液壓與氣壓傳動(dòng)課件

第二章液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)及其力學(xué)基礎(chǔ)workfluidanditsmechanicsfoundations

液壓傳動(dòng)中工作介質(zhì)起著重要的作用。工作介質(zhì)的種類，化學(xué)、物理性質(zhì)和力學(xué)特性一直是被研究的課題，伴隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的全過(guò)程。第一節(jié)工作介質(zhì)

workfluid

一.工作介質(zhì)概述

液壓傳動(dòng)工作介質(zhì)的種類比較多，最初用水作為介質(zhì)，隨著液壓元件材料的金屬化，為了防止銹蝕，后來(lái)使用油液作為介質(zhì)。隨著對(duì)傳動(dòng)性能要求的提高和石油工業(yè)的發(fā)展，不同種類的石油型油液和難燃液被研制成功并廣泛應(yīng)用。為了節(jié)約石油、防止污染和耐高溫，目前又開始研發(fā)以純水、海水為介質(zhì)的液壓元件和傳動(dòng)系統(tǒng)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的工作介質(zhì)均為液體，通常稱為液壓液。（一）主要功用1.傳遞能量和壓力信號(hào)；2.對(duì)元件進(jìn)行潤(rùn)滑；3.防止銹蝕；4.散熱。二.工作介質(zhì)的功用和要求（二）一般要求能夠滿足上述主要功用的同時(shí)，對(duì)工作介質(zhì)有以下基本要求：1.粘度要適當(dāng)，受溫度變化影響小；2.純凈無(wú)雜質(zhì)；3.潤(rùn)滑性好，具有防銹能力；4.對(duì)系統(tǒng)的其它材料要有良好的相容性；5.抑制泡沫能力和抑制乳化能力強(qiáng)；6.燃點(diǎn)高，凝點(diǎn)低；7.阻電能力強(qiáng)；8.對(duì)人體無(wú)損害等。三、工作介質(zhì)的特性

作為工作介質(zhì)的液壓液具有液體的基本共性，即無(wú)固定形體，在外力作用下極易流動(dòng)。所以，液壓液可存在于液壓系統(tǒng)這樣的特殊容器中，在壓力差作用下能通過(guò)管道、孔口和各種縫隙中流動(dòng)并傳遞能量。除了這些共性，工程實(shí)際中更要掌握下面一些液體特性：（一）密度

單位體積的液體具有的質(zhì)量稱為液體密度，用ρ表示。對(duì)于均質(zhì)液體，其密度為不同種類液體的密度是不同的，而且會(huì)隨著溫度和壓力的變化而變化。由于在通常使用條件下變化不太明顯，可以忽略。通常使用的石油基液壓液，其密度可取ρ=900kg/m3進(jìn)行計(jì)算。

（二）可壓縮性當(dāng)液體受到壓力作用時(shí)，其體積會(huì)減小，這種特性稱為液體的可壓縮性。通常用壓縮系數(shù)k來(lái)表示單位壓力變化引起的液體體積的相對(duì)變化量在工程實(shí)際應(yīng)用中，常用液體體積模量K表示液體抵抗壓力能力的大小。液體產(chǎn)生單位體積相對(duì)壓縮量所需的壓力增量

對(duì)于石油基液壓液K≈（1.4～2）×103MPa，與鋼的體積模量相比雖然小些，但仍是很大的。所以，在一般工程中視為不可壓縮。液體中溶入空氣后會(huì)使K值減小。所以，實(shí)際使用中應(yīng)盡量減少空氣混入液壓液中的機(jī)會(huì)。同時(shí)，在一般計(jì)算中，可取

K=（0.7～1.4）×103MPa。

(三)粘性1.粘性的定義

任何液體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，因液體分子間的內(nèi)聚力會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力阻止其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。液體只有在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候才呈現(xiàn)粘性，靜止液體不呈現(xiàn)粘性。牛頓液體內(nèi)摩擦定律2.粘性的表示及度量液體粘性及大小用粘度來(lái)表示。常用的粘度的表示方法有三種，即動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)粘度和相對(duì)粘度。（1）動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度又稱絕對(duì)粘度，用μ來(lái)表示單位為Pa

·s

單位速度梯度上的內(nèi)摩擦力;是表征液體粘性的內(nèi)摩擦系數(shù)。內(nèi)摩檫力F（2）運(yùn)動(dòng)粘度運(yùn)動(dòng)粘度用ν表示

