液壓傳動油液與流體力學(xué)

1、,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Chapter 1 流體力學(xué)基礎(chǔ) 本章主要內(nèi)容： 1.1 工作介質(zhì) 1.2 流體靜力學(xué) 1.3 流體運動學(xué)和流體動力學(xué) 1.4 氣體狀態(tài)方程 1.5 充、放氣參數(shù)計算 1.6 管道流動 1.7 孔口流動 1.8 縫隙流動 1.9 瞬變流動,,S

2、chool of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,了解與液壓及氣動技術(shù)有關(guān)的流體力學(xué)基本內(nèi)容,流體經(jīng)過薄壁小孔、短孔、細長孔等小孔的流動情況，相應(yīng)的流量公式流體經(jīng)過各種縫隙的流動特性及其流量公式液壓沖擊和氣穴現(xiàn)象及其減小措施,目的任務(wù):,重點難點:,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體

3、力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part 1.1 工作介質(zhì),工作介質(zhì)：在傳動及控制中起傳遞能量和信號的作用。流體傳動及控制（包括液壓與氣動），在工作、性能特點上和機械、電氣傳動之間的差異主要取決于載體的不同，前者采用工作介質(zhì)。因此，掌握液壓與氣動技術(shù)之前，必須先對其工作介質(zhì)有一清晰的了解 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part

4、1.1.1 液壓傳動介質(zhì),1. 基本要求與種類,液壓傳動及控制所用的工作介質(zhì)為液壓油液或其他合成液體，其應(yīng)具備的功能如下 ：,1）傳動 把由液壓泵所賦予的能量傳遞給執(zhí)行元件；2）潤滑 潤滑液壓泵、液壓閥、液壓執(zhí)行元件等運動件 ；3）冷卻 吸收并帶出液壓裝置所產(chǎn)生的熱量 ；4）去污 帶走工作中產(chǎn)生的磨粒和來自外界的污染物 ；5）防銹 防止液壓元件所用各種金屬的銹蝕 。,,School of Mechanical En

5、gineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,為使液壓系統(tǒng)長期保持正常的工作性能，對其工作介質(zhì)提出的要求是：,1）可壓縮性 可壓縮性盡可能小，響應(yīng)性好；2）粘性 溫度及壓力對粘度影響小，具有適當?shù)恼扯?，粘溫特性好?）潤滑性 通用性對液壓元件滑動部位充分潤滑 ；4）安定性 不因熱、氧化或水解而變質(zhì)，剪切穩(wěn)定性好，使用壽命長；5）防銹和抗腐蝕性 對鐵及非鐵金屬的銹蝕性小 ；6）抗

6、泡沫性 介質(zhì)中的氣泡容易逸出并消除 ；,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,為使液壓系統(tǒng)長期保持正常的工作性能，對其工作介質(zhì)提出的要求還有：,7）抗乳化性 除含水液壓液外的油液，油水分離要容易 ；8）潔凈性 質(zhì)地要純凈，盡可能不含污染物，當污染物從外部侵入時能迅速分離；9）相容性 對金屬、密封件、橡膠軟管、涂料等有良好的相容性 ；

7、10）阻燃性 燃點高，揮發(fā)性小，最好具有阻燃性； 11）其他 對工作介質(zhì)的其他要求還有；無毒性和臭味；比熱容和熱導(dǎo)率要大；體脹系數(shù)要小等 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,能夠同時滿足上述各項要求的理想的工作介質(zhì)是不存在的。液壓系統(tǒng)中使用的工作介質(zhì)按國際標準組織（ISO）的分類（我國國家標準GB/T7631.2—1987與此

8、等效）如表1-1所示 。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,表1-1 液壓傳動工作介質(zhì)的種類,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,目前90%以上的液壓設(shè)備采用石油基液壓油液。基油為精制的石油潤滑油餾分。為了改善液壓油液的性能，以滿足液壓設(shè)備的不同要求，往往在基油中加入各種添加劑。添加劑有兩類：一類是改善油液化學(xué)性能的，如抗氧化劑、防腐劑

9、、防銹劑等；另一類是改善油液物理性能的，如增粘劑、抗磨劑、防爬劑等 。,為了軍事目的，近年來在某些艦船液壓系統(tǒng)中，也有以海水或淡水為工作介質(zhì)的。而且正在逐漸向水下作業(yè)、河道工程、海洋開發(fā)等領(lǐng)域延伸。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,另外，電流變流體（簡稱ERF）在英國、美國、日本、中國等國家都在進行研究。ERF是在絕緣的連續(xù)相液體介質(zhì)中

