第2章液壓傳動基礎知識

1、第2章 液壓傳動 基礎知識通過本章的學習使同學們了解液體的基本物理性質，掌握液體的靜力學、運動學和動力學規(guī)律，為液壓系統(tǒng)的設計打下堅實的基礎。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識l 主要內容簡介：主要內容簡介：液體基本物理性質，液體的靜力學、運動學和動力學規(guī)律。l 教學目標：教學目標：l1.了解液體的基本物理性質；l 2.掌握液壓油選用原則及其污染控制方法；l 3.掌握液體的靜力學、運動學和動力學相關概念及規(guī)律并能靈活加以應用。l 4.掌握液體在管路中流動特點及流動損失計算；l 5.掌握液壓沖擊及空穴現(xiàn)象產生的原因及其避免措施。l 教學方法：教學方法：講授法，討論法。流體力學與流體傳

2、動知識第2章 液壓傳動基礎知識第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l工作介質的作用：傳遞動力與信號、潤滑、冷卻及防銹。l1、密度l=m/V (2-1)l特點 ： 隨T 、p的變化而變化 。l在計算時，通常取15時的液壓油密度=900 kg/m3。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l2、可壓縮性l 定義：液體受壓力作用而發(fā)生體積減小的性質。l 表示方法：用體積壓縮系數(shù)來表示，它是指液體在單位壓力變化下的體積相對變化量，即：流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識2）-（2 1 VVp加負號的目的是：使為正值。常用液壓油的體積壓縮系數(shù)=(57)10-10 m2/N

3、。體積壓縮系數(shù)的倒數(shù)稱為液體的體積彈性模量。各種工作介質的彈性模量見表2-1。第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l3、粘性l（1）定義：液體在外力作用下流動時，分子間的內聚力阻礙分子間的相對運動而產生內摩擦力的性質稱為粘性。l粘性的特點：流動液體才呈現(xiàn)粘性；粘性越大，流動阻力越大。l（2）粘性的度量即表示方法l液體粘性的大小用粘度表示。常用的粘度有三種，即動力粘度、運動粘度和相對粘度。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l 1） 動力粘度（又稱絕對粘度）l 如圖為圖2-1液體粘性示意圖。在所示裝置中的動板帶動下兩板之間液體的流動特點：液體流動特點：液體流動時，由于它

4、和固體壁面間的附著力以及它的粘性，會使其內各液層間的速度大小不等。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識動板定板圖2-1 液體的粘性第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l實際測定表明：液體流動時，相鄰液層間的內摩擦力F與液層間的接觸面積A和液層間相對運動的速度du成正比，而與液層間的距離dy成反比。即：流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識yuAFddf(2-4)若用單位面積上的摩擦力(切應力)來表示，則上式可以改寫成yuAFdd/f(2-5)上式稱為牛頓液體的內摩擦定律第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l動力粘度的物理意義：當速度梯度等于1時，流動液體液層間單位面積上的內摩擦力。l單位：國際單

5、位制中為Ns/m2或Pas 。在厘米克秒制中其單位為P（泊）或cP厘泊。l由動力粘度的單位可以看出：它為動力學的量，因此稱其為動力粘度。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l2） 運動粘度l定義： 動力粘度和液體密度之比值稱為運動粘度，用表示。即：l =/ (2-6)l特點：運動粘度沒有明確的物理意義。l單位：國際單位制和我國法定計量單位為 m2/s。 在厘米克秒制中其單位為cm2/s，通常稱為St（斯），工程常用cSt。l注意：工程中常用它來標志液體的粘度。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l如液壓油的牌號，就是這種油

6、液在40時的運動粘度(mm2/s)的平均值。例如Y4N32液壓油就是指這種液壓油在40時的運動粘度的平均值為32 mm2/s。l再如40號全損耗系統(tǒng)用油就是指這種油在40時的運動粘度(mm2/s)的平均值為40mm2/s。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l3） 相對粘度（又稱條件粘度）l它是采用特定的粘度計，在規(guī)定的條件下測出的液體粘度。l測量條件不同相對粘度的單位也不相同。我國我國采用恩氏粘度(E)。具體測定方法由同學們自學。l恩氏粘度與運動粘度間的換算關系見式（2-8）。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l（3）

