第1章 液压传动基础知识.

液压与气压传动第1章液压传动基础知识第1章液压传动基础知识1.1液压传动工作介质1.2液体静力学1.3液体动力学1.4定常管流的压力损失计算1.5孔口和缝隙流动1.6空穴现象1.7液压冲击1.1液压传动工作介质一、液压油的物理性质液压油是液压传动的工作介质，同时还起润滑、防腐、防锈及冷却作用。液压油的主要物理性质包括液压油的密度、可压缩性和粘性。1.1液压传动工作介质1、密度单位体积液体的质量称为液体的密度，即液压油的密度随温度的上升有所减小，随压力的提高有所增加，但变动很小，可以认为是常值。我国采用20°时的密度，作为油液的标准密度ρ20，如表1-1。mV种类ρ20种类ρ20石油基液压油850~900增粘高水基液1003水包油乳化液998水—乙二醇液1060油包水乳化液932磷酸酯液1150表1-1常用工作介质的密度1.1液压传动工作介质2、可压缩性用体积压缩系数κ和体积弹性模量Κ来衡量。体积压缩系数κ：单位压力变化下的体积相对变化量。体积弹性模量Κ：简称体积模量，其值为体积压缩系数的倒数。压力为p0、体积为V0的液体，若压力增大△p时体积减小△V，则此液体体积压缩系数和体积模量分别为：011,VpV1.1液压传动工作介质2、可压缩性液压油的体积模量Κ随温度的上升而减小，随压力的增大而增大。当液压油中混有气泡时，Κ值将大大减小。液压油的可压缩性对液压系统的动态性能影响较大；但对于动态性能要求不高、仅考虑静态（稳态）下工作的液压系统，一般不予考虑。液压传动工作介质种类Κ（N.m2）石油型（1.4~2.0）×109水包油乳化液1.95×109水—乙二醇液3.15×109磷酸酯液2.65×109表1-2各种液压传动工作介质的体积模量（20°，大气压）1.1液压传动工作介质3、粘性1）定义液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生的一种内摩擦力，这种现象叫做液体的粘性。液体的粘性用粘度来衡量。静止液体是不会有粘性的，流体才会呈现出粘性。粘性是液压油最重要的物理性能，粘度是选择液压油时考虑的首要因素。2）牛顿的液体内摩擦定律实验测定指出，液体流动时相邻液层间的内摩擦力Ft与液层接触面积A﹑液层间的速度梯度du/dy成正比，还与液体种类有关。即tduFAdy1.1液压传动工作介质3、粘性3）动力粘度指流体在单位速度梯度下流动时，单位面积上产生的内摩擦力。它是一种绝对粘度，其值与液体种类有关，单位为Pa.s。4）运动粘度它是一种相对粘度，习惯上常用它来标志液体粘度。单位为m2/s。液压传动工作介质的粘度是以40°时运动粘度（以mm2/s）的中心值来划分的，如某一种牌号L-HL22普通液压油在40°时运动粘度的中心值为22mm2/s。5）粘度随温度的上升而减小（很敏感），随压力的增大而增大（可忽略不计）。tFduAdy1.1液压传动工作介质二、对液压油的要求液压油是液压系统中十分重要的组成部分，如果说液压泵是液压系统的心脏，那么液压油就是液压系统的血液。液压油在液压系统中要完成传递能量和信号，润滑元件和轴承，减少摩擦和磨损，密封对偶摩擦副中的间隙，减少泄露、散热、防锈、传输、分离和沉淀系统中的非可溶性污染物质，为元件和系统失效提供和传递诊断信息等一系列重要功能。1.1液压传动工作介质二、对液压油的要求1）合适的粘度，较好的粘温特性。粘度随温度变化越小越好。2）润滑性能好。即油液润滑时产生的油膜强度高，以免产生干摩擦。3）质地纯净，杂质少。不应含有杂质，以免刮伤表面。4）对金属和密封件有良好的相容性。不应含有腐蚀性物质，以免侵蚀机件和密封元件。5）对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。防止油液氧化后变酸性腐蚀金属表面。6）抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好。7）体积膨胀系数小，比热容大。8）流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气闪燃，但油本身不燃烧时的温度和燃点高。