液压课件-第二章-液压油的性质.ppt

1、第二第二章章 流体力学概述（流体力学概述（Introduction of Fluid Mechanics）2.1 液压油的性质（液压油的性质（Properties of Hydraulic Fluids）在液压系统中唯一最重要的材料是工作流体本身。液压油的性质对在液压系统中唯一最重要的材料是工作流体本身。液压油的性质对设备的正常工作和使用寿命有着决定性的影响。为了液压系统能够高效设备的正常工作和使用寿命有着决定性的影响。为了液压系统能够高效地完成其工作使用清洁、高质量的液压油是非常重要的（地完成其工作使用清洁、高质量的液压油是非常重要的（The single most important ma

2、terial in a hydraulic system is the fluid itself.Hydraulic fluid characteristics have a crucial effect on equipment performance and life.It is important to use a clean,high-quality fluid in order to achieve efficient hydraulic system operation）。）。为了满足工作要求现代大多数液压油都是经过特殊合成的化合物。为了满足工作要求现代大多数液压油都是经过特殊合成

3、的化合物。除了有一种基本的流体，液压油还包含一些添加物来得到所希望的性质除了有一种基本的流体，液压油还包含一些添加物来得到所希望的性质（Most modern hydraulic fluids are complex compounds which have been carefully prepared to meet their demanding tasks.In addition to having a base fluid,hydraulic fluid contain special additives to provide desired characteristics）。）。1

4、.液压油的主要功能（液压油的主要功能（The primary function of hydraulic fluid）实质上，液压油有四个主要功能（实质上，液压油有四个主要功能（Essentially a hydraulic fluid has four primary functions）：）：传递动力（传递动力（To transmit power）；）；润滑运动部件（润滑运动部件（To lubricate moving parts）；）；密封两部件之间的配合间隙（密封两部件之间的配合间隙（To seal clearances between mating parts）；）；散热（散热（To

5、 dissipate heat）。）。2.液压油的特性（液压油的特性（The properties of hydraulic fluid）为真正地实现上述这些主要功能并从安全和成本上考虑，液压油应为真正地实现上述这些主要功能并从安全和成本上考虑，液压油应具有以下特性（具有以下特性（To properly accomplish these primary functions and be practical from a safety and cost point of view,a hydraulic fluid should have the following properties）：良好

6、的润滑性（良好的润滑性（Good lubricity）；）；理想理想的黏度的黏度（Ideal viscosity）；）；化学和环保稳定性（化学和环保稳定性（Chemical and environmental stability）；）；与系统其它材料的相容性（与系统其它材料的相容性（Compatibility with system materials）；）；较大的体积模量（较大的体积模量（Large bulk modulus）；）；耐火性（耐火性（Fire resistance）；）；良好的传热能力（良好的传热能力（Good heat transfer capability）；）；低密度（低

7、密度（Low density）；）；抗泡性（抗泡性（Foam resistance）；）；无毒（无毒（Nontoxic）；）；低挥发性（低挥发性（Low volatility）；）；低成本（低成本（Inexpensive）；）；容易得到（容易得到（Readily available）。）。单一的液压油不具有所有这些希望的性质。为了实际使用，流体传单一的液压油不具有所有这些希望的性质。为了实际使用，流体传动设计者必须选择最接近所有这些理想性质的流体（动设计者必须选择最接近所有这些理想性质的流体（This is a challenging list,and no single hydraulic

8、fluid possesses all of these desirable characteristics.The fluid power designer must select the fluid which comes the closest to being ideal overall for a particular application）。）。液压油必须定期更换，其周期不仅取决于流体本身还与其使用环境液压油必须定期更换，其周期不仅取决于流体本身还与其使用环境有关。实验室分析是确定液压油更换周期的最好方法。通常说，由于油有关。实验室分析是确定液压油更换周期的最好方法。通常说，由于

