第1章 液压流体力学

200ml 温度为T 的被测液体，流经恩氏黏度计小孔（φ2.8mm）所用
时间t1，与同体积20度的水通过小孔所用时间t2之比。称为被测液体
在温度T 下的恩氏黏度。
oE

t1
t2
单位：无量纲
恩氏黏度计
黏度与温度和压力的关系：
黏温特性：黏度随温度变化而变化的性质。
∵温度t↑，内聚力F↓， ∴黏度μ↓
1）力求减少外来污染。液压元件、油箱和各种管件在组装前后必须 严格清洗，油箱通大气处要加空气过滤器，向油箱灌油应通过过滤器， 拆装维护液压元件应在无尘区进行。
2）滤除液压系统产生的杂质。应在液压系统的有关部位设置适当的 过滤器，并且要定期检查、清洗和更换过滤器的滤芯。应采用适当措 施（如水冷、风冷等）控制液压系统的工作温度，以防止温度过高， 造成工作介质氧化变质，产生各种生成物。
抗磨液压油
L—HM L—HZ油加添加剂，改善抗磨特性，适用于工程机械、车辆的液压系统。
低温液压油 矿
L—HV
油 高黏度指数液压油 L—HR 型
Z—HM油加添加剂，改善黏温特性，可用于环境温度在—20℃～—40℃的高压系统。
L—HL油加添加剂，改善黏温特性，VI值达175以上，适用于对黏温特性有特殊要求的低 压系统，如数控机床的液压系统
剪切应力： τ = F μ du A dy
μ=
τ du
τ dy du
dy
动力黏度是一种绝对黏度，具有物理意义。
因为它的单位中有动力学的要素，所以称为动力黏度。
动力黏度的SI（国际制单位）制单位：Pa·s；
CGS（高斯制单位）制单位：P(泊)、cP(厘泊)
换算关系：1Pa·S=10P=103cP
1.2液体的可压缩性
可压缩性：液压油因受压力作用而发生体积缩小的性质。通常用体
积压缩系数表示。即
κ = - 1 V p V0
液体体积压缩系数的物理意义：是指单位压力所引起的液体体积的 相对变化量。
液体的体积弹性模数：液体的体积压缩系数κ的倒数为液体的体积
弹性模数.用Κ表示。
液压油的可压缩性对液压系统性能的影响不大，所以一般可认为液 体是不可压缩的。当液体中混入空气时，其压缩性将显著增加。
3、液压油的选用
选用液压油时，首先应选用液压油的品种（参见表1-2），其次选用 液压油的黏度。
液压油的黏度选用十分重要，因为黏度对液压系统工作的稳定性、 可靠性、效率、温升及磨损都有显著的影响。
1）按工作压力：P高，选 μ 大，P 低，选 μ 小； 2）按运动速度：v 高，选 μ 小，v 低，选 μ 大； 3）按环境温度：T高，选 μ 大，T 低，选 μ 小。
航空液压油属于专用液压油，在飞机上通常使用植物基液压油、矿物基液压 油和磷酸酯基液压油三种油液。
1）植物基液压油（MIL—H—7644）：由蓖麻油和酒精组成，易燃，用在最 初的较老式的飞机上，油液染成蓝色。天然的橡胶密封件适用于植物基液压 油。液压系统堵塞后，可以用酒精冲洗。
2）矿物基液压油（如 MIL—H—5606）：从石油中提炼，被染成红色，也称 为红油。具有良好的性能，化学性质非常稳定，黏温特性好。可以用石油、 矿物油、溶剂油来清洗。氯丁橡胶密封件和软管可以使用，易燃。广泛用于 轻型飞机的刹车系统、液压动力系统和缓冲器中，使用中不能与植物基和磷 酸酯基液压油混合。
1.2液体的黏性和黏度
液体在外力作用下流动时，在其内部产生内摩擦力的性质，就称为 液体的黏性。 液体在管路中流动时的速度 并不相等，紧贴管壁的液体 速度为零，管路中心处的速 度最大。
黏性所起的作用只能延缓液 体内部相互滑动的过程，而 不能消除这种滑动。
静止的液体不呈现黏性。
黏性其大小可以用黏度来标定。黏度是选择液压油的主要指标，我 国规定的液体常用黏度有动力黏度、运动黏度和相对黏度。
老牌号—20号液压油，指这种油在50℃时的平均运动黏度为20 cSt。
新牌号—L—HV32号液压油，指这种油在40℃时的平均运动黏度为 32cSt。
3）相对黏度（又称条件黏度） 它是采用特定的黏度计在规定的条件下测出的液体黏度。