10、加入精細的固體顆泣而形成的懸濁液。液體介質(zhì)是不導(dǎo)電的油，如礦物油、硅（氧）油或石蠟油等。而懸浮在油中的顆粒為尺寸在1~100μm的不導(dǎo)電的元件和有機材料。粒子占流體總體積的10%~40%。ERF在外加靜電場作用下其性質(zhì)會發(fā)生迅速變化。,當施加一電壓時，液體便固化；當電壓取消后，又立即恢復(fù)其液體狀態(tài)。使用ERF的優(yōu)點是：整個系統(tǒng)只需很少或根本沒有運動部件，因此可降低零部件制造精度，延長使用壽命，實現(xiàn)寂靜系統(tǒng)；并且能具有與電系統(tǒng)相匹配的響應(yīng)

11、速度，在被動系統(tǒng)中引入主動性能以及實現(xiàn)電控下的無級調(diào)速。因此，ERF的應(yīng)用前景十分看好 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,2. 物理性質(zhì),密度,單位體積液體所具有的質(zhì)量稱為該液體的密度 。即：,,（1-1）,式中 ρ — 液體的密度； V — 液體的體積；

12、 m — 液體的質(zhì)量 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,常用液壓傳動工作介質(zhì)的密度值見表1-2,表1-2 常用液壓傳動工作介質(zhì)的密度（20℃）,液體的密度隨著壓力或溫度的變化而發(fā)生變化，但其變化量一般很小，在工程計算中可以忽略不計 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,

13、第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,可壓縮性,液體因所受壓力增高而發(fā)生體積縮小的性質(zhì)稱為可壓縮性。若壓力為p0時液體的體積為V0，當壓力增加Δp，液體的體積減小ΔV，則液體在單位壓力變化下的體積相對變化量為：,（1-2）,式中，k 稱為液體的壓縮率。由于壓力增加時液體的體積減小，兩者變化方向相反，為使k 成為正值，在上式右邊須加一負號 。,液體壓縮率k的倒數(shù)，稱為液體體積模量，即,,（1-3）,,School of Mechani

14、cal Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,表1-3所示為各種工作介質(zhì)的體積模量。由表中石油基液壓油體積模量的數(shù)量可知，它的可壓縮性是鋼的100~170倍（鋼的彈性模量為2.1×105MPa） 。,表1-3 各種工作介質(zhì)的體積模量（20℃，大氣壓）,一般情況下，工作介質(zhì)的可壓縮性對液壓系統(tǒng)性能影響不大，但在高壓下或研究系統(tǒng)動態(tài)性能及計算遠距離操縱的液壓機構(gòu)時，則必須予以考

15、慮 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,石油基液壓油的體積模量與溫度、壓力有關(guān)：溫度升高時，K值減小，在液壓油正常工作溫度范圍內(nèi)，K值會有5%~25%的變化；壓力增加時，K值增大，但這種變化不呈線性關(guān)系，當p≥3MPa時，K值基本上不再增加 。,由于空氣的可壓縮性很大，因此當工作介質(zhì)中有游離氣泡時，K值將大大減小，且起始壓力的影響明顯增

16、大。但是在液體內(nèi)游離氣泡不可能完全避免，因此，一般建議石油基液壓油K的取值為（0.7~1.4）×103MPa，且應(yīng)采取措施盡量減少液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)中的游離空氣的含量 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,粘性,1）粘性的表現(xiàn) 液體在外力作用下流動時，分子間內(nèi)聚力的存在使其流動受到牽制從而沿其界面產(chǎn)生內(nèi)摩擦力，這一特性稱為液體的

17、粘性 。,圖1-1 液體粘性示意圖,現(xiàn)以圖1-1為例說明液體的粘性。若距離為h的兩平行平板間充滿液體，下平板固定，而上平板以速度u0向右平動由于液體和固體壁面間的附著力及液體的粘性，會使流動液體內(nèi)部各液層的速度大小不等：緊靠著下平板的液層速度為零，緊靠著上平板的液層速度為u0 ，,而中間各層液體的速度當層間距離h較小時，從上到下近似呈線性遞減規(guī)律分布。其中速度快的液層帶動速度慢的；而速度慢的液層對速度快的起阻滯作用 。,,Schoo

