第2章 液压传动基础知识

目的和任务1.了解液压油的物理性质，重点掌握液体的粘度；2.了解对液压油的要求及选用液压油的一般方法。2.1液压油12.1.1液压油的物理性质一液体的密度二液体的粘性三液体的可压缩四其他性质2一、液体的密度液体单位体积内的质量称为密度。常用“ρ”表示，单位：kg/m3dvdmvmlim0v＝对于均质液体3/mkgVm3液压油的密度随着温度或压力的变化而变化，一般随温度升高而减小，随压力增高而加大。但变化不大，通常忽略，一般取ρ=900kg/m3。4二、液体的粘性液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力会阻碍分子间的相对运动而产生一种内摩擦力。这一特性称作液体的粘性。粘性的大小用粘度来表示。5液体流动时液层间的内摩擦力与液层接触面积A及液层间的相对运动速度du成正比，而与液层间的距离dy成反比。μ：比例常数，称为粘性系数或粘度。du/dy：速度梯度。∵液体静止时，du/dy=0∴静止液体不呈现粘性dyduAF6流动液体单位面积上的内摩擦力称为切应力，用“τ”表示，单位为N/m2（MPa）。dyduAF称为牛顿的液体内摩擦定律。在流体力学中，把粘性系数μ不随速度梯度变化而发生变化的液体称为牛顿液体，反之称为非牛顿液体。一般液压油均可视为牛顿液体。7粘度动力粘度μ运动粘度ν相对粘度0E81.动力粘度μ液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上的内摩擦力。dudydyduAF国际单位（SI制）中：帕·秒（Pa·s）或牛顿·秒/米2（N·s/m2）；9以前沿用单位（CGS制）中：达因·秒/厘米2（dyn·s/cm2），又称泊（P）。换算关系：1Pa·s=10P=103CP102.运动粘度ν动力粘度μ与液体密度ρ之比值。SI制：m2/sCGS制：St（斯）、CSt（厘斯）（cm2/s）（mm2/s）换算关系：1m2/s=104St=106CSt11运动粘度无物理意义只是因为μ/ρ在流体力学中经常出现∴用ν代替（μ/ρ）运动粘度，常用于液压油牌号标注。老牌号——20号液压油，指这种油在50℃时的平均运动粘度为20cst。新牌号——L—HL32号液压油，指这种油在40℃时的平均运动粘度为32cst。123.相对粘度°E恩氏度0E——中国、德国、前苏联等用赛氏秒SSU——美国用雷氏秒R——英国用巴氏度0B——法国用13被测定的液体在某一温度下从恩氏粘度计小孔(φ2.8mm)流出200ml所需的时间t1(s)与蒸馏水在20℃流出相同体积所需时间t2(s)的比值，称为恩氏粘度。21ttEt工业上常用20℃、50℃、100℃作为测定恩氏粘度的标准温度。液压传动中一般以50℃作为标准测量温度。14恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系)/(1031.631.726smEEtt15三、液体的可压缩性液体受压力作用而发生体积缩小性质。液体的体积压缩系数：体积为V0的液体，当压力增大△p时，体积减小△V，则液体在单位压力变化下体积的相对变化量。01VVp常用液压油的压缩系数仅为（5~7)×10-10，一般可忽略不计。16四、液体的其它性质1.粘度和压力的关系∵P↑，F↑，μ↑∴μ随p↑而↑，压力较小时忽略，32Mpa以上才考虑。2.粘度和温度的关系∵温度↑，内聚力↓，μ↓∴粘度随温度变化的关系叫粘温特性，粘度随温度的变化较小，即粘温特性较好。172.1.2对液压油的要求及选用对液压油的要求液压油的选择18一、对液压油的要求⑴合适的粘度和良好的粘温特性；⑵良好的润滑性；⑶纯净度好，杂质少；⑷对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。⑸对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长；液压油的任务工作介质—传递运动和动力。润滑剂—润滑运动部件。