液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)教學(xué)幻燈片

第2章液壓傳動(dòng)基礎(chǔ)2.1液壓油2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)拓展本章小結(jié)2.1液壓油下一頁返回2.1.1液壓油的主要性質(zhì)1.密度單位體積液體的質(zhì)量稱為該液體的密度，用ρ表示。即式中m—液體的質(zhì)量;

V—液體的體積。密度是液體的一個(gè)重要物理性質(zhì)，它會(huì)隨溫度的升高而下降，隨壓力的增加而增大。對(duì)于液壓傳動(dòng)中常用的液壓油(礦物油)來說，一般情況下，密度變化很小，可視為常數(shù)在計(jì)算時(shí)，常取15℃時(shí)的液壓油密度ρ=900kg/m3。2.1液壓油2.可壓縮性可壓縮性指液體受壓力作用而發(fā)生體積減小的特性。在常溫下，液體的可壓縮性很小，故認(rèn)為液體是不可壓縮的。只有在研究液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和高壓情況下，才考慮油液的可壓縮性。但是，如果液壓油中混入空氣及其他揮發(fā)物質(zhì)，其壓縮性將顯著增加，并將嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的工作性能，所以應(yīng)盡量減少。上一頁下一頁返回2.1液壓油

上一頁下一頁返回2.1液壓油黏性是液體的重要物理性質(zhì)，也是選擇液壓用油的主要依據(jù)。液體的黏性大小用黏度來表示，常用的黏度有三種:動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度和相對(duì)黏度。1)動(dòng)力黏度動(dòng)力黏度μ又稱絕對(duì)黏度，是表征液體黏性的內(nèi)摩擦系數(shù)，可由式(2-3)導(dǎo)出，即液體動(dòng)力黏度的物理意義是當(dāng)速度梯度等于1時(shí)，流動(dòng)液體液層間單位面積上的內(nèi)摩擦力。在SI單位中，動(dòng)力黏度μ的法定計(jì)量單位為Pa·s(帕·秒)或N·s/m2在CGS中，μ的單位為P(泊)。單位換算關(guān)系為1Pa·s=10P(泊)=1000cP(厘泊)上一頁下一頁返回2.1液壓油2)運(yùn)動(dòng)黏度運(yùn)動(dòng)黏度。是動(dòng)力黏度μ與液體密度ρ之比，即運(yùn)動(dòng)黏度v在其單位中只有長度和時(shí)間的量綱，沒有明確的物理意義，所以稱為運(yùn)動(dòng)黏度，其在液壓分析和計(jì)算中是一個(gè)經(jīng)常遇到的物理量。工程中常用運(yùn)動(dòng)黏度來標(biāo)志液體黏度。機(jī)械油的牌號(hào)就是用機(jī)械油在40℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度的平均值來表示的。如10號(hào)機(jī)械油就是指其在40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度的平均值為10cSt牌號(hào)為L-HL22的普通液壓油在40℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度的平均值為22mm2/s(L表示潤滑劑類，H表示液壓油，L表示防銹抗氧型)。在SI單位中，運(yùn)動(dòng)黏度的單位為m2/s。在CGS中，運(yùn)動(dòng)黏度的單位為St(斯)。單位換算關(guān)系為1m2/s=104St(斯)=106cSt(厘斯)。上一頁下一頁返回2.1液壓油3)相對(duì)黏度相對(duì)黏度又稱條件黏度，是采用特定的黏度計(jì)，在規(guī)定的條件下測(cè)量出來的液體黏度。根據(jù)測(cè)量的方法不同，可分為恩氏黏度°E、賽氏黏度SSU和雷氏黏度Re等。中國和德國等國家采用恩氏黏度。恩氏黏度用恩氏黏度計(jì)測(cè)定。即，將200mL的被測(cè)液體裝入底部有小2.8mm小孔的恩氏黏度計(jì)的容器中，在某一特定溫度t(℃)時(shí)，測(cè)定全部液體在自重作用下流過小孔所需的時(shí)間t1與同體積的蒸餾水在20℃時(shí)流過同一小孔所需的時(shí)間t2之比值，便是該液體在t(℃)時(shí)的恩氏黏度。恩氏黏度和運(yùn)動(dòng)黏度之間的經(jīng)驗(yàn)換算公式為上一頁下一頁返回2.1液壓油4)溫度對(duì)黏度的影響液壓油的黏度對(duì)溫度變化十分敏感，黏度會(huì)隨著溫度的升高而減小，這種液體黏度隨溫度變化的性質(zhì)稱為黏溫特性。黏度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量，因此，黏度隨溫度的變化越小越好。如圖2-3所示為幾種國產(chǎn)液壓油的黏溫特性曲線。5)壓力對(duì)黏度的影響當(dāng)壓力增加時(shí)，液體分子間距離減小，內(nèi)聚力增加，其黏度也有所增加。在液壓系統(tǒng)中，當(dāng)壓力不高且變化不大時(shí)，壓力對(duì)黏度的影響較小，一般可以忽略不計(jì)。當(dāng)壓力高于50MPa或壓力變化較大時(shí)，需要考慮這種影響。上一頁下一頁返回2.1液壓油4.