第2章液压流体力学基础 - 图文

第2章 液压流体力学基础

液压传动以液体作为传动介质，按照液体流体力学基本原理进行传动与控制。本章主要讲述与液压传动有关的流体力学的基本内容，其研究范围限于工作液体在封闭管路或容器内的流动，为后续章节的学习打下必要的理论基础。

2.1 液压系统的工作介质

2.1.1 液压工作介质的类型

目前液压传动中采用的工作液体主要有矿物油、浮化液和合成型液三大类。由于矿物油润滑性能好、腐蚀性小、品种多、化学安定性好，能满足各种粘度的需要，故大多数液压传动系统都采用矿物油作为传动介质。工作液体的种类如下表所示：

机械油 汽轮机油 通用液压油 矿物油 液压导轨油 耐磨液压油 低凝液压油 清净液压油 数控液压油 专用液压油 工作液体 乳化液 油包水乳化液 (油60%，水40%) 水包水乳化液 (水90~95%，油5~10%) 磷酸脂基液压油 水——二元醇基液压油

合成型 国外二十世纪70年代初发展起来的高水基液压油现已演变到第三代。第一代是可溶性油，由5%的可溶性油和5%的水制成，即原始的水包油乳化液。第二代是合成液，不含油，由无色透明的合成溶液和水按5:95的比例配制而成。第三代是微型乳化液，它既不是乳化液，也不是深液，而是

一种在95%水中均匀地扩散着水溶性抗磨添加剂的胶状悬浮液。高水基液压油适用于大型液压机以及环境温度较高的液压系统。 2.1.2 液压工作介质的性能

1. 可压缩性

单位压力变化下引起的液体体积的相对变化量称为体积压缩系数，用k表示，并以k来度量油的可压缩性的大小。

k??1?V? (m2/N) （2-1） ?pV式中 ?p——压力变化量(Pa)；

?V——被压缩后油液体积的变化量 (m2) V——油液压缩前的体积 (m3)。

由于压力增大时液体的体积减小，上式右边加一负号，以使k为正值。 液体体积压缩系数的倒数称为液体的体积弹性模量，用K表示。即

K=1/k (N/m2) （2-2）

各型液压油的体积弹性模量如表2-1所示。矿物油的压缩性是钢的100~150倍。

表2-1 各种液压油的体积弹性模量 (20℃，大气压) 液压油的种类 矿物型 水——二元醇基 W/O型 磷酸脂型 K (N/m2) (1.4~2.0)×109 3.15×109 1.95×109 2.65×109 液压油的压缩性受压缩过程、温度和压力等的影响较小，在工程上使

用时不加以区别。液压系统在静态下工作时，一般不考虑的压缩性。但是液压油的压缩性对液压系统的动态性能影响很大，在计算液压系统的动态特性时，必须考虑液压油的压缩性。

2. 粘性

当液体在外力作用下发生流动时，分子间的内聚力要阻止分子间的相对运动而产生种内摩擦力。我们把油液在流动时产生内摩擦力的特性称为油的粘性。油液只有在流动时才有粘性，静止液体不显示粘性。

粘性的大小用来粘度来衡量。粘度是选择液压油的主要指标，它对油液流动特性影响很大。当油液粘度过高，会导致机械上和液体内部两方面

的摩擦增加，产生高温、增大压力损失和能耗；粘度过低时，又会增加内外泄漏，增加泵的动力传递损耗和元件的磨损。

(1) 粘度的定义及其物理意义

如图2-1所示，两平行平板之间充满液体，下平板固定不动，而上平板以速度u0向右运动。由于油液的粘性，紧贴下平板的油液静止不动，即速为零，而中间各层液体的速度呈线索性分布。

图2-1 液体粘性示意图

根据牛顿液体内摩擦定律，液体流动时，相邻两液层间的内摩擦力Ff

与液层接触面积A、速度梯度du/dy成正比，即 Ff??A式中 ?——粘度(粘度系数)

单位面积上的内摩擦力

du (2-3) dy??FfA??du dy或 ???dy （2-4） du由（2-4）式知，液体的粘度的物理意义是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。它表示油液抵抗变形的能力。