雷式黏度"R ——英国、欧洲 赛式黏度SSU ——美国 恩式黏度oE ——俄罗斯、德国、中国
既具有矿油型液压油的抗磨、防锈性能，又具有抗燃性，适用于有抗燃要求的中压系统。
合 水—乙二醇液 成 型 磷酸酯液
L—HFC
难燃，黏温特性和抗蚀性好，能在—30℃～60℃温度下使用，适用于有抗燃要求的中、 低压系统。
L—HFDR
难燃，润滑抗磨性能和抗氧化性能良好，能在—54℃～135℃温度范围内使用，但有毒。 适用于有抗燃要求的高压精密液压系统。
静止液体质点间没有相对运动，因此静止液体的表面力只有法向力。
液体的静压力是指液体处于静止状态下，单位面积上所受到的法向 作用力。在物理学中称为压强，在工程实际中习惯上称为压力。静 压力则可表示为
p F A
液体的静压力具有两个重要的特性：
1）液体静压力的方向总是承压面的内法线方向。否则，如果液体受 到拉力或剪切力的作用，必然引起质点间的相对运动，这就破坏了 液体静止的条件，所以静止液体只能承受法向作用力。
2）微小固体颗粒：加速零件磨损，使元件不能正常工作；同时，也 会损坏密封件，使泄漏增加。
3）水分和空气：会降低液压油的润滑能力，并使其氧化变质；产生 气蚀，使元件加速损坏，并使液压系统出现振动、爬行现象。
1.2污染的原因：
液压油被污染主要有以下几个方面的原因:
1）残留物的污染。金属切屑、焊渣、型砂、棉纱、锈片、尘埃及清 洗溶剂等。
2）运动黏度
动力黏度和液体密度的比值，就称为液体的运动黏度。
ν= μ ρ
运动黏度也是一种绝对黏度，因为它的单位只有长度和时间的量纲， 类似于运动学的量，所以称为运动黏度。
运动黏度虽然没有明确的物理意义，但常用它来标志液体的黏度。
运动黏度的法定计量单位“平方米/秒（m2/s）”，常用单位为“斯 （St，cm2/s）厘斯（cSt，mm2/s）”，其三者之间的关系为： 1m2/s=104St=106cSt。
相对压力＝绝对压力－大气压力 真空度＝大气压力－绝对压力
压力的法定单位是帕斯卡或帕（Pa，N/m2）常用单位千帕（kPa）或 兆帕（MPa）。它们的换算关系为
1MPa = 103 kPa = 106 Pa
绝对压力、相对压力与真空度的关系：
3、液体静力学的基本方程
pA p0A ρghA
p p0 ρgh
方程式描述了静止液体中任 一点的压力分布规律：
2）静止液体内任一点的液体静压力在各个方向上都相等。如果静止 液体中某点受到的各个方向的静压力不相等，那么静止液体就要流 动，这同样破坏了液体静止的条件。
2、压力的表示方法及其单位
压力的表示方法有绝对压力和相对压力两种。 绝对压力是以绝对真空（零压力）为基准进行度量的压力。 相对压力是以大气压力为基准进行度量的压力，也称为表压力。 真空度工程上指绝对压力不足于大气压力的那部分压力值。 即： 绝对压力＝大气压力＋相对压力
4、液压油的污染及其控制
液压油受到污染，常常是液压系统发生故障的主要原因。
1.1污染的危害：
液压油被污染是指液压油中含有水分、空气、微小固体颗粒和胶 状生成物等杂质。液压油污染的危害主要有：
1）固体颗粒和胶状生成物：堵塞过滤器，使液压泵运转困难产生噪 声；堵塞阀类元件的小孔和缝隙，使阀类元件动作失灵。
黏度/（mm2﹒s-1）（40℃）
黏度/（mm2﹒s-1）（40℃）
液压泵类型
5℃～40℃① 40℃～80℃①
5℃～40℃① 40℃～80℃①
7MPa以下 叶片泵
7MPa以上 螺杆泵
30～50 50～70 30～50
40～75 50～90 40～80
齿轮泵 径向柱塞泵 轴向柱塞泵
30～70 30～50 30～70
1）动力黏度
牛顿内摩擦定律：液体流动时，相邻液体流层之间的内摩擦力F 与 液体流层间的接触面积A、液体流层间的相对运动速度du成正比，而 与液体流层间的距离dy成反比,其关系可以表示为
F μA du dy
μ
du ——动力黏度，黏度系数； dy ——速度梯度。
下板固定，上板以u0运动，两 板之间液流速度逐渐减小。
第1章 液压流体力学
——液压与气压传动技术
一、液压油
1、液压油的物理性质
