第二章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)

第二章液壓流體力學(xué)基礎(chǔ)

流體傳動(dòng)包括液體傳動(dòng)和氣體傳動(dòng)，為了分析液體的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，需了解液體的以下特性：

連續(xù)性假設(shè)：流體是一種連續(xù)介質(zhì)，這樣就可以把油液的運(yùn)動(dòng)參數(shù)看作是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù)，并有可能利用解析數(shù)學(xué)來(lái)描述它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

不抗拉：由于油液分子與分子間的內(nèi)聚力極小，幾乎不能抵抗任何拉力而只能承受較大的壓應(yīng)力，不能抵抗剪切變形而只能對(duì)變形速度呈現(xiàn)阻力。

易流性：不管作用的剪力怎樣微小，油液總會(huì)發(fā)生連續(xù)的變形，這就是油液的易流性，它使得油液本身不能保持一定的形狀，只能呈現(xiàn)所處容器的形狀。

均質(zhì)性：其密度是均勻的，物理特性是相同的。

一、液壓油液壓傳動(dòng)最常用的工作介質(zhì)是液壓油，此外，還有乳化型傳動(dòng)液和合成型傳動(dòng)液等，此處僅介紹幾個(gè)常用的液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的性質(zhì)。

1、液壓油的物理性質(zhì)（1）液體的密度單位體積液體的質(zhì)量稱(chēng)為液體的密度。體積為Ｖ，質(zhì)量為ｍ的液體的密度為

ρ=m/V

礦物油型液壓油的密度隨溫度的上升而有所減小，隨壓力的提高而稍有增加，但變動(dòng)值很小，可以認(rèn)為是常值。我國(guó)采用攝氏20度時(shí)的密度作為油液的標(biāo)準(zhǔn)密度。（2）液體的黏性

1）黏性的物理本質(zhì)液體在外力作用下流動(dòng)(或有流動(dòng)趨勢(shì))時(shí)，分子間的內(nèi)聚力要阻止分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一種內(nèi)摩擦力，這種現(xiàn)象叫做液體的粘性。液體只有在流動(dòng)(或有流動(dòng)趨勢(shì))時(shí)才會(huì)呈現(xiàn)出粘性，靜止液體是不呈現(xiàn)粘性的。

粘性使流動(dòng)液體內(nèi)部各處的速度不相等，以圖為例，若兩平行平板間充滿液體，下平板不動(dòng)，而上平板以速度向右平動(dòng)。由于液體的粘性作用，緊靠下平板和上平板的液體層速度分別為零和V。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定得出，液體流動(dòng)時(shí)相鄰液層間的內(nèi)摩擦力F，與液層接觸面積Ａ、液層間的相對(duì)速度du成正比，而與液層間的距離dy成反比。即

F=μAdu/dy粘度是衡量流體粘性的指標(biāo)。常用的粘度有動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)粘度和相對(duì)粘度。

a、動(dòng)力粘度μ動(dòng)力粘度又叫絕對(duì)粘度，它的物理意義是：液體在單位速度梯度下流動(dòng)時(shí)液層間單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力。

μ=τdy/du

b、運(yùn)動(dòng)粘度ν

動(dòng)力粘度μ與液體密度ρ之比，它沒(méi)有明確的物理意義，在工程中常用運(yùn)動(dòng)粘度ν作為液體粘度的標(biāo)志。

各類(lèi)液壓油的牌號(hào)就是按其在一定溫度下的運(yùn)動(dòng)粘度的平均值來(lái)標(biāo)定的。如：L-HM32c、相對(duì)粘度又叫條件粘度，我國(guó)采用恩氏粘度。工業(yè)上常用２０℃、５０℃、１００℃作為測(cè)定恩氏粘度的標(biāo)準(zhǔn)溫度。恩氏粘度用恩氏粘度計(jì)來(lái)測(cè)定。把200ml溫度為t℃的被測(cè)液體裝入粘度計(jì)的容器內(nèi)，由其底部直徑為2.8mm的小孔流出，測(cè)出液體流盡所需時(shí)間t1，再測(cè)出相同體積溫度為20℃的蒸餾水在同一容器內(nèi)流盡所需的時(shí)間t2，這兩個(gè)時(shí)間之比即為被測(cè)液體在t℃的恩氏粘度。工程上常采用先測(cè)出液體的相對(duì)粘度，再根據(jù)關(guān)系式換算出動(dòng)力粘度或運(yùn)動(dòng)粘度的方法。

d、粘度與壓力的關(guān)系壓力越大粘度越大。當(dāng)壓力不高且變化不大時(shí)這種影響可忽略不計(jì)。

e、粘溫特性溫度變化對(duì)粘度影響較大。液體的溫度升高其粘度下降。（3）液體的可壓縮性液體受壓力作用而體積縮小的性質(zhì)稱(chēng)為液體的可壓縮性，它用體積壓縮系數(shù)κ表示。

液體的可壓縮性很小，在很多情況下可以忽略不計(jì)，但受壓液體體積較大或進(jìn)行液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析時(shí)，必須考慮液體的可壓縮性。（4）其他性質(zhì)抗凝性、抗氧化性、抗泡沫性、潤(rùn)滑性等等。2、對(duì)液壓油的要求及選用（1）液壓油的種類(lèi)石油基液壓油和難燃液壓油兩種。（2）對(duì)液壓油的要求不同的工作機(jī)械、不同的使用情況對(duì)液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的要求有很大的不同；為了很好地傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)應(yīng)具備如下性能：