液壓油的其他性質(zhì)液壓油的其他一些物理化學(xué)性質(zhì)，如抗燃性、抗氧化性、抗泡沫性、抗乳化性、防銹性和抗磨性等，都對(duì)它的選擇和使用有重要影響。這些性質(zhì)需要在精煉的礦物油中加入各種添加劑來獲得，具體應(yīng)用時(shí)可查閱液壓油類產(chǎn)品相關(guān)手冊(cè)。上一頁下一頁返回2.1液壓油2.1.2液壓油的選用1.液壓油的使用要求液壓介質(zhì)的性能對(duì)液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)有很大影響，液壓系統(tǒng)對(duì)工作介質(zhì)的基本要求如下:(l)黏溫性好。所有工作介質(zhì)的黏度都隨溫度的升高而降低。黏溫特性好是指工作介質(zhì)的黏度隨溫度變化小。(2)質(zhì)地純凈，雜質(zhì)少。避免油液中的機(jī)械雜質(zhì)堵塞油路。(3)化學(xué)穩(wěn)定性好。在貯存和工作過程中不易氧化變質(zhì)，以防膠質(zhì)沉淀物影響系統(tǒng)正常工作。防止油液變酸，腐蝕金屬表面。(4)抗乳化性、抗泡沫性好。工作介質(zhì)在工作過程中可能混入水或出現(xiàn)凝結(jié)水?；煊兴值墓ぷ鹘橘|(zhì)在泵和其他元件的長上一頁下一頁返回2.1液壓油期劇烈攪拌下，易形成乳化液，使工作介質(zhì)水解變質(zhì)或生成沉淀物，引起工作系統(tǒng)銹蝕和腐蝕，所以要求工作介質(zhì)有良好的抗乳化性?？古菽允侵缚諝饣烊牍ぷ鹘橘|(zhì)后會(huì)產(chǎn)生氣泡，混有氣泡的介質(zhì)在液壓系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)會(huì)產(chǎn)生異常的噪聲、振動(dòng)，所以要求工作介質(zhì)具有良好的抗泡沫性和空氣釋放能力。(5)閃點(diǎn)、燃點(diǎn)高，凝固點(diǎn)低。高閃點(diǎn)和燃點(diǎn)能防火、防爆。一般液壓系統(tǒng)中所用的液壓油的閃點(diǎn)約為130℃~150℃;在溫度低的環(huán)境下工作時(shí)，要求低凝固點(diǎn)一般液壓系統(tǒng)中所用的液壓油的凝固點(diǎn)約為-10℃~-15℃。(6)潤滑性能好。在規(guī)定的范圍內(nèi)有足夠的油膜強(qiáng)度，以免產(chǎn)生干摩擦。(7)對(duì)人體無害，成本低。上一頁下一頁返回2.1液壓油2.液壓油的種類液壓油的品種很多，主要可分為三大類:礦物油型、合成型和乳化型。常見液壓油的代號(hào)、特性和用途詳見表2-1、表2-1(續(xù)表)。礦物型液壓油的特點(diǎn)是潤滑性好，腐蝕性小，化學(xué)穩(wěn)定性高，所以約90%以上的液壓系統(tǒng)采用此類液壓油。乳化型液壓油價(jià)格便宜，抗燃性好，但潤滑性能差，腐蝕性大，適用溫度范圍小，因此一般用于水壓機(jī)、礦山機(jī)械和液壓支架等特殊場(chǎng)合。合成型液壓油潤滑性好、凝固點(diǎn)低、抗燃性好，但價(jià)格昂貴且有毒，一般用于防火要求高的鋼鐵廠、火力發(fā)電廠等場(chǎng)合。上一頁下一頁返回2.1液壓油3.液壓油的選擇合理液壓油的選擇，對(duì)液壓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，工作可靠性，靈敏性有顯著影響。選用液壓油時(shí)根據(jù)系統(tǒng)要求選擇適當(dāng)?shù)挠鸵浩贩N和黏度，選擇時(shí)一般考慮以下幾個(gè)方面:(1)液壓系統(tǒng)的工作壓力。工作壓力較低時(shí)，宜用黏度較低的油，以減少壓力損失。工作壓力較高時(shí)，宜選用黏度較高的液壓油以免系統(tǒng)泄漏過多，效率過低。(2)液壓泵的類型。在液壓系統(tǒng)的所有元件中，液壓泵對(duì)液壓油的性能最敏感，因此，在一般情況下，可將液壓泵要求的黏度作為選擇液壓油的基準(zhǔn)，見表2-2。(3)液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境。主要是環(huán)境溫度的變化范圍、有無明火和高溫?zé)嵩?、抗燃性等要求。還要考慮環(huán)境污染、毒性和氣味等因素上一頁下一頁返回2.1液壓油(4)運(yùn)動(dòng)速度。液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件速度較高時(shí)，選用黏度較低的液壓油，以減小液流的功率損失。(5)經(jīng)濟(jì)性分析。選擇工作介質(zhì)時(shí)要通盤考慮價(jià)格和使用壽命，高質(zhì)量的液壓油從一次購置的角度來看花費(fèi)較大，但從使用壽命、元件更換、運(yùn)行維護(hù)、生產(chǎn)效率等方面的提高上看，總的經(jīng)濟(jì)效益是非常合算的。上一頁下一頁返回2.1液壓油2.1.3液壓油的污染與控制1.污染的主要原因(1)已被污染的新油。雖然液壓油和潤滑油是在比較清潔的條件下精煉和調(diào)和的，但油液在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中會(huì)受到管道、油桶和儲(chǔ)油罐的污染。其污染物為灰塵、砂土、銹垢、水分和其他液體等(2)殘留污染。