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1、YEYA YU QIYA CHUANDONG,Hydraulic and Pneumatic Transmission,1,第一章 液压传动技术基础,本章重点,掌握内容,1液压油的物理性质 2液体静力学和动力学的基本规律 3液体流动时的能量损失及对系统的影响 4液压冲击和气穴现象及对液压系统的影响,1液压油的粘度测量，正确选用 2液体压力，速度的测量与静力学和动力 学方程的验证 3管路压力损失和小孔流量的测试 4分析液压冲击和气穴的产生原因及排除 冲击和气穴故障,一 液压传动工作介质的物理性质,1.液体的密度,2.液体的可压缩性,液体受压力作用而发生体积减小的性质称为液体的可压缩性。在液压油中
2、应尽量减少气体的混入和其他易挥发性物质的含量，以减少对液压系统工作性能的不良影响。,3.液体的粘性与粘度,液体在外力作用下流动时，液体分子间的内聚力要阻止分子相对运动而产生一种内摩擦力，把液体的这一特性称为液体的粘性。,(1)液体的粘性,一、液压传动的工作介质,液压传动是用液体作为工作介质进行传动的，因此必须了解液体的物理性质，研究液体的运动特点和力学规律。掌握这两方面的基本知识，包括基本概念，描述方法，基本规律和一些基本结论，是我们进一步理解和运用液压传动技术的基础。,牛顿液体内摩擦定律:,表示粘性大小程度的物理量，称为粘度。,1)动力粘度。,单位为 Pas(Ns/m2),(2)液体的粘度,
3、一 液压传动工作介质的物理性质,图11液体粘性实验示意图,2)运动粘度。,单位是 m2/s 。,3)相对粘度。,恩氏粘度E(中国、德国、前苏联)、通用赛氏秒SSU(美国、英国)、商用雷氏秒R1S(英国、美国)和巴氏度B(法国) 。,恩氏粘度与运动粘度间的换算关系为,一 液压传动工作介质的物理性质,按一定的测量条件制定的，测出量值后再根据关系式换算出运动粘度或动力粘度。,一、液压传动工作介质的种类与特点,二 液压传动工作介质的特点与选用,合理地选用液压用油，对提高液压传动性能，延长液压元件和液压油的使用寿命都有重要意义。在工程和实际使用中经常会遇到液压传动工作介质的选用、更换、补充等任务，因此必
4、须了解液压工作介质的种类和选用原则。,液压传动最常用的工作介质有两类，一是矿油型液压油，二是难燃液压液。水等传动介质只用于水压机等设备中。,1.矿油型液压油的种类及特点,矿油型液压油是以石油的精练物为基础，加入各种添加剂调制而成。在（GB/T 7631.2-2003）与ISO6743-4与GB/T7631.282分类中的L-HH、L-HL、L-HM、L-HR、L-HV、L-HG型液压油均属矿油型液压油，这类油的品种多，成本较低 ，需要量大，使用范围广，目前约占液压介质总量的85%左右。,二 液压传动工作介质的特点与选用,液压油和润滑油的粘度分级标准，按照GB/T3141和ISO规定，采用40时
5、油液的运动粘度， （单位为厘斯）的某一中心值作为油液粘度牌号，共分为10、15、22、32、46、68，100、150，八个粘度等级。实际中，某种液压油用符号ISO-L-HH32完整形式表示，其中数字表示粘度等级。也可用缩写形式表示为L-HH32。,2.难燃液压液的分类及特点,矿油型液压油有许多优点，但其主要缺点是易燃、易污染环境。在接近明火或高温热源或其它易发生火灾的地方，使用矿油型压油时有着火的危险。因此，要改用难燃液压液。在（GB/T 7631.2-2003）与ISO6743-4中有L-HFA、L-HFB、L-HFC、L-HFD四大类难燃液压液的具体标准。,二 液压传动工作介质的特点与选
