第二章 液压传动中的工作液体参考资料.docx
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第二章液压传动中的工作液体参考资料
2液压传动中的工作液体
工作液体是液压能的载体,其基本功能是进行能量的转换和传递。
此外,它还对液压元件和系统进行润滑和冷却。
2.1液体的主要物理性质
2.1.1液体的压缩性
液体体积随作用压力的变化而体积发生相应变化的性质称为液体的压缩性。
压缩性大小用压缩系数β表示,即
(Pa-1)(2-1)
其平均值:
(2-2)
式中:
p、p′—压力(Pa);
V、V′—压力为p和p′的液体体积(m3);
dp—压力增量(Pa);
dV—压力增加到p+dp时的液体体积减少量();
既然液体具有压缩性这一物理性质,那么当液体受到压缩时,它必然产生一种向外膨胀的力,当液体受到压缩时,所产生的这种向外膨胀的力,可以看成是一种弹性力,其大小用弹性系数K来表示。
(Pa)(2-3)
2.1.2粘性
粘性是液体阻止自身发生剪切变形的一种特性,它存在于液体的内部。
由于液体粘性的存在,液体在流动过程中,因克服自身的内摩擦力必然要做功。
因此,液体的粘性是液体中产生机械能量损失的根源。
(1)牛顿内摩擦定律
图2-1平行平板流动
如图2-1所示,Ⅰ和Ⅱ为互相平行的两块平板,其间充满液体。
若Ⅱ板固定,而Ⅰ板以某一等速向右平移。
由于液体附着力的作用,直接与Ⅰ板相接触的液体层,将具有同Ⅰ板相同的速度而随之移动,紧靠Ⅱ板的液体层则不动,但中间各层液体由于其质点间的内摩擦力作用,层与层之间互相影响,相沿着滑动。
流速较快的液体层,对相邻流速较慢的液体层,有一个加速作用,流速较慢的液体层,对相邻流速较快的液体层,有一个减速的作用,在流速不同的液体层之间,粘性引起的内摩擦力是成对出现的。
经过实验得知,两平板间各层液体的速度变化如图中所示,各层间产生的内摩擦力F,与接触面积A,相对速度差du成正比,而与垂直距离dy成反比,即F∞Adu/dy,如乘以比例常数,则有:
(2-4)
令为单位面积上的内摩擦力,即内摩擦应力(或切应力),于是:
(N/m2)(2-5)
式(2-4),(2-5)中的du/dy称为速度梯度,即速度在垂直于该速度方向上的变化率。
(2)动力粘度
式(2-4),(2-5)中的比例系数μ,它代表着液体的一种物理性质—粘性,称为绝对粘度或动力粘度。
它表示两层相距1m,具有相对速度1的相对滑动的液体,在其1的接触面上所发生的内摩擦力的大小。
其单位为N.s/m2。
(3)运动粘度
在实际应用中,常常运用动力粘度与密度的比值,即运动粘度,来得到液体运动粘度的大小。
运动粘度用表示。
则:
()(2-6)
液压油的牌号一般都以运动粘度的的运动粘度值来表示。
比如:
20号机械油,指的就是这种油在50℃时的运动粘度的平均值。
(4)相对粘度(条件粘度)
由于液体的动力粘度和运动粘度直接测量比较困难,因此,在工程上常采用另一种可用仪器直接测量的粘度表示方法,即相对粘度。
各国采用的相对粘度的单位有所不同。
我国同欧洲一些国家采用恩氏粘度。
恩氏粘度的测定方法是利用恩氏粘度计。
在一定温度下,将200mL的被测液体从恩氏粘度计流出所需时间t于同体积20℃下的蒸馏水从该恩氏粘度计中流出所需时间tB之比称为恩氏粘度,用符号表示。
(2-7)
一般均以50℃为测量时的标准温度,记符号。
从上式看出,恩氏粘度只是一个比值,没有因次。
恩氏粘度与运动粘度之间的换算关系为:
()(2-8)
(5)油液粘性与压力、温度的关系
1)粘性与压力的关系
一般而言,油液所受压力增大,其粘性变大。
在压力不高且变化不大时,压力对粘性的影响可以忽略不计。
在压力较高或变化较大时,需要考虑压力对粘性的影响。