18、l of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,實驗測定表明，流動液體相鄰液層間的內(nèi)摩擦力Ff與液層接觸面積A、液層間的速度梯度du/dy成正比， 即：,（1-4）,式中，比例系數(shù)μ稱為粘性系數(shù)或動力粘度 。,若以τ 表示液層間的切應(yīng)力，即單位面上的內(nèi)摩擦力，則上式可表示為：,,（1-5）,這就是牛頓液體內(nèi)摩擦定律 。,由此可知，在靜止液體中，速度梯度du/dy

19、=0，故其內(nèi)摩擦力為零，因此靜止液體不呈現(xiàn)粘性，液體只在流動時才顯示其粘性。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,2）粘性的度量 度量粘性大小的物理量稱為粘度。常用的粘度 有三種，即動力粘度、運動粘度、相對粘度 。,動力粘度μ 由式（1-5）可知，動力粘度μ是表征流動液體 內(nèi)摩

20、擦力大小的粘性系數(shù)。其量值等于液體在以單位速度梯度流 動時，單位面積上的內(nèi)摩擦力，,（1-6）,在我國法定計量單位制及SI制中，動力粘度μ的單位是Pa·s（帕·秒）或用N·s/m2（牛·秒/米2）表示 。,如果動力粘度只與液體種類有關(guān)而與速度梯度無關(guān)，這種液體稱為牛頓液體，否則為非牛頓液體。石油基液壓油一般為牛頓液體。,,School of Mechanical Engineering

21、,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,運動粘度v 液體動力粘度與其密度之比稱為該液體的運動粘度v， 即,,（1-7）,在我國法定計量單位制及SI制中，運動粘度v的單位是m2/s（米2/秒）。因其中只有長度和時間的量綱，故得名為運動粘度。國際標準ISO按運動粘度值對油液的粘度等級（VG）進行劃分，見表1-4 。,表1-4 常用液壓油運動粘度等級,,School of Mechanical Eng

22、ineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,相對粘度 相對粘度是根據(jù)特定測量條件制定的，故又稱條件粘度。測量條件不同，采用的相對粘度單位也不同。如恩氏粘度?E（歐洲一些國家）、通用塞氏秒SUS（美國、英國）、商用雷氏秒R1S（英、美等國）和巴氏度?B（法國）等 。,國際標準化組織ISO已規(guī)定統(tǒng)一采用運動粘度來表示油的粘度。,,School of Mechanical Engineerin

23、g,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,3）溫度對粘度的影響 溫度變化使液體內(nèi)聚力發(fā)生變化，因此液體的粘度對溫度的變化十分敏感：溫度升高，粘度下降（見圖1-2（見教材P12））。這一特性稱為液體的粘－溫特性。粘－溫特性常用粘度指數(shù)VI來度量。VI表示該液體的粘度隨溫度變化的程度與標準液的粘度變化程度之比。通常在各種工作介質(zhì)的質(zhì)量指標中都給出粘度指數(shù)。粘度指數(shù)高，說明粘度隨溫度變化小，其粘－溫特性好 。,

24、一般要求工作介質(zhì)的粘度指數(shù)應(yīng)在90以上，優(yōu)異在100以上。當液壓系統(tǒng)的工作溫度范圍較大時，應(yīng)選用粘度指數(shù)高的介質(zhì)。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,幾種典型工作介質(zhì)的粘度指數(shù)列于表1-5 。,表1-5 典型工作介質(zhì)的粘度指數(shù)VI,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力

25、學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,4）壓力對粘度的影響 壓力增大時，液體分子間距離縮小，內(nèi)聚力增加，粘度也會有所變大。但是這種影響在低壓時并不明顯，可以忽略不計；當壓力大于50MPa時，其影響才趨于顯著。壓力對粘度的影響可用下式計算 ：,vp=vaecp≈va(1+cp),（1-8）,式中 p—液體的壓力，單位為MPa； vp—壓力為p時液體的運動粘度，單位為m2/s； va—大氣壓力下液體的運動粘度，單

26、位為m2/s； e —自然對數(shù)的底； c —系數(shù)，對于石油基液壓油，c =0.015~0.035MPa-1,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,5）氣泡對粘度的影響 液體中混入直徑為0.25~0.5mm懸浮狀態(tài)氣泡時，對液體的粘度有一定影響，其值可按下式計算：,vb=v0(1+0.015b),（1-9）

