Chapter 第一章 液压流体力学基础 液体是液压传动的工作介质。了解液体的基本性质，掌握其主要力学规律，对于正确理 解液压传动原理以及合理设计和使用液压系统都是十分重要的。 本章除了简要地叙述液压油液的性质、液压油液的要求和选用等内容外，将着重阐述液 体的静力学特性、静力学基本方程式和动力学的几个重要方程式。 第一节液压油液 一、液压油液的性质 (一)密度 单位体积液体的质量称为该液体的密度，即 m P=V (1-1) 式中V—液体的体积： m一体积为V的液体的质量； p一液体的密度。 密度是液体的一个重要物理参数。随着温度或压力的变化，其密度也会发生变化，但变 化量一般很小，可以忽略不计。一般液压油的密度为900kg/m3。 (二)可压缩性 液体受压力作用而发生体积减小的性质称为液体的可压缩性。体积为V的液体，当压力 增大△p时，体积减小△V,则液体在单位压力变化下的体积相对变化量为 ks、14P (1-2) △pV 式中k—液体的压缩系数。 由于压力增大时液体的体积减小，因此式(1-2)的右边须加一负号，以使k为正值。 k的倒数称为液体的体积弹性模量，以K表示。于是有 (1-3) K表示产生单位体积相对变化量所需要的压力增量。在实际应用中，常用K值说明液体抵抗 压缩能力的大小。 液压油的体积弹性模量K=(1.2~2)×103MPa,数值很大，故对于一般液压系统，可认为 液压油是不可压缩的。但是，当液压油中混入空气时，其可压缩性将显著增加，并将严重影 响液压系统的工作性能。故在液压系统中应尽量减少液压油中的空气含量。 (三)黏性 1.黏性的意义 液体在外力作用下流动时，液体分子间内聚力会阻碍分子相对运动，即分子之间产生一
8液压与气压传动第4版 种内摩擦力，这一特性称为液体的黏性。黏性是液体的重要物理特性，也是选择液压油的主 要依据。 液体流动时，由于液体和固体壁面间的附着力以及液体的黏性，液体内各液层间的速度 大小不等。如图1-1所示，设在两个平行平板之间充满液体，当上平板以速度相对于静止 的下平板向右移动时，在附着力的作用下，紧贴于上 平板的液体层速度为0，而中间各层液体的速度则从 上到下近似呈线性递减的规律分布，这是因为在相邻 两液体层间存在有内摩擦力，该力对上层液体起阻滞 作用，而对下层液体则起拖曳作用。 实验测定结果表明，液体流动时相邻液层间的内 摩擦力F,与液层接触面积A、液层间的速度梯度du/dy 成正比，即 du F=HA (1-4) 07777777 dy 图1-1液体黏性示意图 式中4一比例系数，又称为黏度系数或动力黏度。 若以T表示液层间在单位面积上的内摩擦力，则式(1-4)可写成 F du T=- (1-5) 这就是牛顿液体内摩擦定律。 由上式可知，在静止液体中，因速度梯度du/dy=0,故内摩擦力为零，因此液体在静止 状态下是不呈现黏性的。 2.液体的黏度 液体黏性的大小用黏度来表示。常用的黏度有三种，即动力黏度、运动黏度和相对黏度。 (1)动力黏度以它是表征液体黏度的内摩擦因数，故由式(1-5)可知 μ=/y du (1-6) 由此可知动力黏度的物理意义是：当速度梯度等于1时，接触液体液层间单位面积上的 内摩擦力？即为动力黏度，又称绝对黏度。 在我国法定计量单位制及SI制中，动力黏度4的单位是Pa·s(帕·秒)，或用N·s/m2 (牛·秒/米2)表示。 在CGs制中，4的单位为dgm·s/cm2(达因·秒/厘米2)，又称为P(泊)。P的百分之 一称为cP(厘泊)。其换算关系如下 1Pa·8=10P=103cP (2)运动黏度”动力黏度4和该液体密度P的比值v称为运动黏度，即 v=u/p (1-7) 在我国法定计量单位制及SI制中，运动黏度v的单位是m2/s(米2/秒)。 在CGS制中，v的单位是cm2/s(厘米2/秒)，通常称为S(斯)。1St(斯)=100cSt(厘 斯)。两种单位制的换算关系为 1m2/s=104St=10°cSt 运动黏度没有明确的物理意义。因为在其单位中只有长度和时间的量纲，所以称为运 动黏度。它是工程实际中经常用到的物理量。例如：液压油的牌号，就是这种液压油在40℃ 时的运动黏度v(mm2/s)的平均值，如L-AN32液压油就是指这种液压油在40℃时的运动黏 度v的平均值为32mm2/s
