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汽车机械基础第59、60课时1课题：液压传动课型：理论讲授教学目的：使学生了解液压传动的类型、运动关系和几何参数教学要求：要求学生掌握液压传动工作介质。重点：液压传动的计算难点：教具：挂图，多媒体教学方法与手段：图表分析，说明结论，实例讲解实施步骤：引入：同学们，上节课我们学习了轮系传动。下面我们来看看液压传动。正题：液压传动初步采用的方法:概念的理解，用举例法引入液压传动的概念。液压油是液压传动系统中的传动介质，而且还对液压装置的机构、零件起这润滑、冷却和防锈作用。液压传动系统的压力、温度和流速在很大的范围内变化，因此液压油的质量优劣直接影响液压系统的工作性能。故此，合理的选用液压油也是很重要的。一、液压传动工作介质的性质1、密度ρρ=m/V[kg/m3]一般矿物油的密度为850~950kg/m32、重度γγ=G/V[N/m3]一般矿物油的重度为8400~9500N/m3因G=mg所以γ=G/V=ρg3、液体的可压缩性当液体受压力作用二体积减小的特性称为液体的可压缩性。体积压缩系数β=-▽V/▽pV0▽体积弹性模量K=1/β4、流体的粘性液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力而产生一种阻碍液体分子之间进行相对运动的内摩擦力，液体的这种产生内摩擦力的性质称为液体的粘性。由于液体具有粘性，当流体发生剪切变形时，流体内就产生阻滞变形的内摩擦力，由此可见，粘性表征了流体抵抗剪切变形的能力。处于相对静止状态的流体中不存在剪切变形，因而也不存在变形的抵抗，只有当运动流体流层间发生相对运动时，流体对剪切变形的抵抗，也就是粘性才表现出来。粘性所起的作用为阻滞流体内部的相互滑动，在任何情况下它都只能延缓滑动的过程而不能消除这种滑动。粘性的大小可用粘度来衡量，粘度是选择液压用流体的主要指标，是影响流动流体的重要物理性质。图2-2液体的粘性示意图板书板书板书板书板书板书板书汽车机械基础第59、60课时2当液体流动时，由于液体与固体壁面的附着力及流体本身的粘性使流体内各处的速度大小不等，以流体沿如图2-2所示的平行平板间的流动情况为例，设上平板以速度u0向右运动，下平板固定不动。紧贴于上平板上的流体粘附于上平板上，其速度与上平板相同。紧贴于下平板上的流体粘附于下平板图2-2液体的粘性示意图上，其速度为零。中间流体的速度按线性分布。我们把这种流动看成是许多无限薄的流体层在运动，当运动较快的流体层在运动较慢的流体层上滑过时，两层间由于粘性就产生内摩擦力的作用。根据实际测定的数据所知，流体层间的内摩擦力F与流体层的接触面积A及流体层的相对流速du成正比，而与此二流体层间的距离dz成反比，即：F=μAdu/dz以τ=F/A表示切应力，则有：τ＝μdu/dz(2-6)式中：μ为衡量流体粘性的比例系数，称为绝对粘度或动力粘度；du/dz表示流体层间速度差异的程度，称为速度梯度。上式是液体内摩擦定律的数学表达式。当速度梯度变化时，μ为不变常数的流体称为牛顿流体，μ为变数的流体称为非牛顿流体。除高粘性或含有大量特种添加剂的液体外，一般的液压用流体均可看作是牛顿流体。流体的粘度通常有三种不同的测试单位。(1)绝对粘度μ。绝对粘度又称动力粘度，它直接表示流体的粘性即内摩擦力的大小。动力粘度μ在物理意义上讲，是当速度梯度du/dz=1时，单位面积上的内摩擦力的大小，即：dudz(2-7)动力粘度的国际(SI)计量单位为牛顿·秒/米2，符号为2，或为帕·秒，符号为。(2)运动粘度ν。运动粘度是绝对粘度μ与密度ρ的比值：ν=μ/ρ(2-式中：ν为液体的动力粘度，m2/s；ρ为液体的密度，kg/m3。运动粘度的SI单位为米2/秒，m2/s。还可用CGS制单位：斯(托克斯)，St斯的单位太大，应用不便，常用1%斯，即1厘斯来表示，符号为cSt，故：-2-6m2/s运动粘度ν没有什么明确的物理意义，它不能像μ一样直接表示流体的粘性大小，但对ρ值相近的流体，例如各种矿物油系液压油之间，还是可用来大致比较它们的粘性。