7、粘度與溫度的關系 l溫度對油液的粘度的影響較大，當油溫升高時其粘度會顯著降低，這一特性稱為油液的粘溫特性。l油液的粘溫特性直接影響著液壓系統(tǒng)的工作性能，因此在液壓系統(tǒng)中總是希望油液的粘度隨溫度的變化越小越好。各種油液的粘特性曲線如圖2-2所示。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l（4）壓力對粘度的影響 l隨著油受到的壓力增加其粘度會有所增加，但是在壓力不高時這種變化并不明顯，一般可忽略不計。當壓力高于50 MPa時，壓力對粘度的影響較明顯，此時則必須考慮壓力對粘度的影響。 流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第1節(jié) 液壓傳動的工作介質l 4、液壓

8、系統(tǒng)對工作介質性能的要求l 5、工作介質的類型與選用l （1）類型 表2-2l （2）工作介質的選用l 在選擇工作介質時需要考慮的多種因素（自學）。一般根據(jù)粘度選擇液壓油的原則是：運動速度高或配合間隙小時，宜采用粘度較低的液壓油以減少摩擦損失；工作壓力高或溫度高時，宜采用粘度較高的液壓油以減少泄漏。實際上，系統(tǒng)中使用的液壓泵對液壓油粘度的選用往往起決定性作用。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第2節(jié) 液壓油的污染及其控制l液壓油是液壓機械的血液，具有傳遞動力、減少元件間的摩擦、隔離磨損表面、虛浮污染物、控制元件表面氧化、冷卻液壓元件等功能。因此液壓油是否清潔，不僅影響液壓系統(tǒng)的工作

9、性能和液壓元件的使用壽命，而且直接關系機械能否正常工作。液壓機械的故障直接與液壓的污染度有關，因此控制液壓油污染是十分重要的。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第2節(jié) 液壓油的污染及其控制l 一、液壓油污染物的來源 l 1、固體污染物：來自液壓系統(tǒng)的管道、液壓元件如液壓缸，膠管、泵、馬達、閥、液壓油箱等，在系統(tǒng)使用前未沖洗干凈，在液壓系統(tǒng)工作時，污染物就進入到液壓油中。 l 2、外界侵入的污染物：外界的空氣、水、灰塵、固體顆粒，在液壓系統(tǒng)工作過程中，通過液壓缸活塞桿、膠管接頭、液壓油箱、空氣濾清器等進入液壓油中。 3、內部生成污染物：液壓系統(tǒng)組裝、運轉、調試及液壓油變質也不斷產生污

10、染，直接進入液壓油中，如金屬和密封材料的磨損顆粒，吸油、回油濾芯脫落的顆粒和纖維，液壓油因油溫升高、氧化變質而生成膠狀物，吸油管路密封不嚴造成吸入空氣等。 l 4、維護、保養(yǎng)、維修中造成的污染：在設備正常維護保養(yǎng)中更換濾芯和液壓油、清洗油箱，維修拆裝液壓缸、閥等等也會使固體顆粒、水、空氣、纖維等進入液壓油中。 流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第2節(jié) 液壓油的污染及其控制l 二、污染帶來的各種危害 l 1、液壓系統(tǒng)中，固體顆粒污染會導致：加劇液壓元件的表面腐蝕和磨損，增大泄露量，油溫升高、壓力降低、效率低、響應慢、不穩(wěn)定、改變運動方向，運動速度減低，承載能力下降，閥芯卡死，燒毀電磁

11、線圈。 l 2、液壓系統(tǒng)中，水污染會導致：油變質（如添加劑析出及油的氧化），潤滑油膜變薄，腐蝕并加速金屬表面疲勞失效，低溫產生冷卻、淤塞運動元件，絕緣油的絕緣強度降低。l 3、空氣的浸入污染會導致：系統(tǒng)振動、爬行等。 流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第2節(jié) 液壓油的污染及其控制l三、污染測定的方法與標準l方法：質量分析法、顯微鏡計數(shù)法、顯微鏡比較法等。（自學）l標準：ISO4406（自學）l四、防止污染的措施l用前嚴格清洗及污染防護、加裝濾油器、控制油溫、定期檢查和更換液壓油。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第3節(jié) 液體靜力學l靜止液體：指液體內部質點之間沒有相對運