液壓系統(tǒng)和液壓元件在裝配和沖洗中的殘留物，如毛刺、切屑、型砂、涂料、橡膠、焊星和棉紗纖維等上一頁下一頁返回2.1液壓油(3)侵入污染。液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中，由于油箱密封不完善以及元件密封裝置損壞而由系統(tǒng)外部侵入的污染物，如灰塵、砂土、切屑以及水分等(4)內(nèi)部生成污染。液壓系統(tǒng)運(yùn)行中系統(tǒng)本身所生成的污染物。其中既有元件磨損剝離、被沖刷和腐蝕的金屬顆?；蛳鹉z末，又有油液老化產(chǎn)生的污染物等，這一類污染物最具有危險(xiǎn)性。上一頁下一頁返回2.1液壓油2.污染的危害(1)固體顆粒和膠狀生成物堵塞濾油器，使液壓泵吸油不暢、運(yùn)轉(zhuǎn)困難、產(chǎn)生噪聲。堵塞閥類元件的小孔或縫隙，使閥類元件失靈。(2)微小固體顆粒會(huì)加速有相對(duì)滑動(dòng)零件表面的磨損，使液壓元件不能正常工作，同時(shí)還會(huì)劃傷密封件，使泄漏增加。(3)水分和空氣的混入會(huì)降低液壓油液的潤滑性，并加速其氧化變質(zhì)，產(chǎn)生氣蝕，使液壓元件加速損壞，并使液壓傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)和爬行等現(xiàn)象。上一頁下一頁返回2.1液壓油3.污染的控制措施(1)減少外來的污染。系統(tǒng)在組裝前，油箱和管道必須清洗。用機(jī)械方法除去殘?jiān)捅砻嫜趸?，然后進(jìn)行酸洗。系統(tǒng)在組裝后要進(jìn)行全面清洗，用系統(tǒng)工作時(shí)使用的工作液體(加熱后)清洗，不可用煤油。系統(tǒng)沖洗時(shí)應(yīng)設(shè)置高效濾油器，并啟動(dòng)系統(tǒng)使元件動(dòng)作，用銅錘敲打焊口和連接部位。在油箱通氣孔上裝設(shè)空氣濾清器或采用隔離式油箱給油箱加油要用濾油裝置，對(duì)外露件應(yīng)裝防塵密封，并經(jīng)常檢查，定期更換。液壓系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)的維修，液壓元件的更換、拆卸應(yīng)在無塵區(qū)進(jìn)行。(2)濾除系統(tǒng)產(chǎn)生的雜質(zhì)。應(yīng)在系統(tǒng)的相應(yīng)部位安裝適當(dāng)精度的過濾器，并且要定期檢查、清洗或更換濾芯。上一頁下一頁返回2.1液壓油(3)控制液壓油的工作溫度。系統(tǒng)工作時(shí)，一般應(yīng)將工作液體的溫度控制在65℃以下。工作液體溫度過高會(huì)加速氧化，產(chǎn)生各種生成物。(4)定期檢查，更換液壓油液。應(yīng)根據(jù)液壓設(shè)備使用說明書的要求和維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，定期檢查更換液壓油液。更換液壓油液時(shí)要清洗油箱，沖洗系統(tǒng)管道及液壓元件。上一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)液體靜力學(xué)主要是研究靜止液體所具有的力學(xué)規(guī)律以及這些規(guī)律的應(yīng)用。所謂“靜止液體”，指的是液體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不呈現(xiàn)黏性。至于盛裝液體的容器，不論它是靜止還是勻速、勻加速運(yùn)動(dòng)都沒有關(guān)系，液體整體則可以隨同容器一起作各種運(yùn)動(dòng)。下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.1液體的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。質(zhì)量力作用于液體的所有質(zhì)點(diǎn)上，如重力和慣性力等。表面力是作用于液體表面上的力。單位面積上作用的表面力稱為應(yīng)力，它是一種外力，有法向應(yīng)力和切向應(yīng)力之分。當(dāng)液體靜止時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不存在摩擦力，所以靜止液體的表面力只有法向力。液體在單位面積上所受的法向力稱為壓力，用P表示。液體內(nèi)某點(diǎn)處單位面積上所受到的法向力△F與單位面積△A之比即為壓力P(靜壓力)，可表示為上一頁下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)如法向力F均勻地作用于面積A上，則壓力可表示為液體靜壓力具有兩個(gè)重要特性:(1)液體靜壓力垂直于其受壓平面，且方向與該平面的內(nèi)法線方向一致。(2)靜止液體內(nèi)任一點(diǎn)的液體靜壓力在各個(gè)方向上都相等液體靜力學(xué)基本方程。上一頁下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.2液體靜力學(xué)基本方程在重力作用下靜止液體的受力情況可用圖2-4所示。在液體中任取一點(diǎn)A,若要求得液體內(nèi)A點(diǎn)處的壓力，可從液體中取出一個(gè)底部通過該點(diǎn)的垂直小液柱。設(shè)液柱的底面積為dA，高度為h，液柱質(zhì)量為G=ρghdA，由于液柱處于平穩(wěn)狀態(tài)，則平衡方程如下所示。