液压知识点

第一章液压流体力学基础

复习内容

1、什么叫液压传动？液压传动的特点是什么？

2、液压传动系统的组成和作用各是什么？

目的任务

1、了解油液性质、静压特性、方程、传递规律

2、掌握静力学基本方程、压力表达式和结论

重点难点

1、液压油的粘性和粘度

2、粘温特性

3、静压特性

4、压力形成

5、静力学基本方程

1.1 液压油

1.1.1 液压油的物理性质

一、液体的密度

密度是单位体积液体的质量。ρ=m/v (kg/m3)

密度随着温度或压力的变化而变化，但变化不大，通常忽略，一般取ρ=900kg/m3。

二、液体的粘性

1、粘性的物理本质

液体在外力作用下流动时，由于液体分子间的内聚力和液体分子与壁面间的附着力，导致液体分子间相对运动而产生的内摩擦力,这种特性称为粘性。或：流动液体流层之间产生内部摩擦阻力的性质。内摩擦力表达式 F =μA du/dy 因为液体静止时，du/dy=0，所以静止液体不呈现粘性。

牛顿液体内摩擦定律：液层间的内摩擦力与液层接触面积及液层之间的速度成正比。

2、粘度

粘度是衡量粘性大小的物理量。液体在外力作用下流动时，分子间的内聚力会阻碍分子间的相对运动而产生一种内摩擦力。这一特性称作液体的粘性。粘性的大小用粘度表示，粘性是液体重要的物理特性,也是选择液压油的主要依据。

（1）动力粘度μ

图2-1 液体粘性示意图

公式 ∵ τ=F/A=μ·du/dy （N/m 2） ∴ μ=τ·dy/du （N·s/m 2）

动力粘度物理意义：液体在单位速度梯度下流动时，接触液层间单位面积上内摩擦力。

动力粘度单位：国际单位（SI 制）中：帕·秒（Pa·s ）或牛顿·秒/米2（N·s/m 2）； 以前沿用单位（CGS 制）中：泊（P ）或厘泊（CP ），达因·秒/厘米2（dyn·s/cm 2） 换算关系：1Pa·s=10P=103 CP

（2）运动粘度ν

动力粘度μ与液体密度ρ之比值叫运动粘度。公式

ν=μ/ρ （m 2/s ）

运动粘度ν没有明确的物理意义。其单位中有长度和时间的量纲，称为运动粘度。工程中常用运动粘度ν作为液体粘度的标志。机械油的牌号就是用机械油在40℃时的运动粘度ν的平均值来表示的。

运动粘度单位：SI 制：m 2/S ；CGS 制：St （斯）、CSt （厘斯）（cm 2/s ）（mm 2/s ） 换算关系：1m 2/s =104St =106 cSt 运动粘度单位说明：

因为单位中只有长度和时间量纲类似运动学量。所以称运动粘度，常用于液压油牌号标注。

液压油牌号标注：32号液压油，指这种油在40℃时的平均运动粘度为32cSt 。（3）相对粘度0E （条件粘度） 相对粘度又称条件粘度。采用特定的粘度计，在规定的条件下测出的液体粘

度。我国采用恩氏粘度t E 0

。

2

10

t t t E =

6

0010316317-?????

??

?-?=t t E E ν (s m /2)

工程中常采用先测出液体的相对粘度，再根据关系式换算出动力粘度或运动粘度的方法。

三、液体的可压缩性

液体的可压缩性定义：液体受压力作用而发生体积缩小性质。即：体积为V 的液体，当压力△p 增大时，体积△V 减小，则液体在单位压力变化下体积的相对变化量。

1、液体的体积压缩系数公式 k =-△V / △p V 0

常用液压油的k =（5-7）x10-10 m 2/N

液体的体积压缩系数物理意义：单位压力所引起液体体积的变化 ∵ p 增大，V 减小

∴为保证κ为正值，式中须加负号

2、液体的体积弹性模数Κ定义：液体压缩系数的倒数 液体的体积弹性模数公式 Κ=1/k=-△pV 0/△V

液体的体积弹性模数物理意义：表示单位体积相对变化量所需要的压力增量，也即液体抵抗压缩能力的大小。一般认为油液不可压缩（因压缩性很小），若分析动态特性或p 变化很大的高压系统，则必须考虑。计算时取：k=（1.4-1.9）x109 N/m 2。

