液压油与液压流体力学基础.ppt

1,第二章液压油与液压流体力学基础,液体的物理性质液体静力学基础液体动力学基础液体流动时的压力损失液体流经小孔和缝隙的流量液压冲击和空穴现象,2,液压系统中完全靠液压油把能量从液压泵经管路、控制阀传递到执行元件，根据统计，许多液压设备的故障，皆起因于液压油的使用不当，故应对液压油要有充分的了解。,第一节液体的物理性质,3,一、液体密度：m/V二、液体的可压缩性：,4,三、液体的粘性：流体流动时，沿其边界面会产生一种阻止其运动的流体磨擦作用，这种产生内摩擦力的性质称为粘性。,5,6,液压油粘性对机械效率、磨耗、压力损失、容积效率、漏油及泵的吸入性影响很大。粘性的大小用粘度表示。粘度可分为动力粘度、运动粘度和相对粘度三种。习惯上使用运动粘度标志液体的粘度，例如机械油的牌号就是用其在400C时的平均运动粘度（mm/s2）为其标号。,7,油的粘性易受温度影响，温度上升，粘度降低，造成泄漏、磨损增加、效率降低等问题，温度下降，粘度增加，造成流动困难及泵转动不易等问题，如运转时油液温度超过60度，就必须加装冷却器，因油温在60度以上，每超过10度，油的劣化速度就会加倍。,8,四、液压油的类型与选用1.对液压油的性能要求（1）适当的粘度和良好的粘温性；（2）有良好的化学稳定性（氧化安定性，热安定性及不易氧化、变质）（3）良好的润滑性，以减少相对运动间的磨损（4）良好的抗泡沫性（起泡少，消泡快）（5）体积膨胀系数低，闪点及燃点高（6）成分纯净，不含腐蚀性物质，具有足够的清洁度（7）对人体无害，对环境污染小，价格便宜,9,2.液压油的种类石油型、合成型和乳化型1)石油型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)乳化型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。3)合成型,10,3.液压油的选用一般是先确定适用的粘度范围，再选择合适的液压油品种。同时还要考虑液压系统工作条件的特殊要求可根据不同的使用场合选用合适的品种，在品种确定的情况下，最主要考虑的是油液的粘度，其选择考虑的因素如下。（1）液压系统的工作压力：工作压力较高的系统宜选用粘度较高的液压油，以减少泄露；反之便选用粘度较低的油。例如，当压力p=7.020.0Mpa时，宜选用N46N100的液压油；当压力p7.0Mpa时宜选用N32N68的液压油。,11,（2）运动速度：执行机构运动速度较高时，为了减小液流的功率损失，宜选用粘度较低的液压油。（3）液压泵的类型：在液压系统中，对液压泵的润滑要求苛刻，不同类型的泵对油的粘度有不同的要求，具体可参见有关资料。（4）工作环境温度高时选用粘度较高的液压油，减少容积损失。总的来说，应尽量选用较好的液压油，虽然初始成本要高些，但由于优质油使用寿命长，对元件损害小，所以从整个使用周期看，其经济性要比选用劣质油好些。,12,五、液压油的污染及其控制1.污染的危害液压油是否清洁，不仅影响液压系统的工作性能和液压元件的使用寿命，而且直接关系到液压系统是否能正常工作。液压系统多数故障与液压油受到污染有关，因此控制液压油的污染是十分重要的。2.污染的原因造成液压油污染的原因有：（1）残留物污染（2）侵入物污染（3）生成物污染,13,3.污染的控制一是防止污染物侵入液压系统；二是把已经侵入的污染物从系统中清楚出去。(1)使液压油在使用前保持清洁。(2)使液压系统在装配后、运转前保持清洁(3)使液压油在工作中保持清洁。(4)采用合适的滤油器。(5)定期更换液压油。(6)控制液压油的工作温度。,14,一、液体的压力：静止液体在单位面积上所受的法向力称为静压力。静压力在液压传动中简称压力,在物理学中则称为压强。,第二节液体静力学基础,液体静压力有两个重要特性:（1）液体静压力垂直于承压面,其方向和该面的内法线方向一致。这是由于液体质点间的内聚力很小,不能受拉只能受压之故。（2）静止液体内任一点所受到的压力在各个方向上都相等。