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1、第一章 液压传动基础知识,流体传动包括液体传动和气体传动液压传动以液体的静压能传递动力，它的工作介质是油液本章主要内容就是介绍,油液的种类油液的物理性质油液的静力学、运动学和动力学规律,第一章 液压传动基础知识,第一节 液压传动工作介质第二节 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 孔口和缝隙液流第六节 空穴现象,第一节 液压传动工作介质,一、液压传动工作介质的性质1、密度单位体积液体的质量为液体的密度。体积为V，质量为m的液体的密度为=m/V 温度和压力对密度的影响：温度上升，密度有所减小。压力提高，密度稍有增加。,但变动很小，可认为是常值,我国采用20时的密度作为
2、油液的标准密度，以20表示。,最常用的工作介质是液压油。此外还有乳化型传动液和合成型传动液,一、液压传动工作介质的性质,2、可压缩性压力为p0、体积为V0的液体，如压力增大p时，体积减小V，则体积的可压缩性可用体积压缩系数来表示,即单位压力变化下的体积相对变化量,液体的可压缩性一般用体积弹性模量K来表示,体积弹性模量与温度、压力的关系：,温度增加时，K值减小，在正常工作范围内，有5%25%的变化；压力增大时，K值增大，当p3MPa时，K基本上不再增大；当工作介质中混有气泡时，K值将大大减小。,一、液压传动工作介质的性质,3、粘性定义：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
3、分子相对运动而产生的一种内聚力，这种现象叫做液体的粘性。液体只有在流动（或有流动趋势）时才会呈现出粘性。粘性使液体内部各处的速度不相等。,液体流动时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,粘性系数或粘度,两边同除以A，得,为牛顿的液体内摩擦定律,式中为切应力。由上式可得粘度的物理意义为：液体在单位速度梯度下流动时单位面积上产生的内摩擦力。称动力粘度，单位为Pas（帕秒），以前单位为P（泊），两者关系为：1Pas=10P=1000cP（厘泊）运动粘度液体的动力粘度与其密度的比值，即,单位为m2/s，以前单位为St（斯），两者关系为：1 m2/s=104St
4、=106cSt（厘斯）=106 mm2/s,液压传动工作介质的粘度等级的划分依据：,以40时运动粘度（以mm2/s计）的中心值来划分。例如：某一种牌号LHL22普通液压油，它表示的是该液压油在40时的运动粘度的中心值为22 mm2/s。,粘度与温度、压力的关系：,温度升高，粘度下降。变化率的大小直接影响液压传动工作介质的使用。粘度对温度的变化十分敏感。压力增大，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，可忽略不计。,一、液压传动工作介质的性质,4、其它性质液压传动介质还有其它一些性质，如：稳定性（热稳定性、氧化稳定性、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
5、 相容性（对所接触的金属、密封材料、涂料等的作用程度）,二、对液压传动工作介质的要求,不同的工作机械、不同的使用情况对工作介质的要求有很大不同。液压传动工作介质应具备如下性能：合适的粘度，40=（15-68）10-6m2/s，较好的粘温特性润滑性能好质地纯净，杂质少对金属和密封件有良好的相容性对热、氧化、水解和剪切有良好的稳定性抗泡沫好，抗乳化性好，腐蚀性小，防锈性好体积膨胀系数小，比热容大流动点和凝固点低，闪点和燃点高对人体无害，成本低,三、工作介质的分类和选用,1、分类工作介质品种的组成：代号+数字代号中L石油产品的总分类号“润滑剂及有关产品”H表示液压系统用的工作介质数字表示该工作介质的