四、液体的其他性质 1、粘度和压力的关系

∵ 液体分子间的距离随压力增加而减小，内聚力增大，其粘度也随之增大。 ∴μ随p 增大而增大，压力较小时忽略，32Mpa 以上才考虑。 2、粘度和温度的关系

∵ 温度上升，内聚力下降，μ下降。

∴粘度随温度变化的关系叫粘温特性，粘度随温度的变化较小，即粘温特性较好。

1.1.2 对液压油的要求及选用

一、液压油的要求作用

1、作为工作介质—传递运动和动力。

2、作为润滑剂—润滑运动部件。

二、对液压油的要求

（1）合适的粘度和良好的粘温特性；一般液压系统用油粘度为

()610341511-???=~νs /m 2； （2）良好的润滑性； （3）纯净度好，杂质少；

（4）对系统所用金属及密封件材料有良好的相容性。 （5）对热、氧化水解都有良好稳定性，使用寿命长； （6）抗泡沫性、抗乳化性和防锈性好，腐蚀性小；

（7）比热和传热系数大，体积膨胀系数小，闪点和燃点高，流动点和凝固点低。（凝点——油液完全失去其流动性的最高温度）

（8）对人体无害，对环境污染小，成本低，价格便宜。总之：粘度是第一位的。

三、液压油的选择 1、选择液压油品种 （1）机械油 （2）精密机床液压油 （3）气轮机油 （4）变压器油等 2、液压油选择

首先根据工作条件（工作部件运动速度v 、工作压力p 、环境温度T ）和元件类型选择油液品种，然后根据粘度选择牌号：（1）工作部件运动速度慢、工作压力高、环境温度高：选大μ（以降低泄漏△q ）；（2）工作部件运动速度快、工作压力低、环境温度低：选小μ（以降低功率损失△P ）。

1.2 液体静力学

概述

1、研究内容：研究液体处于静止状态的力学规律和这些规律的实际应用。

2、静止液体：指液体内部质点之间没有相对运动，至于液体整体完全可以象刚体一样做各种运动。

1.2.1 液体的静压力及特性

一、液体的静压力定义

液体单位面积上所受的法向力，物理学中称压强，液压传动中习惯称压力。

二、液体静压力特性

（1）垂直并指向于承压表面

∵液体在静止状态下不呈现粘性

∴内部不存在切向剪应力而只有法向应力

（2）各向压力相等

∵有一向压力不等，液体就会流动

∴各向压力必须相等

1.2.2 液体静力学基本方程式

在重力作用下静止液体的受力情况可用下图表示。平衡方程为：

图2-2 静压力的分布规律

∵pdA = p0dA+G = p0dA+ρghdA

∴p = p0+ρgh

重力作用下静止液体压力分布特征

（1）静止液体中任一点处的压力由两部分组成：液面压力p0+液体自重所形成的压力ρgh。

（2）静止液体内压力沿液深呈线性规律分布

（3）离液面深度相同处各点的压力均相等，压力相等的点组成的面叫等压面。

1.2.3 压力的表示方法及单位

一、测压两基准

绝对压力：以绝对零压为基准所测。

相对压力：以大气压力为基准所测。

二、关系

1、绝对压力=大气压力+相对压力

2、相对压力（表压）=绝对压力–大气压力

（注：液压传动系统中所测压力均为相对压力即表压力）

3、真空度=大气压力–绝对压力

在SI中压力的单位为N/m2，称为帕斯卡，用Pa表示。在工程上采用工程大气压。1at（工程大气压）＝1kg/cm2＝9.8×104N/m2≈105Pa＝0.1Mpa。