9、油液分解或被污染而导致其黏度和酸度增大时，它就应被更换。更好地是液分解或被污染而导致其黏度和酸度增大时，它就应被更换。更好地是当系统处于工作温度时更换油液。用这种方法，大多数杂质都处于悬浮当系统处于工作温度时更换油液。用这种方法，大多数杂质都处于悬浮状态并且容易排除（状态并且容易排除（Hydraulic fluids must also be changed periodically,the frequency depending not only on the fluid but also on the operatingconditions.Laboratory analysis is t

10、he best method for determining when a fluid be changed.Generally speaking,a fluid should be changed when its viscosity and acidity increase due to fluid breakdown or contamination.Preferably,the fluid should be changed while the system is at operating temperature.In this way,most of the impurities a

11、re in suspension and will be drained off）。）。2.2 流体：液体流体：液体（Fluids:Liquids）“流体流体”一词是液体和气体的总称。液体是这样一种流体，具有已一词是液体和气体的总称。液体是这样一种流体，具有已知的质量，它具有明确的、与它的容器形状无关的体积，这个意思是即知的质量，它具有明确的、与它的容器形状无关的体积，这个意思是即使液体呈现其容器的形状，容器中充满液体部分的体积等于液体的体积使液体呈现其容器的形状，容器中充满液体部分的体积等于液体的体积（The term fluid refers to both gases and liqui

12、ds.A liquid is a fluid which,for a given mass,will have a definite volume independent of the shape of its container,it will fill only that part of the container whose volume equals the volume of quantity of the liquid）。）。液体被认为是不可压缩的以致于压力变化时，液体的体积不会变液体被认为是不可压缩的以致于压力变化时，液体的体积不会变化。这并不绝对准确，但是由于压力变化引起的体积

13、变化是很小的，在化。这并不绝对准确，但是由于压力变化引起的体积变化是很小的，在大多数工程应用中可忽略不计（大多数工程应用中可忽略不计（Liquids are considered to be incompressible so that their volume dose not change with pressure changes.This is not exactly true,but the change in volume due to pressurechanges is so small that it is ignored for most engineering appli

14、cations）。）。2.3 基本参数（基本参数（The Basic Parameters）1.重量（重量（Weight）所有物质，不论固体或流体，都受到地心引力的作用。这个力称为所有物质，不论固体或流体，都受到地心引力的作用。这个力称为物体的重力，并与物体的质量成正比，定义为（物体的重力，并与物体的质量成正比，定义为（All objects,whether solids or fluids,are pulled toward the center of the earth by a force of attraction.This force is called the weight of

15、the object and is proportional to the objects mass,as defined by）：）：F=W=mg （2-1）式中（式中（where）：）：F-力（力（N）；）；W-流体的重量（流体的重量（weight）（）（N）；）；m-流体的质量（流体的质量（mass）（）（kg）；）；g-重力加速度（重力加速度（acceleration of gravity）（）（9.81m/s2）。）。2.重度（重度（Weight density）重度被定义为单位体积流体的重量（重度被定义为单位体积流体的重量（Weight density is defined as

16、weight per unit volume）。即）。即（we have）：（2-2）式中式中（where）：）：g g-重度（重度（weight density）（）（N/m3）；）；W-重量（重量（weight）（）（N）；）；V-体积（体积（volume）（）（m3）。利用式（利用式（2-2）我们能够计算出水的重度（）我们能够计算出水的重度（We can now calculate the weight density of water using Eq.（2-2）：）：大多数油液的重度大约为大多数油液的重度大约为8792N/m3。然而，根据油液种类的不同，然而，根据油液种类的不同，=W

17、Vg g3water39810=9810/1WNNmVmg g=其其重度在重度在8635 N/m3和和9106 N/m3之间变化（之间变化（Most oils have a weight density of about 8792N/m3.However,depending on the type of oil,the density can vary from a low of 8635 N/m3 to a high of 9106 N/m3）。）。3.比重（比重（Specific gravity）给定流体的比重（给定流体的比重（Sg）是流体的重度与）是流体的重度与44纯水的重度之比，即油液

