第一章液压传动基础

第一章液压传动基础流体传动包括液体传动和气体传动，本章仅介绍液体传动的基本知识。为了分析液体的静力学、运动学和动力学规律，需了解液体的以下特性：连续性假设：流体是一种连续介质，这样就可以把油液的运动参数看作是时间和空间的连续函数，并有可能利用解析数学来描述它的运动规律。不抗拉：由于油液分子与分子间的内聚力极小，几乎不能抵抗任何拉力而只能承受较大的压应力，不能抵抗剪切变形而只能对变形速度呈现阻力。易流性：不管作用的剪力怎样微小，油液总会发生连续的变形，这就是油液的易流性，它使得油液本身不能保持一定的形状，只能呈现所处容器的形状。均质性：其密度是均匀的，物理特性是相同的。第一节液压传动工作介质液压传动最常用的工作介质是液压油，此外，还有乳化型传动液和合成型传动液等，此处仅介绍几个常用的液压传动工作介质的性质。一、液压传动工作介质的性质1．密度单位体积液体的质量称为液体的密度。体积为Ｖ，质量为ｍ的液体的密度为Vm矿物油型液压油的密度随温度的上升而有所减小，随压力的提高而稍有增加，但变动值很小，可以认为是常值。我国采用摄氏20度时的密度作为油液的标准密度。2．可压缩性压力为ｐ0、体积为Ｖ0的液体，如压力增大p时，体积减小V，则此液体的可压缩性可用体积压缩系数k，即单位压力变化下的体积相对变化量来表示01VVpk由于压力增大时液体的体积减小，因此上式右边须加一负号，以使k成为正值。液体体积压缩系数的倒数，称为体积弹性模量K，简称体积模量。即kK13．粘性1）粘性的定义液体在外力作用下流动(或有流动趋势)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。液体只有在流动(或有流动趋势)时才会呈现出粘性，静止液体是不呈现粘性的。粘性使流动液体内部各处的速度不相等，以图1-2为例，若两平行平板间充满液体，下平板不动，而上平板以速度向右平动。由于液体的粘性作用，紧靠下平板和上平板的液体层速度分别为零和。通过实验测定得出，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yudd成正比，即yutddAF式中：为比例常数，称为粘性系数或粘度。如以表示切应力，即单位面积上的内摩擦力，则yutddAF这就是牛顿的液体内摩擦定律。2）粘性的度量(1)动力粘度：又称绝对粘度，单位为SPa(帕·秒)，以前沿用的单位为P(泊，2cmSdyne)，cPPSPa310101(厘泊)。(2)运动粘度：液体的动力粘度与其密度的比值，称为液体的运动粘度v；即，单位为sm2。以前沿用的单位为tS(斯)，cstSsmt64210101(厘斯)。液压传动工作介质的粘度等级是以C40时运动粘度(以smm2计)的中心值来划分的，如某一种牌号L-HL22普通液压油在C40时运动粘度的中心值为smm222。液体的粘度随液体的压力和温度而变。对液压传动工作介质来说，压力增大时，粘度增大。在一般液压系统使用的压力范围内，增大的数值很小，可以忽略不计。但液压传动工作介质的粘度对温度的变化十分敏感，温度升高，粘度下降。这个变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用，其重要性不亚于粘度本身。4．其它性质液压传动工作介质还有其它些性质，如稳定性(热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、剪切稳定性等)、抗泡沫性、抗乳化性、防锈性、润滑性以及相容性(对所接触的金属、密封材料、涂料等作用程度)等，它们对工作介质的选择和使用有重要影响。这些性质需要在精炼的矿物油中加入各种添加剂来获得，其含义较为明显，不多作解释，可参阅有关资料。二、对液压传动工作介质的要求不同的工作机械、不同的使用情况对液压传动工作介质的要求有很大的不同；为了很好地传递运动和动力，液压传动工作介质应具备如下性能：1)合适的粘度，较好的粘温特性。2)润滑性能好。3)质地纯净，杂质少。4)对金属和密封件有良好的相容性。5)对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。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。对轧钢机、压铸机、挤压机和飞机等液压系统则须突出耐高温、热稳定、不腐蚀、无毒、不挥发、防火等项要求。三、工作介质的分类和选择1.分类液压系统工作介质的品种以其代号和后面的数字组成，代号为L是石油产品的总分类号，H表示液压系统用的工作介质，数字表示该工作介质的粘度等级。2．工作介质的选用原则选择液压系统的工作介质一般需考虑以下几点：（1）液压系统的工作条件（2）液压系统的工作环境（3）综合经济分析四、液压系统的污染控制工作介质的污染是液压系统发生故障的主要原因。它严重影响液压系统的可靠性及液压元件的寿命，因此工作介质的正确使用、管理以及污染控制，是提高液压系统的可靠性及延长液压元件使用寿命的重要手段。1．污染的根源进入工作介质的固体污染物有四个根源：已被污染的新油、残留污染、侵入污染和内部生成污染。2．污染的的危害液压系统的故障75％以上是由工作介质污染物造成的。3．污染的测定污染度测定方法有测重法和颗粒计数法两种。4．污染度的等级我国制定的国家标准GB／T14039-93《液压系统工作介质固体颗粒污染等级代号》和目前仍被采用的美国NASl638油液污染度等级。5．工作介质的污染控制工作介质污染的原因很复杂，工作介质自身又在不断产生污染物，因此要彻底解决工作介质的污染问题是很困难的。为了延长液压元件的寿命，保证液压系统可靠地工作，将工作介质的污染度控制在某一限度内是较为切实可行的办法.为了减少工作介质的污染，应采取如下一些措施：(1)对元件和系统进行清洗，才能正式运转。(2)防止污染物从外界侵入。(3)在液压系统合适部位设置合适的过滤器。(4)控制工作介质的温度，工作介质温度过高会加速其氧化变质，产生各种生成物，缩短它的使用期限。(5)定期检查和更换工作介质，定期对液压系统的工作介质进行抽样检查，分析其污染度，如已不合要求，必须立即更换。更换新的工作介质前，必须对整个液压系统彻底清洗一遍。第二节液体静力学液体静力学主要是讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。