9）对人体无害，成本低。10）与产品和环境兼容。液压系统不可能完全避免泄露，泄露的液压油不应对产品造成严重的污染与损坏；另一方面，目前国际上对保护人类生态环境的要求越来越高，要求液压油与环境兼容，泄露后不会对环境造成污染。1.1液压传动工作介质三、液压系统的污染控制1、污染的根源已被污染的新油新油在储存和运输过程中受到储油罐、管道和油桶的污染，其污染物为灰尘、砂土、锈垢、水分和其他液体等。残留污染指液压系统和液压元件在装配和清洗过程中的残留物，如毛刺、切屑、型砂、涂料、焊渣等。侵入污染由于油箱密封不完善以及元件密封装置损坏由系统外部侵入的污染物。生成污染指液压系统运行过程中系统自身所生成的污染物。既有元件磨损剥离、被冲刷和腐蚀的金属颗粒或橡胶末，又有油液老化产生的污染物。1.1液压传动工作介质2、污染引起的危害液压系统的故障有75%以上是由工作介质的污染引起的。突发失效当大颗粒进入液压泵或液压阀时，可能使液压泵或液压阀卡死，引起突发失效。退化失效当小颗粒与元件表面相互作用时，会产生磨粒磨损和表面疲劳。这会加速元件磨损、使内漏增加、降低液压元件的效率和精度，最终引发不可恢复的退化失效。振动、噪声和爬行现象当颗粒、污染物和油液氧化变质产生的粘性胶质堵塞过滤器，会使液压泵运转困难，产生噪声。当水分和空气混入时，会使液压油的润滑性能降低，并加速其氧化变质，产生气蚀，液压系统出现振动和爬行现象。1.1液压传动工作介质3、污染的控制对元件和系统进行清洗，清除在加工和组装过程中残留的污染物。防止污染物从外界侵入油箱呼吸孔上应装设高效的空气过滤器或采用密封油箱。液压油应通过过滤器注入系统，活塞杆端应装防尘密封。控制液压油的温度液压油温度过高会加速其氧化变质，产生各种污染物，缩短使用期限。定期检查和更换工作介质1.2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。所谓“液体静止”，指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈粘性，至于盛装液体的容器，不论是静止、匀速、匀加速运动都没关系。1.2液体静力学一、液体静压力及其特性1、液体静压力当液体静止时，液体质点间没有相对运动，不存在摩擦力，所以静止液体的表面只有法向力。2、液体静压力的特性液体静压力垂直于作用表面，其方向和该面的内法线方向一致；静止液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。FpA1.2液体静力学二、液体静压力基本方程形式一：1)静止液体内任一点处的压力由两部分组成。2)同一容器中同一液体内的静压力随液体深度的增加而线性增加。3)连通器内同一液体中深度相同的各点压力都相等。由压力相等的点组成的面称为等压面。重力作用下静止液体中的等压面是一个水平面。0ppgh1.2液体静力学二、液体静压力基本方程形式二：静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以互相转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守恒。00ppgzgzconst1.2液体静力学三、压力的表示方法及单位1、压力的表示方法绝对压力：以绝对真空作为基准相对压力：以大气压力作为基准表压：是由测压仪表所测得的压力。指绝对压力比大气压大的那部分数值。真空度：指绝对压力比大气压小的那部分数值。1.2液体静力学2、压力的单位Pa1Pa=1N/m2MPa1MPa=106Paat（工程大气压）1at=1kgf/cm2=9.8×104N/m2mH2O1mH2O=9.8×103N/m2mmHg1mmHg=13.3×102N/m2bar（巴）1bar=105N/m21.2液体静力学四、液体静压力对固体壁面的作用力在液压传动计算中静压力处处相等，可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的。固体壁面上各点在某一方向上所受静压作用力的总和，便是液体在该方向上作用于固体壁面的力。