27、,式中 b—混入空氣的體積分數(shù)； vb—混入b空氣時液體的運動粘度，單位為m2/s； v0 —不含空氣時液體的運動粘度，單位為m2/s 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part 1.1.3 選用和維護,正確而合理地選用和維護工作介質(zhì)對于液壓系統(tǒng)達到設(shè)計要求、保障工作能力、滿足環(huán)境條件

28、、延長使用壽命、提高運行可靠性、防止事故發(fā)生等方面都有重要影響 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,1. 工作介質(zhì)的選擇,工作介質(zhì)的選擇包含兩個方面：品種和粘度。選擇工作介質(zhì)時要考慮的因素如表1-6所示 。,表1-6 選擇工作介質(zhì)時考慮的因素,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,

29、第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,工作介質(zhì)的選擇通常要經(jīng)歷下述四個基本步驟：,1）列出液壓系統(tǒng)對工作介質(zhì)以下性能變化范圍的要求：粘度、密度、體積模量、飽和蒸氣壓、空氣溶解度、溫度界限、壓力界限、阻燃性、潤滑性、相容性、污染性等；2）查閱產(chǎn)品說明書，選出符合或基本符合上述各項要求的工作介質(zhì)品種 ；3）進行綜合權(quán)衡，調(diào)整各方面的要求和參數(shù)；4）與供貨廠商聯(lián)系，最終決定所采用的合適工作介質(zhì)。,表1-7（見教材P14）示出各種工

30、作介質(zhì)的性能比較和應(yīng)用范圍，可供選擇工作介質(zhì)的品種時參考 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,在液壓系統(tǒng)所有元件中，液壓泵的工作條件最為嚴峻，不但壓力高、轉(zhuǎn)速高和溫度高，而且工作介質(zhì)在被液壓泵吸入和由液壓泵壓出時要受到剪切作用，所以一般根據(jù)液壓泵的要求來確定介質(zhì)的粘度。表1-8（見教材P15）給出了各種液壓泵用油的粘度范圍及推薦牌號 。

31、,此外，選擇工作介質(zhì)的粘度時，還應(yīng)考慮環(huán)境溫度、系統(tǒng)工作壓力、執(zhí)行元件運動類型和速度以及泄漏等因素：當環(huán)境溫度高、壓力高，往復(fù)運動速度低或旋轉(zhuǎn)運動時，或泄漏量大，而運動速度不高時宜有用粘度較高的工作介質(zhì)，以減少系統(tǒng)泄漏；當環(huán)境溫度低、壓力低，往復(fù)運動或旋轉(zhuǎn)運動速度高時，宜采用粘度低的工作介質(zhì)，以減少液流功率損失 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與

32、氣壓傳動,,2. 工作介質(zhì)的使用和維護,選擇好合適的工作介質(zhì)僅是保障液壓系統(tǒng)正常工作的先決條件，而要保持液壓裝置長期高效而可靠地運動，則必須對工作介質(zhì)進行合理的使用和正確的維護。實際上，如果使用不當，還會使工作介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化。,工作介質(zhì)的維護關(guān)鍵是控制污染。實踐證明，工作介質(zhì)被污染是系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因，它嚴重影響著液壓系統(tǒng)的可靠性及元件的壽命 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械

33、工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,1）污染物種類及其危害 液壓系統(tǒng)中的污染物，是指混入工作介質(zhì)中的各種雜物，如固體顆粒、水、空氣、化學(xué)物質(zhì)、微生物和污染能量等。工作介質(zhì)被污染后，將對系統(tǒng)及元件產(chǎn)生下述不良后果 ：,固體顆粒會加速元件磨損，堵塞縫隙及過濾器，使液壓泵和閥性能下降，產(chǎn)生噪聲；水侵入液壓油會加速油液的氧化，并與添加劑起作用產(chǎn)生粘性膠質(zhì)，使濾心堵塞 ；空氣的混入會降低工作介質(zhì)的體積模量，引起氣蝕，降低

34、潤滑性 ；溶劑、表面活性化合物等化學(xué)物質(zhì)使金屬腐蝕 ；微生物的生成使工作介質(zhì)變質(zhì)，降低潤滑性能，加速元件腐蝕，對高水基液壓液的危險更大。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,2）污染原因 工作介質(zhì)遭受污染的原因是多方面的，污染物的來源如表1-9所示。表中液壓裝置組裝時殘留下來的污染物主要是指切屑、毛刺、型砂、磨粒、焊渣、鐵銹等；從

