液压与气动技术左建明第四版第一章

第一章流体力学基础以液体的静压能传递动力的液体传动是以油液作为工作介质的，实现能连传递。为此必须了解油液的种类﹑物理性质，研究油液的静力学﹑运动学和动力学规律，本章主要介绍这方面的内容。1、了解液体的静压特性、方程、传递规律，掌握液体在精致和运动过程中给的基本力学规律，掌握静力学基本方程、压力表达式和结论；2、了解流动液体特性、传递规律，掌握动力学三大方程、流量和结论3、了解流量公式、特点、两种现象（层流、紊流）产生原因，掌握薄壁孔流量公式和通用方程，两种现象的危害及消除。教学要求重点、难点：液压油粘性和粘度；粘温特性静压特性压力形成静力学基本方程流量与流速的关系，三大方程的形式及物理意义第一节液压传动的工作介质第二节液体静力学第三节液体动力学第四节定常管流的压力损失计算第五节孔口和缝隙流量第六节空穴现象和液压冲击第一章流体力学基础第一节液压传动的工作介质一、液压传动工作介质的性质1密度与重度1.1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mρ＝V1.2重度单位体积液体的重量称为液体的重度。GV1.3重度与密度关系g常用工作介质的密度种类ρ20种类ρ20石油基液压油850~900（温度、压力）增粘高水基液1003水包油乳化998水—乙二醇液1060油包水乳化液932磷酸酯液1150(kg/m)3体积压缩系数κ，即单位压力变化下的体积相对变化量来表示κ＝－１△p－△VV0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Ｋ=１／κ。2．可压缩性－封闭在容器内的液体在外力作用下的情况就如一弹簧：外力增大，体积减小；外力减小，体积增大。其弹簧刚度κh，在液体承压面积A不变时，压力变化体积变化液压传动工作介质的可压缩性对动态工作的液压系统来说影响极大；但当液压系统在静态下（稳态）工作时，一般可以不予考虑。液压传动工作介质种类K/（Nm）石油型水包油乳化液（W/O型）水—乙二醇液磷酸酯液109109109109.3（1.4~2.0）×3.15×2.65×各种液压传动工作介质的体积模量（20C，大气压）01.95×κh=－￣△F△l=AK－V2△P=△F/A△V=A△L3.粘性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，这种现象就叫粘性。静止液体是不会有粘性的。Ft=μAdu—dy式中μ称为粘性系数或粘度，是衡量液体粘性的标准。粘度μ称动力粘度，单位Pas（帕秒）。以前沿用的单位为P（泊，dynes/cm）1Pas=10cP（厘泊）.3运动粘度（υ）：液体的动力粘度与其密度的比值，即υ＝μ／ρ，单位m/s。以前沿用的单位为St（斯）21m/s=10St=10cSt（厘斯）=10mm/s24662即μ=—dyduFt—/A=—dyduτ/固定下平板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du/dy成正比即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。右图所示，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的一些性质，如稳定性（热稳定性﹑氧化稳定性﹑水解稳定性﹑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）、导热性等，都对它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。液压传动工作介质的粘度是以40摄氏度时的运动粘度（以mm/s）的中心值来划分的，如某一种牌号L-HL22普通液压油在40摄氏度时运动粘度的中心值为22mm/s222相对粘度：1.雷式粘度R-------英国、欧洲2.赛式粘度SSU---------美国3.恩式粘度------------中国、俄国、德国E12tEt无量纲200ml温度为T的被测液体，流经恩式粘度计小（）所用的时间，与同体积工况下20的水通过小孔所用时间之比。2.8mm1tC2t12tEt2)润滑性能好。相对运动部件的润滑剂。3)质地纯净，杂质少。不应含有杂质，以免刮伤堵塞表面。4)对金属和密封件有良好的相容性。不应含有腐蚀性物质，以免侵蚀机件和密封元件。5)对热、氧化、水解和剪切都有良好的稳定性。防止油液氧化后变酸性腐蚀金属表面。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。二、对液压传动工作介质的要求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)较好的粘温特性。粘度随温度变化越小越好。1.分类液压工作介质以代号和后面数字组成，L是石油产品的总分类号，H表示液压系统用的工作介质，数字表示工作介质粘度等级。三、工作介质的分类和选择类型名称代号组成和特性应用石油类精制矿物油L—HH无抗氧性循环润滑油，低压液压系统普通液压油L—HL并改善其防锈和抗氧性一般液压系统抗磨液压油L—HMHL油，并改善其抗磨性低﹑中﹑高液压系统，特别适用有防磨要求带叶片泵的液压系统其它液压油加入多种添加剂用于高品质的专用液压系统乳化型水包油乳化液L—HFAE油包水乳化液L—HFB合成型水—乙二醇液（飞机）L—HFC磷酸酯液L—HFDRo表1-1液压系统工作介质分类（GB11118—89）需要难燃料的场合液压系统温度5~40C液压系统温度40~80C30~7065~16530~5040~7550~7055~9030~8065~24040~7570~150oo工作介质粘度v40/（mms）2.