6、某个粘度等级如 L-HL表示石油型普通液压油 L-HH表示石油型精致矿物油,牌号LHL22,最常用的液压系统工作介质：,表示普通液压油，该液压油在40时的运动粘度的中心值为22 mm2/s,石油型液压油,三、工作介质的分类和选用,2、工作介质的选用原则在选用时要考虑的因素有：,（1）液压系统的工作条件按系统中液压元件，主要是液压泵来确定介质的粘度，具体见书上表1-4，同时要考虑工作压力范围、润滑性、系统温升程度、相容性等。（2）液压系统的工作环境环境温度的变化范围，有无明火和高温热源、抗燃性等，还要考虑环境污染、毒性和气味等因素。（3）综合经济分析通盘考虑价格和使用寿命,本节结束，返回,第二节
7、 液体静力学,液体静力学主要讨论液体静止时的平衡规律以及这些规律的应用。液体静止液体内部质点间没有相对运动，不呈现粘性，至于盛装液体的容器，不论它是静止的或是匀速、匀加速运动都没有关系。一、液体静压力及其特性静压力当液体静止时，液体内某点处单位面积上所受到的法向力。液体静压力的特性：（1）液体静压力的方向总是作用面的内法线方向。（2）静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。,二、液体静压力基本方程1、静压力基本方程,重力作用下的静止液体,2、静压力基本方程式的物理意义,A点处的压力：,整理后得：,或,这是液体静压力基本方程式的另一种形式,zg表示A点的单位质量液体的位能p/表示A点的单
8、位质量液体的压力能静压力基本方程中包含的物理意义：静止液体中单位质量液体的压力能和位能可以相互转换，但各点的总能量却保持不变，即能量守恒。三、压力的表示方法及单位表示方法有两种：绝对压力以绝对真空作为基准所表示的压力。相对压力以大气压作为基准所表示的压力。大多数仪表测得的压力都是相对压力，所以相对压力也称表压力。,绝对压力与相对压力的关系为：绝对压力=相对压力+大气压力如果液体中某点处的绝对压力小于大气压，这时在这个点上的绝对压力比大气压小的那部分数值叫做真空度。真空度=大气压绝对压力,绝对压力,相对压力,（正）,相对压力（负）真空度,绝对压力,ppa,大气压,ppa,绝对压力、相对压力和真空
9、度的关系,压力单位：,帕斯卡，简称帕，符号Pa1Pa=1N/m2,1MPa=106Pa,1at（工程大气压）=1kgf/cm2=9.8104N/m2105 N/m2,1bar（巴）=105 N/m2 10N/cm21 kgf/cm2,四、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。,帕斯卡原理的应用,F2=F1A2/A1,如果垂直液压缸的活塞上没有负载，并忽略活塞重量和其它阻力时，不论怎样推动水平液压缸的活塞，也不能在液体中形成压力。表明：液压系统中的压力由外界负载决定。,五、液体静压力对固体壁面的作用力,当固体壁面是平面时，作用力F=pA当固体壁面是曲面时，液压作用
10、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。,例1-1 如图所示，容器内充满油液，活塞上作用力F=1000N，活塞的面积A=110-3m2，问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少？油液的密度=900kg/m3,解：活塞和液面接触处的压力为p0=F/A=1000/（110-3）=106N/m2所以深度为h处的液体压力为：,可见：液体在受压的情况下，其液柱高度引起的压力gh可以忽略不计。所以对液压传动来说，一般不考虑液体位置高度对于压力的影响，认为静止液体内各处的压力都相等,本节结束返回,第三节 液体动力学,液体动力学主要讨论作用在流体上的力以及这些力和流体运动
11、特性之间的关系。本节主要讲述三个基本方程：流量连续性方程、伯努利方程和动量方程。一、基本概念1、理想液体、定常流动和一维流动理想液体既无粘性又不可压缩的液体。定常流动液体流动时，液体中任何一点的压力、速度和密度都不随时间而变化。这种流动称定常流动。反之，只要有一个随时间变化，就是非定常流动，或称时变流动。一维流动液体整个地作线形流动。,2、迹线、流线、流束和通流截面迹线流动液体的某一质点在某一时间间隔内在空间的运动轨迹。流线表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线，在此瞬时，流线上各质点速度方向与该线相切。在定常流动时，流线不随时间而变化，流线与迹线重合。流线之间不可能相交，也不可能突然
