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    液壓傳動基礎知識

    • 發布時間:2021-03-10
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    【概要描述】 介紹有關液壓傳動的流體力學基礎,重點為液體靜壓方程、連續性方程、伯努力方程的應用,壓力損失、小孔流量的計算。讓大家理解基本概念、牢記公式并會應用。

    液壓傳動基礎知識

    【概要描述】
    介紹有關液壓傳動的流體力學基礎,重點為液體靜壓方程、連續性方程、伯努力方程的應用,壓力損失、小孔流量的計算。讓大家理解基本概念、牢記公式并會應用。

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    介紹有關液壓傳動的流體力學基礎,重點為液體靜壓方程、連續性方程、伯努力方程的應用,壓力損失、小孔流量的計算。讓大家理解基本概念、牢記公式并會應用。

    第一節   液壓傳動工作介質

        液壓油是液壓傳動系統中的傳動介質,而且還對液壓裝置的機構、零件起這潤滑、冷卻和防銹作用。液壓傳動系統的壓力、溫度和流速在很大的范圍內變化,因此液壓油的質量優劣直接影響液壓系統的工作性能。故此,合理的選用液壓油也是很重要的。

     

    一、液壓傳動工作介質的性質

    1、  密度  ρ  

                 ρ = m/V    [kg/ m3]

    一般礦物油的密度為850~950kg/m3

    2、重度   γ

               γ= G/V     [N/ m3]

     一般礦物油的重度為8400~9500N/m3

         G = mg          所以  γ= G/V=ρg

     

        3、液體的可壓縮性

       當液體受壓力作用二體積減小的特性稱為液體的可壓縮性。

       體積壓縮系數 β= - V/▽pV0

    ▽體積彈性模量K = 1 /β

    4、  流體的粘性

        液體在外力作用下流動時,由于液體分子間的內聚力而產生一種阻礙液體分子之間進行相對運動的內摩擦力,液體的這種產生內摩擦力的性質稱為液體的粘性。由于液體具有粘性,當流體發生剪切變形時,流體內就產生阻滯變形的內摩擦力,由此可見,粘性表征了流體抵抗剪切變形的能力。處于相對靜止狀態的流體中不存在剪切變形,因而也不存在變形的抵抗,只有當運動流體流層間發生相對運動時,流體對剪切變形的抵抗,也就是粘性才表現出來。粘性所起的作用為阻滯流體內部的相互滑動,在任何情況下它都只能延緩滑動的過程而不能消除這種滑動。

    粘性的大小可用粘度來衡量,粘度是選擇液壓用流體的主要指標,是影響流動流體的重要物理性質。

     

    當液體流動時,由于液體與固體壁面的附著力及流體本身的粘性使流體內各處的速度大小不等,以流體沿如圖2-2所示的平行平板間的流動情況為例,設上平板以速度u0向右運動,下平板固定不動。緊貼于上平板上的流體粘附于上平板上,其速度與上平板相同。緊貼于下平板上的流體粘附于下平板圖2-2液體的粘性示意圖上,其速度為零。中間流體的速度按線性分布。我們把這種流動看成是許多無限薄的流體層在運動,當運動較快的流體層在運動較慢的流體層上滑過時,兩層間由于粘性就產生內摩擦力的作用。根據實際測定的數據所知,流體層間的內摩擦力F與流體層的接觸面積A及流體層的相對流速du成正比,而與此二流體層間的距離dz成反比,即:

    F=μAdu/dz

    τ=F/A表示切應力,則有:

    τ=μdu/dz            (2-6)

    式中:μ為衡量流體粘性的比例系數,稱為絕對粘度或動力粘度;du/dz表示流體層間速度差異的程度,稱為速度梯度。

    上式是液體內摩擦定律的數學表達式。當速度梯度變化時,μ為不變常數的流體稱為牛頓流體,μ為變數的流體稱為非牛頓流體。除高粘性或含有大量特種添加劑的液體外,一般的液壓用流體均可看作是牛頓流體。

