第2章 液压流体力学基础r

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1、第2章液压流体力学基础液压传动以液体作为工作介质来传递能量和运动。因此，了解液体的主要物理性质，掌握液体平衡和运动的规律等主要力学特性，对于正确理解液压传动原理、液压元件的工作原理，以及合理设计、调整、使用和维护液压系统都是十分重要的。2.1液体的物理性质液体是液压传动的工作介质，同时它还起到润滑、冷却和防锈作用。液压系统能否可靠、有效地进行工作，在很大程度上取决于系统中所用的液压油液的物理性质。2.1.1液体的密度液体的密度定义为（2.1）式中ρ——液体的密度（kg/m3）；ΔV——液体中所任取的微小体积（m3）；Δm——体积ΔV中的液体质量（kg）；在数学上的ΔV趋近于0的极限，在物理上

2、是指趋近于空间中的一个点，应理解为体积为无穷小的液体质点，该点的体积同所研究的液体体积相比完全可以忽略不计，但它实际上包含足够多的液体分子。因此，密度的物理含义是，质量在空间点上的密集程度。对于均质液体，其密度是指其单位体积内所含的液体质量。（2.2）式中m——液体的质量（kg）；V——液体的体积（m3）。液压传动常用液压油的密度数值见表2.1。表2.1液压传动液压油液的密度液压油种类L-HM32液压油L-HM46液压油油包水乳化液水包油乳化液水-乙二醇通用磷酸酯飞机用磷酸酯密度/kg/m3）0.87×1030.875×1030.932×1030.9977×1031.06×1031.15×1

3、031.05×103液压油的密度随温度的升高而略有减小，随工作压力的升高而略有增加，通常对这种变化忽略不计。一般计算中，石油基液压油的密度可取为ρ＝900kg/m3。562.1.2液体的可压缩性液体受压力作用时，其体积减小的性质称为液体的可压缩性。液体可压缩性的大小可以用体积压缩系数k来表示，其定义为：受压液体在发生单位压力变化时的体积相对变化量，即（2.3）式中V——压力变化前，液体的体积；Δp——压力变化值；ΔV——在Δp作用下，液体体积的变化值。由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边必须冠一负号，以使k成为正值。液体体积压缩系数的倒数，称为体积弹性模量K，简称体积模量。（2.4）体

4、积弹性模量K的物理意义是液体产生单位体积相对变化量所需要的压力。表2.2表示几种常用液压油液的体积弹性模量。由表中可知，石油基液压油体积模量的数值是钢（K＝2.06×1011Pa）的1/(100～170)，即它的可压缩性是钢的100～170倍。表2.2各种液压油液的体积模量（20℃，大气压）液压油种类石油基水—乙二醇基乳化液型磷酸酯型K/N/m2（1.4～2.0）×1093.15×1091.95×1092.65×109液压油的体积弹性模量与温度、压力有关。当温度增大时，K值减小，在液压油液正常的工作范围内，K值会有5%～25%的变化；压力增大时，K值增大，但这种变化不呈线性关系，当p≥3MP

5、a时，K值基本上不再增大。在常温下，纯液压油的平均体积弹性模量的值在(1.4～2)×103MPa范围内，数值很大，因此在液压传动中，一般认为液压油是不可压缩的。当液压油中混入未溶解的气体后，K值将会有明显的降低。在一定压力下，油液中混入1%的气体时，其体积弹性模量降低为纯油的50%左右，如果混有10%的气体，则其体积弹性模量仅为纯油的10%左右。由于油液在使用过程中很难避免混入气体，因此研究液压元件和系统动态特性时，必须考虑液压油可压缩性的影响，一般取K＝700MPa。图2.1油液弹簧的刚度计算简图当考虑液体的可压缩性时，封闭在容器内的液体在外力作用时的特征极象一个弹簧：外力增大，体积减小；

6、外力减小，体积增大。这种弹簧的刚度Kh，在液体承压面积A不变时，如图2.1所示，可以通过压力变化Δp＝ΔF/A、体积变化ΔV=AΔl（Δl为液柱长度变化）和式（2.4）求出，即（2.5）562.1.3液体的粘性1.液体粘性的概念图2.2液体粘性示意图液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，由于分子之间存在内聚力，从而在液体内部产生一种内摩擦力，液体的这种性质称为粘性。如图2.2所示，设距离为h的两平行平板间充满液体，下平板固定，而上平板在外力F的作用下，以速度u0向右平移。由于液体和固体壁面间的附着力，粘附于下平板的液层速度为零，粘附于上平板的液层速度为u0，而由于液体的粘性，中间各层液体的

7、速度则随着液层间距离Δy的变化而变化。当上下板之间距离h较小时，液体的速度从上到下近似呈线性递减规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的；而速度慢的液层对速度快的起阻滞作用。不同速度的液层之间相对滑动必然在层与层之间产生内部摩擦力。这种摩擦力作为液体内力，总是成对出现，且大小相等、方向相反地作用在相邻两液层上。根据实验得知，流动液体相邻液层之间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比，即