國(guó)際上通用運(yùn)動(dòng)粘度ν來(lái)表示液體的粘度。采用溫度在40℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度的平均值作為液壓液的粘度代號(hào)。例如HL32液壓液，表示這種液壓液在40℃時(shí)的平均運(yùn)動(dòng)粘度為32×10-6m2/s。又如HM46液壓液，表示這種液壓液在40℃時(shí)的平均運(yùn)動(dòng)粘度為46×10-6m2/s，等等。ISO按運(yùn)動(dòng)粘度平均值劃分了粘度等級(jí)，見表2?1單位為m2/s(3)相對(duì)粘度相對(duì)粘度又稱條件粘度。相對(duì)粘度是根據(jù)特定測(cè)量條件制定的。國(guó)際上各國(guó)采用的測(cè)量條件不盡相同，常見的有通用賽氏秒SUS（美國(guó)、英國(guó)用）、商用雷氏秒R1S（英國(guó)、美國(guó)用），巴氏度oB（法國(guó)用）和恩氏度oE(中國(guó)、德國(guó)和俄羅斯用)等。恩氏度oE是用恩氏粘度計(jì)測(cè)量的，方法是：先測(cè)出200m?的被測(cè)液體在T℃時(shí)流經(jīng)恩氏粘度計(jì)（具有φ2.8mm小孔的漏斗式量具）所需時(shí)間,并記為t1；再測(cè)出200m?的蒸餾水在20℃時(shí)流經(jīng)同一恩氏計(jì)所需的時(shí)間,記為t2（t2=52s）；t1/t2即為此條件下的恩氏度oET

用恩氏粘度計(jì)測(cè)出的恩氏粘度必須換算成運(yùn)動(dòng)粘度表示（四）粘溫性液體粘度與溫度之間的關(guān)系簡(jiǎn)稱粘溫性。一般來(lái)說(shuō)，液體粘度隨溫度升高而減小，隨溫度降低而增大。粘溫性常用粘度指數(shù)Ⅵ表示。Ⅵ反映液體的粘度隨溫度變化程度與標(biāo)準(zhǔn)液體的粘度變化程度之比。粘度指數(shù)Ⅵ高，說(shuō)明粘度隨溫度變化小，即粘溫性好。常用液壓液的粘度指數(shù)Ⅵ值均大于90。常用液壓液的粘度—溫度特性由圖2?2表示。（五）粘壓性液體粘度與工作壓力之間的關(guān)系簡(jiǎn)稱粘壓性。一般來(lái)說(shuō)，液體的粘度隨工作壓力的增高而增大。但在壓力小于50MPa時(shí)影響不太明顯，故壓力小于50MPa的液壓系統(tǒng)可不考慮這一影響。掌握：三種粘度之間的關(guān)系

影響粘度的因素粘度隨著溫度升高而顯著下降（粘溫特性）粘度隨壓力升高而變大（粘壓特性）四.工作介質(zhì)的分類、特點(diǎn)及適用范圍

目前普遍使用的工作介質(zhì)分為兩大類，即石油基液壓液和難燃液。為了適應(yīng)各種環(huán)境和場(chǎng)合的應(yīng)用這兩類介質(zhì)又有以下詳細(xì)劃分：

（一）石油基型液壓液

1．HH液這種液壓液是一種不含任何添加劑的精制石油型液壓液。由于穩(wěn)定性差只能用于簡(jiǎn)單設(shè)備或低壓系統(tǒng)中。普通液壓液

2．HL液這種液壓液是一種添加了抗氧化、防銹劑的液壓液?？捎糜谑覂?nèi)固定設(shè)備的中低壓系統(tǒng)。通用液壓液

3．HM液這種液壓液是一種加入了抗氧化劑、防銹劑、抗磨劑、消泡劑等多種添加劑的液壓液，又稱抗磨型液壓液。適用于工程機(jī)械等野外作業(yè)的高壓系統(tǒng)中，以及其他具有專門要求的低、中、高壓系統(tǒng)中。適應(yīng)溫度范圍為-18℃～70℃。4．HV液這種液壓液是一種添加了抗氧化、防銹、粘度穩(wěn)定劑及降凝劑的精制液壓液。粘度指數(shù)Ⅵ值大于130。適用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和車輛液壓系統(tǒng)。也適用于寒冷地區(qū)作業(yè)的液壓系統(tǒng)。適應(yīng)溫度范圍為-25℃～70℃。

5．HS液這種液壓液基本性能同HV液。而HS更適用于嚴(yán)寒地區(qū)。其凝點(diǎn)可達(dá)-45℃。所以，HS和HV又稱為低溫液壓液。

6．HR液這種液壓液是在HL基礎(chǔ)上添加了粘度穩(wěn)定劑制成的，其粘溫性更好。適用于環(huán)境溫度變化大的低壓系統(tǒng)，也用于數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)。低溫液壓液

