流体力学【第2章液压流体力学基础(新版本)概要】

来源:思想汇报 发布时间:2019-10-20 09:21:21 点击:
,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,第 2 章 流体力学基础 本章主要内容:
S2.1 工作介质 S2.2 流体静力学 S2.3 流体运动学和流体动力学 S2.4 管道流动 S2.5 孔口流动 S2.6 缝隙流动,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,了解与液压技术有关的流体力学基本内容,流体的静力学和动力学基本方程 流体经过薄壁小孔、短孔、细长孔等小孔的流动情况,相应的流量公式,流体经过各种缝隙的流动特性及其流量公式 液压冲击和气穴现象及其减小措施,目的任务:,重点难点:,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,Part 2.1 工作介质,工作介质:在传动及控制中起传递能量和信号的作用。

流体传动及控制(包括液压与气动),在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于载体的不同,前者采用工作介质。因此,掌握液压与气动技术之前,必须先对其工作介质有一清晰的了解 。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,Part 2.1.1 液压传动介质,1. 基本要求与种类,液压传动及控制所用的工作介质为液压油液或其他合成液体,其应具备的功能如下 :,1)传动 把由液压泵所赋予的能量传递给执行元件;

2)润滑 润滑液压泵、液压阀、液压执行元件等运动件 ;

3)冷却 吸收并带出液压装置所产生的热量 ;

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 防止液压元件所用各种金属的锈蚀 。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,为使液压系统长期保持正常的工作性能,对其工作介质提出的要求是:,1)可压缩性 可压缩性尽可能小,响应性好;

2)粘性 温度及压力对粘度影响小,具有适当的粘度,粘温特性好;

3)润滑性 通用性对液压元件滑动部位充分润滑 ;

4)安定性 不因热、氧化或水解而变质,剪切稳定性好,使用寿命长;

5)防锈和抗腐蚀性 对铁及非铁金属的锈蚀性小 ;

6)抗泡沫性 介质中的气泡容易逸出并消除 ;
,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,为使液压系统长期保持正常的工作性能,对其工作介质提出的要求还有:,7)抗乳化性 除含水液压液外的油液,油水分离要容易 ;

8)洁净性 质地要纯净,尽可能不含污染物,当污染物从外部侵入时能迅速分离;

9)相容性 对金属、密封件、橡胶软管、涂料等有良好的相容性 ;

10)阻燃性 燃点高,挥发性小,最好具有阻燃性;

11)其他 对工作介质的其他要求还有;
无毒性和臭味;
比热容和热导率要大;
体胀系数要小等 。,,School of Mechanical Engineering,,东南大学机械工程学院,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,能够同时满足上述各项要求的理想的工作介质是不存在的。液压系统中使用的工作介质按国际标准组织(ISO)的分类(我国国家标准GB/T7631.2—1987与此等效)如表2-1所示 。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,表2-1 液压传动工作介质的种类,,,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,,目前90%以上的液压设备采用石油基液压油液。基油为精制的石油润滑油馏分。为了改善液压油液的性能,以满足液压设备的不同要求,往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类:一类是改善油液化学性能的,如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等;
另一类是改善油液物理性能的,如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等 。,为了军事目的,近年来在某些舰船液压系统中,也有以海水或淡水为工作介质的。而且正在逐渐向水下作业、河道工程、海洋开发等领域延伸。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,2. 物理性质,密度,单位体积液体所具有的质量称为该液体的密度 。即:,,(2-1),式中 ρ — 液体的密度;

V — 液体的体积;

