第一章流体力学基础

1第一章流体力学基础流体力学是研究流体平衡和运动规律的一门学科。本章主要阐述与液压及气动技术有关的流体力学基本内容，为本课程的后续学习打下必要的理论基础。第一节工作介质工作介质在传动及控制中起传递能量和信号的作用。流体传动及控制（包括液压与气动），它在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于载体的不同，前者采用工作介质。因此，掌握液压与气动技术之前，必须先对其工作介质有一清晰的了解。一、液压传动介质（一）基本要求与种类液压传动及控制所用的工作介质为液压油液或其他合成液体，其应具备的功能如下：（1）传动把由液压泵所赋予的能量传递给执行元件。（2）润滑润滑液压泵、液压阀、液压执行元件等运动件。（3）冷却吸收并带出液压装置所产生的热量。（4）防锈防止液压元件所用各种金属的锈蚀。为使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要求是：（1）可压缩性可压缩性尽可能小，响应性好。（2）粘性温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性好。（3）润滑性能对液压元件滑动部位充分润滑。（4）安定性不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿命长。（5）防锈和抗腐蚀性对铁及非铁金属的锈蚀性小。（6）抗泡沫性介质中的气泡容易逸出并消除。（7）抗乳化性除含水液压液外的油液，油水分离要容易。（8）洁净性质地要纯净，尽可能不合污染物，当污染物从外部侵入时能迅速分离。（9）相容性对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性。（10）阻燃性燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性。（11）其他对工作介质的其他要求还有：无毒性和臭味；比热容和热导率要大；体胀系数要小等。其实，能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压系统中使用的工作介质按国际标准组织（ISO）的分类如表l-l所示。目前90％以上的液压设备采用石油基液压油液。基油为精制的石油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不同要求，往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的，如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等。（二）物理性质工作介质的基本性质有多项，现择其与液压传动性能密切相关的三项作一介绍。1密度单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度，即VmV式中ρ—一液体的密度；V——液体的体积；m——液体的质量。常用液压传动工作介质的密度值见表l－2。液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量一般很小，在工程计算中可以忽略不计。2可压缩性液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。若压力为p。时液体的体积为V。，当压力增加Δp时液体的体积减小ΔV，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为01VVpk式中，k称为液体的压缩率。由于压力增加时液体的体积减小，两者变化方向相反，为使k成为正值，在上2式右边须加一负号。液体压缩率k的倒数，称为液体体积模最，即01VVpkK表1-3所示为各种工作介质的体积模量。由表中石油基液压油体积模量的数量可知，它的可压缩性是钢的100～170倍（钢的弹性模量为2.1×105MPa）。一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大，但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构时，则必须予以考虑。