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：