第一章液压流体力学基础9 (3)相对黏度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来 的液体黏度。根据测量条件的不同，各国采用的相对黏度的单位也不同。如我国、德国及前 苏联等采用恩氏黏度(E),美国采用国际赛氏秒(S$U),英国采用雷氏黏度(R)。 恩氏黏度由恩氏黏度计测定，即将200cm3的被测液体装入底部有2.8mm小孔的恩氏黏 度计的容器中，在某一特定温度t时，测定液体在自重作用下流过小孔所需的时间，和同体积 的蒸馏水在20℃时流过同一小孔所需的时间2，两者的比值便是该液体在温度：时的恩氏黏 度。恩氏黏度用符号E,表示。于是有 E=t1/t2 (1-8) 一般以20℃、50℃、100℃作为测定恩氏黏度的标准温度，由此而得来的恩氏黏度分别 用E20、E50和°E100表示。 恩氏黏度（单位为m2/s)和运动黏度的换算关系式为 v=7.31°E- 6.31 ×106 (1-9) E 3.调和油的黏度 选择合适黏度的液压油，对液压系统的工作性能有着十分重要的作用。有时现有的油液 黏度不能满足要求，可把两种不同黏度的油液混合起来使用，称为调和油。调和油的黏度与 两种油所占的比例有关，一般可用下面的经验公式计算 aE1+b°E2-c(E1-E2)】 oF= (1-10) 100 式中E1、E2一混合前两种油液的黏度，取E,>E2; E 混合后的调和油的黏度； a、b 参与调和的两种油液各占的体积百分数(a+b=100%); 实验系数，见表1-1。 表1-1 系数c的数值 a(%) 10 20 30 40 50 60 a 80 90 b(%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 6.7 13.1 17.9 22.1 25.5 27.9 28.2 25 17 4.黏度和温度的关系 温度对油液黏度影响很大，当油液温度升高时，其黏度显著下降。油液黏度的变化直接 影响液压系统的性能和泄漏量，因此希望黏度随温度的变化越小越好。不同的油液有不同的 黏度温度变化关系，这种关系称为油液的黏温特性。 对于黏度不超过15°E的油液，当温度在30~150℃范围内时，可用下述近似公式计算温 度为，时的运动黏度 50 (1-11) 式中v,一温度为1时油液的运动黏度(×106m2/s) V50 温度为50℃时油液的运动黏度(×106m2/s); n 与油液黏度有关的特性指数，见表1-2。 表1-2特性指数n的数值 Eso 1.2 1.5 1.82.03.04.05.06.07.08.09.0 10.015.0 "o/(×106m2·g1) 2.5 6.59.5 21 30 38 4552 6068 76113 1.39 1.591.721.791992.132.242.322.422.492.522.562.75
10液压与气压传动第4版 油液温度为t时的黏度，除用上述公式求得外，还可以从图表中直接查出。图1-2为几种 常用的国产液压油的黏温特性图。 500 400 300 40 200 150 100 15 75 125 50 X 不N1000N100 30 L-AN63(N63) -AN46N46 20 LAN32CN32) L ANI5(NI5) 125 10 01520 30 60 70 90 100 00动6动布D0010030105000180020 F 图1-2几种常用的国产液压油的黏温特性图 5.黏度与压力的关系 压力对油液的黏度也有一定的影响。压力越高，分子间的距离越小，因此黏度越大。不 同的油液有不同的黏度压力变化关系。·这种关系称为油液的黏压特性。 黏度随压力的变化关系为 Vp=voebp (1-12) 式中“。