7．HG液這種液壓液是在HM的基礎(chǔ)上添加了減磨劑之類的抗粘滑劑制成的。使其不僅具有抗磨液的性能，還具有防爬行性能。HG液用于各種機(jī)床的導(dǎo)軌潤(rùn)滑，又稱導(dǎo)軌油。（二）難燃型液壓液石油基液壓液具有眾多優(yōu)點(diǎn)，是普遍使用的工作介質(zhì)。但是石油基液壓液除了污染環(huán)境外，致命的缺點(diǎn)就是阻燃性差，不宜用于高溫環(huán)境。高溫環(huán)境的液壓系統(tǒng)應(yīng)使用難燃型液壓液。難燃型液壓液分為A、B、C、D四種類型。1．HFA乳化液具體又分為三種：（1）HFAE型高水基乳化液這種乳化液是由95%的水與5%的精制石油基液和各種添加劑混合而成，又稱水包油型液壓液，適用于易燃易爆場(chǎng)合。如礦井作業(yè)機(jī)械和冶金機(jī)械液壓設(shè)備。這種乳化液雖然閃點(diǎn)大于100℃，但使用溫度不要超過(guò)規(guī)定值，同時(shí)使用壓力應(yīng)在7MPa以下。（2）HFAS液這種乳化液是由95%的水和5%的抗磨劑、防銹劑、防霉劑和消泡劑等混合而成，不含油的成分。適用于易燃易爆及高溫環(huán)境的低壓系統(tǒng)中。（3）HFAM液這種乳化液是由95%的水和5%的高級(jí)潤(rùn)滑油及多種添加劑混合而成。其性能優(yōu)于前兩種。適用于中、低壓系統(tǒng)。水包油型液壓液

2．HFB型乳化液這種乳化液是由40%的水和60%的石油基液和抗磨劑、抗氧化劑、防銹劑、防霉劑、乳化劑等混合而成，具有石油基液壓液的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)阻燃性能好。適用于冶金、軋鋼和礦井設(shè)備的低壓系統(tǒng)。

3．HFC型合成液這種乳化液是由35%～55%的水與乙二醇和抗磨劑、消泡劑、防銹劑、防腐劑、增粘劑混合而成，又稱水—乙二醇液。這種乳化液粘溫性好，粘度指數(shù)Ⅵ值達(dá)140～170，可在-20℃～50℃范圍內(nèi)使用。但是，HFC液潤(rùn)滑性差，與某些金屬（鋅、錫、鋁、鎘、鎂）及聚氨酯、普通涂料相容性差。因此，使用HFC液的液壓設(shè)備在選用元件和密封材料時(shí)要考慮這些問(wèn)題。4．HFD液

HFD液目前分為HFDR型、HFDS型、HFDT型和HFDU型。HFDR型出現(xiàn)較早，稱為磷酸酯液。

HFDR液是在磷酸酯中加入抗氧劑、抗腐蝕劑、防銹劑和消泡劑結(jié)合而成。其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的潤(rùn)滑性、阻燃性及抗氧化性。適用溫度范圍在-6℃～65℃。HFDR液對(duì)系統(tǒng)中的密封件材料、涂料有特殊要求。同時(shí)，磷酸對(duì)人體有害，使用時(shí)應(yīng)避免直接接觸或采用防護(hù)措施。五.工作介質(zhì)的選用

正確的選用工作介質(zhì)是充分發(fā)揮液壓傳動(dòng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。工作介質(zhì)的選用包括兩個(gè)方面，即品種和粘度的選用。（一）品種的選用工作介質(zhì)品種的選用一般從下面三個(gè)方面考慮：

1．液壓系統(tǒng)工作環(huán)境工作環(huán)境包括：室內(nèi)/野外；高溫/嚴(yán)寒；陸地/海洋/航空；礦井/地面；有無(wú)環(huán)保要求等。

2．液壓系統(tǒng)工作條件液壓系統(tǒng)工作條件包括工作壓力、溫度、執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度、元件使用的金屬材料、涂料、密封件材料等。

3．液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)或控制設(shè)備的精密性和經(jīng)濟(jì)性液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)或控制的設(shè)備有簡(jiǎn)單的民用型；工業(yè)通用型；工業(yè)精密型；國(guó)防尖端型。根據(jù)設(shè)備的重要性及整體造價(jià)選用既保證使用要求又在價(jià)格上相適應(yīng)的品種。表2?2給出品種選用的基本實(shí)例供參考。（二）粘度的選擇工作介質(zhì)的品種選定后，選擇合適的粘度才能保證系統(tǒng)高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命地運(yùn)行。粘度選擇一般考慮四個(gè)方面：1.工作壓力選擇介質(zhì)粘度要考慮系統(tǒng)工作壓力。一般工作壓力較高的系統(tǒng)應(yīng)選擇粘度較大的介質(zhì)，以減少泄漏。2.運(yùn)動(dòng)速度選擇介質(zhì)粘度要考慮執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)執(zhí)行元件速度較高時(shí)，應(yīng)選擇粘度較低的介質(zhì)，以減少摩擦力，降低功率損耗。3.環(huán)境溫度選擇介質(zhì)粘度要考慮系統(tǒng)環(huán)境溫度。高溫環(huán)境中的系統(tǒng)應(yīng)選擇粘度高的介質(zhì)，低溫環(huán)境中的系統(tǒng)應(yīng)選擇粘度低的介質(zhì)。工作介質(zhì)隨溫度升高而粘度降低，工作中會(huì)增加泄漏甚至引起不能正常工作。當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)，介質(zhì)粘度增高，將會(huì)導(dǎo)致阻力損失增大，甚至不能啟動(dòng)。4.液壓元件或系統(tǒng)生產(chǎn)廠家建議除了上述三方面的考慮外，要遵照廠家要求或建議選擇介質(zhì)的粘度。液壓泵在液壓系統(tǒng)中是核心元件，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件最多，對(duì)工作介質(zhì)質(zhì)量和粘度最敏感。因此，液壓泵生產(chǎn)廠家在其產(chǎn)品樣本中規(guī)定了介質(zhì)品種和粘度范圍。一般來(lái)說(shuō)，介質(zhì)的粘度符合了泵的要求也就滿足了系統(tǒng)的要求。六.工作介質(zhì)的使用與維護(hù)

