第一章液压传动基础知识

《液压与气压传动》第一章液压传动基础知识流体传动包括液体传动和气体传动液压传动以液体的静压能传递动力，它的工作介质是油液本章主要内容就是介绍油液的种类油液的物理性质油液的静力学、运动学和动力学规律《液压与气压传动》第一章液压传动基础知识第一节液压传动工作介质第二节液体静力学第三节液体动力学第四节定常管流的压力损失计算第五节孔口和缝隙液流第六节空穴现象《液压与气压传动》第一节液压传动工作介质一、液压传动工作介质的性质1、密度单位体积液体的质量为液体的密度。体积为V，质量为m的液体的密度ρ为ρ=m/V温度和压力对密度的影响：温度上升，密度有所减小。压力提高，密度稍有增加。但变动很小，可认为是常值我国采用20℃时的密度作为油液的标准密度，以ρ20表示。最常用的工作介质是液压油。此外还有乳化型传动液和合成型传动液《液压与气压传动》一、液压传动工作介质的性质2、可压缩性压力为p0、体积为V0的液体，如压力增大△p时，体积减小△V，则体积的可压缩性可用体积压缩系数来表示01VVp即单位压力变化下的体积相对变化量液体的可压缩性一般用体积弹性模量K来表示/1K体积弹性模量与温度、压力的关系：温度增加时，K值减小，在正常工作范围内，有5%~25%的变化；压力增大时，K值增大，当p≥3MPa时，K基本上不再增大；当工作介质中混有气泡时，K值将大大减小。《液压与气压传动》一、液压传动工作介质的性质3、粘性定义：液体在外力作用下流动（或有流动趋势）时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内聚力，这种现象叫做液体的粘性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性。粘性使液体内部各处的速度不相等。液体流动时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dyduAFt粘性系数或粘度《液压与气压传动》dyduAFt两边同除以A，得dyduAFt为牛顿的液体内摩擦定律式中τ为切应力。由上式可得粘度的物理意义为：液体在单位速度梯度下流动时单位面积上产生的内摩擦力。μ称动力粘度，单位为Pa·s（帕·秒），以前单位为P（泊），两者关系为：1Pa·s=10P=1000cP（厘泊）运动粘度—液体的动力粘度与其密度的比值，即/单位为m2/s，以前单位为St（斯），两者关系为：1m2/s=104St=106cSt（厘斯）=106mm2/s《液压与气压传动》液压传动工作介质的粘度等级的划分依据：以40℃时运动粘度（以mm2/s计）的中心值来划分。例如：某一种牌号L—HL22普通液压油，它表示的是该液压油在40℃时的运动粘度的中心值为22mm2/s。粘度与温度、压力的关系：温度升高，粘度下降。变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用。粘度对温度的变化十分敏感。压力增大，粘度增大，在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可忽略不计。《液压与气压传动》一、液压传动工作介质的性质4、其它性质液压传动介质还有其它一些性质，如：稳定性（热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、剪切稳定性等）抗泡沫性抗乳化性防锈性润滑性相容性（对所接触的金属、密封材料、涂料等的作用程度）《液压与气压传动》二、对液压传动工作介质的要求不同的工作机械、不同的使用情况对工作介质的要求有很大不同。液压传动工作介质应具备如下性能：合适的粘度，ν40=（15-68）×10-6m2/s，较好的粘温特性润滑性能好质地纯净，杂质少对金属和密封件有良好的相容性对热、氧化、水解和剪切有良好的稳定性抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好体积膨胀系数小，比热容大流动点和凝固点低，闪点和燃点高对人体无害，成本低《液压与气压传动》三、工作介质的分类和选用1、分类工作介质品种的组成：代号+数字代号中L—石油产品的总分类号“润滑剂及有关产品”H—表示液压系统用的工作介质数字—表示该工作介质的某个粘度等级如L-HL表示石油型普通液压油L-HH表示石油型精致矿物油牌号L—HL22最常用的液压系统工作介质：表示普通液压油，该液压油在40℃时的运动粘度的中心值为22mm2/s石油型液压油《液压与气压传动》三、工作介质的分类和选用2、工作介质的选用原则在选用时要考虑的因素有：（1）液压系统的工作条件按系统中液压元件，主要是液压泵来确定介质的粘度，具体见书上表1-4，同时要考虑工作压力范围、润滑性、系统温升程度、相容性等。（2）液压系统的工作环境环境温度的变化范围，有无明火和高温热源、抗燃性等，还要考虑环境污染、毒性和气味等因素。（3）综合经济分析通盘考虑价格和使用寿命本节结束，返回《液压与气压传动》第二节液体静力学液体静力学主要讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。液体静止—液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。一、液体静压力及其特性静压力—当液体静止时，液体内某点处单位面积上所受到的法向力。液体静压力的特性：（1）液体静压力的方向总是作用面的内法线方向。（2）静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。《液压与气压传动》二、液体静压力基本方程1、静压力基本方程ghpp0重力作用下的静止液体2、静压力基本方程式的物理意义A点处的压力：)(000zzgpghpp整理后得：常数00zgpzgp或常数gzpzgp00《液压与气压传动》常数gzpzgp00这是液体静压力基本方程式的另一种形式zg—表示A点的单位质量液体的位能p/ρ—表示A点的单位质量液体的压力能静压力基本方程中包含的物理意义：静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以相互转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守恒。三、压力的表示方法及单位表示方法有两种：绝对压力—以绝对真空作为基准所表示的压力。相对压力—以大气压作为基准所表示的压力。大多数仪表测得的压力都是相对压力，所以相对压力也称表压力。