1.2.4 静压传递原理

一、帕斯卡原理（静压传递原理）

在密闭容器内，液体表面的压力可等值传递到液体内部所有各点。

在液压传动系统中，通常是外力产生的压力要比液体自重（ρgh）所产生的压力大得多。因此可把式中的ρgh略去，而认为静止液体内部各点的压力处处相等。

二、液压系统压力形成

如下图所示：p=F/A

当F=0时p=0，

当F增大时，p升高，

当F减小时，p下降。

结论：液压系统的工作压力取决于负载，并且随着负载的变化而变化。

1.2.5 液体对固体壁面的作用力

一、作用在平面上的总作用力

当承受压力的表面为平面时，液体对该平面的总作用力F为液体的压力与受压面积A的乘积，其方向与该平面相垂直。如：液压缸，若设活塞直径为D，则P=pA=pπD2/4

二、作用在曲面上的总作用力

Fx =pAx

结论：曲面在某一方向上所受的作用力，等于液体压力与曲面在该方向的垂

直投影面积之乘积。

课后小结：

1、液压油的物理性质。

2、对液压油的要求及选用。

3、流体静力学。

复习内容：

1、基本概念：密度、粘性（动力粘度、运动粘度、相对粘度）

2、液体静力学方程

3、静压传递原理（帕斯卡原理）

目的任务：

1、了解流动液体特性、传递规律

2、掌握动力学方程、流量和结论

重点难点：

1、流量与流速关系

2、动力学方程及结论、物理意义

1.3 流体动力学

研究内容:

研究液体运动和引起运动的原因，即研究液体流动时流速和压力之间的关系（或液压传动两个基本参数的变化规律）。

主要讨论:

动力学三个基本方程。

1.3.1几个基本概念

一、理想液体与恒定流动

1、理想液体

通常把既无粘性又不可压缩的液体称为理想液体，而把事实上既有粘性又可压缩的液体称为实际液体。

2、恒定流动

液体流动时，若液体中任何一点的压力、流速和密度都不随时间而变化，这种流动称为定常流动。反之，则称为非定常流动。

二、通流截面、流量和平均流速

1、流线表示某一瞬时液流中各处质点运动状态的一条条曲线。

2、流束通过某一截面上各点流线的集合。

3、通流截面垂直于液体流动方向的截面称为通流裁面。

4、流量单位时间内流过某通流截面的液体体积称为流量

—流量，在液压传动中，流量单位为或；—液体的体积；—通过体积所需要的时间，

5、平均流速

A—通流截面面积。

1.3.2液体流动的连续性方程

一、连续性原理

在一般情况下，可认为是不可压缩的。当液体在管道内作稳定流动时，根据质量守恒定，管内液体的质量不会增多也不会有减少，所以在单位时间内流过每一通流裁面的液体质量必 然相等。

二、连续性方程

如图2.3.1所示，管道内的两个通流面积分别为1A 、2A ，液流的平均流速分别为1v ，2v ，液体的密度为ρ，则有 2211A v A v ρρ=＝常量

即

q A v A v ==2211＝常量或 12

2

1A A v v = 结论：1、在同一管路中，无论通流面积怎样变 化，只要液体是连续的，即没有空隙，没有泄

漏，液体通过任一截面的流量是相等的。 2.3.1图 液流的连续性

原理

2、同一管路中通流面积大的地方液体流速小，通流面积小的地方则液体

流速大。当通流面积一定时，通过液体的流量越大，其流速也越大。

1.3.3伯努利方程(能量方程)

