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第一章液压传动基础知识液压与气压传动Chapter1液压传动基础知识本章主要内容：1.1工作介质1.2液体静力学1.3液体动力学1.4管道流动1.5孔口流动和缝隙流动1.6瞬变流动液压与气压传动了解与液压传动有关的流体力学基本内容流体经过薄壁小孔、短孔、细长孔等小孔的流动情况，相应的流量公式流体经过各种缝隙的流动特性及其流量公式液压冲击和气穴现象及其减小措施目的任务:重点难点:第一章液压传动基础知识液压与气压传动Part1.1工作介质工作介质：在传动及控制中起传递能量和信号的作用。流体传动及控制（包括液压与气动），在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于载体的不同，前者采用工作介质。因此，掌握液压与气动技术之前，必须先对其工作介质有一清晰的了解。第一章液压传动基础知识液压与气压传动Part1.1.1液压传动介质1.基本要求与种类液压传动及控制所用的工作介质为液压油液或其他合成液体，其应具备的功能如下：1）传动把由液压泵所赋予的能量传递给执行元件；2）润滑润滑液压泵、液压阀、液压执行元件等运动件；3）冷却吸收并带出液压装置所产生的热量；4）去污带走工作中产生的磨粒和来自外界的污染物；5）防锈防止液压元件所用各种金属的锈蚀。第一章液压传动基础知识液压与气压传动为使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要求是：1）可压缩性可压缩性尽可能小，响应性好；2）粘性温度及压力对粘度影响小，具有适当的粘度，粘温特性好；3）润滑性通用性对液压元件滑动部位充分润滑；4）安定性不因热、氧化或水解而变质，剪切稳定性好，使用寿命长；5）防锈和抗腐蚀性对铁及非铁金属的锈蚀性小；6）抗泡沫性介质中的气泡容易逸出并消除；第一章液压传动基础知识液压与气压传动为使液压系统长期保持正常的工作性能，对其工作介质提出的要求还有：7）抗乳化性除含水液压液外的油液，油水分离要容易；8）洁净性质地要纯净，尽可能不含污染物，当污染物从外部侵入时能迅速分离；9）相容性对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性；10）阻燃性燃点高，挥发性小，最好具有阻燃性；11）其他对工作介质的其他要求还有；无毒性和臭味；比热容和热导率要大；体胀系数要小等。第一章液压传动基础知识SchoolofMechanicalEngineering东南大学机械工程学院液压与气压传动能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压系统中使用的工作介质按国际标准组织（ISO）的分类（我国国家标准GB/T7631.2—1987与此等效）如表1-1所示。工作介质类别组成与特性代号石油基液压液无添加剂的石油基液压液HH+抗氧化剂、防锈剂HL+抗磨剂HL+增粘剂HM+增粘剂HM+防爬剂无特定难燃性的合成液（特殊性能）L－HHL－HLL－HML－HRL－HVL－HGL－HS难燃液压液含水液压液高含水液压液水包油乳化液水的化学溶液含水大于80%（休积分数）L－HFAL－HFAEL－HFAS油包水乳化液含水小于80%（体积分数）L－HFB含聚合物水溶液/水－乙二醇液L－HFC合成液压液磷酸酯无水合成液L－HFDL－HFDR氯化烃无水合成液L－HFDSHFDR和HFDS液混合的无水合成液L－HFDT其他成分的无水合成液L－HFDU表1-1液压传动工作介质的种类第一章液压传动基础知识液压与气压传动目前90%以上的液压设备采用石油基液压油液。基油为精制的石油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能，以满足液压设备的不同要求，往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的，如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等。为了军事目的，近年来在某些舰船液压系统中，也有以海水或淡水为工作介质的。而且正在逐渐向水下作业、河道工程、海洋开发等领域延伸。