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第二章 液压流体力学基础知识




du dy
单位Pa· s(帕.秒)或N· s/m2 (牛· 秒/米2)
牛顿液体: 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。(即不受速度变化影响) 2)运动粘度ν 液体动力粘度与其密度之比 (ν:音 nju 纽)单位 m2/s(米2/秒) 因其单位中只有长度和时间量纲,故称为运动粘度。
已不能忽略)
石油基液压油体积模量与温度压力有关:温度升高时,K值变小。在 液压油正常工作温度范围内,K值会有5%-25%变化,压力增大时,K值 增大,但这种变化不是线性关系。当P≥ 3MPa时,K值基本上不再增大。
3.粘性
粘性:液体在外力作用下流动,分子间内聚力的存在使其相互间相对 运动受到牵制,从而沿其界面产生内摩擦力,这一特性称为液体的粘性。 右图示例地说明了液体的粘性。 距离为h的两块平行板中间充满液体,下板 固定,上板速度为v0,由于液体和固体壁面的 附着力和液体之间的粘性,会使流动液体的各 F 个层面的速度大小不等:紧靠下平板面液体速 度为零,紧靠上平板面液层速度为v0。当h较小 时,中间各层液体的速度曾线性形递减规律分 布。
其中饱含蒸气压指:一定温度下,与液体或固体处于相平衡的蒸气所具 有的压力。同一物质不同温度下具有不同的饱含蒸气压,饱含蒸气压越 大表面越易挥发。
所有液压元件中,液压泵的工作条件最严峻,压力高,转速高,温度 高,而且工作介质进入和泵出时要受到剪切作用。所以一般根据液压 泵的要求确定介质的粘度。
此外,选择粘度还需考虑环境温度,系统工作压力,执行元件运动类 型速度和泄漏量等因素。 如:环温高,压力高,往复运动速度低或旋转运动时。或泄漏量大而 运动速度不高时,宜采用粘度低的工作介质。 工作介质的使用和维护 要保持液压装置长期高效而可靠运行,则工作介质必须得到妥善维护。 如使用不当,工作介质性质还会发生变化。 维护的关键是控制污染,因为工作介质的污染是系统发生故障的主要原 因,严重影响液压系统的可靠性及元件寿命。
0
建立平衡方程: pA p0 A Ahg 化简为: p p0 gh 即为静压力基本方程,它说明静压力分布有如下特征: 1)静止液体内任一点的压力由两部分组成:液面压力,和该点以上液体重力形成 的压力ρgh; 2)静止液体内的压力随液体深度呈线性递增; 3)同一液体中,离液面相等各点压力相等。(组成等压面)
电流变流体(ERF)和磁流变流体在处于电、磁场环境下,其物理性质会迅速 变化,现在研究用于新型流体传动系统。
二. 物理性质
工作介质有三项物理性质与液压传动性能密切相关
1. 密度:单位体积液体所具有的质量。
m v
3
kg m (单位: )液体密度会随压力或温度变化,但变化量一般很小, 在工程计算中一般不计。
其实质是压力变化量与单位体积液体体积变化量的比值。单位同压力单位。
可以形象地理解为一种体积变化的弹性系数。
表1-3是各种工作介质体积模量 压缩率和液体体积模量体现了液体的可压缩性与压力的关系。如同弹 簧的伸长量与弹簧力的关系。 一般情况下,工作介质的可压缩性对液压系统影响不大,但以下相关 研究必须予以考虑: ①高压下; ②研究系统动态性能; ③计算远距离操纵的液压系统(远距离传输下,液体的体积变化累计

du dy
这就是牛顿液体内摩擦定律。 由上式可知,静止液体 du dy =0,故其内摩擦为零,因此,静止液体不呈现粘 性,液体只在流动时才显示其粘性。 2. 粘性的度量 度量粘性大小的物理量称为粘度。 常用的有动力粘度,运动粘度,相对粘度三种。 1.动力粘度μ 由上式可知,动力粘度是表征流动液体内摩擦力大小的粘性系数。其量值等于液 体以单位速度梯度流动时,单位面积上的内摩擦力。
液压系统中使用的工作介质按ISO分类如表1-1所示。
目前90%以上的液压设备采用石油基液压油液,为改善其性能,满足上述要求 (不同液压设备,工况要求不同),在基液中加入各种添加剂。 有两类添加剂: 改善化学性能的,如抗氧化剂,防腐剂,防锈剂等。 改善物理性能的,如增粘剂,抗磨剂,防爬剂等。防爬剂用于各种机床液压和 导轨润滑合用的液压系统,使运动件在低速情况下防爬效果好。
第二章 液压流体力学基础知识
流体力学是研究液体平衡和运动、力学规律的一门科学,是研究流 体传动系统的理论基础。
§2.1 液压传动的工作介质 传动介质:液压传动及控制所用的工作介质为液压油液或其它合成液体,应具 备以下功能: (1)传动:把来自液压泵的能力传递给执行元件。 (2)润滑:对泵、阀、缸等元件具有润滑作用。 (3)冷却:可吸收,带走系统各部分产生的热量。 (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:防止与液压介质接触各种金属部分产生锈蚀