由于在理论分析和计算中常常碰到绝对粘度与密度的比值，为方便起见才采用运动粘度这个单位来代替μ/ρ。它之所以被称为运动粘度，是因为在它的量纲中只有运动学的要素长度和时间因次的缘故。机械油的牌号上所标明的号数就是表明以厘斯为单位的，在温度50℃时运动粘度ν的平均值。例如10号机械油指明该油在50℃时其运动粘度ν的平均值是10cSt。蒸馏水在20.2℃时的运动粘度ν恰好等于1cSt，所以从机械油的牌号即可知道该油的运动粘度。二、对液压传动工作介质的要求液压油是液压传动系统的重要组成部分，是用来传递能量的工作介质。除了传递能量外，它还起着润滑运动部件和保护金属不被锈蚀的作用。液压油的质量及其各种性能将直接影响液压系统的工作。从液压系统使用油液的要求来看，有下面几点：1.适宜的粘度和良好的粘温性能一般液压系统所用的液压油其粘度范围为：ν=11.5×10-6～35.3×10-6m2/s(2～5°E50)2.润滑性能好在液压传动机械设备中，除液压元件外，其他一些有相对滑动的零件也要用液压油来润滑，因此，液压油应具有良好的润滑性能。为了改善液压油的润滑性能，可加入添加剂以增加其润滑性能。3.良好的化学稳定性即对热、氧化、水解、相容都具有良好的稳定性。4.对液压装置及相对运动的元件具有良好的润滑性5.对金属材料具有防锈性和防腐性6.比热、热传导率大，热膨胀系数小7.抗泡沫性好，抗乳化性好8.油液纯净，含杂质量少9.流动点和凝固点低，闪点(明火能使油面上油蒸气内燃，但油本身不燃烧的温度)和燃点高板书板书板书板书汽车机械基础第59、60课时3此外，对油液的无毒性、价格便宜等，也应根据不同的情况有所要求。三、工作介质的分类及选用分类普通液压油专用液压油1、石油基液压油抗磨液压油高粘度指数液压油石油基液压油是以石油地精炼物未基础，加入抗氧化或抗磨剂等混合而成的液压油，不同性能、不同品种、不同精度则加入不同的添加剂。合成液压油——磷酸酯液压油2、难燃液压油水——乙二醇液压油含水液压油油包税乳化液乳化液水包油乳化油1)石油基液压油这种液压油是以石油的精炼物为基础，加入各种为改进性能的添加剂而成。添加剂有抗氧添加剂、油性添加剂、抗磨添加剂等。不同工作条件要求具有不同性能的液压油，不同品种的液压油是由于精制程度不同和加入不同的添加剂而成。2)成添加剂磷酸脂液压油是难燃液压油之一。它的使用范围宽，可达-54~135℃。抗燃性好，氧化安定性和润滑性都很好。缺点是与多种密封材料的相容性很差，有一定的毒性。3)—乙二醇液压油这种液体由水、乙二醇和添加剂组成，而蒸馏水占35％~55％，因而抗燃性好。这种液体的凝固点低，达-50℃，粘度指数高（130~170），为牛顿流体。缺点是能使油漆涂料变软。但对一般密封材料无影响。4)乳化液乳化液属抗燃液压油，它由水、基础油和各种添加剂组成。分水包油乳化液和油包水乳化液，前者含水量达90％~95％，后者含水量大40％。液体动力学在液压传动系统中，液压油总是在不断的流动中，因此要研究液体在外力作用下的运动规律及作用在流体上的力及这些力和流体运动特性之间的关系。对液压流体力学我们只关心和研究平均作用力和运动之间的关系。本节主要讨论三个基本方程式，即液流的连续性方程、柏努力方程和动量方程。它们是刚体力学中的质量守恒、质量守恒及动量守恒原理在流体力学中的具体应用。前两个方程描述了压力、流速与流量之间的关系，以及液体能量相互间的变换关系，后者描述了流动液体与固体壁面之间作用里的情况。液体是有粘性的，并在流动中表现出来，因此，在研究液体运动规律时，不但要考虑质量力和压力，还要考虑粘性摩擦力的影响。此外，液体的流动状态还与温度、密度、压力等参数有关。为了分析，可以简化条件，从理想液体着手，所谓理想液体是指没有粘性的液体，同时，一般都视为在等温的条件下把粘度、密度视作常量来讨论液体的运动规律。