12、動 。l一、一、 液體靜壓力的性質和單位液體靜壓力的性質和單位流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識作用于液體上的力 體力（如重力、慣性力等）體力（如重力、慣性力等） 面力（作用于液面力（作用于液體表面的外力或體表面的外力或液體內部一部分液體內部一部分液體作用于另一液體作用于另一部分液體上的部分液體上的力）。力）。 法向表面力：壓力法向表面力：壓力切向表面力切向表面力（靜止（靜止液體無粘性故不受切向液體無粘性故不受切向力）力）第3節(jié) 液體靜力學l靜壓力的概念：靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。l數(shù)學表達式： p=F/A (2-11)l1.壓力的單位l國際單位： N/m2（Pa

13、）；MPa ；l工程單位：常用工程大氣壓at(即kgf/cm2)l 國外也用單位bar(巴) 。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第3節(jié) 液體靜力學l2靜壓力的性質l1）液體靜壓力垂直于作用面，其方向與該面的內法線方向一致。l2）靜止液體內任意點處的靜壓力在各個方向上都相等，若不等必然會導致液體的流動。l3）在密閉的容器中，由外力作用所產生的壓力可以等值地傳遞到液體內部的所有各點。這就是帕斯卡原理。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第3節(jié) 液體靜力學l 二、壓力的表示方法壓力的表示方法l 1絕對壓力 以絕對真空為基準進行度量而得到的壓力值。l 絕對壓力=大氣壓力+相對壓

14、力l 2相對壓力 以大氣壓為基準來進行度量而得到的壓力值。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識圖2-3絕對壓力、相對壓力及真空度真空度=大氣壓力絕對壓力第3節(jié) 液體靜力學l 三、靜壓力方程及其物理本質l 1.靜壓力方程l p=p+gh (2-15)l 若液體表面所受的壓力為大氣壓力則l p=pa+gh (2-17)l 物理意義：靜止液體內部任意一點處的壓力隨深度線性增加。l gh 此項為靜液柱壓力，在液壓系統(tǒng)中一般不考慮。l 2.靜壓力方程的物理本質l 據(jù)式2-15圖2-5易得靜壓力基本方程的另一種形式流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識常數(shù)gpzgpz00第3節(jié) 液體靜力

15、學l上式中 z單位重力液體所具有的位能，稱為位置頭或比位能；l p/(g)單位重力液體所具有的壓力能，稱為壓力水頭或比壓能。l靜壓力方程的物理本質：靜止液體內任何一點處的液體質點所具有的能量均有兩種形式即位能和壓力能，而且其總和保持不變，但兩種能量之間可以相互轉換。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第3節(jié) 液體靜力學l四、液體靜壓力對固體壁面的作用力l自學！l結論：靜壓力對固體壁面某一方向上所產生的作用力等于壓力與面在與該方向垂直的投影面上的投影面積的乘積。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第4節(jié) 液體動力學l主要內容：液體在流動時的所遵守的流動規(guī)律、能量轉換規(guī)律；重點

16、分析三個基本方程即連續(xù)性方程、能量方程（伯努利方程）和動量方程。l目標：l1.掌握有關液體動力學的相關概念；l2.掌握液體在流動狀態(tài)下遵守的運動規(guī)律、能量轉換規(guī)律，并能加以應用 。l教法：講授法，討論法、自學等。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第4節(jié) 液體動力學l一、一、 基本概念基本概念1.理想液體：既無粘性也不可壓縮的假想液體 2.恒定流動 ：液體中任何一點的壓力、流速和密度都不隨時間而變化的液體流動。（定常流動）3.流線、流管、流束、通流截面流線是某一時刻在流場中畫出的一條空間曲線，在該時刻，曲線上的所有質點的速度矢量均與這條曲線相切。 流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳

17、動基礎知識第4節(jié) 液體動力學l流線的幾點性質 l1）對于恒定流，流線的形狀和位置不隨時間而變化。 l2）恒定流時，流線和跡線重合。 l3）一般情況下，流線不能相交，不能折轉，只能是一條光滑曲線。l所謂跡線是指單個質點在連續(xù)時間過程內的流動軌跡線。 流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第4節(jié) 液體動力學l流管流管在流場的空間劃一任意封閉曲線，此封閉曲線本身不是流線，則通過該曲線上各點的作流線，這些流線會圍成一表面。l流束流管內的流線群。流管是流束的幾何外形。l緩變流動流線間的夾角很小，或流線曲率半徑很大的流動。l通流截面流束中與所有流線垂直的橫截面。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳

18、動基礎知識第4節(jié) 液體動力學l二、流量連續(xù)性方程l1.流量和平均流速流量和平均流速 l流量單位時間內流過通流截面的液體體積，用q表示，單位為m3/s。l平均流速根據(jù)流量相等原則確定的均勻速度。 流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識AqAudAvA第4節(jié) 液體動力學l 2.連續(xù)性方程連續(xù)性方程 l 如圖所示為液體在管道中做恒定流動，任意取截面1和2，其通流截面分別為A1和A2，液體流經兩截面時的平均流速和液體密度分別為v1、1和v2、2。根據(jù)質量守恒定律，在單位時間內流過兩個斷面的液體質量相等，即：l 1v1A1=2v2A2=常數(shù)流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識當忽略液體

19、的可壓縮性時，1=2，則得：v1A1=v2A2=常數(shù)或 q=v1A1=v2A2=常數(shù) 由于通流截面是任意選取的，故q=vA=常數(shù) 即液流的流量連續(xù)性方程。第4節(jié) 液體動力學l三、三、 伯努利方程伯努利方程l1.理想液體的伯努利方程理想液體的伯努利方程l 2.理想液體的伯努利方程的物理本質理想液體的伯努利方程的物理本質l 在只受重力作用下作恒定流動的理想液體具有三種形式的能量(壓力能、位能、動能)，在沿管道流動過程中三種能量之間可以互相轉化，但在任一截面處，三種能量的總和為一常數(shù)。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識222212122hgvgphgvgp1第4節(jié) 液體動力學l 3.實際

20、液體的伯努利方程實際液體的伯努利方程l 式中1、2動能修正系數(shù)，層流時分別取2，紊流時分別取1。 l 注意：(1) 截面1和2需順流向選取，否則hw為負值。l (2) 截面中心在基準以上時，h取正值；反之取負值。l (3) 兩通流截面壓力的表示應相同，如p1是相對壓力，p2也應是相對壓力whhgvgphgvgp222221211221流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第5節(jié) 管道中液液流的特性l 實際液體具有粘性，是產生流動阻力的根本原因。然而流動狀態(tài)不同，則阻力大小也是不同的。所以先研究兩種不同的流動狀態(tài)。l 一、液體的兩種流態(tài)及雷諾數(shù)判斷l(xiāng) 1.層流和湍流l 在液體運動時，如果

21、質點沒有橫向脈動，不引起液體質點混雜，而是層次分明，能夠維持安定的流束狀態(tài)，這種流動稱為層流。l 紊流：如果液體流動時質點具有脈動速度，引起流層間質點相互錯雜交換，這種流動稱為紊流或湍流。 流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識雷諾試驗第5節(jié) 管道中液液流的特性l 2.雷諾數(shù)判斷l(xiāng) 體流動時究竟是層流還是紊流，須用雷諾數(shù)來判別。l 雷諾數(shù)的物理意義是慣性力與粘性力的無因次比值。 l 實驗證明，液體在圓管中的流動狀態(tài)不僅與管內的平均流速有關，還和管徑、液體的運動粘度有關。但是，真正決定液流狀態(tài)的，卻是這三個參數(shù)所組成的一個稱為雷諾數(shù)Re的無量綱純數(shù)。l 液體的流態(tài)由臨界雷諾數(shù)Recr決定

22、 。當ReRecr時為層流；當ReRecr時為紊流 。 流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第5節(jié) 管道中液液流的特性l二、二、 沿程壓力損失沿程壓力損失l 液體在等徑直管中流動時因內外摩擦而產生的壓力損失 。l 對于不同的流態(tài)選取的數(shù)值不同 。見教材P30-31及表2-4。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識22vdLp第5節(jié) 管道中液液流的特性l三、局部壓力損失三、局部壓力損失l 液體流經管道的彎頭、接頭、突變截面以及閥口，致使流速的方向和大小發(fā)生劇烈變化，形成旋渦、脫流，因而使液體質點相互撞擊，所造成的能量損失。l 液體流過各種閥類的局部壓力損失常用下式計算：22vp

23、流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識2rrqqpp第5節(jié) 管道中液液流的特性l四、管路中總的壓力損失l液體在管路中流動時的總壓力損失則等于上述兩項損失之和。l液壓傳動中的絕大部分壓力損失轉變?yōu)闊崮?，造成油溫升高，泄漏增多，使液壓傳動效率降低，甚至影響系統(tǒng)的工作性能。l試想：減少壓力損失的措施？流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第6節(jié)液體流經小孔和縫隙的流量壓力特性 l 一、一、 液體流經小孔的流量壓力特性液體流經小孔的流量壓力特性l 小孔的分類：l 1.薄壁小孔的流量壓力特性l 各種結構形式的閥口一般屬于薄壁小孔。液體流經薄壁小孔時的流動情況。當/d7時，液體在流過小孔前