    流體的粘度通常有三種不同的測試單位。(1)絕對粘度μ。絕對粘度又稱動力粘度,它直接表示流體的粘性即內摩擦力的大小。動力粘度μ在物理意義上講,是當速度梯度du/dz=1時,單位面積上的內摩擦力的大小,即:

                  (2-7)

    動力粘度的國際(SI)計量單位為牛頓·秒/米2,符號為N·s/m2,或為帕·秒,符號為Pa·s。

    (2)運動粘度ν。運動粘度是絕對粘度μ與密度ρ的比值:

    ν=μ/ρ                   (2-8)

    式中:ν為液體的動力粘度,m2/s;ρ為液體的密度,kg/m3。

    運動粘度的SI單位為米2/秒,m2/s。還可用CGS制單位:斯(托克斯),St斯的單位太大,應用不便,常用1%斯,即1厘斯來表示,符號為cSt,故:

    1cSt=10-2St=10-6m2/s

    運動粘度ν沒有什么明確的物理意義,它不能像μ一樣直接表示流體的粘性大小,但對ρ值相近的流體,例如各種礦物油系液壓油之間,還是可用來大致比較它們的粘性。由于在理論分析和計算中常常碰到絕對粘度與密度的比值,為方便起見才采用運動粘度這個單位來代替μ/ρ。它之所以被稱為運動粘度,是因為在它的量綱中只有運動學的要素長度和時間因次的緣故。機械油的牌號上所標明的號數就是表明以厘斯為單位的,在溫度50℃時運動粘度ν的平均值。例如10號機械油指明該油在50℃時其運動粘度ν的平均值是10cSt。蒸餾水在20.2℃時的運動粘度ν恰好等于1cSt,所以從機械油的牌號即可知道該油的運動粘度。例如20號油說明該油的運動粘度約為水的運動粘度的20倍,30號油的運動粘度約為水的運動粘度的30倍,如此類推。動力粘度和運動粘度是理論分析和推導中經常使用的粘度單位。它們都難以直接測量,因此,工程上采用另一種可用儀器直接測量的粘度單位,即相對粘度。

    (3)相對粘度。相對粘度是以相對于蒸餾水的粘性的大小來表示該液體的粘性的。相對粘度又稱條件粘度。各國采用的相對粘度單位有所不同。有的用賽氏粘度,有的用雷氏粘度,我國采用恩氏粘度。恩氏粘度的測定方法如下:測定200cm3某一溫度的被測液體在自重作用下流過直徑2.8mm小孔所需的時間tA,然后測出同體積的蒸餾水在20℃時流過同一孔所需時間tB(tB=50~52s),tAtB的比值即為流體的恩氏粘度值。恩氏粘度用符號°E表示。被測液體溫度t℃時的恩氏粘度用符號°Et表示。

    °Et= tA/tB                          (2-9)

    工業上一般以20℃、50℃和100℃作為測定恩氏粘度的標準溫度,并相應地以符號

    °E20、°E50°E100來表示。

    知道恩氏粘度以后,利用下列的經驗公式,將恩氏粘度換算成運動粘度。

    ν=7.31°E-6.31/°E×10-6                                (2-10)

    為了使液體介質得到所需要的粘度,可以采用兩種不同粘度的液體按一定比例混合,混合后

    的粘度可按下列經驗公式計算。

    °E=[a°E1+b°E2-c(°E1-°E2)]/100            (2-11)

    式中:°E為混合液體的恩氏粘度;°E1,°E2分別為用于混合的兩種油液的恩氏粘度,

    °E1°E2;a,b分別為用于混合的兩種液體°E1、°E2各占的百分數,a+b=100;c為與a、b有關的實驗系數,見表2-1。

    2-1                     系數c的值

    a/%

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    b/%

    90

    80

    70

    60

    50

    40

    30

    20

     