液体静止指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。一、液体静压力及其特性作用在液体上的力有两种，即质量力和表面力。单位质量液体受到的质量力称为单位质量力，在数值上就等于加速度。表面力是由与流体相接触的其它物体(如容器或其它液体)作用在液体上的力，这是外力；液体静止指的是液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性而言，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。也可以是一部分液体作用在另一部分液体上的力，这是内力。单位面积上作用的表面力称为应力，它有法向应力和切向应力之分。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力只有法向力。液体内某点处单位面积A上所受到的法向力F之比，叫做压力P(静压力)，即AFPAlim0如果法向力F，均匀地作用于面积A上，则压力可表示为AFP液体的静压力具有两个重要特性：1)液体静压力的方向总是作用面的内法线方向。2)静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。二、液体静压力基本方程1．静压力基本方程式在重力作用下的静止液体，其受力情况如图1-4a所示图1-4重力作用下的静止液体则Ａ点所受的压力为ghPP0式中，g为重力加速度，此表达式即为液体静压力的基本方程，由此式可知：(1)静止液体内任一点处的压力由两部分组成，一部分是液面上的压力0P，另一部分是g与该点离液面深度h的乘积。(2)同一容器中同一液体内的静压力随液体深度h的增加而线性地增加。(3)连通器内同一液体中深度h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。2．静压力基本方程式的物理意义图1-5为盛有液体的密闭容器，液面压力为0P，选则一基本水平面OX，根据静压力基本方程式可以确定距液面深度ｈ处Ａ点的压力P，即constgzPzgP00这是液体静压力基本方程式的另一种形式。其中gz0表示A点的单位质量液体的位能；P表示A点的单位质量液体的压力能。上述表达式说明了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，这就是静压力基本方程式中包含的物理意义。三、压力的表示方法及单位１．压力的表示方法压力的表示方法有两种：一种是以绝对真空作为基准所表示的压力，称为绝对压力；另一种是以大气压力作为基准所表示的压力，称为相对压力。由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称表压力。绝对压力与相对压力的关系为：绝对压力=相对压力+大气压力绝对压力小于大气压时,负相对压力数值部分叫做真空度。即真空度=大气压-绝对压力=-(绝对压力-大气压)由此可知，当以大气压为基准计算压力时，基准以上的正值是表压力，基准以下的负值就是真空度。绝对压力、相对压力和真空度的相互关系如图1-6所示。２．压力的单位:法定压力(ISO)单位称为帕斯卡(帕)，符号为Pa，工程上常用兆帕这个单位来表示压力，PaMPa6101在工程上采用工程大气压，也采用水柱高或汞柱高度等，在液压技术中，目前还采用的压力单位有巴，符号为bar2502.1101cmkgfPabar压力的单位及其它非法定计量单位的换算关系为：242108.9kg11mNcmfat工程大气压232N10.891mOmH米水柱22mN103.311毫米汞柱mmhg四、帕斯卡原理在密闭容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到各点。这就是静压传递原理或称帕斯卡原理。液压系统中的压力是由外界负载决定的。五、液体静压力对固体壁面的作用力静止液体和固体壁面相接触时，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上的力。在液压传动计算中质量力可以忽略，静压力处处相等，所以可认为作用于固体壁面上的压力是均匀分布的。当固体壁面是曲面时，作用在曲面各点的液体静压力是不平行的，曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于液体静压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。第三节液体动力学本节主要讲授三个基本方程：流量连续性方程、伯努利方程和动量方程一、基本概念l．理想液体、定常流动和一维流动理想液体：既无粘性又不可压缩的液体。定常流动：液体流动时，若液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，则这种流动就称为定常流动(恒定流动或非时变流动)。非定常流动：只要压力、速度和密度中有一个随时间而变化，液体就是作非定常流动(非恒定流动或时变流动)。一维流动：当液体整个地作线形流动时，称为一维流动，当作平面或空间流动时，称为二维或三维流动。2．迹线、流线、流束和通流截面迹线：是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：是表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线，在此瞬时，流线上各质点速度方向与该线相切。在非定常流动时，由于各点速度可能随时间变化，因此流线形状也可能随时间而变化。在定常流动时，流线不随时间而变化，这样流线就与迹线重合。由于流动液体中任一质点在其一瞬时只能有一个速度，所以流线之间不可能相交，也不可能突然转折，流线只能是一条光滑的曲线。流管：在液体的流动空间中任意画一不属流线的封闭曲线，沿经过此封闭曲线上的每一点作流线，由这些流线组合的表面称为流管。流束：流管内的流线群称为流束定常流动时。流管和流束形状不变。且流线不能穿越流管，故流管与真实管流相似，将流管断面无限缩小趋近于零，就获得了微小流管或微小流束。微小流束实质上与流线一致，可以认为运动的液体是由无数微小流束所组成的。通流截面：流束中与所有流线正交的截面称为通流截面，截面上每点处的流动速度都垂直于这个面。平行流动：流线彼此平行的流动称为平行