12、转折，流线是一条光滑的曲线。通流截面流束中与所有流线正交的截面。,一、基本概念,流线彼此平行的流动称为平行流动，流线夹角很小或流线曲率半径很大的流动称为缓变流动。平行流动和缓变流动都算是一维流动。,3、流量和平均流速流量单位时间内通过某通流截面的液体的体积。单位：m3/s，实际使用中常用L/min或mL/s,一、基本概念,对于微小流束，可以认为通流截面上各点的流速是相等的，所以通过此微小截面的流量为,流量的计算：,积分可得到整个通流截面面积上的流量为,4、流动液体的压力 在流动液体内，由于惯性力和粘性力的影响，任意点处在各个方向上的压力并不相等，但数值相差甚微。当惯性力很小，且把液体当作理想液
13、体时，流动液体内任意点处的压力在各个方向上的数值可以看作是相等的。,为了便于计算，引入平均流速的概念，假想在通流截面上流速是均匀分布的，则流量等于平均流速乘以通流截面积。令此流量与实际的不均匀流速通过的流量相等，则,故平均流速为,质量流量为,二、连续性方程,从流动液体的质量守恒定律中演化出来。,根据质量守恒定律qm1-qm2应等于该时间内体积V中液体质量的变化率dm/dt,因为,所以,因压力变化引起密度变化使液体受压缩而增补的液体质量,因控制体积变化而增补的液体质量,（1）当控制体积不随时间而变时,dV/dt=0,（2）当流体为恒定流动时，密度不随时间而变，此时,d/dt=0,于是,即,（3）
14、若忽略液体的可压缩性，即=const，则有,即,上式为不可压缩液体作定常流动时的连续性方程此方程说明：在恒定流动中，流过各截面的不可压缩液体的流量是相等的，而液体的流速和管道通流截面的大小成反比。,三、伯努利方程,推导过程略（学生自学）1、理想液体的伯努利方程为,是能量守恒定律在流动液体中的表现形式。,2、实际液体的伯努利方程,式中为动能修正系数，层流取2，紊流取1hw为能量损耗,注意：z和p是指截面的同一点上的两个参数,例1-2 如图所示的水箱侧壁开有一小孔，水箱自由液面1-1和2-2处的压力分别为p1和p2，小孔中心到水箱自由液面的距离为h，且h基本不变，若不计损失，求水从小孔流出的速度。
15、,解：以小孔中心线为基准，根据伯努利方程应用的条件，选取截面1-1和2-2列伯努利方程：在截面1-1：z1=h p1=p1 v10（设1=1）,在截面2-2：z2=0 p2=pa v2=？（设2=1）,把各参数代入伯努利方程得,所以,当p1=pa时,例1-3 推导如图所示文丘利流量计的流量公式。,解：选取截面1-1和2-2列伯努利方程，如对通过此流量计的液流采用理想液体的伯努利方程取1=2=1，则有,由以上三式可得,根据连续性方程得,U形管内的静压力平衡方程为,为水银的密度,例1-4 计算液压泵的吸油腔的真空度或液压泵允许的最大吸油高度。,解：选取截面1-1和2-2列伯努利方程，并取1-1为基
16、准平面，则有,液压泵吸油口的真空度为,由已知条件得,上式可简化为,V1可忽略,由此可知，液压泵吸油口的真空度由三部分组成（1）把油液提升到一定高度所需的压力；（2）产生一定的流速所需的压力；（3）吸油管内压力损失。,本节结束返回,第四节 定常管流的压力损失计算,在液压传动中，能量损失主要表现为压力损失。液压系统中的压力损失分为两类：沿程压力损失油液沿等直径直管流动时所产生的压力损失。由液体流动时的内、外摩擦力所引起。局部压力损失油液流经局部障碍（如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩）时，由于液流的方向和速度的突然变化，在局部形成旋涡引起油液质点间、以及质点与固体壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的