,15,二、重力作用下静止液体中的压力分布液体静压力基本方程pA=PoA+ghA式中，ghA为小液柱的重力，液体的密度上式化简后得：p=p0+gh,16,液体静压力基本方程说明什么问题：（1）静止液体中任何一点的静压力为作用在液面的压力Po和液体重力所产生的压力gh之和。（2）液体中的静压力随着深度h而线性增加。（3）在连通器里，静止液体中只要深度h相同其压力都相等。p=p0+gh,17,应用液体静压力基本方程：例1-1如图1-3所示，容器内盛油液。已知油的密度=900kg/m3，活塞上的作用力F=1000N，活塞的面积A=110-3m2，假设活塞的重量忽略不计。问活塞下方深度为h=0.5m处的压力等于多少？,18,解:活塞与液体接触面上的压力均匀分布，有根据静压力的基本方程式（1-3），深度为h处的液体压力=106+9009.80.5=1.0044106(N/m2)106(Pa),19,从本例可以看出，液体在受外界压力作用的情况下，液体自重所形成的那部分压力gh相对甚小，在液压系统中常可忽略不计，因而可近似认为整个液体内部的压力是相等的。以后我们在分析液压系统的压力时，一般都采用这种结论。,20,三、压力的表示方法和单位绝对压力、相对压力及真空度根据度量方法的不同有所谓的表压力又称相对压力和绝对压力之分。以当地大气压力为基准所表示的压力称为表压力。以绝对零压力作为基准所表示的压力称为绝对压力。如液体中某点处的绝对压力小于大气压力，这时该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值，称为真空度。所以真空度=大气压力-绝对压力,21,有关表压力、绝对压力和真空度的关系见图。,22,四、静止液体内压力的传递（帕斯卡原理）,图所示建立了一个很重要的概念，即在液压传动中工作的压力取决于负载，而与流入的流体多少无关。,23,五、液体对固体壁面的作用力,1、压力作用在平面上的总作用力当承受压力作用的面是平面时，作用在该面上的压力的方向是互相平行的。故总作用力F等于油液压力p与承压面积A的乘积。即F=p.A。对于图中所示的液压缸，油液压力作用在活塞上的总作用力为：F=p.A=p.D2/4式中p油液的压力；D活塞的直径。,24,2、油液压力作用在曲面上的总作用力,当承受压力作用的表面是曲面时，作用在曲面上的所有压力的方向均垂直于曲面（如图所示），图中将曲面分成若干微小面积dA，将作用力dF分解为x、y两个方向上的分力，即Fxp.dAsin=p.AxFY=p.dAcos=p.Ay式中，Ax、Ay分别是曲面在x和y方向上的投影面积。所以总作用力F=(Fx2+Fy2)1/2,25,第三节液体动力学基础一、基本概念稳定流动:液体流动时，若液体中任何一点的压力，流速和密度都不随时间变化。非稳定流动:压力，流速随时间而变化的流动。理想液体:液体既无粘性又不可压缩。实际液体：既有粘性又可压缩。,26,迹线：迹线是流场中液体质点在一段时间内运动的轨迹线。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。,27,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。流束：充满在流管内的流线的总体，称为流束。通流截面：垂直于流束的截面称为通流截面。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。,28,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。,29,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。层流：在液体运动时，如果质点没有横向脉动，不引起液体质点混杂，而是层次分明，能够维持安定的流束状态，这种流动称为层流紊流：如果液体流动时质点具有脉动速度，引起流层间质点相互错杂交换，这种流动称为紊流或湍流。,30,31,雷诺数液体流动时究竟是层流还是紊流，须用雷诺数来判别。Re=vd/液流的雷诺数如相同，它的流动状态也相同。