35、周圍環(huán)境混入的污染物主要是指空氣、塵埃、水滴等；在工作過程中產(chǎn)生的污染物主要是指金屬微粒、銹斑、涂料和密封件的剝離片、水分、氣泡以及工作介質(zhì)變質(zhì)后的膠狀生成物等 。,表1-9 工作介質(zhì)中的污染物,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,3）污染度等級 工作介質(zhì)的污染度是指單位體積工作介質(zhì)中固體顆粒污染物的含量，即工作介質(zhì)中所含固體顆粒的濃度

36、。為了定量地描述和評定工作介質(zhì)的污染程度，以便對它實施控制，有必要制定污染度的等級標準 。,國際標準ISO4406：1987污染度等級見表1-10（見教材P16）。該等級采用兩個數(shù)碼表示工作介質(zhì)中固體顆粒的污染度，前面的數(shù)碼代表1mL工作介質(zhì)中尺寸≥5μm的顆粒數(shù)等級，后面的數(shù)碼代表1mL工作介質(zhì)中尺寸≥15μm的顆粒數(shù)等級，在兩個數(shù)碼之間用一斜線分離。例如，污染等級為20/17的液壓油，表示它在每毫升內(nèi)≥5μm的顆粒數(shù)在5000~10

37、000之間，≥15μm的顆粒數(shù)在640~1300之間 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,由表1-10可知，ISO4406：1987規(guī)定的污染度根據(jù)顆粒濃度的大小共分為26個等級數(shù)碼，顆粒濃度愈大，代表等級的數(shù)碼愈大。,我國國家標準GB/T 14039-1993《液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)固體顆粒污染等級代號》與國際標準ISO4406：1987等

38、效 。,為適應(yīng)工作介質(zhì)污染控制技術(shù)的不斷進步，1999年國際標準化組織對ISO4406：1987標準作了重大修改。ISO4406：1999與原來標準的主要區(qū)別如下 ：,刪除原來的0.9等級數(shù)碼，增加25、26、27、28和＞28等5個等級數(shù)碼。各個等級的顆粒濃度范圍不變。25等級以上的顆粒濃度用外推法確定 ；對于按ISO 11171校準的自動顆粒計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)，用≥4μm、≥6μm和≥14 μm三個尺寸范圍的顆粒濃度等級數(shù)碼表

39、示油液的污染度 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,4）工作介質(zhì)的污染控制 為了有效地控制液壓系統(tǒng)的污染，以保證液壓系統(tǒng)的工作可靠性和元件的使用壽命，需要制定必須的管理規(guī)范和實施細則。表1-11和表1-12（見教材P17）為我國制定的典型液壓元件和液壓系統(tǒng)清潔度等級。,表1-11 典型液壓無件清潔度等級,,School of Me

40、chanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,,,,,,,,,,,常用的控制工作介質(zhì)污染的措施有 ：,嚴格清洗元件和系統(tǒng)。液壓元件在加工的每道工序后都應(yīng)凈化，裝配后再仔細清洗，以清除在加工和組裝過程中殘留的污染物。系統(tǒng)在組裝前，先清洗油箱和管道，組裝后再進行全面徹底的沖洗；防止污染物從外界侵入。在貯存、搬運及加注的各個階段都應(yīng)防止工作介質(zhì)被污染。工作介質(zhì)必須經(jīng)過過濾

41、器注入系統(tǒng)。設(shè)計時可在油箱呼吸孔上裝設(shè)空氣過濾器或采用密封油箱，防止運行時塵土、磨料和冷卻物侵入系統(tǒng)。另外，在液壓缸活塞桿端部應(yīng)裝防塵密封，并經(jīng)常檢查定期更換；采用高性能的過濾器。這是控制工作介質(zhì)污染度的重要手段，它可使系統(tǒng)在工作中不斷濾除內(nèi)部產(chǎn)生的和外部侵入的污染物。過濾器必須定期檢查、清洗和更換濾心；,控制工作介質(zhì)的溫度。工作介質(zhì)的抗氧化、熱穩(wěn)定性決定了其工作溫度的界限。因此，液壓裝置必須具備良好的散熱條件，使工作介