当固体壁面是一个平面时，当固体壁面是一个曲面时，2244DFpAPdFpAPd—承压部分曲面投影圆的直径1.3液体动力学在液压传动中，液压油总是在不断的流动着的，因此必须研究液体运动时的现象和规律。本节主要介绍三个基本方程——流量连续性方程、伯努利方程和动量方程，这三个方程是刚体力学中质量守恒、能量守恒和动量守恒在流体力学中的具体体现，前两个用来解决压力、流速和流量之间的关系，后一个则用来解决流动液体与固体壁面之间的相互作用力问题。理想液体既无粘性又不可压缩的液体。定常流动如果液体中任一点的p、v和ρ都不随时间变化，只是空间位置点的函数，称这种流动为定常流动（也称稳定流动或恒定流动）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。流线某一瞬时各质点在空间的运动状态曲线。流线上每一质点的速度矢量与流线相切。在定常流动时，流线的形状不随时间变化；在非定常流动时，流线形状是随时间变化的。流管在流场中取一条非流线的封闭曲线，沿该封闭曲线上的每一点做流线，由这些流线组成的管状表面称为流管。流束流管内由流线组成的集合称为流束。如果封闭曲线无限缩小，在极限情况下，流束就变成一条流线。通流截面流束中与所有流线正交的截面称为通流截面。流量单位时间内流过某通流截面的液体体积称为流量。流量的单位是m3/s或L/min。平均流速平均流速是通过整个通流截面的流量q与通流截面积A的比值。平均流速在工程中有实际应用价值。1.3液体动力学一、基本概念流线如图a所示。流束如图b所示，定常流动时，流管和流束形状不变。通流截面,如图c的A面和B面，截面上的每点处的流动速度都垂直于这个面。1.3液体动力学1.3液体动力学二、基本方程1、流量连续性方程它是质量守恒定律在流动液体中的表现形式。如果液体作定常流动，且不可压缩，那么任取一流管，两端通流截面面积为A1和A2，在流管中取一微小流束，流束两端的截面积分别为dA1和dA2，速度分别为u1和u2。根据质量守恒定律，在dt时间内流人此微小流束的质量应等于从此微小流束流出的质量，故有对整个流管，显然是微小流束的集合，由上式积分得如用平均速度表示，有由于两通流截面是任意取的，故有上式称为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程。它说明：通过流管任一通流截面的流量相等；当流量一定时，流速和通流截面面积成反比。11221122pudAdtpudAdtudAudA12112212AAudAudAqq1122vAvAqvAconst1.3液体动力学二、基本方程2、伯努利方程它是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。1）理想液体的伯努利方程上式表明理想液体作定常流动时，液流中任意截面处单位质量液体的总能量由压力能（p/ρ）﹑位能（gz）和动能（u2/2）组成，三者之间可互相转化，但总和为一定值。2211221222pupugzgz1.3液体动力学2）实际液体的伯努利方程理想液体的伯努利方程修正成实际液体的伯努利方程，考虑了两点：1）液体在流动过程中存在能量损失ghw。实际液体是有粘性的，在流动过程中粘性摩擦力会消耗一部分能量。同时，管道形状的变化会使液体产生扰动，也要消耗能量。这些能量最终变成热量损失掉了。2）用通流截面的平均流速v取代微元体的流速u，引入动能修正系数。式中，α1、α2分别为截面A1、A2上的动能修正系数；ghw为单位质量液体从截面A1流到截面A2过程中的能量损耗。221112221222wpvpvgzgzgh1.3液体动力学二、基本方程3、动量方程它是动量守恒定律在流动液体中的表现形式。液体作用在固体壁面上的力，用动量定理来求解比较方便。方程左边为作用于控制体积内液体上的所有外力的总和，右边为流出控制表面和流入控制表面时的动量变化率，称为稳态力。控制体积是被通流截面A-A和B-B所限制的液体体积。式中β为动量修正系数，当液流为层流时β=1.33；湍流时β=1。上式为矢量表达式，在应用时可根据问题的具体要求向指定方向投