工作介質(zhì)的品種和粘度確定后，更重要的就是采購(gòu)、裝運(yùn)、使用與維護(hù)。管好每一環(huán)節(jié)是確保系統(tǒng)介質(zhì)不被污染，不變質(zhì)的關(guān)鍵。液壓油的污染及控制

液壓油污染的危害造成系統(tǒng)故障降低元件壽命使液壓油變質(zhì)影響工作性能

液壓油的污染源系統(tǒng)殘留物外界侵入物內(nèi)部生成物

污染的控制徹底清洗系統(tǒng)保持系統(tǒng)清潔定期清除污物定期換油第一污染源:采購(gòu)裝運(yùn)介質(zhì)的容器

應(yīng)采用專用儲(chǔ)運(yùn)容器，至少在裝運(yùn)前先用同一品種的介質(zhì)沖洗并清理過(guò)，在運(yùn)輸時(shí)加蓋封裝；第二污染源：組裝起來(lái)的液壓系統(tǒng)

首先應(yīng)保證系統(tǒng)油箱內(nèi)無(wú)鐵屑、鐵銹、毛刺、焊渣、粉塵、棉紗等可見雜質(zhì)，其次是用同種介質(zhì)清洗并初裝運(yùn)行，將管道和各元件內(nèi)原有的污物沖刷至油箱內(nèi)，經(jīng)再次清洗后經(jīng)過(guò)濾器正式灌裝；第三污染源：工作環(huán)境根據(jù)工作環(huán)境為液壓系統(tǒng)加裝必要的防護(hù)罩，或安放在專門的房間內(nèi)，只將執(zhí)行元件與運(yùn)動(dòng)部件連接，系統(tǒng)油箱采用空氣過(guò)濾器與大氣相通，或直接采用充氣密封油箱。另外要防止維修、更換元件時(shí)的污染物侵入。液壓系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，各元件中運(yùn)動(dòng)件的磨損物、被沖刷的剝落物、化學(xué)反應(yīng)生成物等逐漸增多。所以應(yīng)定期檢查、凈化處理或更換新介質(zhì)。

第二節(jié)液體靜力學(xué)基礎(chǔ)liquidstaticsfoundation

一.液體壓力液體單位面積上所承受的法向力稱為壓力，常用p表示。液體的壓力特性：1.液體壓力垂直作用于有效作用面，方向指向有效作用面的內(nèi)法線方向。2.液體內(nèi)任一點(diǎn)所受的壓力在各個(gè)方向上都相等。

工作介質(zhì)靜力學(xué)基礎(chǔ)涉及介質(zhì)在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的受力平衡關(guān)系及其力學(xué)特性。所謂靜止?fàn)顟B(tài)是指介質(zhì)本身內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而不考慮盛裝介質(zhì)的容器是靜止的還是運(yùn)動(dòng)的。液體靜壓力在物理學(xué)上稱為壓強(qiáng)，工程實(shí)際應(yīng)用中習(xí)慣稱為壓力。二．重力場(chǎng)作用下靜止液體的壓力分布液體靜力學(xué)基本方程其意義如下：1.靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力由兩部分組成：即液面上的壓力p0和液體自重形成的壓力ρgh。當(dāng)液面上只受大氣壓Pa作用時(shí)有：2．靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的壓力隨深度呈線性規(guī)律分布。3．距液面同一深度的各點(diǎn)，其壓力均相等。壓力相等的各點(diǎn)組成的面稱為等壓面，且為水平面。

三．壓力的表示方法及單位根據(jù)度量的基準(zhǔn)不同，壓力的表示方法有絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力兩種

以絕對(duì)零壓力為基準(zhǔn)度量時(shí)，其值為絕對(duì)壓力；而以大氣壓為基準(zhǔn)度量時(shí)，其值為相對(duì)壓力。絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力之間的關(guān)系為:絕對(duì)壓力=大氣壓力+相對(duì)壓力相對(duì)壓力=絕對(duì)壓力－大氣壓力相對(duì)壓力為負(fù)值時(shí)稱真空度,并且用絕對(duì)值表示，或表達(dá)為：

真空度=大氣壓－絕對(duì)壓力壓力的單位用N/m2、牛/米2；或Pa、帕；也可用MPa、兆帕表示。1MPa

=106N/m2=106Pa例2?1，圖2?5表示一個(gè)盛有密度為ρ=900kg/m3液體的容器，容器上有活塞使其密封。當(dāng)活塞與液體接觸面積為A=1×10-3m2，其上受有F=1000N的作用力，在不考慮活塞的重力時(shí)，問(wèn)液面以下0.6m處的壓力為多大？（N/m2）解液體與活塞接觸面上的壓力為深度h=0.6m處的壓力為