上一頁下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)式中P0為作用在液面上的壓力，上式為液體靜壓力的基本方程。由液體靜壓力基本方程可知，靜止液體內(nèi)任意點(diǎn)處的壓力由兩部分組成，即液面上的外壓力P0和液體自重對(duì)該點(diǎn)的壓力ρgh。當(dāng)液面上只受大氣壓力P0作用時(shí)，點(diǎn)A處的靜壓力則為P=P0+ρgh。靜止液體內(nèi)的靜壓力隨液體深度h的增加而線性地增加。靜止液體內(nèi)同一深度的各點(diǎn)壓力都相等，壓力相等的所有點(diǎn)組成的面稱為等壓面。在重力作用下，靜止液體中的等壓面是一個(gè)水平面壓力的表示方法。上一頁下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.3壓力的表示方法壓力的表示方法有兩種:絕對(duì)壓力和相對(duì)壓力。絕對(duì)壓力是以絕對(duì)真空作為基準(zhǔn)所表示的壓力。相對(duì)壓力是以大氣壓力作為基準(zhǔn)所表示的壓力。若絕對(duì)壓力大于大氣壓，則相對(duì)壓力為正值。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)壓力也稱表壓力。若絕對(duì)壓力小于大氣壓，則相對(duì)壓力為負(fù)值，比大氣壓小的那部分稱為真空度。如圖2-5給出了絕對(duì)壓力、相對(duì)壓力和真空度三者之間的關(guān)系，即:絕對(duì)壓力=相對(duì)壓力+大氣壓力

真空度=大氣壓力－絕對(duì)壓力上一頁下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)在SI單位中壓力的單位為帕斯卜，簡(jiǎn)稱帕，符號(hào)為Pa,1Pa=1N/m2。由于P。太小，工程上常用其倍數(shù)單位兆帕(MPa)來表示，1MPa=106Pa。壓力單位及其他非法定計(jì)量單位的換算關(guān)系:1atm(工程大氣壓)=1kgf/cm2=9.8x104Pa1mmH2O(米水柱)=9.8x103Pa1mmHg(毫米汞柱)=1.33x102Pa1bar(巴)=105Pa≈1.02kgf/cm2上一頁下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.4壓力的傳遞由液體靜壓力基本方程可知，盛放在密閉容器內(nèi)的液體，其外壓力P0發(fā)生變化時(shí)，只要液體仍保持其原來的靜止?fàn)顟B(tài)不變，液體中任一點(diǎn)的壓力均將發(fā)生同樣大小的變化。這就是說，在密閉容器中，由外力作用所產(chǎn)生的壓力可以等值傳遞到液體內(nèi)部的所有點(diǎn)。這就是靜壓傳遞原理(或稱帕斯卡原理)。在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，通常是外力產(chǎn)生的壓力要比液體自重所產(chǎn)生的壓力(ρgh)大得多。因此常把自重產(chǎn)生的壓力忽略不計(jì)，而認(rèn)為靜止液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力處處相等。上一頁下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)如圖2-6所示，當(dāng)給小活塞缸1的活塞上施加力F1時(shí)，液體中就產(chǎn)生p=F1/A1壓力。隨著F1的增加，液體的壓力也不斷增加，當(dāng)壓力P=W/A2時(shí)，大活塞缸2的活塞開始運(yùn)動(dòng)。可見，靜壓力傳動(dòng)有以下特點(diǎn):傳動(dòng)必須在密封容器內(nèi)進(jìn)行，系統(tǒng)內(nèi)壓力大小取決于外負(fù)載的大小。也就是說，液體的壓力是由于受到各種形式的阻力而形成的。當(dāng)外負(fù)載W=0時(shí)，則p=0。液壓傳動(dòng)可以將力放大，力的放大倍數(shù)等于活塞面積之比，即液壓傳動(dòng)是依據(jù)帕斯卡原理實(shí)現(xiàn)力的傳遞、放大和方向變換的。上一頁下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)2.2.5液體作用在固體壁面上的力液體流經(jīng)管道和控制元件，并推動(dòng)執(zhí)行元件做功，都要和固體壁面接觸。固體壁面將受到液體靜壓力的作用。由于靜壓力近似處處相等，可認(rèn)為作用在固體壁面上的壓力是均勻分布的。當(dāng)固體壁面為一平面時(shí)，如圖2-7所示，作用在該面上的靜壓力的方向與該平面垂直，是相互平行的，液體對(duì)該平面的作用力F為液體的壓力P與該平面面積的乘積。即上一頁下一頁返回2.2液體靜力學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)固體壁面為一曲面時(shí)，如圖2-8所示，作用在曲面上各點(diǎn)靜壓力的方向均垂直于曲面，互相是不平行的。在工程上通常只需計(jì)算作用于曲面上的力在某一指定方向上的分力。液壓力在曲面某方向上的分力等于液體壓力與曲面在該方向上投影面積的乘積。球面如圖2-8(a)和錐面如圖2-8(b)在垂直方向所受液壓作用力F等于曲面在垂直方向的投影面積A與壓力P相乘。