一、理想液体的伯努利方程

图2.3.2 伯努利方程推导简图

1、能量守恒定律：理想液体在管道中稳定流动时，根据能量守恒定律，同一管道内任一截面上的总能量应该相等。或：外力对物体所做的功应该等于该物体机械能的变化量。

2、推导过程

（1）外力对液体所做的功

W = p1A1v1dt - p2A2v2dt = (p1-p2) ?V （2）机械能的变化量

位能的变化量：? Ep = mg ?h = ρg ?V (z2 - z1) 动能的变化量：? Ek = m ?v2/2 =ρ?V(v22 - v12)/2

根据能量守恒定律，则有：W = ?Ep + ? Ek

(p1-p2) ?V= ρg ?V (z2-z1) +ρ?V(v22 - v12)/2

整理后得单位重量理想液体伯努利方程为：

p1 +ρg Z1 +ρv12/ 2 = p2+ρg z2 +ρv22/2

或 p/ρg +z+ v2 /2g= C（c为常数）

3、伯努利方程的物理意义为；在管内作稳定流动的理想液体的压力能、位能和动能三种形式的能量，在任一截面上可以互相转换，但其总和却保持不变。

4、应用伯努利方程时必须注意的问题

（1）断面1、2需顺流向选取（否则hw为负值），且应选在缓变的过流断

面上。

（2）断面中心在基准面以上时，z取正值；反之取负值。通常选取特殊位

置的水平面作为基准面。

二、实际液体的伯努利方程

实际液体具有粘性，在管中流动时，为克服粘性阻力需要消耗能量，所以实

际液体的伯努利方程为

w

h

g

v

z

g

p

g

v

z

g

p

+

+

+

=

+

+

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

α

ρ

α

ρ

式中w h—以水头高度表示的能量损失。

α—为因流速不均匀引起的动能修正系数

1.3.4 动量方程

动量定理：作用在物体上的外力等于物体单位时间内动量的变化量。

即∑F = d（mv）/dt

考虑动量修正问题，则有：∑F =ρg(β2v2-β1v1)

层流：β=1.33；紊流β= 1

X向动量方程：∑Fx = ρg (β2v 2x-β1v1x)

X向稳态液动力： Fx=∑Fx = -ρg (β1v1x-β2v2x)

结论：作用在滑阀阀芯上的稳态液动力总是力图使阀口关闭。

1.4管路压力损失计算

目的任务：

了解损失的类型、原因掌握损失定义减小措施

重点难点：

两种损失减小措施：因为实际液体具有粘性，所以流动中必有阻力，为克服

阻力，须消耗能量，造成能量损失(即压力损失)，压力损失可分为沿程压力损失、局部压力损失。

1.4.1液体的流动状态

一、液体的流态

层流时，液体质点沿管道作直线运动而没有横向运动，即液体作分层流动，各层间的液体互不混杂。紊流时，液体质点的运动杂乱无章，除沿管道轴线运动外，还有横向运动等复杂状态。

二、雷诺数

雷诺数ν/Re vd =，一般都用后者作为判别液流状态的依据，称为临界雷诺数，记作及Re c 。当Re >Re c 为紊流，Re

1.4.2沿程压力损失

沿程压力损失定义：液体沿等径直管流动时，由于液体的粘性摩擦和质点的相互扰动作用，而产生的压力损失。

沿程压力损失产生原因：内摩擦—因粘性，液体分子间摩擦；外摩擦—液体与管壁间。

图2.4.1 圆管层流速度分布示意图

一、流速分布规律

经理论推导得知液体在圆管中作层流运动时，速度对称于圆管中心线分布，在某一压力降Δp=p1-p2的作用下，液流流速u 沿圆管半径呈抛物线规律分布，如图2.4.1所示。当r ＝0时，即圆管轴线上，流速最大，当r ＝R 时，流速为零。

速度分布表达式为

()22

4r R l p u -?=

μ。

二、圆管层流的流量p

l d q ?=μπ1284

l —圆管长度；d —管道内径；

三、圆管沿程压力损失

22

v d l p f ρλ

=? λ—沿程阻力系数（理论值64/Re ），油液在金属管路中流动时取

Re 75

=

λ；

在橡胶软管中流动时，取

Re 80=

λ。

v —油液的平均流速；

ρ—油液密度。

所以液流沿圆管作层流运动时，其沿程压力损失与管长、流速、粘度成正比，而与管径的平方成反比。

1.4.3局部压力损失

一、定义：局部压力损失是指液流流经截面突然变化的管道、弯管、管接头以及控制阀阀口等局部障碍时引起的压力损失。

二、产生原因：

1、碰撞、旋涡（突变管、弯管）产生附加摩擦

2、附加摩擦：只有紊流时才有，是由于分子作横向运动时产生的摩擦，即速度分布规律改变，造成液体的附加摩擦。 三、计算

22

v

p ρξ

ξ=?