19⑹抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；⑺比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝固点低。（凝点——油液完全失去其流动性的最高温度）⑻对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜。总之：粘度是第一位的。20二、液压油的选择1.选择液压油品种2.选择液压油粘度首先根据工作条件（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）快速、低压、低温：μ小（以↓△P）212.2液体静力学目的任务了解液体的静压力及特性掌握液体静力学基本方程式掌握压力的表示方法及单位重点掌握静压传递原理掌握液体对固体壁面的作用力22流体静力学研究液体处于相对平衡状态下的力学规律及其实际应用。所谓相对平衡状态是指液体内部各质点间没有相对运动。232.2.1液体的静压力及特性2.2.2液体静力学基本方程式2.2.3压力的表示方法及单位2.2.4静压传递原理2.2.5液体对固体壁面的作用力242.2.1液体的静压力及特性表面力—作用于液体表面上的外力。（法向力、切向力、其它物体或容器对液体或一部分液体作用于另一部分液体等）作用于液体上的力质量力—作用于液体的所有质点。（如重力、惯性力）25液体静压力的定义液体在单位面积上所受的内法线方向的法向力称为压力。（物理学中称压强）单位为牛顿/平方米(N/m2)，也称帕(Pa)。AFpAlim0＝在液压技术中，还采用工程大气压、千克力每平方米(kgf/m2)等为单位。242511kg/cm9.810N/m10Pa0.1MPaat工程大气压26液体静压力特性⑴液体静压力的方向总是沿着作用面的内法线方向。∵液体在静止状态下不呈现粘性∴内部不存在切向剪应力而只有法向应力⑵各向压力相等。∵有一向压力不等，液体就会流动∴各向压力必须相等272.2.2液体静力学基本方程例：计算静止液体内任意点A处的压力p。hGPP0AdAghdAdApGdAppdA00ghpp028重力作用下静止液体压力分布特征⑵静止液体内压力沿液深呈线性规律分布；⑶离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相等的点组成的面叫等压面。⑴静止液体中任一点处的压力由两部分组成液面外压力p0液体自重所形成的压力ρgh292.2.3压力的表示方法及单位绝对压力—以绝对真空为基准来进行度量相对压力*—以大气压力为基准进行度量。相对压力也称表压力。当液体中某点处的绝对压力p小于大气压力时就会产生真空。绝对压力小于大气压力的数值称为该点的真空度。30绝对压力=大气压力+相对压力或相对压力（表压）=绝对压力–大气压力真空度=大气压力–绝对压力312.2.4静压传递原理帕斯卡原理（静压传递原理）液压系统压力形成32帕斯卡原理（静压传递原理）通常在液压系统的压力管路和压力容器中，由外力所产生的压力p0要比液体自重所产生的压力ρgh大许多倍。即对于液压传动，可忽略液体位置高度对于压力的影响，认为静止液体内各处的压力都是相等的。在密闭容器内，液体表面的压力可等值传递到液体内部所有各点。333435液压系统压力形成若F=0，则p=0显然F↑，则p↑F↓，则p↓结论：液压系统的工作压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。FAAFp36帕斯卡原理应用实例帕斯卡原理应用实例图中垂直、水平液压缸截面积为A1、A2；活塞上负载为F1、F2。两缸互相连通，构成一个密闭容器，按帕斯卡原理，缸内压力处处相等，p1=p2，于是F2＝F1.A2/A1，如果垂直液缸活塞上没负载，则在略去活塞重量及其它阻力时，不论怎样推动水平液压缸活塞，不能在液体中形成压力。372.2.5液体对固体壁面的作用力作用在平面上的总作用力作用在曲面上的总作用力38压力作用在平面上的总作用力当承受压力作用的面是平面时，作用在该面上的压力的方向是互相平行的。故总作用力F等于油液压力p与承压面积A的乘积。即F=p.A对于图中所示的液压缸，油液压力作用在活塞上的总作用力为：F=p.A=p.D2/4式中p－油液的压力；D－活塞的直径。