上一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)主要研究液體流動(dòng)時(shí)流速和壓力之間的規(guī)律。流動(dòng)液體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，能量轉(zhuǎn)換以及流動(dòng)液體與限制其流動(dòng)的固體壁面間的相互作用等內(nèi)容，是液壓技術(shù)中分析問題和設(shè)計(jì)計(jì)算的理論依據(jù)。本節(jié)主要闡明流動(dòng)液體的3個(gè)基本方程:連續(xù)性方程、伯努利方程和動(dòng)量方程。下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.3.1基本概念1.理想液體和實(shí)際液體液體是具有黏性的，液體的黏性問題非常復(fù)雜。為了便于分析和計(jì)算，可先假設(shè)液體沒有黏性，然后再考慮黏性的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等辦法對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行補(bǔ)充或修正。把既無黏性又不可壓縮的液體稱為理想液體，而把事實(shí)上既有黏性又可壓縮的液體稱為實(shí)際液體。2.恒定流動(dòng)和非恒定流動(dòng)液體流動(dòng)時(shí)，若液體中任何一點(diǎn)的壓力、速度和密度都不隨時(shí)間而變化，則這種流動(dòng)就稱為恒定流動(dòng)。否則，只要壓力、速度和密度任一個(gè)量隨時(shí)間變化，則這種流動(dòng)就稱為非恒定流動(dòng)。上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)3.通流截面、流量和平均流速液體在管道中流動(dòng)時(shí)，垂直于流動(dòng)方向的截面稱為通流截面。單位時(shí)間內(nèi)，流過通流截面的液體體積稱為流量，用q表示，在SI中單位為m3/s，工程上常用的單位是L/min。實(shí)際液體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于具有黏性，通流截面上各點(diǎn)的速度一般是不相等的。為了便于解決問題，引入了平均流速的概念。假設(shè)流經(jīng)通流截面的流速是均勻分布的，則平均流速，v為在液壓系統(tǒng)中，活塞或液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度等于液壓缸內(nèi)油液的平均速度，其大小取決于輸入或流出液壓缸的流量。上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)4.液體的流動(dòng)狀態(tài)液體有兩種流動(dòng)狀態(tài)，即層流和紊流。層流:液體流動(dòng)時(shí)沒有任何混雜現(xiàn)象，層次分明，層與層之間互不干擾，能夠維持安定的流束狀態(tài)。紊流:液體流動(dòng)時(shí)質(zhì)點(diǎn)之間不僅沿軸向運(yùn)動(dòng)還有橫向運(yùn)動(dòng)，流束錯(cuò)雜交換。這兩種流動(dòng)狀態(tài)可以通過雷諾實(shí)驗(yàn)觀察出來。液體在圓管中的流動(dòng)狀態(tài)與平均速度v、管徑d、液體的運(yùn)動(dòng)黏度ν有關(guān)，決定流動(dòng)狀態(tài)的就是這三個(gè)參數(shù)所組成的一個(gè)量綱為1的數(shù)，稱為雷諾數(shù):上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)液體流動(dòng)時(shí)，雷諾數(shù)相同，則流動(dòng)狀態(tài)也相同。液體的流動(dòng)狀態(tài)由臨界雷諾數(shù)Recr決定。當(dāng)Re<Recr時(shí)為層流;當(dāng)Re>Recr時(shí)為紊流。臨界雷諾數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)求得，常見管道的臨界雷諾數(shù)見表2-3。上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.3.2連續(xù)性方程連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律在流體力學(xué)中的一種表達(dá)形式，即液體在密封管道內(nèi)作恒定流動(dòng)時(shí)，設(shè)液體不可壓縮，則單位時(shí)間內(nèi)流過任意截面的質(zhì)量相等。如圖2-9所示為液體在管道中作恒定流動(dòng)，任意取截面1和2，其通流截面面積分別為A1、A2，液體流經(jīng)兩截面時(shí)的平均流速和液體密度分別為v1、ρ1，和v2、ρ2。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間流過兩個(gè)斷面的液體質(zhì)量相等。