3)相对粘度 是根据特定测量条件制定的,故又称为条件粘度 测量条件不同,采用的相对粘度单位也不同。 ISO已规定统一采用运动粘度来表示油的粘度。
温度对粘度的影响 液体的粘度对温度变化十分敏感,这是缘于温度变化使液体内聚力发生 变化,温度升高,表示分子活动能力增强,故而内聚力减弱。依此可理解, 温度升高,液体粘性降低。如图所示。 这一特性称为液体的粘温特性。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,粘度指数高,说 明粘度随温度变化小,其粘温特性好。 一般要求在90以上,优异的在100以上。系 统工作温度变化大时,应选指数高的。 1. 压力对粘度的影响 压力会影响液体分子间间距,从而影响内聚力而影响粘度。但在低压时 ,影响并不明显,可以忽略。当压力大于500MPa时,其影响才趋显著。压 力对粘度影响按下式计算:
P15列出污染物种类及其危害 P16列出污染原因。 污染度等级:工作介质的污染度是指单位体积工作介质中固体颗粒污 染物的含量,即固体颗粒的含量浓度。 国际标准ISO4406.1987对污染度等级做了规定见P16 ISO4406.1999是其修改版本(P17) (4)工作介质的污染控制 主要属管理规范见P17、P18。(简要介 绍)
f
实验测定表明,流动液体相邻液层间的内摩擦力与液层接触面积,液层间 的速度梯度成正比,即:
Ff A
du dy
Ff-液层间内摩擦力 ,A-液层接触面积,du/dy- -液层间速度梯度,μ -粘 性系数,或称动力粘度。 若以τ表示液层间的切应力,即单位面积上的内摩擦力,则上式可表为:

Ff A
-压力为 P时的运动粘度,m2/s; p
vb
b-混入空气的体积分数(同温同压下占总体积的比) -空气体积分数为b时液体的运动粘度,m2/s; -不含空气时的运动粘度 m2/s
0
(三)液体传动介质的选用和维护
工作介质对液压系统的工作达到设计要求、保障工作能力、满足环境条 件、延长使用寿命、提高运行可靠性、防止事故发生等方面有重要影响。 对液压油的要求: a、良好的化学稳定性。 b、良好的润滑性能,以减小元件之间 的磨损。 c、质地纯净,不含或含有极少量的杂质、水份和水溶性酸碱等。 d、适当的粘度和良好的粘温特性。 1.选择:包含两个方面:品种和粘度 选择工作介质要考虑的因素,如表1-6. 工作介质选择的基本步骤:
2.可压缩性 液体所受压力增高而发生体积缩小的性质。
P,液体的体积减小 若压力为P 0 时液体的体积为 V0 ,当压力增加 V ,则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为:
k
1 V P V0
其特点是单位体积变化量,与单位压力变化量。 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, 为使为正值,上式右边加一负号。(因为体积和压力变化趋势相反) 液体压缩率的倒数称为液体体积模量,即 : 1 P K V0 P V k V V0
因此静压力基本方程的物理意义是: 静止液体内任一点具有压力能和位能两种能量形式,其总和保持不变,即能 量守恒。两种能量形式之间可以互相转换。 (三).压力的表示方法 有两种表示方法: 绝对压力:以绝对零压力基准表示的压力。 相对压力:以当地大气压力为基准表示的压力。 多数的压力表因其外部均受大气压力作用,指示的压力均是相 对压力。如不特别指明,所提到的压力均为相对压力。 真空度:如液体中某点压力小于大气压力,小的那部分压力差值称为真空度。 真空度=大气压力-绝对压力
§2.2液体静力学
一 静压力 静止液体单位面积上所受的法向力,简称压力,物理学中称压强。 公式表示为 F (微小面积 A 上作用有法向力 F ) p lim A 0 A
如果力F均匀作用在A上,则压力
p
单位:Pa 1Pa=1N/m2,1MPa=106Pa 静压力两个特性: 1)液体静压力垂直于承压面,方向和该面内法线方向一致。 2)液体内任一点所受压力在各个方向上相等。 静压力的单位: 我国法定的压力单位为牛顿/米2(N/m2),称为帕斯卡,简称帕(Pa)。 在液压技术中,目前还采用的压力单位有巴(bar)和工程大气压、千克力每 平方米(kgf/m2 )等。
(二).静压力基本方程物理意义
在坐标系0-x,z中考虑前图,如右图。 基本方程可写为:
p p0 gh p0 g ( z0 z)
整理得:
p gz p0 gz0
p0 p z z0 g g
P
显然等式值为常数 所以:
这是静压力基本方程的另一种形式。其中 是单位重力液体的压力能,, g 又称作压力水头。 z表示单位重力液体的位能,常称作位置水头。
1pa 9.8 10-6 atm(标准大气压 )1bar 105 pa 1.02kgf / cm2
F A
二. 静压力基本方程 (一).静压力基本方。
图中容器盛放静止液体,现需求出液面下深h处一点的压力。 取如图液柱作为控制体,在垂直方向上分析其受力。
p0A ,下表面压力pA ,液柱重力 Ahg p △A为截面面积,上表面压力:
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