    10

     

    c

    6.7

    13.1

    17.9

    22.1

    25.5

    27.9

    28.2

    25

    17

     

     (4)壓力對粘度的影響。在一般情況下,壓力對粘度的影響比較小,在工程中當壓力低于5MPa時,粘度值的變化很小,可以不考慮。當液體所受的壓力加大時,分子之間的距離縮小,內聚力增大,其粘度也隨之增大。因此,在壓力很高以及壓力變化很大的情況下,粘度值的變化就不能忽視。在工程實際應用中,當液體壓力在低于50MPa的情況下,可用下式計算其粘度:

    νp0(1+αp)                              (2-12)

    式中:νp為壓力在p(Pa)時的運動粘度;ν0為絕對壓力為1個大氣壓時的運動粘度;p為壓力(Pa);α為決定于油的粘度及油溫的系數,一般取α=(0.002~0.004)×10-5,1/Pa。

    (5)溫度對粘度的影響。液壓油粘度對溫度的變化是十分敏感的,當溫度升高時,其分子之間的內聚力減小,粘度就隨之降低。不同種類的液壓油,它的粘度隨溫度變化的規律也不同。我國常用粘溫圖表示油液粘度隨溫度變化的關系。對于一般常用的液壓油,當運動粘度不超過76mm2/s,溫度在30~150℃范圍內時,可用下述近似公式計算其溫度為t℃的運動粘度:

    νt50(50/t)n                                              (2-13)

    式中:νt為溫度在t℃時油的運動粘度;ν50為溫度為50℃時油的運動粘度;n為粘溫指數。粘溫指數n隨油的粘度而變化,其值可參考表2-2。

    2-2粘溫指數

    ν50/mm2·s-1

    2.5

    6.5

    9.5

    12

    21

    30

    38

    45

    52

    60

    n

    1.39

    1.59

    1.72

    1.79

    1.99

    2.13

    2.24

    2.32

    2.42

    2.49

     

    二、對液壓傳動工作介質的要求

    液壓油是液壓傳動系統的重要組成部分,是用來傳遞能量的工作介質。除了傳遞能量外,它還起著潤滑運動部件和保護金屬不被銹蝕的作用。液壓油的質量及其各種性能將直接影響液壓系統的工作。從液壓系統使用油液的要求來看,有下面幾點: 

    1.適宜的粘度和良好的粘溫性能一般液壓系統所用的液壓油其粘度范圍為:

    ν=11.5×10-635.3×10-6m2/s(2~5°E50)

    2.潤滑性能好在液壓傳動機械設備中,除液壓元件外,其他一些有相對滑動的零件也要用液壓油來潤滑,因此,液壓油應具有良好的潤滑性能。為了改善液壓油的潤滑性能,可加入添加劑以增加其潤滑性能。

    3.良好的化學穩定性即對熱、氧化、水解、相容都具有良好的穩定性。

    4.對液壓裝置及相對運動的元件具有良好的潤滑性

    5.對金屬材料具有防銹性和防腐性

    6.比熱、熱傳導率大,熱膨脹系數小

    7.抗泡沫性好,抗乳化性好

    8.油液純凈,含雜質量少

    9.流動點和凝固點低,閃點(明火能使油面上油蒸氣內燃,但油本身不燃燒的溫度)和燃點高

    此外,對油液的無毒性、價格便宜等,也應根據不同的情況有所要求。

     

     

    三、工作介質的分類及選用

     

    1、分類

                     普通液壓油

                     專用液壓油

    1、石油基液壓油

                     抗磨液壓油

                    高粘度指數液壓油

     

