2液压流体力学知识

第二章液压流体力学基础知识主要掌握的知识点是：液压流体力学基础知识工作液体-介质(液压油)静止液体的性质流动液体的性质液体流动时的压力损失液体流动时的泄漏液压冲击气穴现象§2-1液压油的性质（Workingmediumofhydraulics—hydraulicoil）液压传动是以液体为工作介质来传递能量的。因此要了解液体—工作介质—液压油和液体的力学性质是必要的，它有助于正确理解液压传动的原理和规律，为正确使用和维修液压元件和液压系统打下良好的基础。一、液压油物理性质（一）液压油的密度（massdensity）密度-用符号ρ表示，即ρ=m/v（kg/m³）m—液体的质量（kg）；V—液体的体积（m³）。一般机械油和液压油的密度=850～900kg/m³。单位体积内所含液体质量的多少。（二）液体的压缩性液体的压缩性：压缩性的大小可用压缩系数k来表示，它是指温度不变时，每产生一个单位压力变化时，液体体积的减小量。即：液体所受压力增大一个压力时，所发生的体积的相对变化值，K=-（1/Δр）•（ΔV/V0）是指液体受到压力作用时体积将缩小，密度将有所增加。式中K：液体的压缩系数；Δр：压力变化值；ΔV：液体体积的变化量；V0：正常压力时的液体体积。从压缩系数可以看到油液的可压缩性很小，一般可以忽略不计，但在分析液体元件或系统的动态性能时，却是一个不可忽略的因素。（三）液体的膨胀性液体的膨胀性是指：液体的温度升高而体积增大的性质。体积膨胀性的大小用体积膨胀系数ß表示。其物理意义是：温度每升高1度时，所发生的体积v的相对变化值。（四）液体的粘性(viscosity)1.液体运动的当液体在外力作用下流动时，一般液体各层的运动速度不相等，这是由于液体与固体壁间的附着力和液体分子间的内聚力造成的。液体流时速度的布：通过分析得知运动较快的液层带动运动较慢的液层，而运动较慢的液层却阻滞运动较快的液层。这样，运动较快的液层在运动较慢的液层上滑过时，就类似固体的摩擦过程。由于液体与固体（容器）界壁的附着力和液体本身的内聚力而使液体各处的速度产生差异。如管道中的液体流动（参见图），紧贴管壁的液体流动速度为零，愈接近轴心的液体流动速度愈大，轴心处的液体流动速度最大。液体只有流动时才显现出粘性，而静止液体不显现出粘性。液体具有一定的体积而无一定的形状，因此很容易改变其形状。从工程角度看液体几乎不能抵抗拉力和切力的作用，即使在一个微小的拉力和切力作用，液体都不能保持其原来的平衡状态，产生变形，这种性质称为液体的流动性。液体的流动性2.粘性的定义液体的粘性：液体流动时，各液层之间产生的内摩擦力（或称切应力），液体的这种性质称液体的粘性。表现液体粘性大小程度的物理量称粘度。在液压传动中所用液压油主要是根据粘度来选择的。3.粘性的度量表现流体粘性大小程度的物理量称粘度。粘度的两种表现形式绝对粘度相对粘度表现形式有动力粘度和运动粘度。一般在理论计算、理论分析和推导时经常使用的计算公式。但较难接测量。在工程上常用该粘度表示油液的粘度大小。可在实际中测量出来。绝对粘度：相对粘度（1）动力粘度（dynamicviscosity)牛顿在实验中发现液体流动时相邻液层单位面积上的内摩擦力（或切应力）τ与液体运动时的速度梯度成正比，并与液体的性质有关：--表示内摩擦力；--比例系数；--速度梯度。dydvAFdydv上式即为著名的牛顿液体内摩擦定律的数学表达式-通过实验测定得出的结果：液体流动时相邻液层之间的内摩擦力F与液层接触的面积A、液层间的速度梯度dv/dy成正比。式中的称比例系数，称其为动力粘度。dv/dy——速度梯度，表示液层之间的相对滑动的梯度。动力粘度的物理意义：液体在单位速度梯度（|dv/dy|=1）下流动时，相邻液层单位面积上的内摩擦力。动力粘度µ的单位：帕·秒（Pa·s）帕=N/㎡（帕·秒—N·S/㎡，1Pa·s=1N·S/㎡）通过动力粘度的公式得知：在静止液体中，由于速度梯度等于零内摩擦力为零，故液体在静止液体状态下不显粘性。