当液流的雷诺数Re小于临界雷诺数时，液流为层流；反之，液流大多为紊流。常见的液流管道的临界雷诺数由实验求得。,32,二、连续性方程,33,对稳流而言，液体以稳流流动通过管内任一截面的液体质量必然相等。如图所示管内两个流通截面面积为A1和A2，流速分别为V1和V2，则通过任一截面的流量Q：Q=AV=A1V1=A2V2=常量即连续定理，此式还得出另一个重要的基本概念，即运动速度取决于流量，而与流体的压力无关。,34,6、连续定理应用及帕斯卡原理应用：例图所示为相互连通的两个液压缸，已知大缸内径D=100mm,小缸内径d=20mm,大活塞上放上质量为5000kg的物体。问:1.在小活塞上所加的力F有多大才能使大活塞顶起重物？2.若小活塞下压速度为0.2m/s，试求大活塞上升速度？,35,解：1物体的重力为G=mg=5000kg9.8m/s2=49000kgm/s2=49000N根据帕斯卡原理，由外力产生的压力在两缸中相等，即故为了顶起重物应在小活塞上加力为=49000N=1960N,36,2.由连续定理：Q=AV=常数得出：故大活塞上升速度：本例说明了液压千斤顶等液压起重机械的工作原理，体现了液压装置的力放大作用。,37,理想液体没有粘性，它在管内作稳定流动时没有能量损失。根据能量守恒定律有：P1/+h1g+u12/2=P2/+h2g+u22/2可改写成P/+hg+u2/2=常量,三、伯努利方程,1、理想液体的伯努力方程,38,伯努利方程的物理意义为：在管内作稳定流动的理想液体具有压力能、位能和动能三种形式的能量。在任意截面上这三种能量都可以相互转换，但其总和保持不变。而静压力基本方程则是伯努利方程（在速度为零时）的特例。,39,实际液体具有粘性，当它在管中流动时，为克服内摩擦阻力需要消耗一部分能量，所以实际液体的伯努利方程为：P1/+h1g+u1/2=P2/+h2g+u2/2+ghw,2、实际液体的泊努利方程,40,3.伯努利方程应用举例,计算泵吸油腔的真空度或泵允许的最大吸油高度,如图所示，设泵的吸油口比油箱液高h，取油箱液面II和泵进口处截面II-II列伯努利方程，并取截面II为基准水平面。泵吸油口真空度为：P1/+v12/2g=P2/+h+v22/2g+hwP1为油箱液面压力，P2为泵吸油口的绝对压力,41,一般油箱液面与大气相通，故p1为大气压力，即p1=pa；v2为泵吸油口的流速，一般可取吸油管流速；v1为油箱液面流速，由于v1v2，故v1可忽略不计；p2为泵吸油口的绝对压力，hw为能量损失。据此，上式可简化成Pa/=P2/+h+v22/2g+hw泵吸油口真空度为Pa-P2=h+v/2+hw=h+v2/2+P,42,由上式可知，在泵的进油口处有一定真空度，所谓吸油，实质上是在油箱液面的大气压力作用下把油压入泵内的过程。泵吸油口的真空度不能太大，即泵吸油口处的绝对压力不能太低。当压力低于大气压一定数值时，溶解于油中的空气便分离出来形成气泡,这种现象称为气穴。,43,（2）计算泵的出口压力,如图所示，泵驱动液压缸克服负载而运动。设液压缸中心距泵出口处的高度为h，则可根据伯努利方程来确定泵的出口压力。选取I-I，II-II截面列伯努利方程以截面II为基准面。则有P1/+v12/2g=P2/+v22/2g)+h+hw,44,因此泵的出口压力为P1=P2+(v22/2-v12/2)+h+P在液压传动中，油管中油液的流速一般不超过6m/s，而液压缸中油液的流速更要低得多。因此计算出速度水头产生的压力和h的值比缸的工作压力低得多，故在管道中，这两项可忽略不计。这时上式可简化为P1=P2+P,45,四、动量方程,在管流中，任意取出被通流截面1、2，截面上的流速为v1、v2。该段液体在t时刻的动量为（mv)，于是有：F（mv)/tQ(v2v1）上式即为液体稳定流动时的动量方程。上式表明：作用在液体控制体积上的外力总和等于单位时间内流出与流入控制表面的液体动量之差。,46,求液流作用在滑阀阀芯上的稳态液动力,图中分别为液流流经滑阀阀腔的两种流动情况,2.动量方程的应用,47,油液作用在阀芯上的力称作稳态液动力，其大小为：F=-F=Qv1cos，F的方向与v1cos一致。