    石油基液壓油是以石油地精煉物未基礎,加入抗氧化或抗磨劑等混合而成的液壓油,不同性能、不同品種、不同精度則加入不同的添加劑。

                       合成液壓油——磷酸酯液壓油

    2、難燃液壓油                   ——乙二醇液壓油

                      含水液壓油              油包稅乳化液

                                    乳化液

                                             水包油乳化油

    1)石油基液壓油  這種液壓油是以石油的精煉物為基礎,加入各種為改進性

    能的添加劑而成。添加劑有抗氧添加劑、油性添加劑、抗磨添加劑等。不同工作條件要求具有不同性能的液壓油,不同品種的液壓油是由于精制程度不同和加入不同的添加劑而成。

    2)成添加劑  磷酸脂液壓油是難燃液壓油之一。它的使用范圍寬,可達-54~135℃??谷夹院?,氧化安定性和潤滑性都很好。缺點是與多種密封材料的相容性很差,有一定的毒性。

    3)—乙二醇液壓油  這種液體由水、乙二醇和添加劑組成,而蒸餾水占35%~55%,因而抗燃性好。這種液體的凝固點低,達-50℃,粘度指數高(130~170),為牛頓流體。缺點是能使油漆涂料變軟。但對一般密封材料無影響。

    4)乳化液  乳化液屬抗燃液壓油,它由水、基礎油和各種添加劑組成。分水包油乳化液和油包水乳化液,前者含水量達90%~95%,后者含水量大40%。

     

    2、選用

    正確而合理地選用液壓油,乃是保證液壓設備高效率正常運轉的前提。

    選用液壓油時,可根據液壓元件生產廠樣本和說明書所推薦的品種號數來選用液壓油,或者根據液壓系統的工作壓力、工作溫度、液壓元件種類及經濟性等因素全面考慮,一般是先確定適用的粘度范圍,再選擇合適的液壓油品種。同時還要考慮液壓系統工作條件的特殊要求,如在寒冷地區工作的系統則要求油的粘度指數高、低溫流動性好、凝固點低;伺服系統則要求油質純、壓縮性??;高壓系統則要求油液抗磨性好。在選用液壓油時,粘度是一個重要的參數。粘度的高低將影響運動部件的潤滑、縫隙的泄漏以及流動時的壓力損失、系統的發熱溫升等。所以,在環境溫度較高,工作壓力高或運動速度較低時,為減少泄漏,應選用粘度較高的液壓油,否則相反。

    液壓油的牌號(即數字)表示在40℃下油液運動粘度的平均值(單位為cSt)。原名內為過去的牌號,其中的數字表示在50℃時油液運動粘度的平均值。

    但是總的來說,應盡量選用較好的液壓油,雖然初始成本要高些,但由于優質油使用壽命長,對元件損害小,所以從整個使用周期看,其經濟性要比選用劣質油好些。

    2-3             常見液壓油系列品種

    種類

    牌號

    用途

    油名

    代號

    普通液壓油

    N32號液壓油

    N68G號液壓油

    YA-N32

    YA-N68

    20號精密機床液壓油

    40號液壓—導軌油

    用于環境溫度0~45℃工作的各類液壓泵的中、低壓液壓系統

    抗磨液壓油

    N32號抗磨液壓油N150號抗磨液壓油N168K號抗磨液壓油

    YA-N32 YA-N150 YA-N168 K

    20抗磨液壓油

    80抗磨液壓油

    40抗磨液壓油

    用于環境溫度-10~40℃工作的高壓柱塞泵或其他泵的中、高壓系統

    低溫液壓油

    N15號低溫液壓油N46D號低溫液壓油

    YA-N15 YA-N46 D

    低凝液壓油

    工程液壓油

    用于環境溫度-20℃至高于40℃工作的各類高壓油泵系統

    高粘度指數液壓油

    N32H號高粘度指數液壓油

    YD-N32 D

     

    用于溫度變化不大且對粘溫性能要求更高的液壓系統

     