6、用,二、液压传动工作介质的选用,一般首先根据液压系统对工作介质性能的要求和工作、环境条件选用合适的液压油品种，当品种确定后，主要考虑液压油的粘度。由液压油的粘度等级，再确定油液的牌号。在确定油液粘度时，应考虑下列因素： (1)工作压力 液压系统压力较高时泄漏问题较为突出，此时应选择粘度较大的油液。反之，则应选择粘度较小的油液。 (2)工作速度 液压系统中工作部件运动速度较高时，油液的流速也高，压力损失较大。此时应选择粘度较小的油液。反之，则选择粘度大的油液。 (3)环境温度 环境温度较高时宜选用粘度较大的液压油。,二 液压传动工作介质的特点与选用,在液压系统所有元件中，液压泵的转速最高，承受的
7、压力最大，且温升高，工作时间最长。因此，常根据液压泵的类型及其要求来选择液压油的粘度。,三 液体静力学基础,一、液体的静压力及其特性,1.液体静压力,液体静力学是研究液体处于相对平衡状态下的力学规律及其实际应用。,图13液体所受作用力,（2）静止液体内任意点处所受到的静压力各个方向上都相等。,2.液体静压力的特性,（1）液体的静压力垂直于其作用平面，其方向和该面的内法线方向一致。,化简为：,图2-4 静止液体内压力分布规律 a)压力分布 b)研究液柱,三 液体静力学基础,二、液体静压力基本方程,在垂直方向的力平衡方程式为：,这就是液体静力学基本方程。,三 液体静力学基础,2. 液体静压力基本方
8、程的应用与等压面,（1）静止液体内任一点处的压力由两部分组成：一是液面上的压力 ，另一部分是自重产生的压力 。 （2）静止液体内的压力随液体深度h呈线性分布。 （3）离液面深度相同处各点的压力相等。在重力作用下静止液体中的等压面是水平面。 （4）比较静止液体内部压力组成的两部分知，当液体内压力较小时，液体重力产生的压力影响较大。但当液体内部压力较大且 不很大时， 的影响可以忽略。,当液面上只受大气压Pa作用时，则液体内任一点处的压力为：,对静止液体，如液面压力为p0，液面与基准水平面的距离为h0；液体内任一点的压力为p，与基准水平面的距离为h，则由静压力基本方程可得：,公式的物理意义为静止液体
9、中任一质点的总能量保持不变，即能量守恒。,三 液体静力学基础,图14静止液体内部的压力分布,三 液体静力学基础,三.压力的表示方式及单位,图16压力的表示方式,压力有绝对压力和相对压力两种表示方示。以绝对真空为基准测量的压力叫做绝对压力；而以大气压为基准测量的压力叫做相对压力。因为大多数压力表等测压装置都是以大气压作为比较起点的，所以显示的压力是相对压力。相对压力又称表压力。,绝对压力相对压力 + 大气压力,真空度大气压力 绝对压力,各种压力单位之间的换算关系如下：,1Pa(帕)=1Nm2,1at(工程大气压)=1kgf/cm2=9.8104Nm2,1mH2O(米水柱)=9.8103Nm2,1
10、mmHg(毫米汞柱)=1.33102Nm2,三 液体静力学基础,四、压力的形成与传递,为使液压系统具备所需的压力，必须将系统空间与大气空间隔开。也就是必须使传动系统成为一个封闭且容积可变的容器。至于容器的形态，在使用中逐渐演化成目前的由管道连接各类元件腔体组成的密封空间。这是液体压力形成的必要条件之一。 由液体静力学基本方程式可知，在密封容器内的液体，其外加压力发生变化时，只要液体仍保持其原来的静止状态不变，液体中任一点的压力将发生同样大小的变化。这就是说，施加于静止液体上的压力可以等值传递到液体内各点。这就是静压力传递的帕斯卡原理。也称为静压传递原理。,在小活塞上应施加的力为：,三 液体静力
11、学基础,图17液体静压传动原理,从上式可知，在系统结构确定后，系统内液体压力是由 和 共同形成的，缺一不可。如果 ，则 。也就是说当系统负载为0时，系统不能建立压力。因此，负载是液压系统内形成一定压力的必要条件。,例题：如图1-24所示，直径为d，重量为G的圆柱体浸入液体中，并在外力F的作用下处于平衡状态。若液体的密度为，圆柱浸入深度为h，忽略所有摩擦，求液体在测压管内上升的高度x。,图124 题8图,三 液体静力学基础,解：由于液体没有宏观流动，设大气压力为Pa,以圆柱体为受力对象，结合液体静力学方程有：,圆柱体受力图,圆柱体周向受力平衡,相互抵消。仅考虑圆柱体Z方向力平衡方程与液体内部静压