18、纯水的重度之比，即油液的比重（的比重（The specific gravity（Sg）of a given fluid is defined as the weight density of the fluid divided by the weight density of water）：）：（2-3）代入已知数值得（代入已知数值得（Substituting known values,we have）：）：注：注：比重是无量纲（无单位）参数（比重是无量纲（无单位）参数（Note that specific gravity is a dimensionless parameter）。）。oil

19、oilwater=gSg gg g3oil38792/=9810/gNmSNm 4.密度（密度（Mass density）其定义是单位体积的质量（其定义是单位体积的质量（We can also talk about mass density,which is defined as mass per unit volume）：）：（2-4）式中（式中（where）：）：r r-密度密度（mass density）（）（kg/m3）；）；m-质量质量（mass）（）（kg）；）；V-体积（体积（volume）（）（m3）。）。由于质量与重量成正比，密度也等于给定流体的密度除以水的密度由于质量与重量

20、成正比，密度也等于给定流体的密度除以水的密度（Since mass is proportional to weight,it follows that specific gravity can also be defined as the mass density of given fluid divided by the mass density of water）。）。密度与重度有如下关系（密度与重度有如下关系（Mass density is related to weight density as follows）：）：=mVr r （2-5）那么水的密度为（那么水的密度为（Thus t

21、he mass density of water can be found）：）：5.压力（压力（pressure）流体压力（流体压力（Fluid pressure）在流体传动系统中压力或者说得更确切些是力以相等的数值向各个在流体传动系统中压力或者说得更确切些是力以相等的数值向各个方向传递。压力用单位面积上所受的力来表示。因此，压力是单位面积方向传递。压力用单位面积上所受的力来表示。因此，压力是单位面积上作用的力的总和，即（上作用的力的总和，即（In fluid power systems it is pressure rather than force that is transmitted

22、 equally in all directions.Pressure is defined as force per unit area.Hence,pressure is the amount of force acting over a unit area,as indicated by）：）：=gg gr r233water29810/=1000/9.81/kgm smkg mm sr r=（2-6）式中（式中（where）：）：p-压力压力（pressure）；）；F-力（力（force）；）；A-面积（面积（area）。）。如果如果F和和A的单位分别是的单位分别是N和和m2，那么那

23、么p的单位就是的单位就是Pa。静止流体中的压力称为流体静压力，它有两个重要性质（静止流体中的压力称为流体静压力，它有两个重要性质（The pressure in static fluid called fluid static pressure,it has two important properties）：）：静止流体中任一点上压力大小与所受力面的方位无关，即静止流体静止流体中任一点上压力大小与所受力面的方位无关，即静止流体中任一点的压力在各个方向相等（中任一点的压力在各个方向相等（Static fluid as point pressure with the azimuth force

24、size has nothing to do,that is still in a bit of pressure of the fluid in each direction are equal）。）。=FpA 静止流体中压力作用方向是垂直于表面并指向该表面，即沿表面内静止流体中压力作用方向是垂直于表面并指向该表面，即沿表面内法线方向（法线方向（Static pressure in the flow direction is perpendicular to the surface and point to the surface,that is in the surface normal

25、direction）。静压力的基本方程（静压力的基本方程（The basic equations of static pressure）如图所示，从流体中划出一个底面积为如图所示，从流体中划出一个底面积为D DA的液柱，在流体表面上，的液柱，在流体表面上，外力产生的压力外力产生的压力pe=Fe/A，液柱所受质量力为，液柱所受质量力为g ghD DA，设，设液柱下表面上作用的压力为液柱下表面上作用的压力为p，其方向向上，则沿垂直，其方向向上，则沿垂直方向的力平衡方程为（方向的力平衡方程为（As shown in figure,fluid from the scribe a bottom area

26、 of D DA fluid column,in the fluidon the surface,the pressure generated outside force pe=Fe/A,fluid column by quality force for g ghD DA,fluid column on the surface of a under the pressure of the role for p,its upward direction,then along vertical direction of force balance equation for）：）：peD DA+g