    四、液壓油的污染與防護

    液壓油是否清潔,不僅影響液壓系統的工作性能和液壓元件的使用壽命,而且直接關系到液壓系統是否能正常工作。液壓系統多數故障與液壓油受到污染有關,因此控制液壓油的污染是十分重要的。

    1.液壓油被污染的原因液壓油被污染的原因主要有以下幾方面:

    (1)液壓系統的管道及液壓元件內的型砂、切屑、磨料、焊渣、銹片、灰塵等污垢在系統使用前沖洗時未被洗干凈,在液壓系統工作時,這些污垢就進入到液壓油里。

    (2)外界的灰塵、砂粒等,在液壓系統工作過程中通過往復伸縮的活塞桿,流回油箱的漏油等進入液壓油里。另外在檢修時,稍不注意也會使灰塵、棉絨等進入液壓油里。

    (3)液壓系統本身也不斷地產生污垢,而直接進入液壓油里,如金屬和密封材料的磨損顆粒,過濾材料脫落的顆?;蚶w維及油液因油溫升高氧化變質而生成的膠狀物等。

    2.油液污染的危害

    液壓油污染嚴重時,直接影響液壓系統的工作性能,使液壓系統經常發生故障,使液壓元件壽命縮短。造成這些危害的原因主要是污垢中的顆粒。對于液壓元件來說,由于這些固體顆粒進入到元件里,會使元件的滑動部分磨損加劇,并可能堵塞液壓元件里的節流孔、阻尼孔,或使閥芯卡死,從而造成液壓系統的故障。水分和空氣的混入使液壓油的潤滑能力降低并使它加速氧化變質,產生氣蝕,使液壓元件加速腐蝕,使液壓系統出現振動、爬行等。

    3.防止污染的措施

    造成液壓油污染的原因多而復雜,液壓油自身又在不斷地產生臟物,因此要徹底解決液壓油的污染問題是很困難的。為了延長液壓元件的壽命,保證液壓系統可靠地工作,將液壓油的污染度控制在某一限度以內是較為切實可行的辦法。對液壓油的污染控制工作主要是從兩個方面著手:一是防止污染物侵入液壓系統;二是把已經侵入的污染物從系統中清楚出去。污染控制要貫穿于整個液壓裝置的設計、制造、安裝、使用、維護和修理等各個階段。

    為防止油液污染,在實際工作中應采取如下措施:

    (1)      使液壓油在使用前保持清潔。液壓油在運輸和保管過程中都會受到外界污染,新買

    來的液壓油看上去很清潔,其實很“臟”,必須將其靜放數天后經過濾加入液壓系統中使用。

    (2)使液壓系統在裝配后、運轉前保持清潔。液壓元件在加工和裝配過程中必須清洗干凈,液壓系統在裝配后、運轉前應徹底進行清洗,最好用系統工作中使用的油液清洗,清洗時油箱除通氣孔(加防塵罩)外必須全部密封,密封件不可有飛邊、毛刺。

    (3)使液壓油在工作中保持清潔。液壓油在工作過程中會受到環境污染,因此應盡量防止工作中空氣和水分的侵入,為完全消除水、氣和污染物的侵入,采用密封油箱,通氣孔上加空氣濾清器,防止塵土、磨料和冷卻液侵入,經常檢查并定期更換密封件和蓄能器中的膠囊。

    (4)采用合適的濾油器。這是控制液壓油污染的重要手段。應根據設備的要求,在液壓系統中選用不同的過濾方式,不同的精度和不同的結構的濾油器,并要定期檢查和清洗濾油器和油箱。

    (5)定期更換液壓油。更換新油前,油箱必須先清洗一次,系統較臟時,可用煤油清洗,排盡后注入新油。

    (6)控制液壓油的工作溫度。液壓油的工作溫度過高對液壓裝置不利,液壓油本身也會加速化變質,產生各種生成物,縮短它的使用期限,一般液壓系統的工作溫度最好控制在65℃以下,機床液壓系統則應控制在55℃以下。

     

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