（2）运动粘度运动粘度（kinematicviscosity)在同一温度下液体的动力粘度µ与其密度ρ的比值称为运动粘度，用υ表示，即υ=μ/ρ单位：㎡/S，mm²/S（1㎡/S=106mm²/s）在液压传动计算中和液压油的牌号上，一般不用动力粘度，而用运动粘度。（3）相对粘度（又称条件粘度）相对粘度：美国采用赛氏粘度SSU;英国采用雷氏粘度ReI;我国采用的是恩氏粘度。恩氏粘度用恩氏粘度器来测定。以被测液体的粘度相对于水的粘度的相比较的相对值。恩式粘度测量其测量过程为：（1）在某温度下，取被测液体200cm³放入容器中，从其底部的小孔（直径2.8mm）全部流出，用了t1秒时间；（2）取标准温度（20ºC）时蒸馏水200cm³放入同一容器中，从底部的小孔全部流出，用了t2秒时间；ºET∘=t1/t2。工业上一般以20ºc、50°c、100°c为测定恩氏粘度的标准温度，用°E20、°E50、°E100表示。影响粘度的因素有温度压力4.粘度与温度的关系粘度与温度的关系：油液的粘度随温度的增高而变小，又随温度的降低而变大。油液粘度的变化将直接影响到液压传动系统的性能和泄漏，所以液压用油的粘度随温度变化愈小愈好。液体粘性随温度变化的性质称粘温特性。（见下图液压油的粘温特性曲线）液压油的粘温特性曲线—由于矿物油的组成、炼制方法等不同，各种矿物油的粘度与温度的关系也不一样，有时用粘度指数（V·I）来表示。粘度指数：被测液体的粘度随温度变化的程度同标准油液的粘度随温度变化程度比较的相对值。通过粘温曲线图可知，粘度指数高其粘温曲线平缓，粘度随温度变化小，粘温性能好，液压传动用油一般要求粘度指数在90以上，最好的在100以上。5.粘度与压力的关系粘度与压力的关系：油液的压力增大时其密度加大，分子间的距离缩小，粘度变大（粘度变稠）。但粘度压力变化程度并不大。也就是说，压力对粘度的影响在低压时不明显：当压力大于50MPa时，其影响趋于显著；压力升到70Mpa时，液体的粘度将比常压下增加4~10倍。当压力在0~50Mpa的范围内时，可用经验公式计算其粘度。当压力在32MPa以下时，可不考虑压力对粘度的影响。二、液压油的化学性质液压油的化学性质闪点和燃点凝固点和流动点化学稳定性和热稳定性三、液压油的添加剂液压传动用的油液应具有较高的粘度指数，有较好的化学性质，而普通矿物油不具备这些性质，往往需要添入适当的添加剂来改善他们的性能。常见的添加剂类型有两类一类用来改善基础油液的化学性质；另一类用来改善基础油液的物理性质。改善化学性质的有：抗氧化剂、防腐剂、防锈剂、防霉剂等。改善物理性质的有：增粘剂、抗泡剂、降凝剂、油性剂等。使用时根据需要组合，在选用时，应注意添加剂与基础油液之间的相互作用，不能影响和改变油的性质，各自的作用不能抵消与减弱。⒈防止氧化剂能抑制氧化生酸，又能在金属表面形成防蚀保护层，以避免酸性物质直接接处金属。⒉防锈剂当油中混入水分后，会侵蚀金属表面引起生锈。在金属表面形成一层保护膜，能达到防锈目的。⒊减摩剂防止相对滑动表面的磨损。⒋黏度指数提高剂用来提高油液的黏度，使其使用的温度范围扩大。其他添加剂在此不多介绍。四、液压传动用油的要求、选择在液压传动中，油液是传递动力或力矩的工作介质，所选用油液的性质将直接影响到液压传动系统工作的好坏。必须正确选择液压油。（一）对液压传动用油的基本要求①合适的黏度和良好的粘温特性；②润滑性能好；③对密封材料的相容性；④对氧化、乳化和剪切都有良好的稳定性，长期工作不易变质；⑤抗泡沫性好、腐蚀性小；⑥清洁度高，质地纯洁，杂质少；⑦燃点高、凝固点低；⑧对人无害，成本低。（二）油液的选择在具体选择液压油的粘度时，一般应考虑下列具体因素：1.液压系统中工作压力的高低。2.液压系统中运动速度的快慢。3.液压系统周围环境温度。有时也从以下几个因素考虑：①液压系统所处的环境；②液压系统的工作条件；③液压油的性质；④经济性；液压油的污染主要掌握以下几项内容污染的危害污染产生的原因减少污染产生的措施P6表1-1是液压泵使用油液的粘度范围。