第一章 液压传动基础知识

第一章液压传动基础知识本章介绍有关液压传动的流体力学基础，重点为液体静压方程、连续性方程、伯努力方程的应用，压力损失、小孔流量的计算。要求学生理解基本概念、牢记公式并会应用。第一节液压传动工作介质液压油是液压传动系统中的传动介质，而且还对液压装置的机构、零件起着润滑、冷却和防锈作用。液压传动系统的压力、温度和流速在很大的范围内变化，因此液压油的质量优劣直接影响液压系统的工作性能。故此，合理的选用液压油也是很重要的。一、液压传动工作介质的性质1、1、密度ρρ=m/V[kg/m3]一般矿物油的密度为850~950kg/m32、重度γγ=G/V[N/m3]一般矿物油的重度为8400~9500N/m3因G=mg所以γ=G/V=ρg3、液体的可压缩性当液体受压力作用二体积减小的特性称为液体的可压缩性。体积压缩系数β=-▽V/▽pV0▽体积弹性模量K=1/β4、4、流体的粘性液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。由于液体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力，由此可见，粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形，因而也不存在变形的抵抗，只有当运动流体流层间发生相对运动时，流体对剪切变形的抵抗，也就是粘性才表现出来。粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动，在任何情况下它都只能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。粘性的大小可用粘度来衡量，粘度是选择液压用流体的主要指标，是影响流动流体的重要物理性质。图2-2液体的粘性示意图当液体流动时，由于液体与固体壁面的附着力及流体本身的粘性使流体内各处的速度大小不等，以流体沿如图2-2所示的平行平板间的流动情况为例，设上平板以速度u0向右运动，下平板固定不动。紧贴于上平板上的流体粘附于上平板上，其速度与上平板相同。紧贴于下平板上的流体粘附于下平板图2-2液体的粘性示意图上，其速度为零。中间流体的速度按线性分布。我们把这种流动看成是许多无限薄的流体层在运动，当运动较快的流体层在运动较慢的流体层上滑过时，两层间由于粘性就产生内摩擦力的作用。根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力F与流体层的接触面积A及流体层的相对流速du成正比，而与此二流体层间的距离dz成反比，即：F=μAdu/dz以τ=F/A表示切应力，则有：τ＝μdu/dz(2-6)式中：μ为衡量流体粘性的比例系数，称为绝对粘度或动力粘度；du/dz表示流体层间速度差异的程度，称为速度梯度。上式是液体内摩擦定律的数学表达式。当速度梯度变化时，μ为不变常数的流体称为牛顿流体，μ为变数的流体称为非牛顿流体。除高粘性或含有大量特种添加剂的液体外，一般的液压用流体均可看作是牛顿流体。流体的粘度通常有三种不同的测试单位。(1)绝对粘度μ。绝对粘度又称动力粘度，它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小。动力粘度μ在物理意义上讲，是当速度梯度du/dz=1时，单位面积上的内摩擦力的大小，即：dudz(2-7)动力粘度的国际(SI)计量单位为牛顿·秒/米2，符号为2，或为帕·秒，符号为。(2)运动粘度ν。运动粘度是绝对粘度μ与密度ρ的比值：ν=μ/ρ(2-式中：ν为液体的动力粘度，m2/s；ρ为液体的密度，kg/m3。运动粘度的SI单位为米2/秒，m2/s。还可用CGS制单位：斯(托克斯)，St斯的单位太大，应用不便，常用1%斯，即1厘斯来表示，符号为cSt，故：-2-6m2/s运动粘度ν没有什么明确的物理意义，它不能像μ一样直接表示流体的粘性大小，但对ρ值相近的流体，例如各种矿物油系液压油之间，还是可用来大致比较它们的粘性。