然后在通过实验对产生的偏差加以补充和修正，使之符合实际情况。3.1基本概念1)理想液体与定常流动液体具有粘性，并在流动时表现出来，因此研究流动液体时就要考虑其粘性，而液体的粘性阻力是一个很复杂的问题，这就使我们对流动液体的研究变得复杂。因此，我们引入理想液体的概念，理想液体就是指没有粘性、不可压缩的液体。首先对理想液体进行研究，然后再通过实验验证的方法对所得的结论进行补充和修正。这样，不仅使问题简单化，而且得到的结论在实际应用中扔具有足够的精确性。我们把既具有粘性又可压缩的液体称为实际液体。当液体流动时，可以将流动液体中空间任一点上质点的运动参数，例如压力p、流速v及密度g表示为空间坐标和时间的函数，例如：压力p=p（x，y，z，t)速度v=v（x，y，z，t)密度=（x，y，z，t）如果空间上的运动参数p、v及在不同的时间内都有确定的值，即它们只随空间点坐标的变化而变化，不随时间t变化，对液体的这种运动称为定常流动或恒定流动。但只要有一个运动参数随时间而变化，则就是非定常流动或非恒定流动。汽车机械基础第59、60课时4如果空间点上的运动参数p、υ及ρ在不同的时间内都有确定的值，即它们只随空间点坐标的变化而变化，不随时间t变化，对液体的这种运动称为定常流动或恒定流动。定常流动时，,0tp0tv,0t在流体的运动参数中，只要有一个运动参数随时间而变化，液体的运动就是非定常流动或非恒定流动。图2-9恒定出流与非恒定出流(a)恒定出流(b)非恒定出流在图2-9(a)中，我们对容器出流的流量给予补偿，使其液面高度不变，这样，容器中各点的液体运动参数p、υ、ρ都不随时间而变，这就是定常流动。在图2-9(b)中，我们不对容器的出流给予流量补偿，则容器中各点的液体运动参数将随时间而改变，例如随着时间的消逝，液面高度逐渐减低，因此，这种流动为非定常流动。2)迹线、流线、流束和通流截面①迹线：迹线是流场中液体质点在一段时间内运动的轨迹线。②流线：流线是流场中液体质点在某一瞬间运动状态的一条空间曲线。在该线上各点的液体质点的速度方向与曲线在该点的切线方向重合。在非定常流动时，因为各质点的速度可能随时间改变，所以流线形状也随时间改变。在定常流动时，因流线形状不随时间而改变，所以流线与迹线重合。由于液体中每一点只能有一个速度，所以流线之间不能相交也不能折转。图2-10流线和流束(a)流线(b)③流管：某一瞬时t在流场中画一封闭曲线，经过曲线的每一点作流线，由这些流线组成的表面称流管。④流束：充满在流管内的流线的总体，称为流束。⑤通流截面：垂直于流束的截面称为通流截面。3)流量和平均流速①流量：单位时间内通过通流截面的液体的体积称为流量，用q表示，流量的常用单位为升/分，L/min。对微小流束，通过dA上的流量为dq,其表达式为：dq=udA(2-21)q=AudA当已知通流截面上的流速u的变化规律时，可以由上式求出实际流量。②平均流速：在实际液体流动中，由于粘性摩擦力的作用，通流截面上流速u的分布规律难以确定，因此引入平均流速的概念，即认为通流截面上各点的流速均为平均流速，用v来表示，则通过通流截面的流量就等于平均流速乘以通流截面积。令此流量与上述实际流量相等，得：汽车机械基础第59、60课时5q=AudA=vA(2-22)则平均流速为：v=q/A(2-23)4）流动状态、雷诺数实际液体具有粘性，是产生流动阻力的根本原因。然而流动状态不同，则阻力大小也是不同的。所以先研究两种不同的流动状态。①流动状态——层流和紊流液体在管道中流动时存在两种不同状态，它们的阻力性质也不相同。虽然这是在管道液流中发生的现象，却对气流和潜体也同样适用。试验装置如图2-20所示，试验时保持水箱中水位恒定和可能平静，然后将阀门A微微开启，使少量水流流经玻璃管，即玻璃管内平均流速V很小。这时，如将颜色水容器的阀门B也微微开启，使颜色水也流入玻璃管内，我们可以在玻璃管内看到一条细直而鲜明的颜色流束，而且不论颜色水放在玻璃管内的任何位置，它都能呈直线状，这说明管中水流都是安定地沿轴向运动，液体质点没