當(dāng)液體受外力作用時(shí)，大氣壓和液體自重引起的壓力是微不足道的，在液壓系統(tǒng)中常被忽略不計(jì)，只計(jì)算外負(fù)載作用下的壓力。

（N/m2）四．帕斯卡靜壓傳遞原理

在密閉容器內(nèi)施加于靜止液體的壓力將以等值地傳向液體的各點(diǎn)，這就是帕斯卡原理，也稱靜壓傳遞原理。五．靜止液體對(duì)固體壁面的作用力

在液壓系統(tǒng)中，液體存在于液壓元件的容腔內(nèi)，并且作用于各種形體的固體壁面上形成作用力。這個(gè)作用力是設(shè)計(jì)液壓元件或液壓系統(tǒng)時(shí)受力分析的基礎(chǔ)。

當(dāng)固體壁面為平面時(shí)，液體壓力在該平面的總作用力F=pA

，方向垂直于該平面。當(dāng)固體壁面為曲面時(shí)，液體壓力在曲面某方向上的總作用力F=pAx

，Ax為曲面在該方向的投影面積。例2?2，如圖2?7所示，缸筒內(nèi)壁所受的液體壓力為p，計(jì)算缸筒在x方向所受的總作用力Fx。缸筒尺寸由圖給出。解先在壁面上取dA=Lds=Lrdθ的微面積，再求出液體在微面積dA上的作用力dF，然后求出在x方向上的分量dFx，再經(jīng)過(guò)積分后得到Fx為復(fù)習(xí)所講內(nèi)容

（思考）2－1～6

（作業(yè)）2－14、16、17第三節(jié)流動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)液體運(yùn)動(dòng)學(xué):研究流動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律；液體動(dòng)力學(xué):研究流動(dòng)液體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力能關(guān)系。一.基本概念1.理想液體

理想液體：指既無(wú)粘性，又不可壓縮的液體。

實(shí)際液體：有粘度、可壓縮的液體3.流線、流管和流束恒定流動(dòng)：液體流動(dòng)時(shí)，液體中任一點(diǎn)處的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間而變化的流動(dòng)(dp/dt=0,d/dt=0,dρ/dt=0)非穩(wěn)定流動(dòng)：壓力、速度、密度隨時(shí)間變化的流動(dòng)。

非恒定流動(dòng):壓力、速度和密度只要有一項(xiàng)隨時(shí)間變化。液壓系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)可認(rèn)為是作恒定流動(dòng)；而在瞬態(tài)情況下認(rèn)為是作非恒定流動(dòng)。液壓系統(tǒng)中，液體被限制在相對(duì)于水利建設(shè)的明渠或大壩泄洪而言是極其細(xì)小的管道內(nèi)流動(dòng)，通常視為一維流動(dòng)。一維流動(dòng)是最簡(jiǎn)單的流動(dòng)。2.恒定流動(dòng)和一維流動(dòng)流線：標(biāo)志流動(dòng)液體中各質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度方向的曲線。流線上任意一點(diǎn)的速度方向與流線相切。當(dāng)液體作恒定流動(dòng)時(shí)，流線的形狀不隨時(shí)間而變，是一條條光滑的曲線。4.通流截面積流管：以封閉曲線上的流線組成的面域。流束：許多流線組成的一束曲線。

正交于流束中所有流線的面積稱為通流截面積。工程實(shí)際中常把垂直于管道軸線的橫截面稱為通流截面，其面積用A表示。實(shí)際通流截面形狀隨管道、孔口或縫隙的形狀而不同。

流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流經(jīng)某通流截面流體的體積，流量以q表示，單位為m3/s或L/min。流速：流體質(zhì)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的距離，實(shí)際流體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)流速不等。平均流速：通過(guò)流體某截面流速的平均值。

5.流量和平均流速6.濕周和水力直徑濕周χ：液體流過(guò)通流截面積A時(shí)與其邊界的接觸邊長(zhǎng)。水力直徑：4倍通流截面積A與濕周之比。圓形管道：水力直徑=管道內(nèi)徑d面積相等而形狀不同的所有通流截面中，圓形通流截面的水力直徑最大。7.液體流動(dòng)狀態(tài)及雷諾數(shù)液體流動(dòng)表現(xiàn)為兩種狀態(tài)，即層流和湍流液體流動(dòng)狀態(tài)是層流還是湍流用以下判別式確定：當(dāng)Re≤Rec時(shí)，流態(tài)為層流；當(dāng)Re>Rec時(shí)，流態(tài)為湍流。?層流：分層、穩(wěn)定、無(wú)橫向流動(dòng)。(流速較小，粘性力主導(dǎo)）?湍流：不分層、不穩(wěn)定、有橫向流動(dòng)。

(流速較大，慣性力主導(dǎo)）

?雷諾數(shù)Re圓管U:平均流速

?臨界雷諾數(shù)Rec：層流和湍流的判定標(biāo)準(zhǔn)

