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1、机械设计制造及其自动化专业,第一章,流体力学基础,工作介质是液压和气压传动系统中的传动介质，介质的性能对系统的工作状态有很大影响。,第一节 工作介质,液压传动介质,工作介质,气压传动介质,一、液压传动介质,（一）基本要求和种类,一、液压传动介质,(2)适宜的粘度和良好的粘温性能；,(3)润滑性能好：对液压装置及相对运动的元件具有良好的润滑性；,(4)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；,1.基本要求,(1)可压缩性尽量小，响应性好；,（一）基本要求和种类,一、液压传动介质,(6)比热、热传导率大，热膨胀系数小；,(7)抗泡沫性好（介质中的气泡容易逸出并消除），抗乳化性
2、好（油水分离容易）；,(8)油液纯净，含杂质量少；,(9)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。,1.基本要求,(5)对金属材料具有防锈性和防腐性；,（一）基本要求和种类,一、液压传动介质,2.种类,目前，液压传动介质90以上采用石油基液压油液，即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。,添加剂有两类：,一类是为改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；,另一类是为改善油液物理性能的，如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等。,（一）基本要求和种类,一、液压传动介质,2.种类,L-石油类产品的总分类号；,H-油液系统用的工作介质。,（二）物理性质,一
3、、液压传动介质,石油基液压油在15时的密度为900（kg/m3）左右，在实际使用中可认为它们不受温度和压力的影响。,1.密度,单位体积内的液体质量被称为密度。, = m /V,（二）物理性质,一、液压传动介质,体积为V0 的液体，当压力变化量为p时，体积的绝对变化量为V，液体在单位压力变化下的体积相对变化量为：,2.可压缩性,液体受外力的作用而使其体积缩小的性质被称为液体的可压缩性。,k - 液体的压缩率,（二）物理性质,一、液压传动介质,由于压力增大时液体的体积减小，所以上式的右边加一负号，以便使液体的体积压缩系数为正值。,2.可压缩性,液体压缩率的倒数，称为液体体积模量。,k - 液体的压
4、缩率,（二）物理性质,一、液压传动介质,石油基液压油的可压缩性是钢的100170倍；,2.可压缩性,k - 液体的压缩率,说明,一般情况，工作介质的可压缩性对液压系统的影响不大，可不考虑；,当工作介质中有游离气泡时，可压缩性将大大增加。,（二）物理性质,一、液压传动介质,3.粘性,液体在外力作用下流动或有流动趋势时，液体内分子间的内聚力要阻止液体分子间的相对运动，由此产生一种内摩擦力，这种现象被称为液体的粘性。,（1) 粘性的表现,（二）物理性质,一、液压传动介质,3.粘性,两平行平板间充满液体，下板不动，上板以速度u0向右平动。,（1) 粘性的表现,由于液体的粘性，紧靠上板的液层速度为u0，
5、紧靠下板的液层速度为零，从上到下各液层速度呈线性递减规律分布。,（二）物理性质,一、液压传动介质,3.粘性,试验表明，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,（1) 粘性的表现,比例系数称为粘性系数或动力粘度。,（二）物理性质,一、液压传动介质,3.粘性,若以表示液层间的切应力，即单位面积上的内摩擦力，则,（1) 粘性的表现,这即是牛顿液体内摩擦定律。,（二）物理性质,一、液压传动介质,3.粘性,静止液体不呈现粘性，液体只在流动时才显示粘性。,（1) 粘性的表现,注意,（二）物理性质,一、液压传动介质,3.粘性,液体粘性用粘度来表示。常用的液体
