1、模块一 液压油的力学基础1-1 液压工作介质1-2 液压油的力学基础1-3 液体流动状态、液压冲击和气穴现象模块一 液压油的力学基础【学习目标】()掌握工作介质液压油的分类及物理性质.()掌握液体静力学、动力学基础知识.()了解压力损失、层流、紊流、雷诺数的概念.()掌握液压冲击和气穴现象.模块一 液压油的力学基础1-1 液压工作介质模块一 液压油的力学基础一、液压工作介质的种类 在液压传动系统中,工作介质按照 GB/T7631.287(等效采用ISO6743/4)进行分 类,主要分为石油基型液压油和难燃型液压油两大类,如图1-1所示.在液压传动系统中,一般以矿物油(石油基型液压油)作为工作介
2、质.液压油是传递信 号和能量的转换介质,同时它还具备润滑、防腐、散热等方面的作用.一个液压系统能够 正常有效工作,很大程度上取决于液压油.模块一 液压油的力学基础二、液压油的物理性质 密度 单位体积内液体的质量,称为液体的密度.体积为V、质量为 M 的液体的密度为可压缩性 液体是可以被压缩的,液体受外部压力作用而发生体积减小的性质称为可压缩性.液 体可压缩性的大小用液体的压缩系数k 表示,指在单位压力变化时引起液体体积的相对变 化量.由于液体的体积不容易压缩,故在一般的液压系统中,静态工作下可不考虑油液的 压缩性.黏性)黏性的概念 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分
3、子间的相对运动 而产生一种内摩擦力,这种现象叫做液体的黏性.液体只有在流动(或有流动趋势)时才会 呈现出黏性,静止液体是不呈现黏性的.液体黏性的示意图见图-.模块一 液压油的力学基础)黏度 液体的黏性大小可用黏度来表示.黏度的表示方法有动力黏度、运动黏度和相对 黏度.)黏度与压力、温度的关系 液体的黏度会随着压力、温度的变化而发生变化.压力增加,体积减小,密度增大,黏度增大,但增加的数值不大.在一般液压系统的 使用范围内,黏度可忽略不计.液体的黏度受温度影响较大.温度升高,体积膨胀,密度减小,黏度下降,这种现象 叫做液压油的黏温特性.不同的液压油具有不同的黏温特性,决定了液压油的使用场合.图-
4、所示为常见的几种不同液压油的黏温图.三、液压油的污染、控制和选用要求()黏度合适,黏温性能要好.()油液纯净,不含杂质.()在低温下不容易凝固,在高温下不容易燃烧.模块一 液压油的力学基础()润滑性能好,不容易形成干摩擦.()具有良好的抗泡沫性和抗乳化性,相容性好.()稳定性好,能长期在高温、高压以及高速环境下使用.()防腐性好.()经济适用性好,成本低.选用 在液压传动系统中,各类阀及液压泵对油液的性能非常敏感,合理地选择液压油对延 长系统中各元件的使用寿命、提高系统可靠性都有重要的影响.在选用时,优先考虑黏性.()工作压力高,选黏度大的;工作压力低,选黏度小的.()环境温度高,选黏度大的;
5、环境温度低,选黏度小的.()工作元件运动速度高时,宜选黏度小的;工作元件运动速度低时,宜选黏度大的.其次选用经济适合型.尽量选择成本低、对污环境染性小、防腐性能好、难燃型、毒性小、稳定性高、更换方便、使用时间长的液压油.液压油的污染与保养 质量再好的液压油其性能也不可能永远保持不变.液压油变质除了会降低使用性能 外,劣化生成的有机酸或油泥还会导致液压装置腐蚀生锈,引起液压元件动作不良等故 障.据统计,液压系统故障的是由于液压油的污染引起的.引起液压油污染的 过程包括运输、安装、运行、维护、储存、自然混入及物化过程.因此,为了防止液压油的劣化、污染对液压系统造成损害,必须遵照换油基准(定期更 换
6、或理化分析方法),使液压油的性能始终保持在安全范围内.模块一 液压油的力学基础-液压油的力学基础模块一 液压油的力学基础一、液体的静力学基础 液体的静力学主要讨论液体处于静止状态时的平衡规律及这些规律的应用.液体的静压力 液体的静压力是指在单位面积上所受的内法向力,简称压力.在物理学中它称为压 强,在液压与气压传动中则称为压力,用符号P 来表示:液体的静压力有以下重要性质:()液体的静压力垂直于其作用平面,其方向与该平面的内法线方向一致.()静止液体内任一点的压力在各个方向上都相等.模块一 液压油的力学基础静力学基本方程如图-所示,在盛有液体的容器中,作用在液面上的压力为 P,求离液面h 深处
7、 A 点压力.由于液体在外力、重力及周围液体的压力作用下处于平衡状态,故A 点压力作用的公 式计算为模块一 液压油的力学基础式()为液体静力学基本方程,该式表明:()静止液体内任一点处的压力由两部分组成,一部分是液面上的压力P,另一部分 为g 与该点距液面深度h 的乘积.当液面上只受大气压 Pa 作用时,点 A 处的静压力则 为PPagh.()静止液体内的压力P 随液体深度h 呈直线规律分布.()距液面深度h 相同的各点压力都相等,由压力相等的点组成了等压面,这个等压 面为一水平面.压力的表示方法压力有两种表示方法:一种是以绝对真空作为基准所表示的压力,称为绝对压力;另 一种是以大气压力作为基