例2?3，液壓泵入口管徑d=0.025m，工作介質(zhì)為運(yùn)動(dòng)粘度是ν=32×10-6m2/s的石油基液壓液。當(dāng)液壓泵以流量q=0.42×10-3m3/s工作時(shí)，判斷液壓泵吸油口管道內(nèi)的液流流態(tài)。

解液壓泵吸油管中液流的平均速度為（m/s）所以，液壓泵吸油口管道內(nèi)的液流流態(tài)為層流。

液體流過(guò)光滑內(nèi)壁的金屬圓管時(shí)

Rec

=2320～2000，一般計(jì)算可取2000來(lái)判斷。

液體流過(guò)橡膠軟管時(shí)，

Rec=2000～1600，一般計(jì)算可取1600來(lái)判斷。二.流動(dòng)液體的連續(xù)性方程依據(jù)：質(zhì)量守恒定律連續(xù)性方程q=A1υ1=A2υ2=常數(shù)液體在管內(nèi)作恒定流動(dòng)，任取兩個(gè)通流截面，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)兩個(gè)截面的液體質(zhì)量相等，即：物理意義：1.不可壓縮液體做恒定流動(dòng)時(shí)，流過(guò)流管（管道）各通流截面的流量是相等的，且為常數(shù)；2.流經(jīng)任一通流截面的液體其流速與通流截面積成反比。即管道細(xì)的部位流速大，反之流速小。三.流動(dòng)液體的能量方程

流動(dòng)液體能量方程又稱伯努利方程，揭示了流動(dòng)液體遵守能量守恒定律。（一）理想液體能量方程外力做功=能量變化W=ΔE

液壓力對(duì)1—2段微流束做的功為

W=Fdl=pdAudt2.1—2段微流束的機(jī)械能變化量為dEK

+dEp動(dòng)能勢(shì)能理想液體的能量方程：其物理意義是：（1）在外力作用下，作恒定流動(dòng)的理想液體流經(jīng)任一通流截面時(shí)具有三種能量，即壓力能p、動(dòng)能ρu2/2、勢(shì)能ρgh；（2）三種能量可以互相轉(zhuǎn)換，且總和為常數(shù)。（二）實(shí)際液體能量方程

實(shí)際液體：有粘性、可壓縮、非穩(wěn)定流動(dòng)。速度修正:α動(dòng)能修正系數(shù)平均流速代替實(shí)際流速，考慮能量損失式中：α1和α2為動(dòng)能修正系數(shù)，當(dāng)流態(tài)為層流時(shí)α=2；當(dāng)流態(tài)為湍流時(shí)α=1；

υ1和υ2為液體平均流速；∑Δp為液體流經(jīng)1—2截面時(shí)的總能量損失。

能量方程適用條件、基準(zhǔn)選擇和通流截面選擇順序：

能量方程式適用于恒定流動(dòng)、幾乎不可壓縮、沿程流量不變；截面應(yīng)選在緩變流段；基準(zhǔn)最好選在其中一個(gè)通流截面形心上（對(duì)于圓形直管道來(lái)說(shuō)，基準(zhǔn)選在管道軸心線上），而且此通流截面積相對(duì)于另一通流截面積大的多；通流截面序號(hào)應(yīng)按流向依次設(shè)定。例2?4，圖2?11示出液壓泵與油箱的安裝位置關(guān)系。當(dāng)泵的流量qp

=416.7×10-6m3/s，吸油管內(nèi)徑d=0.03m，泵吸油口的絕對(duì)壓力p2=0.75×105Pa；過(guò)濾器的壓力損失Δp=0.2×105Pa；油液密度為ρ=900kg/m3、運(yùn)動(dòng)粘度為ν＝32×10－6m2/s；求泵的安裝高度H應(yīng)為多少？解1.列出能量方程式：取油箱液面為通流截面1，泵的吸油口為通流截面2，基準(zhǔn)選在通流截面1上。列出能量方程式為

由題意可知，式中總能量損失∑Δp包括流經(jīng)過(guò)濾器的壓力損失Δp和吸油管道的沿程壓力損失根據(jù)所選截面可知：h1=0；υ1<<υ2；υ1≈0；p1=1×105Pa；h2

=L=H

所以，能量方程簡(jiǎn)化為2．判斷流態(tài)

3．計(jì)算安裝高度

≈0.5（m）

四．流動(dòng)液體動(dòng)量方程作用：計(jì)算流動(dòng)液體作用在固體壁面上的力和作用。動(dòng)量定理：作用在物體上的合外力的大小等于物體單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)量的變化量。推導(dǎo)：u2、u1：被研究流動(dòng)液體受力作用的末速度和初速度，在工程實(shí)際中可用平均流速υ2

、υ1代替，β：修正系數(shù)，層流取β=1.33，湍流時(shí)β=1。在x方向的動(dòng)量方程：

流動(dòng)液體動(dòng)量方程描述了外力作用在流動(dòng)液體上，并產(chǎn)生了液體動(dòng)量的變化量。流動(dòng)液體對(duì)固體壁面的作用力：穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力ΣF′在x方向上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力ΣF′為應(yīng)用見例2?5，圖2?12