阀芯上的稳态液动力力图使滑阀阀口关闭。,先列出图(a)的控制体积在阀芯轴线方向上的动量方程求得阀芯作用于液体的力为：F=Qv2cos90。Qv1cos=-Qv1cos,48,第四节液体流动时的压力损失压力损失：由于液体具有粘性，在管路中流动时又不可避免地存在着摩擦力，所以液体在流动过程中必然要损耗一部分能量。这部分能量损耗主要表现为压力损失。,49,压力损失有沿程损失和局部损失两种。沿程损失是当液体在直径不变的直管中流过一段距离时，因摩擦而产生的压力损失。局部损失是由于管子截面形状突然变化、液流方向改变或其它形式的液流阻力而引起的压力损失。总的压力损失等于沿程损失和局部损失之和。由于压力损失的必然存在，所以泵的额定压力要略大于系统工作时所需的最大工作压力，一般可将系统工作所需的最大工作压力乘以一个1.31.5的系数来估算。,50,油液在直管中流动的沿程压力损失可用达西公式表示：P=(l/d)(v2/2)式中沿程阻力系数；l直管长度；d管道直径；v油液的平均流速；油液密度。公式说明了压力损失P与管道长度及流速v的平方成正比，而与管子的内径成反比。至于油液的粘度，管壁粗糙度和流动状态等都包含在内。,一、沿程压力损失,51,1.层流时沿程阻力系数的确定,设液体在一直径为d的圆管中作层流运动，在液流中取微小圆柱体，直径为2r，长为l。作用在这小圆柱体上的两端压力（p1,p2)和圆柱两侧的剪切应力(粘性力)可求得管中流速分布的表达式为U=(p1-p2)/4l(d2/4-r2)在管中心处，流速最大，其值为Umax=(p1-p2)/16l.d2,（1）液流在直管中流动时的速度分布规律,52,（2）圆管中的流量,在单位时间内液体流经直管的流量Q就是该抛物线体的体积，其值可由积分求得。Q=0d/2u.2r.dr=(p1-p2)/2l.0d/2(d2/4-r2)rdr=d4(p1-p2)/128l=d4p/128l式中d管道内径；l直管长度；油液的动力粘度；p压力损失或压力降。平均流速v=Q/A=(d4/128l).p/(d2/4)=32l.p,53,（3）沿程阻力系数,层流时沿程阻力系数的理论值为：=64/Re水的实际阻力系数和理论值很接近。液压油在金属管中流动时，常取：=75/Re在橡皮管中流动时，取=80/Re,54,2.紊流时沿程阻力系数,紊流流动时的能量损失比层流时要大，截面上速度分布也与层流时不同，除靠近管壁处速度较低外，其余地方速度接近于最大值。其阻力系数由试验求得。当2.3x1034的小孔。在液压技术中常作为阻尼孔。如图所示。油液流经细长小孔时的流动状态一般为层流，因此可用液流流经圆管的流量公式，即：Q=(d4/128l)p从上式可看出，油液流经细长小孔的流量和小孔前后压差成正比，而和动力粘度成反比，因此流量受油温影响较大，这是和薄壁小孔不同的。,流量通用方程：q=kAp*,62,二、液体流过缝隙的流量两种状况：压差流动剪切流动,63,（1）流经同心圆柱环形间隙的流量如图所示可得出流经同心圆柱环形间隙的流量为Q=vA=(p/12l)2d=(d3/12l)p上式即为通过同心圆环间隙的流量公式。它说明了流量与p和3成正比，即间隙稍有增大，就会引起泄漏大量增加。,1、流经圆柱环形间隙的流量,64,在实际工作中，圆柱与孔的配合很难保持同心，往往有一定偏心，偏心量为e，通过此偏心圆柱形间隙的泄漏量可按下式计算:Q=(d3/12l)p(1+1.52)从上式可知，通过同心圆环形间隙的流量公式只不过是=0时偏心园环形间隙流量公式的特例。当完全偏心时e=,=1,此时Q(2.5d3/12l）p可见，完全偏心时的泄漏量是同心时的2.5倍。,（2）流经偏心园环形间隙的流量,65,液体流过圆环缝隙的流量1）=1时q偏=2.5q同2）=0时即同心圆环缝隙3）q与2成正比，q应尽量做成同心，以减小泄漏量。,66,图为一平面缝隙，液压油在压力差p作用下自左向右流动。