6、粘度表示方法有三种，即动力粘度、运动粘度和相对粘度。,（2) 粘性的度量,粘度是液体的重要物理特性，也是液压用油选择的主要依据。,动力粘度：表征流动液体内摩擦力大小的粘度系数。,粘性的度量,如果动力粘度只与液体种类有关而与速度梯度无关，则称为牛顿液体。,动力粘度,石油基液压油一般为牛顿液体。,运动粘度：液体动力粘度与其密度之比。,粘性的度量,国际标准ISO规定：统一采用运动粘度来表示油的粘度。,运动粘度,相对粘度：以相对于蒸馏水的粘性的大小来表示该液体的粘性的。,粘性的度量,根据测量条件不同，各国采用的相对粘度单位有所不同。有的用赛氏粘度，有的用雷氏粘度，我国采用恩氏粘度。,相对粘度,恩氏粘度
7、用符号E表示。,粘性的度量,在某一温度下，测定200cm3的被测液体在自重作用下流过直径2.8mm小孔所需的时间t1，然后测出同体积的蒸馏水在20时流过同一孔所需时间t2，t1与t2的比值即为流体的恩氏粘度值。,相对粘度,恩氏粘度的测定方法 （了解）,（二）物理性质,一、液压传动介质,3.粘性,粘度随着温度升高而显著下降（粘温特性）。,（3) 温度对粘度的影响,粘度随着温度变化小，则其粘温特性好。,由于油温较高，粘度下降，且油易变质，故一般机械设备液压油温度控制在60以下，最好在55以下。,注意,（二）物理性质,一、液压传动介质,3.粘性,粘度随着压力升高而变大（粘压特性）。,低压时不明显，可
8、忽略不计。,（4) 压力对粘度的影响,（三）选用和维护,一、液压传动介质,1.工作介质的选择,考虑液压系统的工作环境和工作条件，选择液压油液类型。,选择液压油液类型,如：若系统靠近高温热源或有明火场所，选择难燃型液压液；液压液用量大的系统建议选用乳化型液压液；用量小的选用合成型液压液。,（三）选用和维护,一、液压传动介质,1.工作介质的选择,对液压系统所使用的液压油液来说，首先要考虑的是粘度。粘度太大，液流的压力损失和发热大，使系统的效率降低；粘度太小，泄漏增大，会使液压系统的效率降低。,选择液压油液的粘度,（三）选用和维护,一、液压传动介质,1.工作介质的选择,选择液压油液的粘度,工作压力：
9、压力高，选择粘度较大的液压液； 环境温度：温度高，选用粘度较大的液压液； 运动速度：速度高，选用粘度较低的液压液； 液压泵的类型：各类泵适用的粘度范围见书中表18。,（三）选用和维护,一、液压传动介质,2.工作介质的使用和维护,(自 学),（一）空气的组成,二、气压传动介质,气压工作介质主要是指压缩空气。,空气由若干种气体混合组成，主要有氮气、氧气及少量的氩气和二氧化碳等，此外，还常含有一定量的水蒸气。,把不含有水蒸气的空气称为干空气，把含有水蒸气的空气称为湿空气。,（二）空气的性质,二、气压传动介质,单位体积内的空气质量被称为密度。,空气的密度随温度和压力的变化而变化。在绝对温度为273.1
10、6 K（0），绝对压力为0.1013MPa时,空气的密度为1.293 kg/m3左右。,1.密度,（二）空气的性质,二、气压传动介质,空气的粘性也是由于分子间的内聚力，在分子间相对运动时产生的内摩擦力而表现出的性质。由于气体分子之间距离大，内聚力小，因此与液体相比，气体的粘度要小得多。,空气的粘度仅与温度有关，而压力对粘度的影响小到可以忽略不计。与液体不同的是，气体的粘度随温度的升高而增加。,2.粘性,（二）空气的性质,二、气压传动介质,气体体积随压力增大而减小的性质称为压缩性；气体体积随温度升高而增大的性质称为膨胀性。,气体的压缩性和膨胀性比液体大得多，造成了气压传动的软特性，即气缸活塞的运
11、动速度受负载变化影响很大，因此很难得到稳定的速度和精确的位移。,3.压缩性和膨胀性,（二）空气的性质,二、气压传动介质,为什么气体的可压缩性和膨胀性大？,3.压缩性和膨胀性,主要原因在于气体分子之间的距离大、吸引力小、分子的平均自由路径大。当压力、温度发生变化时，分子间距离变化范围大。,（二）空气的性质,二、气压传动介质,湿空气不仅会腐蚀元件，还会对系统工作稳定性带来不良影响。,4.湿空气,各种元件对空气介质的含水量有明确规定，并常采取一些措施防止水分进入系统。,湿空气所含水分的程度用湿度和含湿量来表示。湿度表示法又有绝对湿度和相对湿度；含湿量又分为质量含湿量和体积含湿量。,（二）空气的性质,