例2?5，圖2?12為閥口開啟的滑閥式換向閥。液體從p口進(jìn)入閥腔，從A口流出。求液流對(duì)滑閥芯的軸向穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力Fx′。

解在外力F作用下使閥口開啟的同時(shí)，給閥腔內(nèi)液體的作用力為F。在x方向的分量為設(shè)β2=β1=1，θ=69°，則

而穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力Fx′則為

復(fù)習(xí)所講內(nèi)容

（思考）2－7～10

（作業(yè)）2－18、20、22第四節(jié)流動(dòng)液體的能量損失由于流動(dòng)液體具有粘性，以及流動(dòng)時(shí)突然轉(zhuǎn)彎或通過(guò)閥口會(huì)產(chǎn)生撞擊和旋渦，因此液體流動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生阻力。為了克服阻力，流動(dòng)液體會(huì)損耗一部分能量，這種能量損失可用液體的壓力損失來(lái)表示。壓力損失幾乎全部轉(zhuǎn)變成熱量被浪費(fèi)掉，同時(shí)會(huì)使傳動(dòng)性能下降。

液壓系統(tǒng)管路中流動(dòng)液體的壓力（能量）損失包括:沿程壓力損失、局部壓力損失和閥口壓力損失。（一）層流狀態(tài)時(shí)的沿程壓力損失液體在等直徑管中流動(dòng)時(shí)因摩擦而產(chǎn)生的損失。沿程壓力損失是以粘性摩擦損失為主導(dǎo)。液體流動(dòng)狀態(tài)不同，所產(chǎn)生的沿程壓力損失也不同。.沿程壓力損失1.通流截面上的流速分布規(guī)律根據(jù)液體粘性分析可知：當(dāng)r=R時(shí)，u=0令Δp=p1－p2

由牛頓內(nèi)摩擦定律和液柱受力平衡：

式中表明：液體在等徑直管道中流動(dòng)時(shí)，液體的速度分布呈拋物線形。當(dāng)r=R時(shí)，u=0；當(dāng)r=0時(shí)，隨離開管壁的距離增大，實(shí)際流速u增大，管子中心流速u最大。2.等徑直管道中的流量在微圓柱上取一環(huán)行通流截面dA=2πrdr；液體流過(guò)dA的流量dq為3.等徑直管道中的平均流速平均流速υ是實(shí)際流速最大值的倍4.沿程壓力損失沿程阻力系數(shù)當(dāng)介質(zhì)為水時(shí)，取λ=64/Re當(dāng)介質(zhì)為油液時(shí)，內(nèi)壁光滑的金屬管道取λ

=75/Re；橡膠管取λ

=80/Re。

層流時(shí)的沿程壓力損失隨管徑越細(xì)，管子越長(zhǎng)，液體粘度越大，流速越快則損失越嚴(yán)重。在既定管路中，控制壓力損失Δp的有效措施就是限制液體的流速。液壓系統(tǒng)管道內(nèi)平均流速推薦值：吸油管內(nèi)平均流速＝0.5～1.5m/s;

壓力油管內(nèi)平均流速＝2.5～5m/s（壓力大，流量大時(shí)取大值）;

回油管內(nèi)平均流速＝1.5～2m/s;

控制油管內(nèi)平均流速＝2～3m/s;（二）湍流狀態(tài)時(shí)的沿程壓力損失Δ是管道內(nèi)壁絕對(duì)粗糙度。鋼管Δ=0.04mm，銅管Δ=0.0015～0.01mm，鋁管Δ=0.0015～0.06mm，鑄鐵管Δ=0.25mm，橡膠軟管取Δ=0.03mm。Δ/d為管內(nèi)壁的相對(duì)表面粗糙度。二.局部壓力損失

局部壓力損失是指液體流經(jīng)不等徑的管段、彎管、接頭等元件時(shí)產(chǎn)生的壓力損失。液流通過(guò)這些局部件時(shí)將改變流速和方向，產(chǎn)生旋渦、沖擊、振動(dòng)及噪聲。因此應(yīng)盡可能減少這些部位。局部壓力損失計(jì)算公式為三.閥口壓力損失局部阻力系數(shù)隨局部件的結(jié)構(gòu)不同有不同的計(jì)算公式或?qū)嶒?yàn)值額定流量時(shí)的壓力損失通過(guò)的實(shí)際流量通過(guò)的額定流量四.管路系統(tǒng)的總壓力損失

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，相鄰兩個(gè)局部件之間連接管件的長(zhǎng)度和內(nèi)徑之比應(yīng)大于10～20。否則阻力系數(shù)將比計(jì)算值大許多倍。這是因?yàn)?局部件相距太近時(shí)液流流速和方向?qū)⑦B續(xù)變化,故損失會(huì)增大。第五節(jié)孔口及縫隙流量

在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，有許多元件（如節(jié)流閥、調(diào)速閥）是利用專門設(shè)計(jì)的固定孔口或可調(diào)孔口或縫隙來(lái)控制流量和壓力的。然而也有許多縫隙是由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件形成的。這些縫隙對(duì)潤(rùn)滑具有一定的好處，同時(shí)也是泄漏的主要途徑。本節(jié)討論幾個(gè)典型的孔口、縫隙形式及流量計(jì)算，以便合理利用和控制泄漏。.孔口及其流量計(jì)算孔口形式：薄壁孔、細(xì)長(zhǎng)孔和短孔。1.