由于在理论分析和计算中常常碰到绝对粘度与密度的比值，为方便起见才采用运动粘度这个单位来代替μ/ρ。它之所以被称为运动粘度，是因为在它的量纲中只有运动学的要素长度和时间因次的缘故。机械油的牌号上所标明的号数就是表明以厘斯为单位的，在温度50℃时运动粘度ν的平均值。例如10号机械油指明该油在50℃时其运动粘度ν的平均值是10cSt。蒸馏水在20.2℃时的运动粘度ν恰好等于1cSt，所以从机械油的牌号即可知道该油的运动粘度。例如20号油说明该油的运动粘度约为水的运动粘度的20倍，30号油的运动粘度约为水的运动粘度的30倍，如此类推。动力粘度和运动粘度是理论分析和推导中经常使用的粘度单位。它们都难以直接测量，因此，工程上采用另一种可用仪器直接测量的粘度单位，即相对粘度。(3)相对粘度。相对粘度是以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体的粘性的。相对粘度又称条件粘度。各国采用的相对粘度单位有所不同。有的用赛氏粘度，有的用雷氏粘度，我国采用恩氏粘度。恩氏粘度的测定方法如下：测定200cm3某一温度的被测液体在自重作用下流过直径2.8mm小孔所需的时间tA，然后测出同体积的蒸馏水在时流过同一孔所需时间tB(tB=50～52s)，tA与tB的比值即为流体的恩氏粘度值。恩氏粘度用符号°E表示。被测液体温度t℃时的恩氏粘度用符号°Et表示。°A/tB(2-9)工业上一般以20℃、50℃和作为测定恩氏粘度的标准温度，并相应地以符号°E20、°E50和°E100来表示。知道恩氏粘度以后，利用下列的经验公式，将恩氏粘度换算成运动粘度。ν=7.31°E-6.31/°E×10-6(2-10)为了使液体介质得到所需要的粘度，可以采用两种不同粘度的液体按一定比例混合，混合后°E＝[a°E1+b°E2-c(°E1-°E2)]/100(2-11)式中：°E为混合液体的恩氏粘度；°E1，°E2分别为用于混合的两种油液的恩氏粘度，°E1＞°E2；a，b分别为用于混合的两种液体°E1、°E2各占的百分数，a+b=100；c为与a、b有关的实验系数，见表2-1。表2-1系数的值a/%102030405060708090b/%908070605040302010c6.713.117.922.125.527.928.22517(4)压力对粘度的影响。在一般情况下，压力对粘度的影响比较小，在工程中当压力低于5MPa时，粘度值的变化很小，可以不考虑。当液体所受的压力加大时，分子之间的距离缩小，内聚力增大，其粘度也随之增大。因此，在压力很高以及压力变化很大的情况下，粘度值的变化就不能忽视。在工程实际应用中，当液体压力在低于50MPa的情况下，可用下式计算其粘度：νp=ν0(1+αp)(2-12)式中：νp为压力在p(Pa)时的运动粘度；ν0为绝对压力为1个大气压时的运动粘度；p为压力(Pa)；α为决定于油的粘度及油温的系数，一般取α=(0.002～0.004)×10-5，1/Pa。(5)温度对粘度的影响。液压油粘度对温度的变化是十分敏感的，当温度升高时，其分子之间的内聚力减小，粘度就随之降低。不同种类的液压油，它的粘度随温度变化的规律也不同。我国常用粘温图表示油液粘度随温度变化的关系。对于一般常用的液压油，当运动粘度不超过76mm2/s，温度在30～范围内时，可用下述近似公式计算其温度为t℃的运动粘度：νt=ν50(50/t)n(2-式中：νt为温度在t℃时油的运动粘度；ν50为温度为50℃时油的运动粘度；n为粘温指数。粘温指数n随油的粘度而变化，其值可参考表2-2。表2-2粘温指数ν50/mm2·s-12.56.59.512213038455260n1.391.591.721.791.992.132.242.322.422.49二、对液压传动工作介质的要求液压油是液压传动系统的重要组成部分，是用来传递能量的工作介质。除了传递能量外，它还起着润滑运动部件和保护金属不被锈蚀的作用。液压油的质量及其各种性能将直接影响液压系统的工作。从液压系统使用油液的要求来看，有下面几点：1.适宜的粘度和良好的粘温性能一般液压系统所用的液压油其粘度范围为：ν=11.5×10-6～35.3×10-6m2/s(2～5°E50)2.