42、質(zhì)長期處在低于它開始氧化的溫度下工作。一般液壓系統(tǒng)的工作溫度最好控制在65℃以下，機床液壓系統(tǒng)應(yīng)更低一些；保持系統(tǒng)所有部位良好的密封性?？諝馇秩胂到y(tǒng)將直接影響工作介質(zhì)的物理化學(xué)性能。因此，一旦發(fā)生泄漏，應(yīng)立即排除；定期檢查和更換工作介質(zhì)并形成制度。每隔一定時間，對系統(tǒng)中的工作介質(zhì)進行抽樣分析。如發(fā)現(xiàn)污染度已超過標準，必須立即更換。在更換新工作介質(zhì)前，整個系統(tǒng)必須先清洗一次 。,,School of Mechanical En

43、gineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part 1.2 流體靜力學(xué),空氣的密度極小，因此靜止空氣重力的作用甚微。所以，本節(jié)主要介紹液體靜力學(xué)。液體靜力學(xué)是研究靜止液體的力學(xué)規(guī)律以及這些規(guī)律的應(yīng)用。這里所說的靜止液體是指液體內(nèi)部質(zhì)點間沒有相對運動而言，至于盛裝液體的容器，不論它是靜止的或是運動的，都沒有關(guān)系。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機

44、械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part 1.2.1 靜壓力及其特性,靜止液體在單位面積上所受的法向力稱為靜壓力。靜壓力在液壓傳動中簡稱壓力，在物理學(xué)中則稱為壓強 。,靜止液體中某點處微小面積ΔA上作用有法向力ΔF，則該點的壓力定義為：,,（1-19）,若法向作用力F均勻地作用在面積A上，則壓力可表示為：,,（1-20）,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,

45、第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,我國采用法定計量單位Pa來計量壓力，1Pa=1N/m2。液壓技術(shù)中習(xí)慣用MPa，1MPa=106Pa。,液體靜壓力有兩個重要特性：,1）液體靜壓力垂直于承壓面，其方向和該面的內(nèi)法線方向一致。這是由于液體質(zhì)量點間的內(nèi)聚力很小，不能受拉只能受壓之故 ；2）靜止液體內(nèi)任一點所受到的壓力在各個方向上都相等。如果某點受到的壓力在某個方向上不相等，那么液體就會流動，這就違背了液體靜止的條件 。,,Scho

46、ol of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part 1.2.2 靜壓力基本方程,1. 靜壓力基本方程,圖1-3 重力作用下的靜止液體,在重力作用下的靜止液體，其受力情況如圖1-3a所示，除了液體重力，還有液面上的壓力和容器壁面作用在液體上的壓力。如要求出液體內(nèi)離液面深度為h的某一點壓力，可以從液體內(nèi)取出一個底面通過該點的垂直小液柱作為控制體。設(shè)小液柱的

47、底面積為ΔA，高為h，如圖1-3b所示。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,式（1-21）即為靜壓力基本方程。它說明液體靜壓力分布有如下特征：,1）靜止液體內(nèi)任一點的壓力由兩部分組成：一部分是液面上的壓力p0，另一部分是該點以上液體重力所形成的壓力ρgh當液面上只受大氣壓力pa作用時，則該點的壓力為：,（1-22）,2）靜止液體內(nèi)的壓力隨

48、液體深度呈線性規(guī)律遞增。,3）同一液體中，離液面深度相等的各點壓力相等。由壓力相等的點組成的面稱為等壓面。在重力作用下靜止液體中的等壓面是一個水平面。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,2. 靜壓力基本方程的物理意義,將圖1-3所示盛有液體的蜜閉容器放在基準水平面（O-x）上加以考察，如圖1-4所示，則靜壓力基本方程可改寫成 ：,圖1-4

49、 靜壓力基本方程的物理意義,式中 z0—液面與基準水平面之間的距 離； z—深度為h的點與基準水平面之間 的距離 。,,上式整理后可得：,（1-23）,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,式（1-23）是靜壓力基本方程的另一形式。式中p/(ρg)表示了單

50、位重力液體的壓力能，故又常稱作壓力水頭；z表示了單位重力液體的位能，也常稱作位置水頭。因此，靜壓力基本方程的物理意義是：靜止液體內(nèi)任何一點具有壓力能和位能兩種能量形式，且其總和保持不變，即能量守恒。但是兩種能量形式之間可以相互轉(zhuǎn)換 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,3. 壓力的表示方法,根據(jù)度量基準的不同，壓力有兩種表示方法：以絕對

