，则会达到连续燃烧的温度，此温度称为燃烧点）；(6)纯净度好，杂质少；(7)对人体无害，对环境污染小，价格便宜。但，粘度是第一位的。 二.液压油的选用液压油的选择包括液压油品种的选择及粘度的选择。液压油有很多品种，可根据不同的使用场合选用合适的品种，在品种确定的情况下，最主要考虑的是油液的粘度。 1.选择液压油品种液压油主要有下列三种：A.石油基型矿物油（可燃性）：主要由石腊基（paraffinbase）的原油精制而成，再加抗氧化剂和防锈剂，由于石油基液体（矿物油）的润滑性好、腐蚀性小、粘度较高、化学稳定性好，因此在液压传动中广泛采用。其缺点为耐火性差。B.抗燃液压油（难燃性）：专用于防止有引起火灾危险的乳化型液压油。有水中油滴型（o/w）和油中水滴形（w/o）两种，水中油滴型（o/w）的润滑性差，会侵蚀油封和金属；油中水滴形（w/o）化学稳定性很差。C.专用液压油：航空、舰船、炮用及车辆制动用液压油。 2.选择液压油粘度A.液压系统的工作压力：工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油，以减少泄露；反之便选用粘度较低的油。当时，；当时，；当时，。B.运动速度：执行机构运动速度较高时，为了减小液流的功率损失，宜选用粘度较低的液压油。C.环境工作温度高时选用粘度较高的液压油，减少容积损失。此外，可按液压泵的类型来选用，在液压系统中，对液压泵的润滑要求苛刻，不同类型的泵对油的粘度有不同的要求，具体可参见有关产品说明书。 除了按液压系统所配置液压泵产品说明书的推荐选用之外，也可按下表选用。 液压油选用的总结：首先根据工作条件（v、p、T）和元件类型选择油液品种，然后根据粘度选择牌号。慢速、高压、高温：μ大（以↓△q）通常<快速、低压、低温：μ小（以↓△P） 3.液压油的污染与维护液压油使用一段时间后会受到污染，常使阀内的阀芯卡死，并使油封加速磨耗及液压缸内壁磨损。造成液压油污染的原因有三方面：1）污染：（1）外部侵入的污物；（2）内部生成的不纯物2）恶化：液压油的恶化速度与含水量、气泡、压力、油温、金属粉末等有关，其中以温度影响最大，故液压设备运转时，须特别注意油温之变化。3）泄漏：液压设备因配管不良，油封破损是造成泄漏的原因，泄漏发生时空气、水、尘埃便可轻易的侵入油中，故当泄漏发生时，必须立即加以排除。液压油经长期使用，油质必会恶化，一般皆用目视法判定油质是否恶化，当油颜色混蚀并有异味时，须立即更换；保养方法有二种：一为定期更换（约为5000-20000小时），其次是使用过滤器定期过滤。也可采用在线监控液压油是否达到规定值，定期抽查液压油。液压油的粘度、酸值、水分及杂质是确定液压油是否更换的重要指标。 2.2流体静力学流体静力学的研究内容液体静压力及其特性重力作用下静力学基本规律压力的表示方法及单位静压力对固体壁面的作用力 2.2.1流体静力学的研究内容流体静力学是研究静止液体的平衡规律及其规律的应用，它是流体力学的基础。静止液体：指液体之间没有相对运动。 2.2.2静压力及其特性1.作用在静止液体上的力有两种：质量力：重力、惯性力、离心力表面力：法向力（垂直受压面），切向力（运动时有静止无）2.液体静压力定义：静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力，以p表示。静压力在物理学中称为压强，在液压传动中则简称为压力。 3.液体静压力有两个重要特性:（1）方向：液体静压力垂直并指向承压面,其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体质点间的内聚力很小,不能受拉只能受压之故。（2）大小：与作用面的方向无关。静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等。为什么？如果某点受到的压力在某个方向上不相等,那么液体就会流动,这就违背了液体静止的条件。 在液压传动中，由于(p0是液压系统的工作压力），所以在一般情况下不考虑位置对静压力产生的影响。因而重力压力（质量力）与液压系统工作压力相比常可忽略不计。2.2.3重力作用下静力学基本规律1.在静止液体中，距液面h深处的压力分布规律 2.重力作用下静止液体压力分布特征（1）静止液体中任何一点的静压力为作用在液面的压力Po和液体重力所产生的压力之和。（2）液体中的静压力随着深度h而线性增加。（3）在同一深度下各点压力相等，压力相等的点组成的面叫等压面。 2.2.4压力表示方法1.压力单位国际单位：Pa，KPa，MPa工程单位：kgf/cm2（公斤力/厘米2）或bar液注高：mmHg，mH2o2.