m — 液体的质量 。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,常用液压传动工作介质的密度值见表2-2,表2-2 常用液压传动工作介质的密度(20℃),液体的密度随着压力或温度的变化而发生变化,但其变化量一般很小,在工程计算中可以忽略不计 ,一般计算中,液压油密度取900kg/m3。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,可压缩性,液体因所受压力增高而发生体积缩小的性质称为可压缩性。若压力为p0时液体的体积为V0,当压力增加Δp,液体的体积减小ΔV,则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为:,(2-2),式中,β 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β 成为正值,在上式右边须加一负号 。,液体压缩率k的倒数,称为液体体积模量,即,,(2-3),,,第一章 流体力学基础,液压与气压传动,,表2-3所示为各种工作介质的体积模量。由表中石油基液压油体积模量的数量可知,它的可压缩性是钢的100~170倍(钢的弹性模量为2.1×105MPa) 。,表2-3 各种工作介质的体积模量(20℃,大气压),一般情况下,K值很大,工作介质的可压缩性对液压系统性能影响不大,但在高压下或研究系统动态性能及计算远距离操纵的液压机构时,则必须予以考虑 。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,粘性,1)粘性的表现 液体在外力作用下流动时,分子间内聚力的存在使其流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 。,图2-1 液体粘性示意图,现以图2-1为例说明液体的粘性。若距离为h的两平行平板间充满液体,下平板固定,而上平板以速度u0向右平动由于液体和固体壁面间的附着力及液体的粘性,会使流动液体内部各液层的速度大小不等:紧靠着下平板的液层速度为零,紧靠着上平板的液层速度为u0 ,,而中间各层液体的速度当层间距离h较小时,从上到下近似呈线性递减规律分布。其中速度快的液层带动速度慢的;
而速度慢的液层对速度快的起阻滞作用 。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,实验测定表明,流动液体相邻液层间的内摩擦力Ff与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy成正比, 即:,(2-4),式中,比例系数μ称为粘性系数或动力粘度 。,若以τ 表示液层间的切应力,即单位面上的内摩擦力,则上式可表示为:,,(2-5),这就是牛顿液体内摩擦定律 。,由此可知,在静止液体中, 速度梯度du/dy=0,故其内摩擦力 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。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,2)粘性的度量 度量粘性大小的物理量称为粘度。常用的粘度 有三种,即动力粘度、运动粘度、相对粘度 。,动力粘度μ 由式(2-5)可知,动力粘度μ是表征流动液体内摩擦力大小的粘性系数。其量值等于液体在以单位速度梯度流动时,单位面积上的内摩擦力,,(2-6),在我国法定计量单位制及SI制中, 动力粘度μ的单位是Pa·s(帕·秒)或用N·s/m2(牛·秒/米2)表示 。,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。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,运动粘度v 液体动力粘度与其密度之比称为该液体的运动粘 度v, 即,,(2-7),在我国法定计量单位制及SI制中,运动粘度v的单位是m2/s(米2/秒)。因其中只有长度和时间的量纲,故得名为运动粘度。国际标准ISO按运动粘度值对油液的粘度等级(VG)进行划分,见表2-4 。,表2-4 常用液压油运动粘度等级,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,相对粘度 相对粘度是根据特定测量条件制定的,故又称条件 粘度。测量条件不同,采用的相对粘度单位也不同。如恩氏粘度 ?E(欧洲一些国家)、通用塞氏秒SUS(美国、英国)、商用雷 氏秒R1S(英、美等国)和巴氏度?B(法国)等 。,国际标准化组织ISO已规定统一采用运动粘度来表示油的粘度。,那么如何测量呢?,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,3)温度对粘度的影响 温度变化使液体内聚力发生变化,因此液体的粘度对温度的变化十分敏感:温度升高,粘度下降。这一特性称为液体的粘-温特性。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。通常在各种工作介质的质量指标中都给出粘度指数。粘度指数高,说明粘度随温度变化小,其粘-温特性好 。,一般要求工作介质的粘度指数应在90以上,优异在100以上。当液压系统的工作温度范围较大时,应选用粘度指数高的介质。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,几种典型工作介质的粘度指数列于表2-5 。,表2-5 典型工作介质的粘度指数VI,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,4)压力对粘度的影响 压力增大时,液体分子间距离缩小,内聚力增加,粘度也会有所变大。但是这种影响在低压时并不明显,可以忽略不计;
当压力大于50MPa时,其影响才趋于显着。压力对粘度的影响可用下式计算 :,vp=vaecp≈va(1+cp),(2-8),式中 p—液体的压力,单位为MPa;

vp—压力为p时液体的运动粘度,单位为m2/s;

va—大气压力下液体的运动粘度,单位为m2/s;

e —自然对数的底;

c —系数,对于石油基液压油,c =0.015~0.035MPa-1,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,5)气泡对粘度的影响 液体中混入直径为0.25~0.5mm悬浮状态气泡时,对液体的粘度有一定影响,其值可按下式计算:,vb=v0(1+0.015b),(2-9),式中 b—混入空气的体积分数;

vb—混入b空气时液体的运动粘度,单位为m2/s;

v0 —不含空气时液体的运动粘度,单位为m2/s 。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,Part 2.1.3 选用和维护,正确而合理地选用和维护工作介质对于液压系统达到设计要求、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都有重要影响 。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,1. 工作介质的选择,工作介质的选择包含两个方面:品种和粘度。选择工作介质时要考虑的因素如表2-6所示 。,表2-6 选择工作介质时考虑的因素,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,工作介质的选择通常要经历下述四个基本步骤:,1)列出液压系统对工作介质以下性能变化范围的要求:粘度、密度、体积模量、饱和蒸气压、空气溶解度、温度界限、压力界限、阻燃性、润滑性、相容性、污染性等;

2)查阅产品说明书,选出符合或基本符合上述各项要求的工作介质品种 ;

3)进行综合权衡,调整各方面的要求和参数;

4)与供货厂商联系,最终决定所采用的合适工作介质。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,在液压系统所有元件中,液压泵的工作条件最为严峻,不但压力高、转速高和温度高,而且工作介质在被液压泵吸入和由液压泵压出时要受到剪切作用,所以一般根据液压泵的要求来确定介质的粘度。,此外,选择工作介质的粘度时,还应考虑环境温度、系统工作压力、执行元件运动类型和速度以及泄漏等因素:当环境温度高、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有用粘度较高的工作介质,以减少系统泄漏;
当环境温度低、压力低,往复运动或旋转运动速度高时,宜采用粘度低的工作介质,以减少液流功率损失 。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,2. 工作介质的使用和维护,选择好合适的工作介质仅是保障液压系统正常工作的先决条件,而要保持液压装置长期高效而可靠地运动,则必须对工作介质进行合理的使用和正确的维护。实际上,如果使用不当,还会使工作介质的性质发生变化。,工作介质的维护关键是控制污染。实践证明,工作介质被污染是系统发生故障的主要原因,它严重影响着液压系统的可靠性及元件的寿命 。,,,第2章 流体力学基础,液压与气压传动,,1)污染物种类及其危害 液压系统中的污染物,是指混入工作介质中的各种杂物,如固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物和污染能量等。工作介质被污染后,将对系统及元件产生下述不良后果 :,固体颗粒会

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