12、二、气压传动介质,在一定的温度和压力下，当水蒸汽的含量达到一定值时，再加入水蒸汽，就会有水滴析出，此时水蒸汽的含量达到最大值，这种湿空气称为饱和湿空气。,4.湿空气,当空气中所含的水蒸汽未达到饱和状态时，这种湿空气称为未饱和湿空气。,流体静力学是研究流体处于相对平衡状态下的力学规律及其实际应用。,第二节 流体静力学,所谓相对平衡是指液体内部各质点间没有相对运动，至于液体本身完全可以和容器一起如同刚体一样做各种运动。,由于空气的密度极小，因此静止空气重力的作用也很小，故主要学习液体静力学。,一、静压力及其特性,所谓静压力是指静止液体单位面积上所受的法向力，在液压传动中简称压力（在物理学中称为压强
13、）。,若静止液体内某点处微小面积A上作用有法向力F，则该点的压力为：,若法向力均匀地作用在面积A上，则压力为：,一、静压力及其特性,静压力：,单位： Pa（帕） 1Pa1 N/m2,工程中常用： 1MPa106Pa106N/m21N/mm2,实践中常用： 1kgf/cm2105Pa0.1Mpa1bar(巴，国外图纸常用）,一、静压力及其特性,液体静压力的两个重要特性,液体静压力垂直于作用面，其方向与该面的内法线方向一致。,静止液体中，任何一点所受到的各方向的静压力都相等。,二、静压力基本方程,静力学基本方程描述了静止液体中的压力分布情况。,在重力作用下，密度为的液体在容器中处于静止状态，其外加
14、压力为p0。,（一） 静压力基本方程,二、静压力基本方程,为求出任意深度h处的压力p，从液面往下切取一个底面积为A、高为h的小液柱为研究体。,（一） 静压力基本方程,小液柱处于平衡状态，有,FG是液柱重力，且FG=ghA,（静力学基本方程）,二、静压力基本方程,液体静压力分布特征：,（一） 静压力基本方程,静止液体内的压力随液体深度呈线性规律递增；,任一点的压力都由两部分组成：液面上的压力和该点以上液体的重力；,距液面深度相同的各点压力相等，组成了等压面。,【例】如图所示为一充满油液的容器，作用在活塞上的力为F1000N，活塞面积A1X10-3m2，忽略活塞的质量。问活塞下方深度h0.5m处的
15、压力等于多少？油液密度900kg/m3。,由静力学基本方程,解：,p0=F/A=1000/(1X10-3)N/m2=106N/m2,p=p0+gh=(106+900X9.8X0.5)N/m2=1.004X106N/m2106Pa1MPa,分析,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，并认为整个静止液体内部的压力处处相等。,二、静压力基本方程,将容器放在基准水平面分析：,式中，p/g 表示单位重力液体的压力能；z 表示单位重力液体的位能。,（二） 静压力基本方程的物理意义,p=p0+gh=p0+g(z0-z),整理，得：,二、静压力基本方程,物理意义：,（二） 静压力基本方程的物
16、理意义,静止液体内任何一点具有压力能和位能两种能量，且其总和保持不变，即能量守恒。,二、静压力基本方程,液体压力通常有绝对压力和相对压力两种表示方法。,（三） 压力的表示方法,在地球表面上，一切物体都受大气压力的作用，自成平衡，即大多数测压仪表在大气压下并不动作，这时它所表示的压力值为零。因此，它们测出的压力是高于大气压力的那部分压力。,二、静压力基本方程,以绝对真空为基准零值时所测得的压力，称它为绝对压力。,（三） 压力的表示方法,相对于大气压(即以大气压为基准零值时)所测量到的一种压力，因此称它为相对压力或表压力。,二、静压力基本方程,（三） 压力的表示方法,当绝对压力低于大气压时，习惯上称为出现真空。,某点的绝对压力比大气压小的那部分数值叫作该点的真空度。,【例】某容器内装有液体，当液体内部某点的绝对压力为0.4X105Pa时，试求其真空度。,若取大气压为Pa1X105Pa，则其相对压力为：,解：,pr=p-p0=(0.4-1)X105Pa=-0.6X105Pa,