27、ghD DA=pD DA，由此得，由此得：p=pe+g gh （2-7）式中，式中，p是离液面是离液面h深处的压力（深处的压力（p is from liquid surface pressure deep h）。）。由式（由式（2-7）可知：）可知：静压力是外力产生的压力静压力是外力产生的压力pe和自重产生的压力和自重产生的压力g gh之和之和（The static pressure is outside force produces pressure pe and pressure from dead weightg gh the sum）；）；静止流体压力随深度线性地增加（静止流体压力随深

28、度线性地增加（Static fluid pressure with depth in linear increase）；）；静压力相等的各点组成的面称为等压面，在静止流体中等压面是水静压力相等的各点组成的面称为等压面，在静止流体中等压面是水平面（平面（The static pressure equal at every point of the face of pressure surface is called,in static fluid medium pressure surface is horizontalplane）；）；在一般液压系统中工作压力（在一般液压系统中工作压力（pe）

29、比自重产生的压）比自重产生的压力力g gh大得多，故在液压系统中大得多，故在液压系统中g gh可忽略，即可忽略，即p=pe（In general in hydraulic system work pressure（pe）than the pressure generated weightg gh,so in the hydraulic system the g gh negligible,namely p=pe）。）。压力的单位（压力的单位（Pressure units）压力有多种单位。在压力有多种单位。在SI制中，压力的单位是制中，压力的单位是Pa，1Pa=1N/m2，由于，由于Pa太小，工

30、程上常用太小，工程上常用MPa，目前也可用，目前也可用bar。1MPa=106Pa，1bar=105Pa。在工程上还有以下压力单位被应用在工程上还有以下压力单位被应用 标准大气压（标准大气压（atm），工程大气压（），工程大气压（at），），mH2O（米水柱高）（米水柱高），mmHg（毫米汞柱高），（毫米汞柱高），kgf/cm2。1atm=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg=1.013105Pa。1at=1kgf/cm2=10mH2O=735.5mmHg=9.8104Pa。6.体积弹性模量（体积弹性模量（Bulk Modulus）具有较高功率具有较高功率-重量比和刚度

31、的液压系统经常被用于大功率的场所。重量比和刚度的液压系统经常被用于大功率的场所。液压系统的刚度与油液的不可压缩性有直接关系。体积弹性模量是不可液压系统的刚度与油液的不可压缩性有直接关系。体积弹性模量是不可压缩性的度量值。体积弹性模量越高，流体的压缩性越小或流体的刚性压缩性的度量值。体积弹性模量越高，流体的压缩性越小或流体的刚性越大。体积弹性模量的数学表达式如式（越大。体积弹性模量的数学表达式如式（2-7），负号说明随着压力的增），负号说明随着压力的增加，体积减小（加，体积减小（The highly favorable horsepower-to-weight ratio and the sti

32、ffness of hydraulic systems make them the frequent choice for most high-power applications.The stiffness of a hydraulic system is directly related to the incompressibility of the oil.Bulk modulus is a measure of this incompressibility.The higher the bulk modulus,the less compressible or stiffer the

33、fluid.Mathematically the bulk modulus is defined by Eq.（2-7）,where the minus sign accounts for the fact that as the pressure increases,the volume decreases）：）：（2-7）式中（式中（where）：）：b b-体积体积弹性模量（弹性模量（bulk modulus）（）（MPa）；）；V-初始初始体积（体积（original volume）（）（m3）；）；D Dp-压力压力变化值（变化值（change in pressure）（）（MPa）

34、；）；D DV-体积体积变化值（变化值（change in volume）（）（m3）。）。油液的体积弹性模量随其压力和温度的变化而变化，但是，在大多油液的体积弹性模量随其压力和温度的变化而变化，但是，在大多数流体传动系统的工作范围内，这些变化因素均可忽略不计（数流体传动系统的工作范围内，这些变化因素均可忽略不计（The bulk modulus of an oil changes somewhat with pressure and temperature,but within the operating ranges in most fluid power systems,this fac