式中 v —液流流速；

ξ—局部阻力系数，具体数据可查阅有关液压传动设计手册。

2

???? ???=?n

r q

q

p p ξ

1.4.4管路系统总压力损失

一、总压力损失

液压系统的管路通常由若干段管道和一些弯头、控制阀和管接头等组成，因此管路系统总的压力损失等于所有直管中的沿程压力损失λp ?及局部压力损

失

ξ

p ?之总和。即

∑∑∑∑+?=?+?=?222

2

v

v d l p p p ρξρλ

ξλ

必须注意，应用上式计其总压力损失时，只有在两个相邻的局部障碍之间有足够距离时才能简单相加。因为液流经过局部障碍后受到很大的扰动，要经过一段距离后才能稳定。

二、减小压力△p的措施

1、尽量减小L以减小管路的突变。

2、提高加工质量，力求管壁光滑。

3 、提高通流面积A，减小速度v，其中v的影响最大。当v过高，减小压力△p。

又因为△p正比于v2 ，而当速度v过低，尺寸会增大，成本也将提高，

所以，一般有推荐流速可供参考，见有关手册。

课后小结：

1、基本概念：理想液体、定常流动、流量、平均流速

2、动力学方程：连续性方程、伯努利方程、动量方程

4、压力损失:沿程压力损失、局部压力损失

复习内容：

1、动力学方程各是什么？

2、液压传动中液体的流态和压力损失有哪几种？

目的任务：

1、了解流量公式、特点、两种现象产生原因。

2、掌握薄壁孔流量公式及小孔流量通用方程。

重点难点：

1、薄壁小孔流量公式及特点

2、小孔流量通用方程

3、平行平板缝隙和偏心圆环缝隙流量公式

1.5 液体流经孔口及缝隙的特性—压力特性

1.5.1小孔流量—压力特性

概述

孔口和缝隙流量在液压技术中占有很重要的地位，它涉及液压元件的密封性，系统的容积效率，更为重要的是它是设计计算的基础，节流阀是利用小孔来控制流量。

一、薄壁小孔的流量压力特性

液体流经小孔的情况可分为薄壁小孔、短孔和细长孔。

薄壁小孔 l/d ≤ 0·5

孔口分类 < 细长小孔 l/d > 4

短孔 0、5 < l/d ≤4

当小孔的通道长度l与孔径d之比

5.0

d

l

时称为薄壁小孔。如下图所示。

对于图2.5.1所示的通过薄壁小孔的液流，取截面I和Ⅱ为计算截面，设截

面I处的压力和平均速度分别为p

1、v

1

，截面Ⅱ处的压力和平均速度分别为p

2

、

v 2, 由于选轴线为参考基准，则z

l

＝z

2

，列伯努利方程为

图

2.5.1通过薄壁小孔的液流

w p v p v p ?++=+

222221112121ραρα

式中w gh p ρ=?由于小孔前管道的通流截面面积A 1比小孔的收缩截面面积A 2

大得多，故v 1≤v 2，v 1可略而不计。此外，上式中的?p w 部分主要是局部压力损

失，它包括管道突然收缩和突然扩大两部分，即

22

2

v p w ρξ

=?