润滑性能好在液压传动机械设备中，除液压元件外，其他一些有相对滑动的零件也要用液压油来润滑，因此，液压油应具有良好的润滑性能。为了改善液压油的润滑性能，可加入添加剂以增加其润滑性能。3.良好的化学稳定性即对热、氧化、水解、相容都具有良好的稳定性。4.对液压装置及相对运动的元件具有良好的润滑性5.对金属材料具有防锈性和防腐性6.比热、热传导率大，热膨胀系数小7.抗泡沫性好，抗乳化性好8.油液纯净，含杂质量少9.流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气内燃，但油本身不燃烧的温度)和燃点高此外，对油液的无毒性、价格便宜等，也应根据不同的情况有所要求。三、工作介质的分类及选用1、分类普通液压油专用液压油1、石油基液压油抗磨液压油高粘度指数液压油石油基液压油是以石油地精炼物未基础，加入抗氧化或抗磨剂等混合而成的液压油，不同性能、不同品种、不同精度则加入不同的添加剂。合成液压油——磷酸酯液压油2、难燃液压油水——乙二醇液压油含水液压油油包税乳化液乳化液水包油乳化油1)石油基液压油这种液压油是以石油的精炼物为基础，加入各种为改进性能的添加剂而成。添加剂有抗氧添加剂、油性添加剂、抗磨添加剂等。不同工作条件要求具有不同性能的液压油，不同品种的液压油是由于精制程度不同和加入不同的添加剂而成。2)成添加剂磷酸脂液压油是难燃液压油之一。它的使用范围宽，可达-54~135℃。抗燃性好，氧化安定性和润滑性都很好。缺点是与多种密封材料的相容性很差，有一定的毒性。3)—乙二醇液压油这种液体由水、乙二醇和添加剂组成，而蒸馏水占35％~55％，因而抗燃性好。这种液体的凝固点低，达-50℃，粘度指数高（130~170），为牛顿流体。缺点是能使油漆涂料变软。但对一般密封材料无影响。4)乳化液乳化液属抗燃液压油，它由水、基础油和各种添加剂组成。分水包油乳化液和油包水乳化液，前者含水量达90％~95％，后者含水量大40％。2、选用选用液压油时，可根据液压元件生产厂样本和说明书所推荐的品种号数来选用液压油，或者根据液压系统的工作压力、工作温度、液压元件种类及经济性等因素全面考虑，一般是先确定适用的粘度范围，再选择合适的液压油品种。同时还要考虑液压系统工作条件的特殊要求，如在寒冷地区工作的系统则要求油的粘度指数高、低温流动性好、凝固点低；伺服系统则要求油质纯、压缩性小；高压系统则要求油液抗磨性好。在选用液压油时，粘度是一个重要的参数。粘度的高低将影响运动部件的润滑、缝隙的泄漏以及流动时的压力损失、系统的发热温升等。所以，在环境温度较高，工作压力高或运动速度较低时，为减少泄漏，应选用粘度较高的液压油，否则相反。液压油的牌号(即数字)表示在40℃下油液运动粘度的平均值(单位为cSt)。原名内为过去的牌号，其中的数字表示在50℃时油液运动粘度的平均值。但是总的来说，应尽量选用较好的液压油，虽然初始成本要高些，但由于优质油使用寿命长，对元件损害小，所以从整个使用周期看，其经济性要比选用劣质油好些。表2-3常见液压油系列品种种类牌号原名用途油名代号普通液压油N32号液压油N68G号液压油YA-N32YA-N6820号精密机床液压油40号液压—导轨油用于环境温度0～45℃工作的各类液压泵的中、低压液压系统抗磨液压油N32号抗磨液压油N150号抗磨液压油N168K号抗磨液压油YA-N32YA-N150YA-N168K20抗磨液压油80抗磨液压油40抗磨液压油用于环境温度-10～40℃工作的高压柱塞泵或其他泵的中、高压系统低温液压油N15号低温液压油N46D号低温液压油YA-N15YA-N46D低凝液压油工程液压油用于环境温度-20℃至高于40℃工作的各类高压油泵系统高粘度指数N32H号高粘度指数YD-N32用于温度变化不大液压油液压油D且对粘温性能要求更高的液压系统四、液压油的污染与防护液压油是否清洁，不仅影响液压系统的工作性能和液压元件的使用寿命，而且直接关系到液压系统是否能正常工作。液压系统多数故障与液压油受到污染有关，因此控制液压油的污染是十分重要的。1.液压油被污染的原因液压油被