油液的粘度与压力的关系可用下式表示:
式中,μp-所求液体在压力为p时的动力粘度;
μ0-该液体在大气压力下的动力粘度;
b-粘性-压力指数,不同的液体具有不同的b值,一般为(0.002~0.004)×10-5Pa-1;
p-液体压力,Pa。
液体中只有水在24℃时,其粘度随压力的增加反而稍有减少。
2)粘性与温度的关系
油液粘性对温度十分敏感,当油液温度升高时,粘性下降。
油液的粘度与温度之间的关系称为油液的粘温特性。
一般可用粘温计算图、经验公式或粘度指数Ⅵ来描述粘温特性。
图2-2粘度指数
粘度指数Ⅵ是油液粘温特性的相对比较值。
如图2-2所示,被试液、Ⅵ=100的标准油和Ⅵ=0的标准油,三者在100℃时有相同的粘度,而在40℃时的粘度分别为U、H和L,按规定:
当0≤Ⅵ≤100时,Ⅵ=100(L-U)/(L-H)
当Ⅵ≥100时,Ⅵ=(10N–1/0.00715)+100
其中N=(lgH-lg)/lg
显然,曲线越平坦,Ⅵ越大。
在计算Ⅵ时,L和(L-H)的数值可在有关的手册中查出。
矿物油的Ⅵ一般为70~110,油包水乳化液的Ⅵ为130~170,水-乙二醇的Ⅵ为140~170,水包油乳化液的Ⅵ达180,磷酸酯的Ⅵ则为零以下,环烷基油液的Ⅵ=0,石腊基油液的Ⅵ≈100。
液压系统一般要求工作液体的Ⅵ在90以上,优异的在100以上。
油液的动力粘度与压力、温度的关系可用如下经验公式表示:
(2-9)
式中,μ-压力为p、温度为t时的动力粘度;
μ0-大气压下、温度为t0时的动力粘度;
λ-油液的粘温系数,对石油基液压油λ=0.017~0.050,具体数值随油品而异。
2.4液压冲击与气穴现象
2.4.1液压冲击
在液压系统中,由于某种原因使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。
液压冲击产生的压力峰值往往比正常工作压力高很多,可能达到管中原来正常压强的几十倍甚至几百倍,而且增压和减压交替频率很高,且常伴有噪声和振动,严重时会损坏液压元件,密封装置和管件等,有时还会引起某些液压元件的误操作。
例如:
安全阀溢流,单向阀反打等。
因此必须采取措施减少或防止液压冲击。
图2-4液流突然停止流动时的液压冲击
一般地液压冲击表现为两大类:
(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。
如图2-4所示。
下面对图2-4所示管路发生液压冲击时压强变化的情形进行分析。
第一阶段,增压减速阶段。
增压(p0+△p)弹性波由阀门向上游水波传递。
在水头为的作用下,水以速度从上游水波流向下游出口。
当水管下游阀门突然关闭,则紧靠阀门的第一层水m-m受阀门力的作用便停止流动,它的动量在阀门关闭的这一瞬间便发生突然变化由变为零。
根据作用力和反作用力相等的原理,则液体也以同样大小的力作用于阀门,使得阀门附近压力骤然升高到p0+△p。
于是在管流m-n段上产生了两种变形—水的压缩和管壁的胀大。
当靠近阀门的第一层水停止运动后,第二层以后的各层都相继地停止下来,直到靠近水池的M-M层为止。
水流速度υ0与动量相继减小必然引起压强的相继增高,出现了全管液体暂时的静止受压和整个管壁被胀大的状态。
以c表示水击波的传递速度,l表示水管长度,则经过时间t=l/c后,自阀门开始的水击波便传到了水池,这时管内的全部液体便处在p0+△p作用下的受压缩状态。
第二阶段,常压p0弹性波自水池向阀门传递。
由于水池中压强不变,在管路进口M-M处的液体,便在管中水击压强与水池静压强的压差△p作用下,以立即向着水池方向流去。
这样管中水受压缩的状态,便自进口M-M处开始以波速c向下游方向逐层地迅速解除,这就是从水池反射回来的常压p0弹性波。