液压传动系统的工作介质是液压油。 液压油的质量直接影响液压系统的工作性能，因此必须合理地选用 和使用。 1.1液体的密度
对于均质液体来说，密度是指单位体积液体的质量。以 ρ 表示 ρ＝m/V
实际应用中可认为密度不受温度和压力变化的影响。 一般液压油的密度为900㎏/m3。
若：黏度随温度的变化较小， 则说明：黏温特性较好。 黏压特性：黏度与压力的关系。
∵压力p↑，内聚力F↑， ∴ 黏度μ↑ μ随p↑而↑，压力较小时可忽略，32Mpa以上才考虑。
2、液压油的分类
类 型
名称
ISO代号
表1-2 液压油的主要品种及其特性和用途
特性和用途
普通液压油
L—HL 精制矿油加添加剂，提高抗氧化和防锈性能，适用于室内一般设备的中、低压系统。
2）生成物的污染。磨屑，锈蚀剥落物，以及氧化物等。
3）侵入物的污染。通过呼吸孔侵入，注油和维修带入等。
4）化学物质和微生物。残留的化学杂质，以及油液分解或添加剂作 用而产生的有害化学物质等。微生物一般常见于水基工作液。
5）以能量形式存在的污染物质。
（3）污染的控制：
由于污染的原因很复杂，因而要彻底防止污染是很困难的，实践中 常采取以下三个方面的措施:
3）定期检查更换液压油。应根据液压设备使用说明书的要求和维护 保养规程的规定，定期检查更换液压油。换油时，必须对整个液压系 统进行彻底的清洗。
二、液体静力学
1、液体的静压力及其特性
在非惯性系统中，液体处于静止状态下，作用在液体上的力有质量 力和表面力。质量力作用在液体的所有质点上，如重力和惯性力等。 表面力作用在液体的表面上，单位面积上作用的表面力称为应力， 它可以分为法向应力和切向应力。
95～165 65～240 70～150
在液压传动中，液压油既是传动介质，又兼作润滑油，因此它比一 般润滑油的要求更高。为了保证液压传动系统的正常工作，对液压 油的要求为：
1）要有适宜的黏度和良好的黏温特性，一般液压系统所选用的液压油的运 动黏度为（13～68）×（40℃）。 2）具有良好的润滑性能，以减少液压元件中相对运动表面的磨损。 3）具有良好的热安定性和氧化安定性。 4）具有较好的相容性，即对密封件、软管、涂料等无溶解的有害影响。 5）质量要纯净，不含或含有极少量的杂质、水分和水溶性酸碱等。 6）具有良好的抗泡沫性，抗乳化性要好，腐蚀性要小，防锈性要好。液压 油中产生泡沫会引起气穴现象。液压油乳化会降低它的润滑性，而使酸值增 加，使用寿命缩短。 7）液压油用于高温场合时，为了防火安全，闪点要求要高；在温度低的环 境下工作时，凝点要求要低。 8）对人体无害，对环境污染小，价格便宜。
液压导轨油
L—HG L—HM油加添加剂，改善黏、滑性能，适用于机床中液压和导轨润滑合用的系统
全损耗系统用油 L—HH
浅度精制矿油，抗氧化性、抗泡沫性较差，主要用于机械润滑，可以作液压代用油，用 于要求不高的低压系统。
乳 水包油乳化液 化 型 油包水乳化液
L—HFA L—HFB
又称高水基液，难燃，黏温性好，有一定的防锈能力，润滑性差，易泄漏。适用于有抗 燃要求、油液用量大且泄漏严重的系统。
在液压系统的所有液压元件中，以液压泵对液压油的性能最为敏感。 因为泵内零件的运动速度最高，工作压力也最高，而且承压时间长、 温升高。因此，常将液压系统中液压泵对液压油的要求，作为选用 液压油的重要依据（有伺服阀的液压系统除外）。各类液压泵适用 的黏度范围，见表1-3。
液压泵类型
表1-3 各类液压泵适用的液压油黏度范围
3）磷酸酯基液压油（合成液压油）：广泛用于现代飞机的液压系统中，于 1948年开始用于高性能的活塞发动机和涡轮螺旋桨飞机上。当今常用的磷酸 酯基液压油主要有：SkydrolR—500，具有较好的低温工作特性和低腐蚀性； SkydrolR—LD，主要用于重量为主要因素的大型运输机上。SkydrolR液压油， 浅紫色，比水稍重，具有非常好的防火特性，在-65～225ºF的很大温度范围 内可以持续工作。对大气中水的污染非常敏感。液压系统有堵塞或油污时， 可以用三氯乙烯来冲洗。