51、零壓力作為基準所表示的壓力，稱為絕對壓力；以當?shù)卮髿鈮毫榛鶞仕硎镜膲毫ΓQ為相對壓力。絕對壓力與相當對壓力之間的關(guān)系如圖1-5所示。絕大多數(shù)測壓儀表因其外部均受大氣壓力作用，所以儀表指示的壓力是相對壓力。今后，如不特別指明，液壓傳動中所提到的壓力均為相對壓力。,圖1-5 絕對壓力與相對壓力間的關(guān)系,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,

52、如果液體中某點處的絕對壓力小于大氣壓力，這時該點的絕對壓力比大氣壓力小的那部分壓力值，稱為真空度。,真空度=大氣壓力－絕對壓力,（1-24）,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,例1-2 圖1-6所示為一充滿油液的容器，如作用在活塞上的力為F=1000N，活塞面積A=1×10－3m2，忽略活塞的質(zhì)量。試問活塞下方深度為h=0.5

53、m處的壓力等于多少？油液的密度ρ=900kg/m3 。,解：,依據(jù)式（1-21），p=p0+ρgh，活塞和液面接觸處的壓力p0=F/A=1000/（1×10－3）N/m2=106N/m2，因此，深度為h=0.5m處的液體壓力為：,p=p0+ρgh=（106+900×9.8×0.5）N/m2 =1.0044×106N/m2≈106Pa=1MPa,由這個例子可以看到，液

54、體在受壓情況下，其液柱高度所引起的那部分壓力ρgh相當小，可以忽略不計，并認為整個靜止液體內(nèi)部的壓力是近乎相等的。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part 1.2.3 帕斯卡原理,按式（1-21），盛放在密閉容器內(nèi)的液體，其外加壓力p0發(fā)生變化時，只要液體仍保持其原來的靜止狀態(tài)不變，液體中任一點的壓力均將發(fā)生同樣大小的變化。 也就是

55、說，在密閉容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值傳遞到液體中所有各點。這就是帕斯卡原理，或稱靜壓傳遞原理。帕斯卡原理是液壓傳動的一個基本原理 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part 1.2.4 靜壓力對固體壁面的作用力,靜止液體和固體壁面相接觸時，固體壁面將受到由液體靜壓所產(chǎn)生的作用力 。,當固體壁面為一平面時，作用在該面上壓力

56、的方向是相互平行的，故靜壓力作用在固體壁面上的總力F等于壓力P與承壓面積A的乘積，且作用方向垂直于承壓表面，即：,（1-25）,當固體壁面為一曲面時，情況就不同了：作用在曲面上各點處的壓力方向是不平行的，因此，靜壓力作用在曲面某一方面x上的總力Fx等于壓力與曲面在該方向投影面積Ax的乘積 ，即：,（1-26）,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳

57、動,,上述結(jié)論對于任何曲面都是適用的。下面以液壓缸缸筒為例加以證實。,圖1-7 靜壓力作用在液壓缸內(nèi)壁面上的力,設(shè)液壓缸兩端面封閉，缸筒內(nèi)充滿著壓力為p的油液，缸筒半徑為r，長度為l，如圖1-7所示。這時，缸筒內(nèi)壁上各點的靜壓力大小相等，都為p，但并不平行。因此，為求得油液作用于缸筒右半壁內(nèi)表面在x方向上的總力Fx，需在壁面上取一微小面積dA=lds=lrdθ，則油液作用在dA上的力dF的水平分量dFx為 ：,dFx=dFcosθ=

58、pdAcosθ=plrcosθdθ,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,上式積分后則 得：,,即Fx等于壓力p與缸筒右半壁面在x方向上投影面積Ax的乘積 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,例1-3 某安全閥如圖1-8所示。閥心為圓錐形，

59、閥座孔徑d=10mm，閥心最大直徑D=15mm。當油液壓力p1=8MPa時，壓力油克服彈簧力頂開閥心而溢油，出油腔有背壓p2=0.4MPa。試求閥內(nèi)彈簧的預(yù)緊力 。,圖1-8 安全閥示意圖,解,1）壓力p1、p2向上作用在閥心錐面上的投影面積分別為 πd2/4和π（D2-d2）/4,故閥心受到的向上的作用力為：,2）壓力p2向下作用在閥心平面上的面積為 πD2/4，則閥心受到的向下作用力為：,,,School of Mechanica