當(dāng)忽略液體的可壓縮性時(shí)，則得上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)由于通流截面是任意選取的，故連續(xù)性方程說明:(1)在管道中作恒定流動(dòng)的不可壓縮液體流過各截面的流量是相等的。(2)液體的流速與管道通流截面積成反比。上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.3.3伯努利方程伯努利方程是能量守恒定律在流動(dòng)液體中的表現(xiàn)形式，它主要反映動(dòng)能、位能和液壓力能三種能量的轉(zhuǎn)換。1.理想液體的伯努利方程理想液體在管道中流動(dòng)時(shí)，具有三種能量:液壓力能、動(dòng)能、位能。按照能量守恒定律，在各個(gè)截面處的總能量是相等的。如圖2-10所示，設(shè)液體質(zhì)量為m，體積為V,密度為ρ，則有式中ρ1V,ρ2V為截面1,2處的液體壓力能。上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)將式(2-16)各項(xiàng)除以mg，得式中P/ρg——比壓能;v2/2g—比動(dòng)能;h—比位能。上式稱為理想液體的伯努利方程，其物理意義是在密閉的管道內(nèi)作恒定流動(dòng)的液體具有三種形式的比能，即比壓能、比位能和比動(dòng)能，在流動(dòng)過程中，三種能量可以相互轉(zhuǎn)化，但各個(gè)通流截面上三種能量之和為定值。上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.實(shí)際液體流束的伯努利方程實(shí)際液體都具有黏性，因此液體在流動(dòng)時(shí)還需克服由于黏性所引起的摩擦阻力，這必然要消耗能量。另外，實(shí)際液體的黏性使流束在通流截面上各點(diǎn)的真實(shí)流速并不相同，精確計(jì)算時(shí)必須引進(jìn)動(dòng)能修正系數(shù)。則實(shí)際液體的伯努利方程為式中hw—單位質(zhì)量液體因液體黏性引起的能量損失;

α1，α2—?jiǎng)幽苄拚禂?shù)，一般在紊流時(shí)取α=1，層流時(shí)

取α=2。上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)在液壓系統(tǒng)中，管路的高度一般不超過10m,管內(nèi)油液的平均流速也較低(一般不超過6m/s)，因此油液的位能和動(dòng)能相對(duì)于壓力能來說可忽略不計(jì)，油液主要是依靠它的壓力能來作功。因此，伯努利方程在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用形式為因此，在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，能量損失主要為壓力損失△P，這也表明液壓傳動(dòng)是利用液體的壓力能來工作的。上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.3.4動(dòng)量方程液體作用在固體壁面上的力，用動(dòng)量定理來求解比較方便。動(dòng)量定理為作用在物體上的力的大小等于物體在力作用方向上動(dòng)量的變化率，即對(duì)于作恒定流動(dòng)的液體，若忽略其可壓縮性，則所以上式即為理想液體作恒定流動(dòng)時(shí)的動(dòng)量方程。上一頁下一頁返回2.3液體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)際液體有黏性，用平均流速計(jì)算動(dòng)量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤差。為了修正誤差，需引入動(dòng)量修正系數(shù)β，實(shí)際液體的動(dòng)量方程可寫成一般在紊流時(shí)β=l，層流時(shí)β=1.33。動(dòng)量方程為一個(gè)矢量式，若要計(jì)算外力在某一方向的分量，需要將該力向給定方向進(jìn)行投影計(jì)算，如計(jì)算x方向的分量必須指出，液體對(duì)壁面作用力的大小與F相同，但方向則與F相反。上一頁返回知識(shí)拓展1.液體流動(dòng)時(shí)的壓力損失實(shí)際液體流動(dòng)時(shí)，為了克服阻力，會(huì)消耗一部分能量，主要表現(xiàn)為壓力損失。如圖2-11所示，油液從A處流到B處，中間經(jīng)過較長的直管路、彎曲管路、各種閥孔和管路截面的突變等。由于液阻的影響致使油液從A處到B處的壓力損失為△P，即在液壓傳動(dòng)中，壓力損失分為兩類:一類是油液沿等直徑直管流動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的壓力損失稱為沿程壓力損失。另一種是油液流經(jīng)彎頭、接頭或截面突變等局部障礙時(shí)，由于液流的方向和速度突變而產(chǎn)生的局部壓力損失。下一頁返回知識(shí)拓展1)沿程壓力損失油液沿等直徑直管流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的壓力損失，這類壓力損失是由液體流動(dòng)時(shí)的內(nèi)、外摩擦力所引起的。它主要取決于液體的流速、黏性、管路的長度以及油管的內(nèi)徑及粗糙度。管路越長，沿程損失越大。