24、管壁對液流起不到引導作用，此時的孔前收縮稱為完全收縮。當/d7時則起引導作用，此時的孔前收縮稱為不完全收縮。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識40.5）：（4:5 . 0dldldl：短孔厚壁孔細長孔薄壁小孔小孔第6節(jié)液體流經小孔和縫隙的流量壓力特性l 通過薄壁小孔的流量為l 式中Cd流量系數(shù)，Cd=CvCc。l Cc截面收縮系數(shù)，可查相關手冊得到；l Cv速度系數(shù)； l A小孔的截面積；l p壓力損失，p=p1-p2。l 流量系數(shù)Cd值由實驗確定。 薄壁小孔的流量與粘度無關，即流量對油溫的變化不敏感。因此，液壓系統(tǒng)中常采用薄壁小孔作為節(jié)流元件。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳

25、動基礎知識pACpACCAvCvAqv22dccc22第6節(jié)液體流經小孔和縫隙的流量壓力特性l2. 厚壁孔和細長孔的流量壓力特性l(1)厚壁孔的流量壓力特性l 薄壁小孔的流量計算公式對厚壁孔仍然適用，只是Cd有所增大，基其數(shù)值可查相關圖表。短孔易加工，故常用作固定節(jié)流器。l(1)細長孔的流量壓力特性l 細長小孔的流量公式l 液體流經細長小孔的流量與液體的粘度成反比，即流量受溫度影響，并且流量與小孔前后的壓力差成線性關系。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識pqLd1284第6節(jié)液體流經小孔和縫隙的流量壓力特性l(3)液體經小孔流動時流量壓力的流一公式l上述各小孔的流量可歸納為一個通用

26、公式lq=Apml式中由流經小孔的油液性質決定；l m由孔的長徑比決定的指數(shù)。細長孔m=1，薄壁孔m=0.5，厚壁孔0.5m1。 流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識第6節(jié)液體流經小孔和縫隙的流量壓力特性l二、二、 液體流經縫隙的流量壓力特性液體流經縫隙的流量壓力特性l 常見縫隙形式：平行平面縫隙和環(huán)形縫隙。 l 1.1.液體平行平板縫隙流動的流量壓力特性液體平行平板縫隙流動的流量壓力特性l 在壓差作用下通過平行平板縫隙的流量為：l 結論：縫隙的流量與縫隙高度的三次方成正比。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識在液壓系統(tǒng)的各元件中存在著大量的縫隙，而這些縫隙是導致泄漏的主要

27、原因，從面造成系統(tǒng)的容積效率的降低。但是若縫隙過小則會導致兩相對運動件間的摩擦阻力增大。因此就，適當?shù)拈g隙是保證液壓系統(tǒng)正常工作的必要條件和。pLbhq123第6節(jié)液體流經小孔和縫隙的流量壓力特性l2.液體同心圓環(huán)和偏心圓環(huán)形縫隙的流量壓力特性l（1）同心圓環(huán)形縫隙的流量l壓差作用下的同心l環(huán)形縫隙流動的流量：l （2）偏心圓環(huán)形縫隙的流量l壓差作用下的偏心圓環(huán)l形縫隙流動的流量：pLdhq123流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動基礎知識)5 . 11 (1223pLdhq由上式可見=1時漏失量為最大。 為相對偏心率。 =e/(R-r)第7節(jié) 液壓沖擊和空穴現(xiàn)象l一、 液壓沖擊l 概念概念：在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因而引起油液的壓力在瞬間急劇上升，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。l 產生原因產生原因：液流速度突變(如關閉閥門)或突然改變液流方向(換向) 。l 后果后果：引起振動和噪聲，導致密封裝置、管路等液壓元件的損壞，有時還會使某些元件如壓力繼電器、順序閥產生誤動作，影響系統(tǒng)的正常工作。 l 減少液壓沖擊的措施減少液壓沖擊的措施：l (1) 緩慢開關閥門；l (2) 限制管路中液流的速度；l (3) 系統(tǒng)中設置蓄能器和安全閥；l (4) 在液壓元件中設置緩沖裝置(如節(jié)流孔)。流體力學與流體傳動知識第2章 液壓傳動