60、l Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,3）閥心受力平衡方程式,式中 Fs—彈簧預(yù)緊力。,將F1、F2代入上式得：,整理后有：,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part 1.3 流體運動學(xué)和流體動力學(xué),流體運動學(xué)研究流體的運動規(guī)律，流體動力學(xué)研究作用于流體上的力與流體運動之間的關(guān)

61、系。流體的連續(xù)方程、能量方程和動量方程是流體運動學(xué)和流體動力學(xué)的三個基本方程。當氣體流速比較低（v＜5m/s）時，氣體和液體的這三個基本方程完全相同。因此為方便起見，本節(jié)在敘述這些基本方程時仍以液體為主要對象 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,Part 1.3.1 基本概念,1. 理想液體、恒定流動和一維流動,實際液體具有粘性，研究

62、液體流動時必須考慮粘性的影響。但由于這個問題非常復(fù)雜，所以開始分析時可以假設(shè)液體沒有粘性，然后再考慮粘性的作用并通過實驗驗證等辦法對理想化的結(jié)論進行補充或修正。這種方法同樣可以用來處理液體的可壓縮性問題。一般把既無粘性又不可壓縮的假想液體稱為理想液體 。,液體流動時，如液體中任何一點的壓力、速度和密度都不隨時間而變化，便稱液體是在作恒定流動；反之，只要壓力、速度或密度中有一個參數(shù)隨時間變化，則液體的流動被稱為非恒定流動。研究液壓系統(tǒng)靜態(tài)

63、性能時，可以認為流體作恒定流動；但在研究其動態(tài)性能時，則必須按非恒定流動來考慮,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,當液體整個作線形流動時，稱為一維流動；當作平面或空間流動時，稱為二維或三維流動。一維流動最簡單，但是嚴格意義上的一維流動要求液流截面上各點處的速度矢量完全相同，這種情況在現(xiàn)實中極為少見。通常把封閉容器內(nèi)液體的流動按一維流動處理

64、，再用實驗數(shù)據(jù)來修正其結(jié)果，液壓傳動中對工作介質(zhì)流動的分析討論就是這樣進行的 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,2. 流線、流管和流束,流線是流場中的一條條曲線，它表示在同一瞬時流場中各質(zhì)點的運動狀態(tài)。流線上每一質(zhì)點的速度向量與這條曲線相切，因此，流線代表了某一瞬時一群流體質(zhì)點的流速方向，如圖1-9a所示。在非恒定流動時，由于液流通過

65、空間點的速度隨時間變化，因而流線形狀也隨時間變化；在恒定流動時，流線形狀不隨時間變化。由于流場中每一質(zhì)點在每一瞬時只能有一個速度，所以流線之間不可能相交，流線也不可能突然轉(zhuǎn)折，它只能是一條光滑的曲線 。,圖1-9 流線、流管、流束和通流截面a）流線 b）流管c）流束和通流截面,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,圖1-9 流線、

66、流管、流束和通流截面a）流線 b）流管c）流束和通流截面,在流場中畫一不屬于流線的任意封閉曲線，沿該封閉曲線上的每一點作流線，由這些流線組成的表面稱為流管（見圖1-9b）。流管內(nèi)的流線群稱為流束。根據(jù)流線不會相交的性質(zhì)，流管內(nèi)外的流線均不會穿越流管，故流管與真實管道相似。將流管截面無限縮小趨近于零，便獲得微小流管或微小流束。微小流束截面上各點處的流速可以認為是相等的 。,流線彼此平行的流動稱為平行流動；流線間夾角很小，或流線曲率

67、半徑很大的流動稱為緩變流動。平行流動和緩變流動都可以算是一維流動 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,3. 通流截面、流量和平均流速,流束中與所有流線正交的截面稱為通流截面，如圖1-9c中的A面和B面，通流截面上每點處的流動速度都垂直于這個面 。,圖1-9 流線、流管、流束和通流截面a）流線 b）流管c）流束和通流截面,單位時

68、間內(nèi)流過某通流截面的液體體積稱為流量，常用q表示 ，即：,,（1-27）,式中 q—流量，在液壓傳動中流量 常用單位L/min； V—液體的體積； t—流過液體體積V所需的時間 。,,School of Mechanical Engineering,,東南大學(xué)機械工程學(xué)院,第一章 流體力學(xué)基礎(chǔ),液壓與氣壓傳動,,由于實際液體具有粘性，因此液體在管道內(nèi)流動時，通流截面