第一章液压传动基础知识液压与气压传动另外，电流变流体（简称ERF）在英国、美国、日本、中国等国家都在进行研究。ERF是在绝缘的连续相液体介质中加入精细的固体颗泣而形成的悬浊液。液体介质是不导电的油，如矿物油、硅（氧）油或石蜡油等。而悬浮在油中的颗粒为尺寸在1~100μm的不导电的元件和有机材料。粒子占流体总体积的10%~40%。ERF在外加静电场作用下其性质会发生迅速变化。当施加一电压时，液体便固化；当电压取消后，又立即恢复其液体状态。使用ERF的优点是：整个系统只需很少或根本没有运动部件，因此可降低零部件制造精度，延长使用寿命，实现寂静系统；并且能具有与电系统相匹配的响应速度，在被动系统中引入主动性能以及实现电控下的无级调速。因此，ERF的应用前景十分看好。第一章液压传动基础知识液压与气压传动2.物理性质密度单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度。即：Vm（1-1）式中ρ—液体的密度；V—液体的体积；m—液体的质量。第一章液压传动基础知识液压与气压传动常用液压传动工作介质的密度值见表1-2工作介质密度ρ/（kg·m－3）工作介质密度ρ/（kg·m－3）抗磨液压液L－HM32抗磨液压液L－HM46油包水乳化液L－HFB水包油乳化液L－HFAE0.8×1030.8875×1030.932×1030.9977×103水－乙二醇液压液L－HFC通用磷酸脂液压液L－HFDR飞机用磷酸酯液压液L－HFDR10号航空液压油1.06×1031.15×1031.05×1030.85×103表1-2常用液压传动工作介质的密度（20℃）液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化，但其变化量一般很小，在工程计算中可以忽略不计。第一章液压传动基础知识液压与气压传动可压缩性液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。若压力为p0时液体的体积为V0，当压力增加Δp，液体的体积减小ΔV，则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为：01VVpk（1-2）式中，k称为液体的压缩率。由于压力增加时液体的体积减小，两者变化方向相反，为使k成为正值，在上式右边须加一负号。液体压缩率k的倒数，称为液体体积模量，即01VVpkK（1-3）第一章液压传动基础知识液压与气压传动表1-3所示为各种工作介质的体积模量。由表中石油基液压油体积模量的数量可知，它的可压缩性是钢的100~170倍（钢的弹性模量为2.1×105MPa）。工作介质体积模量K/MPa工作介质体积模量K/MPa石油基液压油水包油乳化液油包水乳化液（1.4~2）×1031.95×1032.3×103水－乙二醇液压液磷酸酯液压液3.45×1032.65×103表1-3各种工作介质的体积模量（20℃，大气压）一般情况下，工作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大，但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构时，则必须予以考虑。第一章液压传动基础知识液压与气压传动石油基液压油的体积模量与温度、压力有关：温度升高时，K值减小，在液压油正常工作温度范围内，K值会有5%~25%的变化；压力增加时，K值增大，但这种变化不呈线性关系，当p≥3MPa时，K值基本上不再增加。由于空气的可压缩性很大，因此当工作介质中有游离气泡时，K值将大大减小，且起始压力的影响明显增大。但是在液体内游离气泡不可能完全避免，因此，一般建议石油基液压油K的取值为（0.7~1.4）×103MPa，且应采取措施尽量减少液压系统工作介质中的游离空气的含量。第一章液压传动基础知识液压与气压传动粘性1）粘性的表现液体在外力作用下流动时，分子间内聚力的存在使其流动受到牵制从而沿其界面产生内摩擦力，这一特性称为液体的粘性。图1-1液体粘性示意图现以图1-1为例说明液体的粘性。