将上式代入式（2.5.1）中，并令Δp ＝p l -p 2，求得液体流经薄壁小孔的平均速度v 2为

一般指小孔的长径比d l /＜4时为短孔，而d l /＞4时为细长孔。

图2.5.2短孔的流量系数

液流在细长孔中的流动一般为层流，可用式（2.4.3）来表达其流量压力特性，即

式中：A —细长孔截面积，

A ＝2

d

π/4；

C —系数，C ＝()l d μ32/2

总之

1、液体流经细长孔的流量q 与其前后压力差p ?的一次方成正比。

2、系数C 与粘度有关，流量q 受液体粘度变化的影响较大，故当温度变化而引起液体粘度变化时，流经细长孔的流量也发生变化。

3、细长孔较易堵塞，这些特点都与薄壁小孔不同。

1.5.2液体流经缝隙的流量—压力特性

一、液体流经平行平板缝隙的流压力特性 1、固定平行平板缝隙

图2.5.3所示为两固定平行平板间隙，缝隙高 δ，长度为l ，宽度为b 和l 一般比δ大得多。 经理论推导可得出液体流经该平板缝隙的流量为

p l b q ?=

μδ123

图2.5.3固定平行平板缝隙中的液流

由上式可知：液体流经两固定平行平板缝隙的流量q 与缝隙δ的三次方成正比。

2、相对运动平行平板缝隙

若一个平板以一定速度v 相对另一固定

平板运动，通过该缝隙的流量为 δ

b v q 2= 在压差作用下，液体流经相对运动平行平板 缝隙的流量应为压差流动和剪切流动两种流

量的叠加，即δμδb v

p l b q 2123±?= 图2.5.4相对运动的两平行板间的液流

上式中，平板运动速度与压差作用下液体流向相同时取“＋”号，反之取“-”号。

二、液体流经环形缝隙的流量压力特性 如图2.5.5所示为长度l 的偏心环形缝隙， 其偏心距为e 、大圆半径为R 、小圆半径为r 、 内外环的相对运动速度为v 。

通过该缝隙的流量为

图

2.5.5 偏心环形缝隙中

的液流

式中：D ＝2R 为大圆直径；

d ＝2r 为小圆直径； 图2.5.5 偏心环形缝隙中的液流 δε

e =

,δ为无偏心时环形缝隙值。

如果内外环间无相对运动，则()235.1112εμδπ+?=L P

D q (2.5.9)

由式（2.5.9）可看出，当两圆环同心e ＝0时,ε＝0，可得到同心环形缝隙的流量公式；当e ＝1时，完全偏心时的泄漏量为同心时的2.5倍，故在液压元件中柱塞阀芯上都开有平衡槽，使其在工作时靠液压自动对中，以保持同心,减少泄露。

1.6液压冲击和气穴现象

一、液压冲击

1、液压冲击：在液压系统中，由于某种原因，液体压力在一瞬间突然升高，产生很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。

2、液压冲击引起的结果

∵ 液压冲击峰值压力>>工作压力

∴ 引起振动、噪声、导致某些元件如密封装置、管路等 损坏；使某些元件（如压力继电器、顺序阀等）产生误动作，影响系统正常工作。

3、液压冲击的类型：

（1）液流通道迅速关闭或液流方向突然改变使液流速度的大小或方向突然变化时，由液流的惯性力引起的液压冲击。

可采取以下措施来减少这种液压冲击：a、使完全冲击改变为不完全冲击。可用减慢阀门关闭速度或减小冲击波传播距离来达到；b、限制管中油液的流速；

c、用橡胶软管或在冲击源处设置蓄能器，以吸收液压冲击的能量；

d、在出现液压冲击的地方，安装限制压力的安全阀。

（2）运动部件制动时产生的液压冲击。

二、气穴现象

1．气穴概念：液压系统中，由于某种原（如速度突变），使压力降低而使气泡产生的现象。

2．气穴现象产生原因：压力油流过节流口、阀口或管道狭缝时，速度升高，压力降低；液压泵吸油管道较小，吸油高度过大，阻力增大，压力降低；液压泵转速过高，吸油不充分，压力降低。

3．气穴现象引起的结果

（1）液流不连续，流量、压力脉动

（2）系统发生强烈的振动和噪声

（3）发生气蚀

4．措施

（1）减小阀孔前后的压差。

（2）适当加大吸油管的内径，限制管中的流速。减少局部变形。及时清洗滤油器。

（3）提高零件的机械强度。

课后小结：

1、小孔流量—压力特性（薄壁小孔、短孔、细长孔）

2、缝隙流量—压力特性（平行平板、同心圆环、偏心圆环）

3、液压冲击及气穴现象