17、压力损失。压力损失过大就是功率损耗的增加，将导致油液发热加剧，泄漏量增加，效率下降和系统性能变坏。液流在管道中的流动状态将直接影响液流的压力损失。,一、流态、雷诺数,1、层流和紊流(湍流)液体有两种流动状态：层流和紊流层流液体质点互不干扰，液体的流动呈线性或层状，且平行于管道轴线。紊流（湍流）液体质点的运动杂乱无章，除了平行于管道轴线的运动外，还存在着剧烈的横向运动。,雷诺实验,层流和紊流（湍流）是两种不同性质的流态。层流：液体流速低，质点受粘性制约，不能随意运动，粘性力起主导作用。紊流（湍流）：液体流速较高，粘性的制约作用减弱，惯性力起主导作用。在层流状态下：液体的能量主要消耗在摩擦损失上，
18、它直接转化成热能，一部分被液体带走，一部分传给管壁。在紊流（湍流）状态下：液体的能量主要消耗在动能损失上，这部分损失使液体搅动混和，产生旋涡、尾流，造成气穴，撞击管壳，引起振动，产生噪声。,一、流态、雷诺数,2、雷诺数,雷诺数用以判别液体流动时究竟是层流还是紊流。液体在圆管中的流动状态与管内的平均流速v、管径d、液体的运动粘度有关。雷诺数,临界雷诺数Recr：层流和紊流相互转变时的雷诺数。当ReRecr时，液流为紊流常见的液流管道的Recr由实验求得。光滑金属圆管的Recr为20002300，可用2000来判断。,对非圆截面管道来说,式中,R为通流截面的水力半径,液流的有效截面积,湿周（通流截
19、面上与液体接触的固体壁面的周长）,例液体流经直径为d的圆截面管道时的水力半径为,面积相等，但形状不同的通流截面，它们的水力半径是不同的，圆形的最大，同心环形的最小。水力半径大，表明液流与管壁接触少，通流能力大；水力半径小，表明液流与管壁接触多，通流能力小，阻力大，容易堵塞。,二、液体在直管中流动时的压力损失（即沿程压力损失）,1、层流时的压力损失（1）液流在通流截面上的速度分布规律,速度分布呈旋转抛物体状，且管中心流速最大,二、液体在直管中流动时的压力损失（即沿程压力损失）,1、层流时的压力损失（2）圆管中的流量,（3）沿程压力损失,为沿程阻力系数,的理论值为64/Re，实际金属圆管常取75/
20、Re，橡胶管取80/Re,2、紊流时的压力损失,的取值见表1-9,三、局部压力损失,计算公式为,总压力损失等于所有直管中的沿程压力损失和局部压力损失之和，即,液压泵的工作压力pp应比执行元件的工作压力p1高p,为局部阻力系数，由实验确定,四、管路系统中的总压力损失与压力效率,管路系统的压力效率为,本节结束返回,第五节 孔口和缝隙流动,一、孔口液流特性节流装置在液压系统的管路中，装有截面突然收缩的装置节流截面突然收缩处的流动一般均采用各种形式的孔口来实现节流。在液压传动控制中，要人为地制造这种节流装置来实现对流量和压力的控制1、流经薄壁小孔的流量薄壁小孔长径比（通流长度l与孔径d之比）l/d0.
21、5的小孔,1、流经薄壁小孔的流量,取截面1-1和2-2列泊努利方程，得,由于Dd，v1v2，所以v1可忽略，上式变为：,为速度系数,流过薄壁小孔的流量,为流量系数,为收缩系数,2、流经细长小孔的流量计算,流经细长小孔的流量公式同层流时直管流量公式,细长小孔长径比（通流长度l与孔径d之比）l/d4的小孔。（液流呈层流）,流经孔口的流量公式可归并为如下公式：,m由孔口形状决定的指数，0.5m1，当孔口为薄壁小孔时，m=0.5，当孔口为细长孔时，m=1K-孔口的形状系数。,第五节 孔口和缝隙流动,二、缝隙液流特性,缝隙会造成泄漏。泄漏有两种：内泄漏：元件之间的配合间隙带来的泄漏外泄漏：液压油从压力较
22、高处流向系统中压力较低或大气中泄漏主要是由压力差和间隙造成的。泄漏过大，会影响液压元件和系统的正常工作，也会使系统的效率降低，功率损耗加大。但缝隙又可以使具有相对运动的两零件表面之间保持一层油膜，以增加润滑，减小摩擦和减轻表面磨损，从而提高零件寿命。所以研究液体流经间隙的泄漏规律是十分重要的。油液在缝隙中的流动状态通常为层流。,（一）平行平板的间隙流动,如图所示，b-缝隙高度H-缝隙高度 l-缝隙长度且bh，lh在流动液体中取一微元体dxdy（宽度方向取单位长）列出此微元体在x方向的受力平衡方程为：,经整理可得：,因为,所以,对它进行二次积分可得,式中C1、C2为由边界条件确定的积分常数。,（