此平面隙缝可以看作是同心圆环形间隙的展开，故可用平面隙缝的宽度b代替同心圆环形间隙流量公式中的d，即得平行平面隙缝的流量公式：Q=b3/12lp,2、流经平面隙缝的流量,67,3、流经平行圆盘间隙的流量,图为相距间隙很小的二平行圆盘，液流由中心向四周沿径向呈放射形流出。柱塞泵和马达中的滑阀和斜盘之间，喷嘴挡板阀的喷嘴挡板之间以及某些静压支承均属这种结构。其流量可按下式计算：Q=3p/6ln(R/r）R圆盘的外半径；r圆盘中心孔半径；油液的动力粘度。p进口压力与出口压力之差。,68,液体流过平行平板缝隙的流量在压差作用下，通过固定平行平板缝隙的流量与缝隙高度的三次方成正比，这说明，液压元件内缝隙的大小对其泄漏量的影响是很大的。流量损失影响运动速度，而泄漏又难以绝对避免，所以在液压系统中泵的额定流量要略大于系统工作时所需的最大流量。通常也可以用系统工作所需的最大流量乘以一个l.11.3的系数来估算。,69,第六节液压冲击和空穴现象一、液压冲击：在液压系统中,当油路突然关闭或换向时,会产生急剧的压力升高这种现象。造成液压冲击的主要原因是液压速度的急剧变化、高速运动工作部件的惯性力和某些液压元件反应动作不够灵敏.1）迅速使油液换向或突然关闭油路，使液体受阻，动能转换为压力能，使压力升高。2）运动部件突然制动或换向，使压力升高。,70,一、液流通道迅速关闭时的液压冲击,如图所示，液体自一具有固定液面的压力容器沿长度为l，直径为d的管道经出口处的阀门以速度v0流出。诺将阀门突然关闭，此时紧靠阀门口B处的一层液体停止流动，压力升高p。其后液体也依次停止流动，动能形成压力波,并以速度c向A传播。此后B处压力降低p，形成压力降波，并向A传播。而后当A处先恢复初始压力，压力波又传向B。则如此循环使液流振荡。振荡终因摩擦损失而停止。,71,让我们计算阀门关闭时的最大压力升高值p。设管路断面积为A1，管长为l，压力波从B传到A的时间为t，液体密度为，管中的起始流速为v0，则有：p=v0.1/t=cv0式中c=1/t为压力波传播速度。如阀门不是完全关闭，而是使流速从v0降到v1则有：p=c(v0-vt)=cv当阀门关闭时间tT=21/c时称为不完全冲击，此时压力峰值比完全冲击时低。,72,产生液压冲击时,系统中的压力瞬间就要比正常压力大好几倍,特别是在压力高、流量大的情况下,极易引起系统的振动、噪音甚至导管或某些液压元件的损坏,既影响系统的工作质量又会缩短其使用寿命。还要注意的是由于压力冲击产生的高压力可能使某些液压元件产生误动作,而损坏设备。减少液压冲击的措施：1.延长阀门关闭和运动部件制动换向时间2.限制管道流速及运动部件速度3.适当加大管道直径，尽量缩短管道长度4.采用软管，以增加系统的弹性,73,二、空穴现象：如果某处的压力低于空气分离压时，原先溶解在液体中的空气就会分离出来，导致液体中出现大量气泡的现象，称为空穴现象。压力油流过节流口、阀口或管道狭缝时，速度升高，压力降低；液压泵吸油管道较小，吸油高度过大，阻力增大，压力降低；液压泵转速过高，吸油不充分，压力降低。,74,如果液压系统中发生了空穴现象,液体中的气泡随着液流运动到压力较高的区域时,气泡在较高压力作用下将迅速破裂,从而引起局部液压冲击,造成噪音和振动,另一方面,由于气泡破坏了液流的连续性,降低了油管的通油能力,造成流量和压力的波动,使液压元件承受冲击载荷,影响其使用寿命。同时气泡中的氧也会腐蚀金属元件的表面,我们把这种因发生空穴现象而造成的腐蚀叫汽蚀。,75,措施：1.减小小孔或缝隙前后的压力降2.降低泵的吸油高度，适当加大吸油管内径，限制吸油管内液体的流速，尽量减少吸油管路中的压力损失3.管路要有良好的密封，防止空气进入,76,在图所示液压缸装置中，d1=20mm，d2=40mm，D175mm，D2=125mm，qvl=25Lmin。求v1、v2和qv2各为多少？,77,如图所示，油管水平放置，截面11、22处的内径分别为d15mm，d2=20mm，在管内流动的油液密度=900kgm3，运动粘度=20mm2/s。若不计油液流动的能量损失，试解答：,78,（1）截面11和22哪一处压力较高？为什么？（2）若管内通过的流量qv30Lmin，求两截面间的压力差p。,