石油基液压油的体积模量与温度、压力有关：温度升高时，K值减小，在液压油正常工作温度范围内，K值会有5％～25％的变化；压力增加时，K值增大，但这种变化不呈线性关系，当p≥3MPa时，K值基本上不再增大。由于空气的可压缩性很大，因此当工作介质中有游离气泡时，K值将大大减小，且起始压力的影响明显增大。但是在液体内游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议石油基液压油K的取值为（0.7～1.4）X103MPa，且应采取措施尽量减少液压系统工作介质中的游离空气的含量。3粘性(1）粘性的表现液体在外力作用下流动时，分子间内聚力的存在使其流动受到牵制，从而沿其界面产生内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。现以图1为例，说明液体的粘性。若距离为h的两平行平板间充满液体，下平板固定，而上平板以速度。0向右平动。由于液体和固体壁面间的附着力及液体的粘性，会使流动液体内部各液层的速度大小不等：紧靠着下平板的液层速度为零，紧靠着上平板的液层速度为U。，而中间各层液体的速度当层间距离h较小时，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。实验测定表明，流动液体相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比，即dyduAfF（1－4）式中，比例系数称为粘性系数或动力粘度。若以表示液层间的切应力，即单位面积上的内摩擦力，则上式可表示为dyduAFf这就是牛顿液体内摩擦定律。由上式可知，在静止液体中，速度梯度du／dy=0，故其内摩擦力为零，因此静止液体不呈现粘性，液体只在流动时才显示其粘性。（2）粘性的度量度量粘性大小的物理量称为粘度、常用的粘度有三种：即动力粘度、运动粘度、相对粘度。1）动力粘度μ。由式(1一5）可知，动力粘度μ是表征流动液体内摩擦力大小的粘性系数。其量值等于液体在以单位速度梯度流动时，单位面积上的内摩擦力，即dydu/在我国法定计量单位制及SI制中，动力粘度μ的单位是Pa·s（帕·秒）或用N·s／㎡（牛·秒／米2）表示。如果动力粘度只与液体种类有关而与速度梯度无关，这种液体称为牛顿液体，否则为非牛顿液体，石油基液压油一般为牛顿液体。32）运动粘度υ。液体动力粘度与其密度之比称为该液体的运动粘度。即在我国法定计量单位制及m制中，运动粘度υ的单位是㎡/s（米2／秒）、因其中只有长度和时间的量纲，故得名为运动粘度。国际标准ISO按运动粘度值对油液的粘度等级（UG）进行划分，见表1－4。3）相对粘度。相对粘度是根据特定测量条件制定的，故又称条件粘度。测量条件不同，所用的相对粘度单位也不同。如恩氏度0E（中国、德国、前苏联）、通用赛氏秒SUS（美国、英国）、商用雷氏秒R1S（英国、美国）和巴氏度0B（法国）等。恩氏粘度用恩氏粘度计测定，即将200mL温度为0C的被测液体装入粘度计的容器内，由其底部φ2．8mm的小孔流出，测出液体流尽所需时间t1，再倒出相同体积温度为200C的蒸溜水在同一容器中流尽所需的时间t2；这两个时间之比即为被测液体在t℃下的恩氏粘度，即21tttE恩氏粘度与运动粘度间的换算关系式为smEE2610)31.631.7(（3）温度对粘度的影响温度变化使液体内聚力发生变化，因此液体的粘度对温度的化十分敏感：温度升高，粘度下降（见图l－2）。这一特性称为液体的粘一温特性。粘一温特性用粘度指数Ⅵ来度量。M表示该液体的粘度随温度变化的程度与标准液的粘度变化程度之f通常在各种工作介质的质量指标中都给出粘度指数。粘度指数高，说明粘度随温度变化小，粘一温特性好。一般要求工作介质的粘度指数应在90以上，当液压系统的工作温度范围较大时，应进粘度指数高的介质。几种典型工作介质的粘度指数列于表1－5。（4）压力对粘度的影响压力增大时，液体分子间距离缩小，内聚力增加，粘度也会有所变大。但是这种影响在低压时并不明显，可以忽略不计；当压力大于50MPa时，其影响才趋于显著。压力对粘度的影响可用下式计算)1(cpeacpapK——大气压力下液体的运动粘度；e——自然对数的底；C——系数，对于石油基液压油，C一0.015～0.035。