23、一）平行平板的间隙流动,1、固定平行平板间隙流动（压差流动）压差流动上、下两平板均固定不动，液体在间隙两端的压差作用下而在间隙中流动。,边界条件为：当y=0时，u=0；当y=h时，u=0，将边界条件代入上式，可得：,所以,于是有,因为,代入流速和流量公式得,速度呈抛物线状，流量与h的三次方成正比,（一）平行平板的间隙流动,2、两平行平板有相对运动时的间隙流动（剪切流动）剪切流动两平行平板有相对运动，但无压差，这样的流动为。,边界条件为：当y=0时，u=0；当y=h时，u=v，且dp/dx=0，将边界条件代入上式，可得：,所以,于是流量为,速度沿y方向呈线性分布,（一）平行平板的间隙流动,3、两
24、平行平板既有相对运动，两端又存在压差时的流动,即,当平板运动方向和压差流动方向一致时取“+”号；反之，取“”号,在这种情况下，速度和流量是以上两种情况的线性叠加。,泄漏造成的功率损失为：,结论：缝隙h越小，泄漏功率损失也越小。但h的减小会使掖压元件的摩擦功率损失增大。所以，缝隙h有一个使这两种功率损失之和达到最小的最佳值，并不是越小越好。,（二）圆柱环形间隙流动,液压系统中常有此种间隙，例如液压缸缸体与活塞之间的间隙，阀体与滑阀阀芯之间的间隙等。1、同心环形间隙,当缝隙hl，hr时，可以将环形缝隙间的流动近似看作是平行平板缝隙间的流动，只要将b=d代入平行平板公式即可，得,（二）圆柱环形间隙流
25、动,2、偏心环形间隙,在任意角处取d所对应的内外圆柱表面所围成的间隙，此间隙大小为h，可以将此微小缝隙间的流动近似看作是平行平板缝隙间的流动，只要将db=R d代入平行平板公式即可得通过该缝隙的微小泄漏量为,由几何关系得,H0为同心时的间隙量，为相对偏心率,将h代入，并积分得,无相对运动时，最大偏心的泄漏量为同心时的2.5倍。,（三）流经平行圆盘间隙径向流动的流量,在液压元件中，轴向柱塞泵与轴向马达中滑履与斜盘之间，回转缸体与配油盘之间都是这种间隙。在半径r处取宽度为dr的液层，将液层展开，可近似看作平行平板间的间隙流动。推导过程略。最后得到的泄漏流量公式为：,（四）圆锥状环形间隙流动,将这一
26、间隙展开成平面，则是一个扇形，相当于平行圆盘间隙的一部分，可根据平行圆盘间隙流动的流量公式导出。最后得到的泄漏流量公式为：,本节结束返回,第六节 空穴现象,一、油液的空气分离压和饱和蒸气压,空穴现象：在流动的液体中，因某点处的压力低于空气分离压而产生气泡的现象。,空气分离压在一定的温度下，如压力降低到某一值时，过饱和的空气将从油液中分离出来形成气泡，这一压力值称为该温度下的。饱和蒸气压当液压油在某温度下的压力值低于某一数值时，油液本身迅速汽化，产生大量蒸气气泡，这时的压力称为液压油在该温度下的。一般饱和蒸气压比空气分离压小很多。为了使液压油不产生大量气泡，它的压力最底不得低于所在温度下的空气分
27、离压,二、节流口处的空穴现象,油液流经节流口会产生空穴现象。并产生气蚀。气蚀空穴产生的局部高温和高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现海绵状的小洞穴，这种现象称。在液压系统中，只要某点处的压力低于液压油所在温度下的空气分离压，就会产生空穴现象。,如液压泵的吸油口。,三、空穴现象的危害,空穴现象使液压装置产生噪声和振动，使金属表面受到腐蚀，产生气蚀现象，使油液氧化变质。,四、减小空穴现象的措施,（1）减小流经节流小孔前后的压力差，一般希望小孔前后的压力比小于3.5。（2）正确设计液压泵的结构参数。适当加大吸油管内径，使吸油管中液流速度不致太高，尽量避免急剧拐弯或存在局部狭窄处，接头应有良好密封，过滤器要及时清洗或更换以防堵塞，对高压泵宜设置辅助泵向液压泵的吸油口供应低压油。（3）提高零件的抗气蚀能力。,本章结束,粘度和温度间的关系,流线,流管和流束,通流截面,