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展2)局部壓力損失油液流經(jīng)局部障礙(如彎管、接頭、管道截面突然擴(kuò)大或收縮)時(shí)，由于液流的方向和速度的突然變化，在局部形成旋渦，引起油液質(zhì)點(diǎn)間以及質(zhì)點(diǎn)與固體壁面間相互碰撞和劇烈摩擦而產(chǎn)生的壓力損失。在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于各種液壓元件的結(jié)構(gòu)、形狀和布局等原因，致使管路的形式比較復(fù)雜，因而局部損失是主要的壓力損失。油液流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力損失，會(huì)造成功率浪費(fèi)，油液發(fā)熱，黏度下降，使泄漏增加，同時(shí)液壓元件受熱膨脹也會(huì)影響正常工作，甚至出現(xiàn)“卡死”。因此，必須采取措施盡量減少壓力損失。一般情況下，只要油液黏度適當(dāng)，管路內(nèi)壁光滑，盡量縮短管路長度和減少管路的截面變化及彎曲，就可以使壓力損失控制在很小的范圍內(nèi)。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展影響壓力損失的因素很多，精確計(jì)算較為復(fù)雜，通常采用近似估算的方法液壓泵最高工作壓力的近似計(jì)算式為式中p泵—液壓泵最高工作壓力;P缸—液壓缸最高工作壓力;K壓—系統(tǒng)的壓力損失系數(shù)，一般K壓=1.3~1.5，系統(tǒng)復(fù)雜或管路較長取較大值，反之取較小值。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展3)管路系統(tǒng)總壓力損失液壓系統(tǒng)的管道通常由若干段管道和一些彎頭、管接頭、控制閥等組成。因此，管路系統(tǒng)的總壓力損失等于所有沿程壓力損失和所有局部壓力損失之和，即在液壓傳動(dòng)中，管路一般都不長，而彎頭、管接頭、控制閥等的局部阻力比較大，沿程壓力損失比局部壓力損失小得多。因此，大多數(shù)情況下總的壓力損失只包括局部壓力損失和沿程壓力損失，只對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行討論計(jì)算。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展2.液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量在液壓系統(tǒng)中，經(jīng)常遇到油液流經(jīng)小孔或縫隙的情況，有的用來調(diào)節(jié)流量，有的造成泄漏。研究液體流經(jīng)小孔和縫隙的流量壓力特性，對(duì)于研究節(jié)流調(diào)速性能，計(jì)算泄漏都非常重要。1)液體流經(jīng)小孔的流量計(jì)算根據(jù)孔徑逼的不同，小孔可分為三種:薄壁小孔:L/d≤0.5;細(xì)長小孔:L/d>4;短孔:0.5<L/d≤4上一頁下一頁返回知識(shí)拓展(1)薄壁小孔中的流量計(jì)算如圖2-12所示，當(dāng)液體經(jīng)管道由薄壁小孔流出時(shí)，由于液流的慣性作用，通過小孔后的液流要經(jīng)過一個(gè)先收縮后擴(kuò)散的過程。當(dāng)管道直徑D與小孔直徑d的比值D/d>7時(shí)，收縮作用不受孔前管道內(nèi)壁的影響，這時(shí)收縮稱為完全收縮。反之，當(dāng)D/d<7時(shí)，孔前管道對(duì)液流進(jìn)入小孔起導(dǎo)向作用，這時(shí)的收縮稱為不完全收縮。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展通過薄壁小孔的流量為式中Cq為流量系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，完全收縮時(shí)取0.61~0.62;不完全收縮時(shí)，取0.7~0.8。薄壁小孔因其沿程阻力損失非常小，通過小孔的流量與黏度無關(guān)，即流量對(duì)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)流小孔。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展(2)短孔的流量計(jì)算。短孔與薄壁小孔的流量公式相同，但流量系統(tǒng)不同，一般取Cq=0.82短孔易加工，故常用作固定節(jié)流器。(3)細(xì)長小孔的流量計(jì)算由上式可知，液體流經(jīng)細(xì)長小孔的流量與液體的黏度成反比，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(guān)系。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展

上一頁下一頁返回知識(shí)拓展2)液體流經(jīng)縫隙的流量計(jì)算(1)平行平板的間隙流動(dòng)液體在兩固定平行平板間流動(dòng)是由壓差引起的，故也稱壓差流動(dòng)。如圖2-13所示，平板長為L、寬度為h、縫隙高度為h，在壓差△P作用下通過平行平板縫隙的流量為式中