五、液压油的合理使用（污染与控制）液压油受到污染，常常是系统发生故障的主要原因，因此控制液压系统的污染是十分重要的。（一）液压油污染的危害什么是液压油的污染使系统不断地发生故障，液压元件的寿命也大大降低。是指液压油中含有的水分、空气、微小固体颗粒及胶状生物等杂质。污染对系统造成的主要危害：①固体颗粒和胶状生成物堵塞过滤器液压泵运转困难，产生噪声；堵塞元件的小孔或缝隙，使元件动作失灵；②微小固体颗粒会加速零件磨损，磨伤密封元件，使系统出现泄漏；③水分和空气的混入，降低液压油的润滑能力，并使其氧化变质，产生气蚀，加剧元件的损坏；使液压系统出现振动、爬行等现象。§2-2节静止液体的力学基础知识静止液体（或相对静止的液体）：是指液体处于相对静止。当液体处于相对静止状态时，各液体之间没有相对运动，故在分析液体性质时，不考虑其粘性的影响，即液体不显粘性。一、静止液体的压力及特性（一）静压力（用p表示）定义：液体处于相对静止时，单位面积上所受力的大小称静压力，简称压力。压力数学表达式：P=F/A(Pa=N/m2）式中：F-作用在液面上的合外力（N牛顿）S-作用面积（m2）。（二）由自重产生的压力液体由自重产生的压力与离开液面的深度成正比，即：p1=ρgh（N/m2)重力作用下的静止液体(三）静压力的特性(为什么?)1.静止液体中，任意一点所受到的各个方向上的压力都相等。2.液体压力垂直与承压表面，其方向与承压面的内法线方向相同。二、压力的表示方法及单位表示方法--压力的表示方法绝对压力相对压力绝对压力：相对压力：以绝对真空度为基准度量的压力。以大气压力为基准度量的压力。（它是通过仪表显示的值，又称表压力）。真空：真空用真空度表示。真空度：如果液体中某点的压力小于大气压力，习惯称“这一点具有真空”。某点的绝对压力不足于大气压力的数值称真空度。由P6图1-3分析，Pa=P0+ρgh（1）式中Pa–为液体的绝对压力。P0-为大气压力。ρgh–为相对压力。式（1）为静力学中液体的平衡方程式。绝对压力相对压力真空度三者之间的关系怎样？三者关系：绝对压力=大气压力+相对压力绝对压力=大气压力-真空度真空度与相对压力的关系：两者是相反的，对某点来讲，如果有相对压力，就不会有真空度；有真空度，就不会有相对压力。真空度不是绝对压力，是大气压力不足的表现。液体元件铭牌上标示的额度压力和最大压力等是指的是相对压力（即表压力—通过仪表显示出的压力）。三、静止液体内压力传递原理(一)液压系统压力的形成液压系统中压力是油液在系统中受到的作用而形成的。由静压公式p=F/S得知，液压系统中的压力取决于外载荷，并随外载荷的变化而变化。“前阻后推”（二）静压传递原理（即帕斯卡原理）在密闭容器内的平衡液体中，任意点的压力如果有变化，这个变化值将传递给液体中的所有各点，其值不变。其表现方式，通过油压千斤顶的工作过程得知：小缸活塞面积A1，施加的外力为F1；大缸活塞面积A2，用来举升重物W。(画千斤顶工作示意图分析)静压传递原理内容在小缸内产生的压力为p=F1/A1，缸中的压力增大了p，故各点的压力也增大了p。p=W/A2，所以（F1/A1）=（W/A2）W=（A2/A1）•F1W是举升的重物，F1举升重物需要的外力A2/A1面积比越大，抬起的重物越重，施加的力可以小些，但重物上移的距离就小。液压缸的工作图(画液压缸,分析压力与负载的关系）工作时，当负载增大，缸的结构尺不变，由压力公式得知，p增大；当负载等于零时，p=0。因此，液压系统中的压力，是油液在系统中受到“前阻后推”的作用形成的。压力的大小取决与负载，并随负载的变化而变化。四、作用在平面上和曲面上的力（一）作用在平面上的力（参见李P8图1-5所示分析）利用压力公式即可：p=F/A，=Ap（二）作用在曲面上的力在液压系统中，常见的曲面有圆柱形表面、圆锥形表面、球面等。当压力