1)合適的粘度，較好的粘溫特性。

2)潤(rùn)滑性能好。

3)質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少。

4)對(duì)金屬和密封件有良好的相容性。

5)對(duì)熱、氧化、水解和剪切都有良好的穩(wěn)定性。

6)抗泡沫好，抗乳化性好，腐蝕性小，防銹性好。

7)體積膨脹系數(shù)小，比熱容大。

8)流動(dòng)點(diǎn)和凝固點(diǎn)低，閃點(diǎn)(明火能使油面上油蒸氣閃燃，但油本身不燃燒時(shí)的溫度)和燃點(diǎn)高。

9)對(duì)人體無(wú)害，成本低。

對(duì)軋鋼機(jī)、壓鑄機(jī)、擠壓機(jī)和飛機(jī)等液壓系統(tǒng)則須突出耐高溫、熱穩(wěn)定、不腐蝕、無(wú)毒、不揮發(fā)、防火等項(xiàng)要求。（3）液壓油的選用選擇液壓油一般需考慮以下幾點(diǎn)：

（1）液壓系統(tǒng)的工作壓力

（2）液壓系統(tǒng)的環(huán)境溫度

（3）工作部件的運(yùn)動(dòng)速度（液壓泵）

當(dāng)采購(gòu)不到合適粘度的液壓油時(shí)，可采用調(diào)和的方法來(lái)滿足使用要求。（4）液壓油的污染及控制

1）污染的危害

a、固體顆粒膠狀生成物堵塞過(guò)濾器，使液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)困難，產(chǎn)生噪音；堵塞閥類(lèi)零件的小孔和縫隙，使閥動(dòng)作失靈。

b、微小固體顆粒會(huì)加速零件磨損，使元件不能正常工作，也會(huì)損壞密封件，使泄露增加。

c、水分和空氣的混入會(huì)降低液壓油的潤(rùn)滑能力，并使其氧化變質(zhì)；產(chǎn)生氣蝕，使元件加速破壞；使液壓系統(tǒng)出現(xiàn)震動(dòng)爬行現(xiàn)象。

2）污染的原因

a、殘留物的污染

b、生成物污染

c、浸入物的污染

d、化學(xué)物質(zhì)和微生物

e、以能量形式存在的污染物質(zhì)3）污染的控制

a、力求減少外來(lái)污染

b、濾除系統(tǒng)產(chǎn)生的雜質(zhì)

c、定期檢查更換液壓油二、流體靜力學(xué)流體靜力學(xué)主要是討論液體靜止時(shí)的平衡規(guī)律以及這些規(guī)律的應(yīng)用?！耙后w靜止”指的是液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不呈現(xiàn)粘性而言，至于盛裝液體的容器，不論它是靜止的或是勻速、勻加速運(yùn)動(dòng)都沒(méi)有關(guān)系。1、液體靜壓力及其特性作用在液體上的力有兩種，即質(zhì)量力和表面力。

液體的靜壓力（表面力）具有兩個(gè)重要特性：

1)液體靜壓力的方向總是作用面的內(nèi)法線方向。

2)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的液體靜壓力在各個(gè)方向上都相等。2、流體靜力學(xué)基本方程在重力作用下的靜止液體，其受力情況如圖所示。則Ａ點(diǎn)所受的壓力為

式中，g為重力加速度，此表達(dá)式即為液體靜壓力的基本方程，由此式可知：

(1)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)處的壓力由兩部分組成，一部分是液面上的壓力，另一部分是與該點(diǎn)離液面深度的乘積。

(2)同一容器中同一液體內(nèi)的靜壓力隨液體深度的增加而線性地增加。

(3)連通器內(nèi)同一液體中深度相同的各點(diǎn)壓力都相等。由壓力相等的點(diǎn)組成的面稱(chēng)為等壓面。重力作用下靜止液體中的等壓面是一個(gè)水平面。

3、壓力的表示方法及單位壓力的表示方法有兩種：一種是以絕對(duì)真空作為基準(zhǔn)所表示的壓力，稱(chēng)為絕對(duì)壓力；另一種是以大氣壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力，稱(chēng)為相對(duì)壓力。由于大多數(shù)測(cè)壓儀表所測(cè)得的壓力都是相對(duì)壓力，故相對(duì)壓力也稱(chēng)表壓力。

絕對(duì)壓力與相對(duì)壓力的關(guān)系為：

絕對(duì)壓力=相對(duì)壓力+大氣壓力

絕對(duì)壓力小于大氣壓時(shí),負(fù)相對(duì)壓力數(shù)值部分叫做真空度。即

真空度=大氣壓-絕對(duì)壓力=-(絕對(duì)壓力-大氣壓)

由此可知，當(dāng)以大氣壓為基準(zhǔn)計(jì)算壓力時(shí)，基準(zhǔn)以上的正值是表壓力，基準(zhǔn)以下的負(fù)值就是真空度。

絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和真空度的相互關(guān)系如圖所示。

在工程上采用工程大氣壓，也采用水柱高或汞柱高度等，在液壓技術(shù)中，目前還采用的壓力單位有巴，符號(hào)為bar。4、靜壓傳遞原理在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時(shí)傳到各點(diǎn)。這就是靜壓傳遞原理或稱(chēng)帕斯卡原理。液壓系統(tǒng)中的壓力是由外界負(fù)載決定的。

2.2.5液體對(duì)固體壁面的作用力靜止液體和固體壁面相接觸時(shí)，固體壁面上各點(diǎn)在某一