μ為液體的黏度上式表明，通過縫隙的流量與縫隙高度的三次方成正比，可見液壓元件內(nèi)的間隙大小對(duì)泄漏的影響很大，故要盡量提高液壓元件的制造精度，以便減少泄漏。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展(2)液體流經(jīng)環(huán)形縫隙的流量如圖2-14所示，當(dāng)液體在壓差作用下流經(jīng)同心環(huán)形縫隙時(shí)，流量計(jì)算公式如下上一頁下一頁返回知識(shí)拓展

上一頁下一頁返回知識(shí)拓展3.空穴現(xiàn)象和液壓沖擊液壓傳動(dòng)中，空穴現(xiàn)象和液壓沖擊都會(huì)給系統(tǒng)的正常工作帶來不利影響，本節(jié)內(nèi)容由原因入手了解其危害，以便采取相應(yīng)的措施減少其危害。1)空穴現(xiàn)象(1)空穴現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。在一定的溫度下，如壓力降低到某一值時(shí)，過飽和的空氣將從油液中分離出來形成氣泡，這一壓力值稱為該溫度下的空氣分離壓。當(dāng)液壓油在某溫度下的壓力低于某一數(shù)值時(shí)，油液本身迅速汽化，產(chǎn)生大量蒸氣氣泡，這時(shí)的壓力稱為液壓油在該溫度下的飽和蒸氣壓。一般來說，液壓油的飽和蒸氣壓相當(dāng)小，比空氣分離壓小很多，上一頁下一頁返回知識(shí)拓展因此，要使液壓油不產(chǎn)生大量氣泡，它的壓力最低不得低于液壓油所在溫度下的空氣分離壓。在流動(dòng)的液體中，因某點(diǎn)處的壓力低于空氣分離壓而產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，稱為空穴現(xiàn)象?？昭ìF(xiàn)象多發(fā)生在閥口和液壓泵的進(jìn)口處。由于閥口的通道狹窄，液流的速度增大，壓力大幅度下降，以至于產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。當(dāng)泵的安裝高度過高，吸油管直徑太小時(shí)、吸油阻力太大或液壓泵轉(zhuǎn)速過高，吸油不充分，由于吸油腔壓力低于空氣分離壓而產(chǎn)生空穴現(xiàn)象。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展(2)空穴現(xiàn)象的危害。當(dāng)液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)空穴現(xiàn)象時(shí)，大量的氣泡破壞了液流的連續(xù)性，造成流量和壓力脈動(dòng)氣泡隨著液流流到高壓區(qū)時(shí)，會(huì)因承受不了高壓而破滅，產(chǎn)生局部的液壓沖擊和高溫，發(fā)出噪聲并引起振動(dòng)。當(dāng)附著在金屬表面上的氣泡破滅時(shí)，它所產(chǎn)生的局部高溫和高壓會(huì)使金屬剝落，使表面粗糙，或出現(xiàn)海綿狀的小洞穴，這種空穴現(xiàn)象造成的腐蝕作用稱為氣蝕。氣蝕會(huì)縮短元件的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成故障。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展(3)減小空穴現(xiàn)象的措施。在液壓系統(tǒng)中的任何地方，只要壓力低于空氣分離壓，就會(huì)發(fā)生空穴現(xiàn)象為了防止空穴現(xiàn)象的產(chǎn)生，就是要防止液壓系統(tǒng)中的壓力過度降低，具體措施如下:①減小液流在小孔或間隙處的壓力降，一般希望小孔或間隙前后壓力比小于3.5。②合理確定液壓泵管徑，對(duì)流速要加以限制，降低吸油高度，對(duì)高壓泵可采用輔助泵供油。③整個(gè)系統(tǒng)的管道應(yīng)盡可能做到平直，避免急彎和局部窄縫，密封要好，配置要合理。④提高零件的抗氣蝕能力。增加零件的機(jī)械強(qiáng)度，采用抗腐蝕能力強(qiáng)的金屬材料，減小零件表面粗糙度等。上一頁下一頁返回知識(shí)拓展2)液壓沖擊在液壓系統(tǒng)中，由于某種原因，液體壓力在一瞬間會(huì)突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為液壓沖擊。(1)液壓沖擊產(chǎn)生的原因。當(dāng)閥門瞬間關(guān)閉時(shí)，管道中的液體因突然停止運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致動(dòng)能向壓力能的瞬時(shí)轉(zhuǎn)變，使液體內(nèi)壓力升高，形成液壓沖擊。另外液壓系統(tǒng)中的高速運(yùn)動(dòng)部件在突然制動(dòng)或換向時(shí)，常用控制閥關(guān)閉回油路，使油液不能繼續(xù)排出，這時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由于慣性繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，使封閉的油液受到擠壓，從而導(dǎo)致液壓沖擊。液壓系統(tǒng)中某些元件的動(dòng)作不夠靈敏，也會(huì)產(chǎn)生液壓沖擊如系統(tǒng)壓力突然升高，但