35、tor can be neglected）。）。7.黏性（黏性（Viscosity）黏性或许是液压油最重要的特性。它是运动流体流动性的度量值。黏性或许是液压油最重要的特性。它是运动流体流动性的度量值。当黏性小时，流体容易流动因为它是稀的以及黏度低。高黏性的流体因当黏性小时，流体容易流动因为它是稀的以及黏度低。高黏性的流体因=pVVb bD D-D D具有高黏度具有高黏度而看起来很浓，所以流动困难（而看起来很浓，所以流动困难（Viscosity is probably the single most important property of a hydraulic fluid.It is a

36、measure of the sluggishness with which a fluid moves.When the viscosity is low,the fluid flows easily because it is thin and has a low body.A fluid that flows with difficulty has a high viscosity and is thick in appearance with a high body）。）。事实上，一个液压系统的事实上，一个液压系统的理论黏度理论黏度是适中的。过高是适中的。过高的黏度的黏度会导致会导致（

37、In reality,the ideal viscosity for a given hydraulic system is a compromise.Too high a viscosity results in）：）：流动阻尼高，导致黏滞出现（流动阻尼高，导致黏滞出现（High resistance to flow,which causes sluggish operation）；）；由于摩擦损失，增大功率消耗（由于摩擦损失，增大功率消耗（Increased power consumption due to frictional losses）；）；通过液压阀及管路的压降增加（通过液压阀及

38、管路的压降增加（Increased pressure drop throughvalves and lines）；）；摩擦摩擦使油温升高（使油温升高（High temperatures caused by friction）。）。另另一方面一方面，黏度，黏度太低，又会导致（太低，又会导致（On the other hand,if the viscosity is too low,the result is）：）：泄漏增加（泄漏增加（Increased leakage losses past seals）；）；由于两个相对运动部件间的油膜被破坏而导致过度磨损（由于两个相对运动部件间的油膜被破坏而

39、导致过度磨损（Excessive wear due to breakdown of the oil film between moving parts）。）。2.5 帕斯卡原理帕斯卡原理（Pascals Law and Applications）1.帕斯卡原理（帕斯卡原理（Pascals law）帕斯卡帕斯卡原理揭示了流体传动的基本原理。它表明了作用在密闭流体原理揭示了流体传动的基本原理。它表明了作用在密闭流体上的压力等值地向各个方向传递（上的压力等值地向各个方向传递（Pascals law reveals the underlying principle of how fluids tran

40、smit power.It states that pressure applied to a confined fluid is transmitted undiminished in all directions）。）。右图显示了帕斯卡右图显示了帕斯卡原理如何能被原理如何能被用来用来在一台液压机在一台液压机中产生中产生一一个实用并个实用并放大放大的的输出力（输出力（Right figure shows how Pascals law Can be applied to produce a useful amplified output force such as in a hydrauli

41、c press）。）。在小活塞上施加力在小活塞上施加力F1时，在整个时，在整个容器中将产生压力容器中将产生压力p=F1/A1，它以相同它以相同大大小传小传向液体向液体各部分，各部分，p作用在大活塞作用在大活塞上将产生力上将产生力F2=pA2。它们的关系是它们的关系是F1/F2=A1/A2或或F2=（A2/A1）F1，由此，由此可可看出看出，由于，由于A2A1，故，故F2F1，即，即进行进行了力的放大，放大比为了力的放大，放大比为A2/A1（An input force of F1 is applied to a small piston,this develops a p=F1/A1 pres

42、sure throughout the container,it is same size pass to various parts of the fluid,this p pressure acts on a large piston.Their relationship is F1/F2=A1/A2 or F2=（A2/A1）F1,which can been seen,A2A1,therefore the F2F1,the amplification of the force,amplification ratio A2/A1）。）。在图中，如果大活塞上无重物，那么在液体中不会产生压力

43、由此可在图中，如果大活塞上无重物，那么在液体中不会产生压力由此可知，在密闭容器流体系统中的知，在密闭容器流体系统中的压力是由外界负载决定的压力是由外界负载决定的（In the figure,if the piston weights,does not produce pressure in the liquid.Therefore,the pressure in the fluid system in the airtight container is a decision by an external load）。）。2.帕斯卡原理的应用（帕斯卡原理的应用（Applications of p