（5）气泡对粘度的影响液体中混入直径为0.25～0.5mm悬浮状态气泡时，对液体的粘度有一定影响，其值可按下式计算)015.01(0bb（1－11）式中b——混入空气的体积百分数；vb——混入b％空气时液体的运动粘度；v0——不含空气时液体的运动粘度。（三）选用和维护正确而合理地选用和维护工作介质对于液压系统达到设计要求、保障工作能力、满足环境条件、延长使用寿命、提高运行可靠性、防止事故发生等方面都有重要影响。l工作介质的选择工作介质的选择包含两个方面；品种和粘度。选择工作介质时要考虑的因素如表1－6所t。4工作介质的选择通常要经历下述四个基本步骤：1）列出液压系统对工作介质以下性能变化范围的要求；粘度、密度、体积模量、饱和蒸气压、空气溶解度、温度界限、压力界限、阻燃性、润滑性、相容性、污染性等。2）查阅产品说明书，选出符合或基本符合上述各项要求的工作介质品种。3）进行综合、权衡，调整各方面的要求和参数。4）与供货厂商联系，最终决定所采用的合适工作介质。表1-7示出各种工作介质的性能比较和应用范围，可供选择工作介质的品种时参考。在液压系统所有元件中，液压泵的工作条件最为严峻，不但压力高、转速高和温度高，而且工作介质在被液压泵吸入和由液压泵压出时要受到剪切作用，所以一般根据液压泵的要求来确定介质的粘度。表1－8给出了各种液压泵用油的粘度范围及推荐牌号。此外，选择工作介质的粘度时，还应考虑环境温度、系统工作压力、执行元件运动类型和速度以及泄漏量等因素：当环境温度高、压力高。往复运动速度低或旋转运动时，或泄漏量大，而运动速度不高时，宜采用粘度较高的工作介质，以减少系统泄漏；当环境温度低、压力低，往复运动或旋转运动速度高时，宜采用粘度低的工作介质，以减少液流功率损失。表1－9列出了各种工作介质的应用举例。综合参考表l－7、表1－8和表1－9便可选定所需工作介质的品种和牌号。2．工作介质的使用和维护选择好合适的工作介质仅是保障液压系统正常工作的先决条件，而想保持液压装置长期高效而可靠地运行，则必须对工作介质进行合理的使用和正确的维护。实际上，如果使用不当，还会使工作介质的性质发生变化。工作介质的维护关键是控制污染。实践证明，工作介质被污染是系统发生故障的主要原因，它严重影响着液压系统的可靠性及元件的寿命。（1）污染物种类及其危害液压系统中的污染物，是指混入工作介质中的各种杂物，如固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物和污染能量等。工作介质被污染后，将对系统及元件产生下述不良后果；1）固体颗粒会加速元件磨损，堵塞缝隙及过滤器，使液压泵和阔性能下降，产生噪声。2）水侵入液压油会加速油液的氧化，并与添加剂起作用产生粘性胶质，使滤心堵塞。3）空气的混入会降低工作介质的体积模量，引起气蚀，降低润滑性。4）溶剂、表面活性化合物等化学物质使金属腐蚀。5）微生物的生成使工作介质变质，降低润滑性能，加速元件腐蚀。对高水基液压液的危害更大。此外，不正常的热能、静电能、磁场能及放射能等也是一种对工作介质有危害的污染能量，它们之中，有的使温升超过规定限度，导致工作介质粘度下降甚至变质；有的则可使招致火灾。（2）污染原因工作介质遭受污染的原因是多方面的，污染物的来源如表1-10所示。表中液压装置组装时残留下来的污染物主要是指切屑、毛刺、型砂、磨粒、焊渣、铁锈等；从周围环境混入的污染物主要是指空气、尘埃、水滴等；在工作过程中产生的污染物主要是指金属微粒、锈斑、涂料和密封件的剥离片、水分、气泡以及工作介质变质后的胶状生成物等。（3）污染度等级工作介质的污染度是指单位体积工作介质中固体颗粒污染物的含量，即工作介质中所含固体颗粒的浓度。为了定量地描述和评定工作介质的污染程度，以便对它实施控制，有必要制定污染度的等级标准。国际标准ISO4406污染度等级见表1-11。等级采用两个数码表示工作介质中固体颗粒的污染度，前面的数码代表lml工作介质中尺寸不小于5μm的颗粒数等级，后面的数码代表1ml工作介质中尺寸不小于15μm的颗粒数等级，两个数码之间用一斜线分隔。例如，污染度等级数码为20／17的液压油，表示它在每毫升内不小于5μm的颗粒数在5000～10000之间，不小于15μm工的颗粒数在640～1300之间。由表1-11可知，ISO4406规定的污染度根据颗粒浓度的大小共分为26个等级数码，颗粒浓度愈大，代表等级的数码愈大。我国国家标准GB／T14039—1993（液压系统工作介质固体颗粒污染等级代号）与国际标准IS