绝对压力、相对压力（表压力）及真空度绝对压力（absolutepressure）：以绝对零值为基准测得的压力相对压力又称表压力（gaugepressure）：以当地大气压力(atomosphere)为基准测得的压力。真空度：如液体中某点处的绝对压力小于大气压力，这时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值。真空度=大气压力-绝对压力 3.有关表压力、绝对压力和真空度的相互关系 2.2.5静压力对固体壁面的总作用力1.静压力作用在平面上的总作用力等于压力p乘以作用面积A，即F=pA 2.静压力作用在曲面上的的总作用力 2.3流体动力学流体动力学的研究内容液体流动的基本概念连续性方程伯努力方程动量方程 2.3.1流体动力学的研究内容流体动力学是流体力学的核心问题，主要研究液体运动与力的关系。其主要内容是三大方程的应用：连续性方程能量方程（伯努力方程）动量方程 2.3.2基本概念1.理想液体实际液体无粘性又不可压缩的液体称为理想液体。有粘性又可压缩的液体称为实际液体。2.稳定流动(定常流动)非稳定流动(非定常流动)流体流动时，每一空间点上液体的全部运动参数（如压力、速度、密度）都不随时间而变化,这样的流动叫稳定流动。稳定流动又叫定常流动、非时变流动。这些参数中只要有一个是时间t的函数，这样的流动叫非稳定流动或时变流动。 3.过流断面流量平均流速(1)与液体流动方向相垂直的截面，称为过流断面。过流截面可能是平面，也可能是曲面。由于微小流束的通流截面很小，可以认为该过流断面上各点的运动参数（压力、速度、密度等）相同。(2)单位时间内流过过流断面的液体的体积称做流量，用q表示。流过整个过流流断面的流量q为：(3)液体具有粘性，过流断面上的速度分布不均匀，通常以过流断面上的平均流速来代替实际流速。 4.湿周水力直径液体与固体壁面相接触的周长称为湿周。湿周用x表示。水力直径用dH表示，它定义为： 2.3.3连续性方程应用条件：理想液体、稳定流动遵循：质量守恒定律如图所示在非等断面管内选取两个过流断面，面积分别为A1和A2,平均流速分别为V1和V2，对于理想液体，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能增多也不能减少,因此单位时间内液体流过断面1的质量必然等于流过断面2的质量，即两边除以密度得即连续性方程，由此式还得出：运动速度取决于流量，而与流体的压力无关。 2.3.4伯努力方程（推导从略）1.理想伯努力方程应用条件：理想液体，稳定流动遵循：能量守恒定律 由上式可看出：(1)、、分别为单位重量液体在某断面处的比压能、比势能和比动能。(2)在管内作稳定流动的理想流体具有压力能、势能和动能，它们之间可以相互转换，但在任一截面处其总和不变，即能量守恒。 2.实际伯努利方程应用条件：不可压缩液体，稳定流动实际伯努力方程对理想伯努力方程进行了两个方面的修正：(1)由于实际液体具有粘性,导致能量损失,若沿流动方向选取两个过流断面1、2，必有hf表示液体流动时的机械能损失，在液压技术中，这种损失主要表现为液体的压力损失。 (2)对动能进行修正，通常以平均流速代替实际流速，有偏差，故引入动能修正系数α，则重力场中不可压缩液体作定常流动的实际伯努利方程为动能修正系数α的取值情况：流速分布愈均匀,α→1,计算时通常由液体流态决定α大小，层流时α=2，紊流时α=1。 2.4液体流动时的压力损失液体的流态及雷诺判据沿程压力损失局部压力损失管路系统总压力损失及推荐流速 2.4.1液体的流态及雷诺判据1.雷诺实验（雷诺，英国物理学家）如图所示为一典型的雷诺实验装置，试验时保持水箱水位平静且不变。缓慢开启阀门A，使玻璃管中通过较小的流量，即管中流速v很小；然后，开启颜色水容器的阀门B，颜色水经小管流入玻璃管内，此时可见颜色水成为一条鲜明而细直的流束。如果逐渐加大阀门A的开度，管中流速v也加大；当流速加大到某一数值时，颜色水流束开始弯曲颤动这说明玻璃管内的流体质点运动方向不再是原来的轴向运动，已经出现垂直于玻璃管轴心线的横向速度。若再加大一点点A的开度，流体质点的横向运动速度加大，颜色水流束开始断裂。当继续加大一点A的开度，流体质点的横向运动进一步增强，颜色水流束完全与周围的水混杂，已见不到颜色水的痕迹。 hl1122AB玻璃管雷诺实验 2.层流、紊流及雷诺判据层流：质点没有横向脉动，互不干扰，有规则紊流：流速增大后，有横向脉动，交错而混乱雷诺数的定义：雷诺数的物理意义：液体惯性力与粘性力之比的无量纲数。临界雷诺数：液体由层流转变为紊流或由紊流转变为层流时的雷诺数。用Rec表示。雷诺判据：当雷诺数Re>Rec时，为紊流当雷诺数Re