8、准所表示的压力,称为相对压力.由于大多数测压仪表所测得的 压力都是相对压力,故相对压力也称表压力.当绝对压力小于大气压力时,可用容器内的 绝对压力不足一个大气压的数值来表示,称为真空度.它们的关系如下:绝对压力大气压力相对压力(绝对压力大气压力)真空度大气压力绝对压力(绝对压力大气压力)绝对压力、相对压力、真空度三者之间的关系如图-所示.模块一 液压油的力学基础帕斯卡原理在密闭容器中的静止液体,当一处受到压力作用时,这个压力将通过 液体自身传到内部的任意点上,而且其压力值处处相等,这种现象就叫帕斯卡原理,也叫 静压传递原理.液压千斤顶就是利用这个原理工作的,如图-所示.模块一 液压油的力学基础
9、模块一 液压油的力学基础二、液体的动力学基础基本概念()理想液体:既无黏性又不可压缩的液体.()实际液体:既有黏性又可压缩的液体.()稳定流动:液体流动时,若液体中任意一点的压力、速度和密度都不随时间的变 化而变化,称为稳定流动,也叫恒定流动,如图-所示.模块一 液压油的力学基础()非稳定流动:液体流动时,任意一点的压力、速度和密度中有一项随时间发生变 化,称为非稳定流动,也叫非恒定流动.()通流截面A:液体在管道内流动时,垂直于液体流动方向的截面.()流量q:单位时间通过通流截面的液体的体积,单位为 L/min或 m/s.()平均流速v:由于流动的液体的黏性作用,通流截面上液体各点的流速不相
10、等.连续性方程 质量守恒定律是一项基本物理定律,在流体力学中广泛应用.如图 所示,理想液体在管道内做恒定流动,通过两个通流截面-、-的面积 分别为A 和A,液体的平均流速分别为v 和v,则单位时间流过两个截面的液体质量相等,因此有由于液体近似认为不可压缩,因此,故式(-)称为连续性方程.模块一 液压油的力学基础伯努利原理 能量守恒定律也是一项基本物理定律,在流体力学中得以应用.物理意义:理想的液体在管道内做稳定流动,具有三种形式的能量,即压力能、动能 和势能.这三种能量可以相互转换,但在各个截面上这三种能量的总和是一个常数,即能 量守恒.三、管道中的能量损失压力损失 在液压传动中,压力损失分为
11、两类:沿程压力损失和局部压力损失.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.这类压力损失是由液体 流动时的内、外摩擦力所引起的.局部压力损失:是油液流经局部障碍(如弯管、接头、管道截面突然扩大或收缩)时,由于油液流的方向和速度的突然变化,在局部形成漩涡引起油液质点间,以及质点与固体 壁面间相互碰撞和剧烈摩擦而产生的压力损失.流量损失 由于液压元件连接处密封的原因和配合表面之间存在缝隙,所以不同程度地存在着泄 漏,泄漏造成流量损失.泄漏分内泄漏与外泄漏两种.总能量损失 液压系统中所有压力损失及流量损失的总和,称为总能量损失.模块一 液压油的力学基础-液体流动状态、液压冲击和气穴现象模
12、块一 液压油的力学基础一、层流、紊流及雷诺数层流 液体流动时呈线型或层状,且平行于管道轴线,各层互不干扰,黏性力起主要作用,如图-(a)所示.紊流 液体流动时各质点运动杂乱无章,惯性力起主要作用,如图-(b)所示.雷诺数 实验表明,决定流动状态的是管内的平均流速v、液体的运动黏度、管径d 三个数所 组成的一个无量纲数,称为雷诺数Re:模块一 液压油的力学基础二、液压冲击因某些原因液体的压力在一瞬间会突然升高或者降低,产生很高的压力峰值,这种现 象称为液压冲击.液压冲击的类型 液压冲击的类型有管道阀门突然关闭时的液压冲击和运动部件制动时产生的液压冲击.瞬间压力冲击不仅引起振动和噪声,而且会损坏密
13、封装置、管道、元件,造成设备 事故.减少液压冲击的措施()延长阀门关闭和运动部件制动换向的时间.()限制管道流速及运动部件的速度.()适当增大管径,以减小冲击波的传播速度.()尽量缩短管道长度,减小压力波的传播时间.()用橡胶软管或设置蓄能器吸收冲击的能量.三、空穴现象 空穴现象的机理及危害液压系统中,某点压力低于液压油液所在温度下的空气分离压时,原先溶于液体中的 空气会分离出来,使液体产生大量的气模块一 液压油的力学基础泡,这种现象称为空穴现象(也叫气穴现象).当压力进一步减小到低于液体的饱和蒸汽压时,液体将迅速汽化,产生大量蒸汽气泡 使空穴现象更加严重.空穴现象多发生在阀口和泵的吸油口.空穴现象的危害 大量气泡使液流的流动特性变坏,造成流量和压力不稳定,液体流动不连续;气泡进 入高压区,高压会使气泡迅速崩溃,使局部产生非常高的温度和冲击压力,引起振动和噪 声;当附着在金属表面的气泡破灭时,局部产生的高温和高压会使金属表面疲劳,时间一 长会造成金属表面的侵蚀、剥落,甚至出现海绵状的小洞穴,即气蚀.这种气蚀作用会缩 短元件的使用寿命,严重时会造成故障.减少气穴现象的措施()减小阀孔前后的压力降,一般使压力比P/P.()尽量降低泵的吸油高度,减少吸油管道阻力.()各元件连接处要密封可靠,防止空气进入.()增强容易产生气蚀的元件的机械强度.