若距离为h的两平行平板间充满液体，下平板固定，而上平板以速度u0向右平动由于液体和固体壁面间的附着力及液体的粘性，会使流动液体内部各液层的速度大小不等：紧靠着下平板的液层速度为零，紧靠着上平板的液层速度为u0，而中间各层液体的速度当层间距离h较小时，从上到下近似呈线性递减规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的；而速度慢的液层对速度快的起阻滞作用。hydyu0yxO第一章液压传动基础知识液压与气压传动实验测定表明，流动液体相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比，即：yuAFddf（1-4）式中，比例系数μ称为粘性系数或动力粘度。若以τ表示液层间的切应力，即单位面上的内摩擦力，则上式可表示为：yuFτddAf（1-5）这就是牛顿液体内摩擦定律。由此可知，在静止液体中，速度梯度du/dy=0，故其内摩擦力为零，因此静止液体不呈现粘性，液体只在流动时才显示其粘性。第一章液压传动基础知识液压与气压传动2）粘性的度量度量粘性大小的物理量称为粘度。常用的粘度有三种，即动力粘度、运动粘度、相对粘度。①动力粘度μ由式（1-5）可知，动力粘度μ是表征流动液体内摩擦力大小的粘性系数。其量值等于液体在以单位速度梯度流动时，单位面积上的内摩擦力，yuτdd（1-6）在我国法定计量单位制及SI制中，动力粘度μ的单位是Pa·s（帕·秒）或用N·s/m2（牛·秒/米2）表示。如果动力粘度只与液体种类有关而与速度梯度无关，这种液体称为牛顿液体，否则为非牛顿液体。石油基液压油一般为牛顿液体。第一章液压传动基础知识液压与气压传动②运动粘度v液体动力粘度与其密度之比称为该液体的运动粘度v，即v（1-7）在我国法定计量单位制及SI制中，运动粘度v的单位是m2/s（米2/秒）。因其中只有长度和时间的量纲，故得名为运动粘度。国际标准ISO按运动粘度值对油液的粘度等级（VG）进行划分，见表1-4。粘度等级40℃时粘度平均值40℃时粘度范围粘度等级40℃时粘度平均值40℃时粘度范围VG10VG15VG22VG32101522329.00~11.013.5~16.519.8~24.228.8~35.2VG46VG68VG100466810041.4~50.661.2~74.890.0~110表1-4常用液压油运动粘度等级第一章液压传动基础知识液压与气压传动③相对粘度相对粘度是根据特定测量条件制定的，故又称条件粘度。测量条件不同，采用的相对粘度单位也不同。如恩氏粘度˚E（欧洲一些国家）、通用塞氏秒SUS（美国、英国）、商用雷氏秒R1S（英、美等国）和巴氏度˚B（法国）等。国际标准化组织ISO已规定统一采用运动粘度来表示油的粘度。第一章液压传动基础知识液压与气压传动3）温度对粘度的影响温度变化使液体内聚力发生变化，因此液体的粘度对温度的变化十分敏感：温度升高，粘度下降（见图1-2（见教材P12））。这一特性称为液体的粘－温特性。粘－温特性常用粘度指数VI来度量。VI表示该液体的粘度随温度变化的程度与标准液的粘度变化程度之比。通常在各种工作介质的质量指标中都给出粘度指数。粘度指数高，说明粘度随温度变化小，其粘－温特性好。一般要求工作介质的粘度指数应在90以上，优异在100以上。当液压系统的工作温度范围较大时，应选用粘度指数高的介质。第一章液压传动基础知识液压与气压传动几种典型工作介质的粘度指数列于表1-5。介质种类粘度指数VI介质种类粘度指数VI石油基液压油L－HM石油基液压油L－HR石油琪液压油L－HG≥95≥160≥90油包水乳化液L－HFB水－乙二醇液L－HFC磷酸酯液L－HFDR130~170140~170－31~170表1-5典型工作介质的粘度指数VI第一章液压传动基础知识液压与气压传动4）压力对粘度的影响压力增大时，液体分子间距离缩小，内聚力增加，粘度也会有所变大。但是这种影响在低压时并不明显，可以忽略不计；当压力大于50MPa时，其影响才趋于显著。压力对粘度的影响可用下式计算：vp=vaecp≈va(1+cp)（1-8）式中p—液体的压力，单位为MPa；vp—压力为p时液体的运动粘度，单位为m2/s；va—大气压力下液体的运动粘度，单位为m2/s；e—自然对数的底；c—系数，对于石油基液压油，c=0.015~0.035MPa-1第一章液压传动基础知识液压与气压传动5）气泡对粘度的影响液体中混入直径为0.25~