当t=4l/c时,整个管中水流恢复到正常压强p0,而且都具有向水池方向的流动速度。
第三阶段,低压(p0-△p)弹性波由阀门处向水波方向传递。
当阀门处的压强恢复到常压p0后,由于液体运动的惯性作用,管中的液体仍然往水池方向流去,致使阀门处的压强急剧降低到常压之下p0-△p,并使将m-m段液体停止下来。
这一低压p0-△p弹性波由阀门处又以波速c向上游进口M-M处传递,直到时间t=3l/c后传到水池口为止,此时管中液体便处在瞬时减压p0-△p的静压状态。
第四阶段,自水池第二次反射回的常压力弹性波向阀门方向传递。
由于进口M-M处,水池压强为p0,而水管压强为p0-△p,则在压差的作用下,水又开始从水池以流向管路。
管中的水又逐层获得向阀门方向的速度,压强也相应地逐层升到常压力p0,这是自水池第二次反射回的常压p0弹性波。
当t=4l/c时,阀门处的压强也恢复到正常压强p0,此时水流恢复到水击未发生的起始正常状态。
因此水击波的周期为t=4l/c。
此后在液体的可压缩性及惯性作用下,上述的弹性波传递、反射、水流方向的来回变动,都将周而复始地进行着,直到水流的阻力损失、管壁和水因变形做功而耗尽了引起水击的能量时,水击现象方才终止。
从以上分析不难看出,引起管路中流速突然变化的因素,如阀门突然关闭,这只是水击现象产生的外界条件;而液体本身可压缩性和惯性是水击现象的内在原因。
图2-5运动部件制动时的液压冲击
(2)运动部件制动时产生的液压冲击
图2-5中,活塞以速度υ0向左运动,活塞和负载的总质量为M,当突然关闭出油口T通道时,油液被封闭在回油腔中。
但由于运动部件的惯性,活塞将继续运动一段距离x后才停止,使液压缸左腔油液受到压缩,从而引起液体压力急剧增加。
运动部件的动能被回油腔中油液所形成的液体弹簧所吸收。
若不考虑损失,可得到压力峰值的近似表达式为:
(2-8)
式中:
k—液体的体积弹性系数;
V—回油腔中被封闭的油液容积;
—运动部件制动前的速度;
M—运动部件的总质量。
2.4.2气穴与气蚀现象
气体常常以混入和溶解两种形式侵入液体内。
混入液体中的气体,大多以0.25~0.5mm直径的气泡悬浮于其中,呈游离状态。
溶解于液体中的气体溶解量与其绝对压力成正比。
常温常压下液体中空气溶解量约占总体积的6~12%。
(1)气穴现象
液压传动中的工作液体里的空气溶解量都按一个大气压时的溶解量考虑。
当压力小于一个大气压时,溶解于液体中的空气处于过饱和状态,过饱和的空气将从液体中分离出来形成气泡。
在液流中,由于压力降低,致使有气泡形成的现象统称为气穴现象。
当压力降到一定值,液体中形成一定体积的气泡,它是以微细气泡为核,体积膨胀并相互聚合,这种现象称为轻微气穴。
压力降到空气分离压时,除有上述现象外,原来溶解于液体中的空气游离出来,产生大量气泡,这种现象称为严重气穴。
压力继续降低到相应温度液体的饱和蒸汽压时,上述现象不但要继续加重,而且油液将会沸腾、汽化,产生大量气泡,使得油液变成混有许多气泡的不连续的状态,这种现象称为强烈气穴。
(2)气蚀现象
液压系统产生气穴后,气泡随着流动的液体被带到高压区时,气泡体积急剧缩小或溃灭,并又重新混入或溶于油液中凝结成液体,使局部形成真空,周围的液体质点就会以高速填补这一空间,液体质点互相碰撞而产生局部高温和高压,产生液压冲击,并伴有噪音和振动。
如果反复的液压冲击和高温作用于固体壁面上,可引起固体壁面的氧化腐蚀,并产生剥落破坏,这种因气穴现象而产生的零件剥蚀现象称为气蚀现象。
气蚀现象的产生会大大缩短液压元件的使用寿命,恶化系统的工作性能,因此必须防止其发生。
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