12、力。,1、以相对压力列出圆柱体受力与液体静力学方程有：,三 液体静力学基础,整理得：,2、以绝对压力列出圆柱体受力与液体静力学方程有：,整理得：,得到的结果是一致的。,当固体壁面为一平面时：,当固体壁面为一曲面时：,三 液体静力学基础,五、液体压力对容器壁面的作用力,当承压面是曲面或是任意复杂的组合表面时，数学可以证明：液体作用于曲面某一方向的作用力等于压力与曲面在该方向的垂直平面上投影面积的乘积。,一、描述流动液体的几个基本概念,四 液体动力学基础,液体动力学主要研究液体流动时的规律、能量转换等问题，本节重点讨论三个基本方程：连续性方程、伯努利方程和动量方程。,1.理想液体,既无粘性又不可压
13、缩得假想液体称为理想液体。,2.稳定流动,液体在流动时，若液体中任意椅垫处的压力、速度和密度都不随时间变化，这种流动称为稳定流动。,3.流线、流束、通流截面,图110流线、流束与通流截面,流线是某一时刻液流中各质点流经轨迹的曲线。,这些流线群就构成流束。,通流截面是指流束中与所有流线正交的截面。,四 液体动力学基础,单位时间内流过某通流截面的液体的体积，称为流量。,4.流量q和平均流速,图111流量与平均流速,对一般情况，流过微小断面的流量为：,流过整个通流截面A的流量为,如果液体在等径直管中流动，且通流截面各点速度相等，则：,对于实际液体的流动，假设通流截面上各点的流速均匀分布，液体以此均布
14、流速u流过通流截面的流量等于以实际流速流过的流量，即：,由此得出通流截面上的平均流速为：,3.流态和雷诺数,英国物理学家雷诺发现了液体在管道中流动时存在两种流动状态，即层流和湍流。,四 液体动力学基础,工程实际中，测得流量是方便的，管道截面面积又已知，因此这样来定义和计算平均流速非常方便实用。,四 液体动力学基础,二、流态和雷诺数,图112液体流态实验装置 1排水管 2进水管 3色水箱 4阀门 6清水箱 7透明管 8开关,19世纪末，英国科学家通过大量实验发现，液体的流动具有层流和紊流两种基本形态。,当流速较低时，流动是一条与透明管轴线平行的线状流，且与透明管中的水是分层的，这种流动状态叫层流
15、。,当透明管中的流速增大至某一值时，有色水流便开始抖动而呈现波纹状态,这时称为临界状态。再进一步增大水的流速，有色水流便和清水完全混合在一起,如图112d所示，这种流动状态叫紊流。,1、层流,2、临界状态与紊流,四 液体动力学基础,对于非圆截面的管道,层流时粘性力起主导作用，紊流时惯性力起主导作用。 实验证明，液体在圆管中的流动状态不仅与管内的平均流速 有关，还和管径d、液体的运动粘度 有关。决定液流状态的是这三个参数所组成的一个称之为雷诺数Re的无量纲纯数：,工程上常用一个临界雷诺数 来判别液流状态。当Re 时液流为紊流。,常见液流管道的临界雷诺数,根据质量守恒定律，在单位时间内流过两个截面
16、的液体质量相等,即：,若不考虑液体的压缩性，则有 ，得：,或写为：,四 液体动力学基础,三、连续性方程,这就是液流的流量连续性方程。 它是质量守恒定律在流体力学中的表现形式。其物理意义是：在稳定流动情况下，当不考虑液体可压缩性时，流过管道各个截面的流量相等，因而平均流速与通流截面的面积成反比。,图113液体的连续流动,1.理想液体伯努利方程,四 液体动力学基础,四、伯努利方程,在连续流动的无分支流束上取任意的两个通流截面 、 ，截面上的流速分别为 、 ，压力分别为 、 ，两截面距离水平基准面高度分别为 、 。根据能量守恒定律有：,图114伯努利方程的能量关系,因这两个通流截面是任意选取的，因此上式可改写为：,理想液体的伯努利方程的物理意义为：在管内作