39作用在平面上的总作用力作用在平面上的总作用力FpA如：液压缸，设活塞直径为D，则：24DFpAp40油液压力作用在曲面上的总作用力当承受压力作用的表面是曲面时，作用在曲面上的所有压力的方向均垂直于曲面，图中将曲面分成若干微小面积dA，将作用力dF分解为x、y两个方向上的分力，即Fx＝p.dAsin=p.AxFY=p.dAcos=p.Ay式中，Ax、Ay分别是曲面在x和y方向上的投影面积。41作用在曲面上的总作用力作用在曲面上的总作用力xXFpA结论：曲面在某一方向上所受的作用力，等于液体压力与曲面在该方向的垂直投影面积之乘积。422.3液体动力学研究内容液体运动和引起运动的原因，即研究液体流动时流速和压力之间的关系，主要讨论动力学三个基本方程。目的任务了解流动液体特性、传递规律掌握动力学三大方程、流量和结论重点难点：流量与流速关系及结论432.3.1基本概念1、理想液体：既无粘性又不可压缩的液体2、恒定流动（稳定流动、定常流动）：流动液体中任一点的p、u和ρ都不随时间而变化流动。反之称非恒定流动或时变流动。一、理想液体和恒定流动44二、流线、流束和通流截面1.流线：某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线。2.流束：通过某截面上所有各点作出的流线集合构成流束。3.通流截面：流束中所有与流线正交的截面（垂直于液体流动方向的截面）。45三、流量和平均流速1.流量：单位时间内流过某通流截面的液体体积q，单位m3/s。工程上也用L/min。对于微小流束通过该通流截面的流量为：udAdqdA：微小流束的通流截面面积。u：液体流过该通流截面的速度。对于微小流束可认为是相等的。46流过整个通流截面的流量：AudAq2.平均流速：假设通流截面上流速均匀分布，称其为平均流速v，单位m/s。AudAvAqAqv47实际上由于液体具有粘性，液体在管道内流动时，通流截面上各点的流速是不相等的。管道中心处流速最大；越靠近管壁流速越小；管壁处的流速为零。为方便起见，以后所指流速均为平均流速。48液压缸的运动速度q=0v=0q↑v↑q↓v↓Aqv液压缸中液体的流速均为平均流速，它与活塞的运动速度相同。Aqv结论：液压缸的运动速度取决于进入液压缸的流量，并且随着流量的变化而变化。492.3.2连续性方程质量守恒定律在流体力学中的应用连续性原理—理想液体在管道中恒定流动时，根据质量守恒定律，液体在管道内既不能增多，也不能减少，因此单位时间内流入液体的质量应恒等于流出液体的质量。50液体在图示导管中流动，称其为流管，两端的通流截面面积分别为A1、A2。在管道内任取一微小流束，其两端截面积分别为dA1、dA2，流速分别为u1、u2。若液流为恒定流动且不可压缩，则在时间dt内流过两个微小通流截面的液体质量应相等。连续性方程推导51dtdAudtdAu22112211dAudAu则222111AAdAudAu对上式积分，得到流过流管通流截面A1、A2的流量为用v1、v2表示该两通流截面的平均流速：2211vAvA常数）(cAvq52结论：液体在管道中流动时，流过流管不同截面的流量是相等的。当流量一定时，通流截面上的平均速度与其截面积成反比。常数）(cAvq532.3.3伯努利方程能量守恒定律在流体力学中的应用理想液体没有粘性，它在管内作稳定流动时没有能量损失。根据能量守恒定律，同一管道每一截面上的总能量都是相等的，或：外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的变化量。一、理想液体的伯努利方程54在图中任意取两个截面A1和A2，它们距离基准水平面的坐标位置分别为h1和h2，流速分别为v1、v2，压力分别为p1和p2，根据能量守恒定律有：221112221122pghvpghv22pvhcgg55理想液体伯努利方程的物理意义在密闭管道内作恒定流动的理想液体具有三种形式的能量，即压力能、位能和动能。在流动过程中，三种能量之间可以互相转化，但各个过流断面上三种能量之和恒为定值。静压力基本方程则是伯努利方程（在速度为零时）的特例。56二、实际液体伯努利方程2211