44、ascals law）我们将探讨一个帕斯卡原理的基本应用：液压千斤顶（我们将探讨一个帕斯卡原理的基本应用：液压千斤顶（We shell examine the basic application of Pascals law:the hydraulic jack）。）。这个系统使用一个活塞式手动泵来驱动一这个系统使用一个活塞式手动泵来驱动一个单作用液压缸，如图。其工作原理如下（个单作用液压缸，如图。其工作原理如下（The system uses a piston-type hand pump to power a single-acting hydraulic cylinder,as illu

45、strated in Fig.The operation is as follows）。）。一手动力作用在手柄一手动力作用在手柄ABC的的A点，手柄可点，手柄可绕绕C点旋转。手动泵的活塞杆与手柄点旋转。手动泵的活塞杆与手柄的的B点铰接。点铰接。手动泵实际上是一个内有可自由上下运动活塞手动泵实际上是一个内有可自由上下运动活塞的的液压缸。活液压缸。活塞和塞和活活塞杆是塞杆是固连在一起的（固连在一起的（A hand force is applied at point A of handle ABC,which pivots about point C.The piston rod of hand p

46、ump is pinned to the input handle at point B.The hand pump essentially consists of a cylinder containing a piston which is free to move up and down.The piston and rod are rigidly connected together）。）。当用手提起手柄时，活塞上升并在当用手提起手柄时，活塞上升并在其下其下腔腔产生真空。其结果是，油箱中的油液在大气压的作用下经过单向阀产生真空。其结果是，油箱中的油液在大气压的作用下经过单向阀1流流入手

47、动泵的下腔。这是吸油过程。单向阀是仅允许油液单向通过的元入手动泵的下腔。这是吸油过程。单向阀是仅允许油液单向通过的元件，用箭头表示（件，用箭头表示（When the handle is pulled up,the piston rises and creates a vacuum in the space below it As a result,atmospheric pressure forces oil to leave the oil tank and flow through check valve 1.This is thesuction process.A check valve

48、 is a component which allows flow to pass in only one direction,as indicated by the arrow）。）。当用手压下手柄时，油液被从手动当用手压下手柄时，油液被从手动泵中挤出泵中挤出并并通过单向阀通过单向阀2进入负载缸的下腔。负载缸进入负载缸的下腔。负载缸在结在结构构上与手动泵相似，也是内有一个活塞和活上与手动泵相似，也是内有一个活塞和活塞杆塞杆的的液压缸。当油液被挤出油泵并在流入下腔液压缸。当油液被挤出油泵并在流入下腔时受时受到到阻力，在负载活塞下就产生压力。由帕斯阻力，在负载活塞下就产生压力。由帕斯卡原卡原理理

49、我们可知作用在负载活塞上的我们可知作用在负载活塞上的压力等于油泵下腔产生的压力。因此，压力等于油泵下腔产生的压力。因此，手柄的每一次上下循环，一定体积的油液就从油泵中被挤出从手柄的每一次上下循环，一定体积的油液就从油泵中被挤出从而克服负而克服负载阻力使负载缸升高一定距离。放油阀是一个手动阀，当它打开时，从载阻力使负载缸升高一定距离。放油阀是一个手动阀，当它打开时，从负载缸放油回油箱使负载下行。应该注意油液从每一个液压缸里流入和负载缸放油回油箱使负载下行。应该注意油液从每一个液压缸里流入和流出都仅在其一端。这样的液压缸称为流出都仅在其一端。这样的液压缸称为单作用单作用，因为液压驱动仅向，因为液压

50、驱动仅向一个方向。在图中的液压千斤顶中，当放油阀打开时活塞的缩回是靠负一个方向。在图中的液压千斤顶中，当放油阀打开时活塞的缩回是靠负 载载的的自重（自重（When the handle is then pushed down,oil is ejected from the hand pump and flows through check valve 2 and enters the bottom end of load cylinder.The load cylinder is similar in construction to the pump cylinder and contains