《液压与气压传动》绝对压力与相对压力的关系为：绝对压力=相对压力+大气压力如果液体中某点处的绝对压力小于大气压，这时在这个点上的绝对压力比大气压小的那部分数值叫做真空度。真空度=大气压—绝对压力绝对真空压力p绝对压力相对压力（正）相对压力（负）真空度绝对压力ppa大气压ppa绝对压力、相对压力和真空度的关系压力单位：帕斯卡，简称帕，符号Pa1Pa=1N/m21MPa=106Pa1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8×104N/m2≈105N/m21bar（巴）=105N/m210N/cm2≈1kgf/cm2《液压与气压传动》四、帕斯卡原理在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到各点。帕斯卡原理的应用F2=F1A2/A1如果垂直液压缸的活塞上没有负载，并忽略活塞重量和其它阻力时，不论怎样推动水平液压缸的活塞，也不能在液体中形成压力。表明：液压系统中的压力由外界负载决定。《液压与气压传动》五、液体静压力对固体壁面的作用力当固体壁面是平面时，作用力F=pA当固体壁面是曲面时，液压作用力在某一方向上的分力等于液体静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。《液压与气压传动》例1-1如图所示，容器内充满油液，活塞上作用力F=1000N，活塞的面积A=1×10-3m2，问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少？油液的密度ρ=900kg/m3解：活塞和液面接触处的压力为p0=F/A=1000/（1×10-3）=106N/m2所以深度为h处的液体压力为：MPamNmNghpp1/10)/(100044.15.08.990010262660可见：液体在受压的情况下，其液柱高度引起的压力ρgh可以忽略不计。所以对液压传动来说，一般不考虑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相等本节结束返回《液压与气压传动》第三节液体动力学液体动力学主要讨论作用在流体上的力以及这些力和流体运动特性之间的关系。本节主要讲述三个基本方程：流量连续性方程、伯努利方程和动量方程。一、基本概念1、理想液体、定常流动和一维流动理想液体—既无粘性又不可压缩的液体。定常流动—液体流动时，液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化。这种流动称定常流动。反之，只要有一个随时间变化，就是非定常流动，或称时变流动。一维流动—液体整个地作线形流动。《液压与气压传动》2、迹线、流线、流束和通流截面迹线—流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹。流线—表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线，在此瞬时，流线上各质点速度方向与该线相切。在定常流动时，流线不随时间而变化，流线与迹线重合。流线之间不可能相交，也不可能突然转折，流线是一条光滑的曲线。通流截面—流束中与所有流线正交的截面。一、基本概念流线彼此平行的流动称为平行流动，流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动称为缓变流动。平行流动和缓变流动都算是一维流动。《液压与气压传动》3、流量和平均流速流量—单位时间内通过某通流截面的液体的体积。单位：m3/s，实际使用中常用L/min或mL/s一、基本概念对于微小流束，可以认为通流截面上各点的流速是相等的，所以通过此微小截面的流量为流量的计算：AudAqudAdq积分可得到整个通流截面面积上的流量为《液压与气压传动》4、流动液体的压力在流动液体内，由于惯性力和粘性力的影响，任意点处在各个方向上的压力并不相等，但数值相差甚微。当惯性力很小，且把液体当作理想液体时，流动液体内任意点处的压力在各个方向上的数值可以看作是相等的。为了便于计算，引入平均流速的概念，假想在通流截面上流速是均匀分布的，则流量等于平均流速乘以通流截面积。令此流量与实际的不均匀流速通过的流量相等，则vAudAqA故平均流速为Aqv/质量流量为qqm《液压与气压传动》二、连续性方程从流动液体的质量守恒定律中演化出来。qm1qm2Vρm根据质量守恒定律qm1-qm2应等于该时间内体积V中液体质量的变化率dm/dt因为111qqm222qqmVm所以dtdVdtdVdtVdqq)(2211因压力变化引起密度ρ变化使液体受压缩而增补的液体质量因控制体积变化而增补的液体质量《液压与气压传动》dtdVdtdVdtVdqq)(2211（1）当控制体积不随时间而变时dV/dt=0（2）当流体为恒定流动时，密度不随时间而变，此时dρ/dt=0于是02211qq2211qq即常数Av（3）若忽略液体的可压缩性，即ρ=const，则有2211vAvA即constAvq上式为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程此方程说明：在恒定流动中，流过各截面的不可压缩液体的流量是相等的，而液体的流速和管道通流截面的大小成反比。《液压与气压传动》三、伯努利方程推导过程略（学生自学）1、理想液体的伯努利方程为是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。guzgpguzgp22222221112、实际液体的伯努利方程ghvgzpvgzpw222222221111式中α为动能修正系数，层流取2，紊流取1hw为能量损耗注意：z和p是指截面的同一点上的两个参数《液压与气压传动》例1-2如图所示的水箱侧壁开有一小孔，水箱自由液面1-1和2-2处的压力分别为p1和p2，小孔中心到水箱自由液面的距离为h，且h基本不变，若不计损失，求水从小孔流出的速度。解：以小孔中心线为基准，根据伯努利方程应用的条件，选取截面1-1和2-2列伯努利方程：在截面1-1：z1=hp1=p1v1≈0（设α1=1）在截面2-2：z2=0p2=pav2=？（设α2=1）把各参数代入伯努利方程得2221vphgpa所以)(2212appghv当p1=pa时ghv22《液压与气压传动》例1-3推导如图所示文丘利流量计的流量公式。解：选取截面1-1和2-2列伯努利方程，如对通过此流量计的液流采用理想液体的伯努利方程取α1=α