(2) 粘度的表示方法 1) 动力粘度

(2-4)式中的?称为动力粘度，它的法定单位为Pa·s，以前用的单位为P(泊，dyne·s/cm2)，1Pa·s=10P=103cP(厘泊)。

2) 运动粘度

液体的动力粘度与其密度的比值，称为液体的运动粘度，用v表示，即

v??/? （2-5）

运动粘度的法定单位为m2/s以前用的单位为St(沲)，1m2/s=104st=106cSt(厘沲)。就物理意义来说，v不是一个粘度量，但习惯上常用它来表示液体粘度。油的牌号就是以其在50℃时运动粘度的平均值为标注的。例如，20号机械油表示其在50℃时，它的平均运动粘度为20cSt。

3）相对粘度

动力粘度和运动粘度在理论分析和计算中经常使用，但要实际测定出来却很麻烦。工程上常采用另一种粘度表示方法，即相对粘度。

相对粘度是在一定的测量条件下测定的，所以相对粘度又称条件粘度。我国、德国、原苏联等都采用恩氏粘度°E，美国采用赛氏秒SSU，英国采用雷氏R。

恩氏粘度用恩格勒(Engler)粘度计测定。将200cm3温度为t℃的被测液体装入底部有?2.8mm小孔的恩格勒粘度计的容器中，测出200cm3液体从小孔流出的时间t1与同体积的蒸馏水在20℃时从恩氏粘度计小孔流出时间t2的比值，即恩氏粘度。用°Et表示，即

?Et?t1 （2-6） t2°Et称为液体在某温度t时的恩氏粘度。工业上一般以20℃，50℃，100℃作为则定恩氏粘度的标准温度，相应地以符号°E20、°E50、°E100表示。

图2-2 几种国产液压油的粘度-温度曲线

恩氏粘度与运动粘度的换算关系为

?6.31??62? vt??7.31?E??10m/s （2-7）t???Et????(3) 压力、温度对液体粘度的影响

液体粘度随液体压力、温度的变化而变化。对液压油而言，其粘度随压力增大而增大，但压力对液体粘度的影响小，在一般液压系统的压力使用范围(小于5MPa)内，可以忽略不计。当液压系统的压力较高时，应视对液压系统的要求，考虑压力对粘度的影响。

液体粘度对温度变化十分敏感，温度升高，粘度减小。图2-2表示了几种国产液压油的粘度与温度的关系。

实际应用中，常用粘温指数VI来衡量粘度随温度变化的程度。VI值越大，粘度随温度变化越小，即粘温性能越好。液压油的粘温指数一般要求在90以上。

3. 其它特性

除以上所述特性外，液压油还有基佗一些性质，如稳定性（热稳定性、氧化稳定性、水解稳定性、剪切稳定性）、抗泡沫性、抗乳化性、润滑性、相容性等，对液压系统的性能，使用寿命等都有很大的影响，在选择液压油时必须考虑这些特性。 2.1.3 对液压工作介质的要求

液压油作为液压传动的工作介质，必须完成四项基本功能：传递动力（力和运动）；润滑液压元件和运动零件；散发热量以及密封液压元件对偶摩擦中的间隙，因此其性能好坏直接影响液压系统的性能。故对液压油有一定的要求：

1. 粘温性能要好。在使用的温度范围内，粘度随温度变化要小。一般要求VI?90。

2. 良好的润滑必能。油液既是工作介质，又是运动部件之间的润滑剂，油液应能在零悠扬的滑动表面上形成强度较高的油膜，以便形成液体润滑，避免发生干摩擦。

3. 液体中的杂质少，不允许有沉淀，以免磨损机件，堵塞管道及液压元件。

4. 对热、氧化、水解有良好的稳定性。 5. 对金属和密封件有良好的相容性。

6. 抗泡沫性、抗乳化性好以及凝固点低、闪点 2.1.4 液压工作介质的选用

选择液压传动的工作介质时，首先应根据液压传动系统的工作环境和工作条件来选择合适的液压油的类型，然后再选择液压油液的主要指标

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