-1P≤7.0MPaP≥7.0MPa齿轮泵叶片泵径向柱塞泵轴向柱塞泵液压泵类型按液压泵类型推荐用工作介质的粘度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（粘度、液压泵使用条件）（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。1．污染的根源已被污染的新油、残留污染、侵入污染（空气、尘埃通过活塞杆）和内部生成污染（金属颗粒、密封件剥落）。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GB／T14039-93、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。为了延长液压元件的寿命，保证液压系统可靠地工作，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（根据规定、手册），定期抽样检查，分析其污染度，如已不合要求，必须立即更换。第二节液体静力学一、液体静压力及其特性二、液体静压力基本方程三、压力的表示方法及单位四、帕斯卡原理五、液体静压力对固体壁面的作用力§1-2.1液体静压力及其特性（一）液体的静压力作用在液体上的力有两种类型：质量力和表面力。质量力：作用在液体的所有质点上（重力、惯性力）表面力：作用在液体的表面上，如切向力和法向。若在液体的面积A上受均匀分布的作用力F，则静压力为静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。即液体静压力在物理学上称为压强，在工程应用中习惯称为压力。（二）液体静压力的特性1)液体静压力垂直于作用表面，其方向和该面的内法线方向一致；2)静止液体内任一点所受的静压力在各个方向上都相等。液体静压力特性表明：静止液体内部的任何质点都受平衡压力的作用。§1-2.2静力学基本方程（1）．静压力基本方程式在重力作用下的静止液体，受力情况如图，Ａ点所受的压力为图1-1重力作用下的静止液体(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p0,另一部分是ρg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相同的各点压力相等（等深等压）。由压力相等的点组成的面称为等压面。在液压传动中，液体重力引起的压力通常很小，可以忽略不计。液体静压力取决于外加压力。（2）静压力基本方程式的物理意义图1-2静压力基本方程式的物理意义图1-2为盛有液体的密闭容器，液面压力为p0，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z0g表示A点的单位质量液体的位能；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。§1-2.3压力的表示方法及单位１．压力的表示方法绝对压力：以绝对真空作为基准所表示的压力相对压力：以大气压力作为基准所表示的压力（表压）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。绝对压力相对压力关系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。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bar1bar２．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：1at(工程大气压)＝(米水柱)(毫米汞柱)压力的单位及其它非法定计量单位的换算关系为：§1-2.4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。例：图1-42-32900/,1000,1*100.5kgmFNAmhmp求：处压力362=1000/1010/FpNmA6'10处的压力：（）hPPghpa表面力：h结论：自重产生的压力可以忽略，仅考虑负载压力（比较小）§1-2.5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。活塞上的力：F=PA=πD2——4p图b和图c作用力为d为承受部分曲面投影圆的直径F=PA=p2——4dπ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。mρ＝V1密度单位体积液体的质量称为液体的重度。课程回顾：3.粘性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，这种现象就叫粘性。静止液体是不会有粘性的。Ft=μAdu—dy即μ=—dyduFt—/A=—dyduτ/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du/dy成正比即活塞上的力：F=PA=πD2——4p图b和图c作用力为d为承受部分曲面投影圆的直径F=PA=p2——4dπ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。液体的静压力作用在液体上的力有两种类型：质量力和表面力。质量力：作用在液体的所有质点上（重力、惯性力）表面力：作用在液体的表面上，如切向力和法向。第三节液体动力学基本概