薄壁孔及其流量計(jì)算薄壁孔：孔的長(zhǎng)徑比L/d≤0.5薄壁孔(l/d≤0.5)細(xì)長(zhǎng)孔(l/d>4）短孔（0.5<l/d≤4)

圖2?15是一個(gè)固定的進(jìn)口銳邊薄壁孔。它可以看成一個(gè)由大到小的急縮局部件和一個(gè)由小到大的急擴(kuò)局部件串聯(lián)而成。當(dāng)通道直徑和小孔直徑之比d/dT>7時(shí)，液流的收縮作用不受孔前通道內(nèi)壁的影響，稱完全收縮。當(dāng)d/dT

<7時(shí)，孔前通道對(duì)液流起到引導(dǎo)作用，稱不完全收縮。建立1—1和2—2兩截面的能量方程如下孔口收縮系數(shù)，Cc=Ae/AT

孔口流量系數(shù)，Cd=CcCυ

Cc、Cυ、Cd可由實(shí)驗(yàn)得到。當(dāng)處于完全收縮時(shí)，Cc

=0.61～0.63，Cυ=0.97～0.98，Cd

=0.61～0.62。當(dāng)處于不完全收縮時(shí)，Cd

=0.7～0.8。2.短孔及其流量計(jì)算

短孔的幾何形狀是0.5<L/d≤4的孔。流量公式同薄壁孔。當(dāng)Re>2000時(shí)，Cd

=0.82。3.細(xì)長(zhǎng)孔及其流量計(jì)算

細(xì)長(zhǎng)孔的幾何形狀是指L/d>4的孔。細(xì)長(zhǎng)孔流程長(zhǎng)，易發(fā)熱，易堵塞。細(xì)長(zhǎng)孔的流量公式為液流通過(guò)孔口的流量均與壓力差Δp成比例。所以，可寫成通用公式指數(shù)，薄壁孔和短孔m=0.5、細(xì)長(zhǎng)孔m=1對(duì)于細(xì)長(zhǎng)孔對(duì)于薄壁孔、短孔二.縫隙及其流量計(jì)算

縫隙即是兩零件間的間隙。通過(guò)縫隙流動(dòng)的液流受固體壁面影響較大，其流態(tài)均為層流。通過(guò)縫隙的流量由兩種原因產(chǎn)生：對(duì)于固定零件間的縫隙流量是在壓力差的作用下流動(dòng)的，稱為壓差流量；由運(yùn)動(dòng)零件帶動(dòng)的流量，稱剪切流量。對(duì)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件間的縫隙流量既有壓差作用下的壓差流量，又有剪切流量。（一）平行平板縫隙及其流量計(jì)算

平行平板縫隙在液壓泵和馬達(dá)中是普遍存在的，既有固定平行平板縫隙，也有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的平行平板縫隙。平行平板縫隙。縫隙高度為h，寬度為b，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，b>>h<<L。列寫微元體受力平衡方程為當(dāng)y=0時(shí)，u=0，得C2=0；當(dāng)y=h時(shí)，u=u0，得p是x的線性函數(shù)，即式中剪切流壓差流

上式是壓差流動(dòng)方向和剪切流動(dòng)方向一致時(shí)建立的。如果二者方向相反時(shí)，則有（二）圓柱環(huán)形縫隙及其流量計(jì)算

圓柱環(huán)形縫隙在液壓閥和液壓缸內(nèi)普遍存在。在理想狀態(tài)下，圓柱環(huán)形縫隙是指兩同心圓柱面縫隙。在實(shí)際情況下，偏心圓柱面縫隙較常見。1.同心圓柱面環(huán)形縫隙及其流量計(jì)算由此可見，采用間隙密封的滑閥、柱塞泵、液壓缸等元件，控制其間隙尺寸對(duì)于減小泄漏、提高容積效率和可靠性是非常關(guān)鍵的。沿圓周方向展開2.偏心圓柱環(huán)形縫隙及其流量計(jì)算相對(duì)偏心率

當(dāng)ε

=0時(shí)，結(jié)果與同心圓柱環(huán)形縫隙情況相同。當(dāng)ε

=1，即為最大偏心時(shí)，流量是同心圓柱環(huán)形縫隙流量的2.5倍。由此可見，同心裝配的重要性。（三）圓環(huán)平行平面縫隙及其流量計(jì)算

斜盤式柱塞泵的滑履與斜盤之間的間隙屬于此種情況。通過(guò)間隙的油液可以對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)零件進(jìn)行潤(rùn)滑。

在任意半徑r處，取寬度為dr的微圓環(huán)，將其展開為一個(gè)平行平板縫隙，平行平板縫隙的寬度b=2πr，長(zhǎng)為L(zhǎng)=dr，代入式（2