一压力为p时的运动黏度(×106m2·s1)； o一一个大气压下的运动黏度(×106m2·s1): b—黏度压力系数，对一般液压油b=0.002~0.003。 在实际应用中，当液压系统中使用的矿物油压力在0~500×10°Pa的范围内时，可按下式 计算油的黏度，即 v。=vo(1+0.003p) (1-13) 在液压系统中，若系统的压力不高，压力对黏度的影响较小，一般可忽略不计。当压力 较高或压力变化较大时，则压力对黏度的影响必须考虑。 (四)其他特性 液压油液还有其他一些物理化学性质，如抗燃性、抗氧化性、抗凝性、抗泡沫性、抗乳 化性、防锈性、润滑性、导热性、稳定性以及相容性（主要指对密封材料、软管等不侵蚀、 不溶胀的性质)等，这些性质对液压系统的工作性能有重要影响。对于不同品种的液压油液， 这些性质的指标是不同的，具体应用时可查油类产品手册。 二、对液压油液的要求和选用 (一)要求 液压系统中的工作油液具有双重作用，一是作为传递能量的介质，二是作为润滑剂润滑
第一章液压流体力学基础11 运动零件的工作表面，因此油液的性能会直接影响液压传动的性能：如工作的可靠性、灵敏 性、工况的稳定性、系统的效率及零件的寿命等。一般在选择油液时应满足下列几项要求： 1)黏温特性好。在使用温度范围内，油液黏度随温度的变化越小越好。 2)具有良好的润滑性，即油液润滑时产生的油膜强度高，以免产生干摩擦。 3)成分要纯净，不应含有腐蚀性物质，以免侵蚀机械零件和密封元件。 4)具有良好的化学稳定性。油液不易氧化，不易变质，以防产生黏质沉淀物影响系统工 作，同时防止氧化后油液变为酸性而对金属表面起腐蚀作用。 5)抗泡沫性好，抗乳化性好，对金属和密封件有良好的相容性。 6)体积膨胀系数低，比热容和传热系数高；流动点和凝固点低，闪点和燃点高。 7)无毒性，价格便宜。 随着液压技术应用领域的不断扩大和对性能要求的不断提高，其工作介质的品种越来越 多，按IS06743/4一1999(GB/T786.1一2009)，液压介质分为两类：一类是易燃的烃类液压 油（矿物油型和合成烃型）；另一类是难燃（或抗燃）液压油液。难燃液压油液包括含水型 及无水型两大类。含水型如高水基液(HFA)、油包水乳化液(HFB)、水-乙二醇(HFC); 无水型合成液(HFD)如磷酸酯。除此之外，直接以水作介质的液压传动技术也正在蓬勃兴 起。目前，最广泛使用的仍然是矿物油型液压油。 几种常用的国产液压油的主要质量指标见表1-3。 表1-3几种常见的国产液压油的主要质量指标 项目 质量指标 品种 普通液压油 高级抗磨液压油 低温液压油 L-AN L-AN L-AN 牌号 32 46 68 32G 68G 32 32 46 68 Y 40℃时运动整度 28.8 41.4- 61.2- 28.8- 61.2- 28.8- 41.4- 61.2- 22 /(×106m2·s1) 35.2 32 50.6 74.8 35.2 74.8 35.2 50.6 74.8 黏度指数不小于 90 95 130 闪点（开口）/℃ 170 180 200 140 160 不低于 凝点/℃不高于 -10 -15 -36 机械杂质 无 无 无 (质量分数，%) 氧化稳定性（酸值达 1000 1000 1000 2.0mgK0H/g)不小于 (二)选用 选择液压油液时首先要考虑的是黏度问题。在一定条件下，选用的油液黏度太高或太低， 都会影响系统的正常工作。黏度高的油液流动时产生的阻力较大，克服阻力所消耗的功率较 大，而此功率损耗又将转换成热量使油温上升。黏度太低，会使泄漏量加大，使系统的容积 效率下降。 在选择液压油液时要根据具体情况或系统的要求来选用黏度合适的油液。选择时一般考 虑以下几个方面： (1)液压系统的工作压力工作压力较高的液压系统宜选用黏度较大的液压油液，以减 少系统泄漏；反之，可选用黏度较小的液压油液。 (2)环境温度环境温度较高时宜选用黏度较大的液压油液。 (3)运动速度液压系统执行元件运动速度较高时，为减小液流的功率损失，宜选用黏 度较低的液压油液